Docosahexaenoic acid ethyl esther (DHAEE) microcapsule production by spray-drying: optimization by experimental design

Docosahexaenoic acid is an essential polyunsaturated fatty acid with important metabolic activities. Its conjugated double bonds make it susceptible to decomposition. Its stability may be improved through fatty acid entrapment with a spray-drying technique; however, the many parameters involved in this technique must be considered to avoid affecting the final product quality. Therefore, this study aimed to evaluate the entrapment conditions and yields of fish oil enriched with docosahexaenoic acid ethyl ester. Microcapsules were obtained from Acacia gum using a spray-drying technique. The experimental samples were analyzed by chromatography and delineated by Statistica software, which found the following optimum entrapment conditions: an inlet temperature of 188 °C; 30% core material; an N2 flow rate of 55 mm; and a pump flow rate of 12.5 mL/minute. These conditions provided a 66% yield of docosahexaenoic acid ethyl ester in the oil, corresponding to 19.8% of entrapped docosahexaenoic acid ethyl ester (w/w). This result was considered significant since 30% corresponded to wall material.

Evaluation of some residual bioactivities of microencapsulated Phaseolus lunatus protein fraction with carboxymethylated flamboyant (Delonix regia) gum/sodium alginate

Recent studies have shown the beneficial effect of peptides, an unexploited source could be Phaseolus lunatus being an important raw material for those functional products in order to improve their utilization. In addition to improve the beneficial effect of bioactive peptides the microencapsulation could be a way to protect the peptides against the environment to which they are exposed. P. lunatus protein fraction (<10 kDa of weight) was encapsulated using a blend of carboxymethylated flamboyant gum (CFG) and sodium alginate (SA) at different concentrations of CaCl2 and hardening times. After in vitro digestion of microcapsules the residual activity, in the intestinal system, both inhibition of agiotensin-converting enzyme (I-ACE) and antioxidant activity obtained were in a range of 0.019-0.136 mg/mL and 570.64-813.54 mM of TEAC respectively. The microencapsulation employed CFG/SA blends could be used controlled delivery of peptide fractions with potential use as a nutraceutical or therapeutic agents.

Encapsulation de Dehalococcoides: avantage pour la déhalogénation des solvants chlorés en sites contaminés

Le tétrachloroéthène (PCE) et les éthènes chlorés qui lui sont apparentés ont été abondamment utilisés pour plusieurs applications en industrie dès le début du 20e siècle. Ils sont cependant comptés parmi les polluants les plus communs des sols et de l’eau et beaucoup d’efforts sont déployés afin de les éliminer. Nous croyons que la conversion des éthènes chlorés en éthènes par des microorganismes est une solution prometteuse. Le premier aspect du projet visait donc à établir les conditions pour lesquelles un consortium enrichi en Dehalococcoides ethenogenes permettrait la conversion complète de PCE en éthène. Les expériences réalisées nous ont permis de souligner le rôle de l’acide lactique ajouté aux cultures comme source de carbone et source indirecte d’électrons pour la déhalorespiration. Nous avons également pu établir l’effet de la concentration initiale de biomasse dans les cultures sur le profil de déhalogénation du PCE. Le deuxième aspect du projet visait à développer un protocole d’encapsulation du consortium dans une matrice polymérique afin de profiter des nombreux avantages potentiels de l’encapsulation. Nous avons testé trois montages d’encapsulation différents : atomisation avec jet d’air, atomisation avec vibrations ultrasoniques et « drop-wise ». Le dernier montage prévoyait l’encapsulation des cultures dans des billes d’alginate enrobées de chitosane gélifié par du lignosulfonate. C’est le seul montage qui nous a permis d’encapsuler le consortium de façon efficace sans effet significatifs négatifs sur son activité de déchlorination. Aussi, la comparaison des profils de déhalogénation du PCE de cellules encapsulées et cellules libres a montré une plus faible accumulation de TCE, 1,2-DCE et VC dans les échantillons de cellules encapsulée et, par conséquent, une conversion plus rapide et plus complète du PCE en éthène. Finalement, nous avons observé une tendance favorable à l’idée que les microorganismes encapsulés bénéficient d’un effet de protection contre de faibles concentrations d’oxygène.

The accuracy and reliability of plaster vs digital study models : a comparison of three different impression materials

Introduction: Le but de l’étude était d’examiner l’effet des matériaux à empreintes sur la précision et la fiabilité des modèles d’études numériques. Méthodes: Vingt-cinq paires de modèles en plâtre ont été choisies au hasard parmi les dossiers de la clinique d’orthodontie de l’Université de Montréal. Une empreinte en alginate (Kromopan 100), une empreinte en substitut d’alginate (Alginot), et une empreinte en PVS (Aquasil) ont été prises de chaque arcade pour tous les patients. Les empreintes ont été envoyées chez Orthobyte pour la coulée des modèles en plâtre et la numérisation des modèles numériques. Les analyses de Bolton 6 et 12, leurs mesures constituantes, le surplomb vertical (overbite), le surplomb horizontal (overjet) et la longueur d’arcade ont été utilisés pour comparaisons. Résultats : La corrélation entre mesures répétées était de bonne à excellente pour les modèles en plâtre et pour les modèles numériques. La tendance voulait que les mesures répétées sur les modèles en plâtre furent plus fiables. Il existait des différences statistiquement significatives pour l’analyse de Bolton 12, pour la longueur d’arcade mandibulaire, et pour le chevauchement mandibulaire, ce pour tous les matériaux à empreintes. La tendance observée fut que les mesures sur les modèles en plâtre étaient plus petites pour l’analyse de Bolton 12 mais plus grandes pour la longueur d’arcade et pour le chevauchement mandibulaire. Malgré les différences statistiquement significatives trouvées, ces différences n’avaient aucune signification clinique. Conclusions : La précision et la fiabilité du logiciel pour l’analyse complète des modèles numériques sont cliniquement acceptables quand on les compare avec les résultats de l’analyse traditionnelle sur modèles en plâtre.

