Microencapsulation of n-hexadecane as a phase change material in polyurea

For thermal energy storage application, polyurea microcapsules about 2.5 mum in diameter containing phase change material were prepared using interfacial polycondensation method. In the system droplets in microns are first formed by emulsifying an organic phase consisting of a core material ( n-hexadecane) and an oil-soluble reactive monomer, toluene-2, 4-diisocyanate (TDI), in an aqueous phase. By adding water-soluble reactive monomer, diamine, monomers TDI and diamine react with each other at the interface of micelles to become a shell. Ethylenediamine (EDA), 1, 6-hexane diamine (HDA) and their mixture were employed as water-soluble reactive monomers. The effects of diamine type on chemical structure and thermal properties of the microcapsules were investigated by FT-IR and thermal analysis respectively. The infrared spectra indicate that polyurea microcapsules have been successfully synthesized; all the TG thermographs show microcapsules containing n-hexadecane can sustain high temperature about 300 degreesC without broken and the DSC measurements display that all samples possess a moderate heat of phase transition; thermal cyclic tests show that the encapsulated paraffin kept its energy storage capacity even after 50 cycles of operation. The results obtained from experiments show that the encapsulated n-hexadecane possesses a good potential as a thermal energy storage material.

Swelling behaviour of alginate-chitosan microcapsules prepared by external gelation or internal gelation technology

Swelling behaviour is one of the important properties for microcapsules made by hydrogels, which always affects the diffusion and release of drugs when the microcapsules are applied in drug delivery systems. In this paper, alginate-chitosan microcapsules were prepared by different technologies called external or internal gelation process respectively. With the volume swelling degree (S-w) as an index, the effect of properties of chitosan on the swelling behaviour of both microcapsules was investigated. It was demonstrated that the microcapsules with low molecular weight and high concentration of chitosan gave rise to low S-w. Considering the need of maintaining drug activity and drug loading, neutral pH and short gelation time were favorable. It was also noticed that S-w of internal gelation microcapsules was lower than that of external gelation microcapsules, which was interpreted by the structure analysis of internal or external gelation Ca-alginate beads with the aid of confocal laser scanning microscope. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Development of an in vitro multicellular tumor spheroid model using microencapsulation and its application in anticancer drug screening and testing

In this study, an in vitro multicellular tumor spheroid model was developed using microencapsulation, and the feasibility of using the microencapsulated. multicellular tumor spheroid (MMTS) to test the effect of chemotherapeutic drugs was investigated. Human MCF-7 breast cancer cells were encapsulated in alginate-poly-L-lysine-alginate (APA) microcapsules, and a single multicellular spheroid 150 mu m in diameter was formed in the microcapsule after 5 days of cultivation. The cell morphology, proliferation, and viability of the MMTS were characterized using phase contrast microscopy, BrdU-Iabeling, MTT stain, calcein AM/ED-2 stain, and H&E stain. It demonstrated that the MMTS was viable and that the proliferating cells were mainly localized to the periphery of the cell spheroid and the apoptotic cells were in the core. The MCF-7 MMTS was treated with mitomycin C (MC) at a concentration of 0.1, 1, or 10 times that of peak plasma concentration (ppc) for up to 72 h. The cytotoxicity was demonstrated. clearly by the reduction in cell spheroid size and the decrease in cell viability. The MMTS was further used to screen the anticancer effect of chemotherapeutic drugs, treated with MC, adriamycin (ADM) and 5-fluorouracil (5-FU) at concentrations of 0.1, 1, and 10 ppc for 24, 48, and 72 h. MCF-7 monolayer culture was used as control. Similar to monolayer culture, the cell viability of MMTS was reduced after treatment with anticancer drugs. However, the inhibition rate of cell viability in MMTS was much lower than that in monolayer culture. The MMTS was more resistant to anticancer drugs than monolayer culture. The inhibition rates of cell viability were 68.1%, 45.1%, and 46.8% in MMTS and 95.1%, 86.8%, and 91.6% in monolayer culture treated with MC, ADM, and 5-FU at 10 ppc for 72 h, respectively. MC showed the strongest cytotoxicity in both MMTS and monolayer, followed by 5-FU and ADM. It demonstrated that the MMTS has the potential to be a rapid and valid in vitro model to screen chemotherapeutic drugs with a feature to mimic in vivo three-dimensional (3-D) cell growth pattern.

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

Effets de la purification d’alginate et de la co-encapsulation avec des cellules canaliculaires sur la survie et fonction d’îlots de Langerhans microencapsulés

La transplantation d’îlots chez des sujets diabétiques permet la normalisation de leur glycémie mais nécessite l’utilisation d’immunosuppresseurs. Afin d’éliminer l’utilisation de ceux-ci, une capsule d’alginate capable d’immunoprotéger l’îlot a été proposée. Cependant, un problème persiste : la survie de l’implant est limitée. Deux moyens afin d’améliorer ce facteur seront présentés dans ce mémoire: l’utilisation d’alginate purifié et la co-encapsulation des îlots avec des cellules canaliculaires pancréatiques. La première étude rapporte un aspect nouveau : les effets directs de l’alginate non-purifié, versus purifié, sur la survie d’îlots encapsulés. Ceci est démontré in vitro sur la viabilité à long terme des îlots, leur fonction et l’incidence de leur mort cellulaire par apoptose et nécrose. Ces investigations ont permis de conclure que l’alginate purifié permet de maintenir à long terme une meilleure survie et fonction des îlots. De plus, cette étude ajoute un autre rôle aux contaminants de l’alginate en plus de celui d’initier la réaction immunitaire de l’hôte; celle-ci étant indirectement reliée à la mort des îlots encapsulés. La deuxième étude consiste à déterminer les impacts possibles d’une co-encapsulation d’îlots de Langerhans avec des cellules canaliculaires pancréa-tiques. Les résultats obtenus démontrent que cette co-encapsulation n’améliore pas la survie des îlots microencapsulés, par des tests de viabilité et de morts cellulaires, ni leur fonction in vivo testée par des implantations chez un modèle murin immmunodéficient. Pour conclure, la survie des îlots encapsulés peut être améliorée par la purification de l’alginate mais reste inchangée lors d’une co-encapsulation avec des cellules canaliculaires pancréatiques.

