Microspheres and microcapsules, a survey of manufacturing techniques: Part III: Solvent evaporation

A methodological survey of microsphere formation and microencapsulation techniques based on solvent extraction/evaporation techniques is presented. Thus, basic features of solvent extraction and solvent evaporation processes, including droplet formation, droplet/particle stabilization, and solvent removal, are outlined. Preparation of a wide range of microspherical and microcapsular products based on biodegradable polyesters, polysaccharides, and nonbiodegradable polymers are discussed. Dependence of microcapsule characteristics on manufacturing parameters, as well as performance evaluation of microspherical and microcapsular products, are also briefly covered.

Preparation and application of single polyelectrolyte microcapsules possessing tunable autofluorescent properties

Autofluorescent single polyelectrolyte microcapsules, exemplified by poly-L-lysine (PLL), have been prepared through glutaraldehyde-mediated covalent layer-by-layer (LbL) assembly and subsequent core removal. CaCO3 microparticles were used as template cores for the LbL deposition and removed by treatment of ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt (EDTA). The prepared microcapsules, without conjugating an exterior fluorochrome, exhibited evenly distributed fluorescence.

Hollow DNA/PLL microcapsules with tunable degradation property as efficient dual drug delivery vehicles by alpha-chymotrypsin degradation

Hollow deoxyribonucleic acid (DNA)/poly-L-lysine (PLL) capsules were successfully fabricated through a layer-by-layer (LbL) self-assembly of DNA and PLL on porous CaCO3 microparticles, followed by removal of templates with ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt (EDTA). The enzymatic degradation of the capsules in the presence of alpha-chymotrypsin was explored. The higher the enzyme concentration, the higher is the degradation rate of hollow capsules. in addition, glutaric dialdehyde (GA) cross-linking was found to be another way to manipulate degradation rate of hollow capsules.

A facile pathway to prepare enzymatically degradable microcapsules with tunable capsule shell properties

Dextran sulfate (DS)/poly-L-lysine (PLL) microcapsules are fabricated by an in situ coacervation method using DS-doped CaCO3 microparticles as templates. Twinned superstructures or spherical CaCO3 microparticles are produced depending on DS concentration in the starting Solution. DS/PLL microcapsules with ellipsoidal or spherical outline are obtained after removal of templates in disodium ethylene diamine tetraacetate dehydrate (EDTA) without PLL. Their shell thickness and negative surface charges increase with the DS weight percentage in the templates. The surface potential of DS/PLL microcapsules.

Preparation of Aqueous Core/Polymer Shell Microcapsules by Internal Phase Separation

Aqueous core/polymer shell microcapsules with mommuclear and polynuclear core morphologies have been formed by internal phase separation from water-in-oil emulsions. The water-in-oil emulsions were prepared with the shell polymer dissolved in the aqueous phase by adding a low boiling point cosolvent. Subsequent removal of this cosolvent (by evaporation) leads to phase separation of the polymer and, if the spreading conditions are correct, formation of a polymer shell encapsulating the aqueous core. Poly(tetrahydrofuran) (PTHF) shell/aqueous core microcapsules, with a single (mononuclear) core, have been prepared, but the low T-g (-84 degreesC) of PTHF makes characterization of the particles more difficult. Poly(methyl methacrylate) and poly(isobutyl methacrylate) have higher T-g values (105 and 55 degreesC, respectively) and can be dissolved in water at sufficiently high acetone concentrations, but evaporation of the acetone from the emulsion droplets in these cases mostly resulted in polynuclear capsules, that is, having cores with many very small water droplets contained within the polymer matrix. Microcapsules with fewer, larger aqueous droplets in the core could be produced by reducing the rate of evaporation of the acetone. A possible mechanism for the formation of these polynuclear cores is suggested. These microcapsules were prepared dispersed in an oil-continuous phase. They could, however, be successfully transferred to a water-continuous phase, using a simple centrifugation technique. In this way, microcapsules with aqueous cores, dispersed in an aqueous medium, could be made. It would appear that a real challenge with the water-core systems, compared to the previous oil-core systems, is to obtain the correct order of magnitude of the three interfacial tensions, between the polymer, the aqueous phase, and the continuous oil phase; these control the spreading conditions necessary to produce shells rather than "acorns".