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.

Amélioration de la résistance à l'hypoxie des îlots de Langerhans microencapsulés par l’utilisation d’agrégats de cellules dispersées

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Microencapsulation of casein hydrolysate by complex coacervation with SPI/pectin

The aim of this work was to encapsulate casein hydrolysate by complex coacervation with soybean protein isolate (SPI)/pectin. Three treatments were studied with wall material to core ratio of 1:1, 1:2 and 1:3. The samples were evaluated for morphological characteristics, moisture, hygroscopicity, solubility, hydrophobicity, surface tension, encapsulation efficiency and bitter taste with a trained sensory panel using a paired comparison test. The samples were very stable in cold water. The hydrophobicity decreased inversely with the hydrolysate content in the microcapsule. Encapsulated samples had lower hygroscopicity values than free hydrolysate. The encapsulation efficiency varied from 91.62% to 78.8%. Encapsulated samples had similar surface tension, higher values than free hydrolysate. The results of the sensory panel test considering the encapsulated samples less bitter (P < 0.05) than the free hydroly-state, showed that complex coacervation with SPI/pectin as wall material was an efficient method for microencapsulation and attenuation of the bitter taste of the hydrolysate. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Bread enriched with microencapsulated tuna oil increases plasma docosahexaenoic acid and total omega-3 fatty acids in humans

The aim of this study was to determine the acute and chronic effects of low doses of long chain (LC) n-3 polyunsaturated fatty acids (PUFA) (<100 mg per day) on plasma LC n-3 PUFA levels using a novel delivery form; bread containing microencapsulated tuna oil (MTO). Six omnivores (three men and three women) participated in the acute study, which involved ingesting a prototype MTO bread containing approximately 80 mg of LC n-3 PUFA/four slices. Plasma triacylglycerol fatty acid compositions were measured after an overnight fast and postprandially at 2 and 4 h. In the chronic study, 10 vegetarian subjects (nine men and one woman) consumed MTO bread at six to eight slices/day (comprising 60 mg of LC n-3 PUFA) as the only dietary source of these PUFA for three weeks. Fasting plasma total and phospholipid fatty acid compositions were measured at baseline and endpoint. In the acute study, the proportions of 22:6 n-3 and total n-3 PUFA in plasma triacylglycerol were significantly increased (P < 0.05). In the chronic study, the proportions of 20:5 n-3, 22:5 n‐3, 22:6 n-3, total n-3 PUFA in plasma, and 22:6 n-3 and total n-3 PUFA in plasma phospholipid fractions were significantly increased (P < 0.05) at the endpoint compared with the baseline. This study showed that a low dose of LC n-3 PUFA, consumed as MTO-enriched bread, was bioavailable, as measured by an increase in LC n-3 PUFA levels in the plasma of human subjects.

Co-encapsulation and characterisation of omega-3 fatty acids and probiotic bacteria in whey protein isolate-gum Arabic complex coacervates

Omega-3 fatty acids and probiotic bacteria were co-encapsulated in a single whey protein isolate (WPI)-gum Arabic (GA) complex coacervate microcapsule. Tuna oil (O) and Lactobacillus casei 431 (P) were used as models of omega-3 and probiotic bacteria, respectively. The co-microcapsules (WPI-P-O-GA) and L.casei containing microcapsules (WPI-P-GA) were converted into powder by using spray and freeze drying. The viability of L.casei was significantly higher in WPI-P-O-GA co-microcapsules than in WPI-P-GA. The oxidative stability of tuna oil was significantly higher in spray dried co-capsules than in freeze dried ones.

Nanocompósitos com atividade antioxidante de amido de milho/isolado proteico de soro de leite/ óleo essencial de alecrim obtidos por extrusão termoplástica

In order to improve the quality and safety of food, the active packaging emerges as a new technology based on the release of composites beneficial to food products. Thus, biodegradable films incorporated with active substances have the function of acting as a barrier to external elements, protecting the product and increasing its shelf life. They are formulated from proteins, polysaccharides, lipids or from the combination of these compounds. However, there is a need to improve the performance properties of these packages. Nanotechnologies, then, emerges with the study of many nanoparticles as additives to modify the performance of biodegradable polymers. With this, we aimed at developing and active antioxidant film of corn starch blenders and whey protein isolate with rosemary essential oil or microcapsules of rosemary essential oil reinforced with sodium montmorillonite (MMTNa + ) nanoparticles by extrusion. The films were developed and characterized in a first stage for the selection of the best polymeric blender using the following analyses: water vapor permeability (WVP), machanical properties; optical, thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). In the second stage, montmorillonite clay nanoparticles and rosemary essential oil were added as reinforcement to evaluate its antioxidant effect. In a third stage, we studied the addition of microcapsules of rosemary essential oil (MR) as a form of protecting the active agent and its antioxidant potential in the films. The results indicate that the development of p olymeric blender with 30% of corn starch substitution is the most indicated for future work. The addition of rosemary essential oil or microcapsule of rosemary essential oil allowed for the obtaining of nanocomposites with antioxidant potential for application in food packages.