Test and development of microcapsules for rigid polyurethane foam

Tese de mestrado em Química Tecnológica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Biocompatibilité des microcapsules d'alginate : purification d'alginate, réaction immunitaire de l'hôte et protection du receveur

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon.

Immobilisation d'enzymes par microcapsules polymérisées pour le développement de biocapteurs

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Fabrication, caractérisation et étude électrochimique de microcapsules conductrices à base de dérivés carbazole aminés pour la conception de biopiles enzymatiques

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode.

Production and evaluation of dry alginate-chitosan microcapsules as an enteric delivery vehicle for probiotic bacteria

This study investigates the production of alginate microcapsules, which have been coated with the polysaccharide chitosan, and evaluates some of their properties with the intention of improving the gastrointestinal viability of a probiotic (Bifidobacterium breve) by encapsulation in this system. The microcapsules were dried by a variety of methods, and the most suitable was chosen. The work described in this Article is the first report detailing the effects of drying on the properties of these microcapsules and the viability of the bacteria within relative to wet microcapsules. The pH range over which chitosan and alginate form polyelectrolyte complexes was explored by spectrophotometry, and this extended into swelling studies on the microcapsules over a range of pHs associated with the gastrointestinal tract. It was shown that chitosan stabilizes the alginate microcapsules at pHs above 3, extending the stability of the capsules under these conditions. The effect of chitosan exposure time on the coating thickness was investigated for the first time by confocal laser scanning microscopy, and its penetration into the alginate matrix was shown to be particularly slow. Coating with chitosan was found to increase the survival of B. breve in simulated gastric fluid as well as prolong its release upon exposure to intestinal pH.

Stability of probiotic Lactobacillus plantarum in dry microcapsules under accelerated storage conditions

This study investigated the stability of freeze dried and fluid bed dried alginate microcapsules coated with chitosan containing model probiotic bacteria, Lactobacillus plantarum, during storage for up to 45 days at different water activities (0.11, 0.23, 0.40 and 0.70) and temperatures (4, 30 and 37 °C). The loss in cell viability was around 0.8 log in the case of fluid bed drying and around 1.3 in the case of freeze drying, with the former method resulting in dried capsules of smaller size (~ 1 mm vs 1.3 mm), more irregular shape, and with a rougher surface. In both cases, the water activity and water content were less than 0.25 and 10% w/w, respectively, which favours high storage stability. The storage stability studies demonstrated that as the water activity and temperature decreased the survival of the dried encapsulated cells increased. Considerably better survival was observed for fluid bed dried encapsulated cells compared to freeze dried encapsulated cells and freeze dried free cells with 10% sucrose (control), and in some cases, e.g. at 4 and 30 °C at water activities of 0.11, 0.23 and 0.40, there was more than 1 log difference after 45 days, with concentrations higher than 108 CFU/g after 45 days of storage. The results indicate that fluid bed drying is an effective and efficient manufacturing method to produce probiotic containing capsules with enhanced storage stability.

Microcapsules of a Casein Hydrolysate: Production, Characterization, and Application in Protein Bars

The aim of this work was to encapsulate a casein hydrolysate by spray drying using maltodextrins (DE 10 and 20) as wall materials and to evaluate the efficiency of the microencapsulation in attenuating the bitter taste of the hydrolysate using protein bars as the model system. Microcapsules were evaluated for morphology (SEM), particle size, hygroscopicity, solubility, thermal behavior (DSC), and bitter taste with a trained sensory panel by a paired comparison test (nonencapsulated samples vs. encapsulated samples). Bars were prepared with the addition of 3% casein hydrolysate at free or both encapsulated forms, and were then evaluated for their moisture, water activity (a(w)) and for their bitter taste by a ranking test. Microcapsules were of the matrix type, having continuous surfaces with no apparent porosity for both coatings. Both encapsulated casein hydrolysates had similar hygroscopicity, and lower values than free encapsulated hydrolysates. The degree of hydrolysis of the maltodextrin influenced only the particle size and T(g). The sensory panel considered the protein bars produced with both encapsulated materials less bitter (p < 0.05) than those produced with the free casein hydrolysates. Microencapsulation by spray drying with maltodextrin DE 10 and 20 was successful to attenuate the bitter taste and the hygroscopicity of casein hydrolysates.