Développement d’un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée en vue d’un couplage en ligne à un système d’électrophorèse capillaire

Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

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.

Chitosan as a wall material for a microencapsulated delivery system for Macrobrachium rosenbergii(de Man) larvae

Chitosan has beenwidely accepted as awall material for preparing microcapsules of various purposes in human medicine. The possibility of using chitosan as a wall material for microencapsulating nutrients and drugs for aquaculture purposes, speci¢cally to Macrobrachium rosenbergii larvae was evaluated in this study. Two types of chitosan-coated microcapsules were prepared using either acetone (MEC-A) or NaOH (MEC-N) as the cross-linking agents. They were compared with a microbound diet relative to total leaching of nutrients and free amino acids (FAA). Among the microcapsules, MEC-N showed the lowest level of total leaching of nutrients (23.3%) during 5 h of immersion in seawater and released 65% FAA after 60min. During laboratory trials,75% larvae had accepted the MEC-N capsule. The results of the study suggest that chitosan can be used as a wall material for preparing microcapsules to deliver drugs and nutrients to M. rosenbergii larvae.

Using pH abnormalities in diseased skin to trigger and target topical therapy

Abstract Purpose: The pH discrepancy between healthy and atopic dermatitis skin was identified as a site specific trigger for delivering hydrocortisone from microcapsules. Methods: Using Eudragit L100, a pH-responsive polymer which dissolves at pH 6, hydrocortisone-loaded microparticles were produced by oil-in-oil microencapsulation or spray drying. Release and permeation of hydrocortisone from microparticles alone or in gels was assessed and preliminary stability data was determined. Results: Drug release from microparticles was pH-dependent though the particles produced by spray drying also gave significant non-pH dependent burst release, resulting from their porous nature or from drug enrichment on the surface of these particles. This pH-responsive release was maintained upon incorporation of the oil-in-oil microparticles into Carbopol- and HPMC-based gel formulations. In-vitro studies showed 4 to 5-fold higher drug permeation through porcine skin from the gels at pH 7 compared to pH 5. Conclusions: Permeation studies showed that the oil-in-oil generated particles deliver essentially no drug at normal (intact) skin pH (5.0 – 5.5) but that delivery can be triggered and targeted to atopic dermatitis skin where the pH is elevated. The incorporation of these microparticles into Carbopol- and HPMC-based aqueous gel formulations demonstrated good stability and pH-responsive permeation into porcine skin.

Microencapsulation of probiotics for gastrointestinal delivery

The administration of probiotic bacteria as nutraceuticals is an area that has rapidly expanded in recent years, with a global market worth $32.6 billion predicted by 2014. Many of the health promoting claims attributed to these bacteria are dependent on the cells being both viable and sufficiently numerous in the intestinal tract. The oral administration of most bacteria results in a large loss of viability associated with passage through the stomach, which is attributed to the high acid and bile salt concentrations present. This loss of viability effectively lowers the efficacy of the administered supplement. The formulation of these probiotics into microcapsules is an emerging method to reduce cell death during GI passage, as well as an opportunity to control release of these cells across the intestinal tract. The majority of this technology is based on the immobilization of bacteria into a polymer matrix, which retains its structure in the stomach before degrading and dissolving in the intestine, unlike the diffusion based unloading of most controlled release devices for small molecules. This review shall provide an overview of progress in this field as well as draw attention to areas where studies have fallen short. This will be followed by a discussion of emerging trends in the field, highlighting key areas in which further research is necessary.

Microencapsulation of a synbiotic into PLGA/alginate multiparticulate gels

Probiotic bacteria have gained popularity as a defence against disorders of the bowel. However, the acid sensitivity of these cells results in a loss of viability during gastric passage and, consequently, a loss of efficacy. Probiotic treatment can be supplemented using ‘prebiotics’, which are carbohydrates fermented specifically by probiotic cells in the body. This combination of probiotic and prebiotic is termed a ‘synbiotic’. Within this article a multiparticulate dosage form has been developed, consisting of poly(d,l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) microcapsules containing prebiotic Bimuno™ incorporated into an alginate–chitosan matrix containing probiotic Bifidobacterium breve. The aim of this multiparticulate was that, in vivo, the probiotic would be protected against gastric acid and the release of the prebiotic would occur in the distal colon. After microscopic investigation, this synbiotic multiparticulate was shown to control the release of the prebiotic during in vitro gastrointestinal transit, with the release of galacto-oligosaccharides (GOS) initially occurred over 6 h, but with a triphasic release pattern giving further release over 288 h. Encapsulation of B. breve in multiparticulates resulted in a survival of 8.0 ± 0.3 log CFU/mL cells in acid, an improvement over alginate–chitosan microencapsulation of 1.4 log CFU/mL. This was attributed to increased hydrophobicity by the incorporation of PLGA particles.

Exploiting thermally-reversible chemistry for controlling the crosslinking of polymer networks

High explosives are highly sensitive to accidental detonation by impact, fire, shrapnel and small arms fire. This sensitivity can be reduced by storing the energetic material within a rubbery polymer matrix and are known as plastic bonded explosives (PBX). The current procedure used to manufacture PBX involves mixing the energetic material with a hydroxy-functionalised aliphatic polymer. Upon the addition of an isocyanate crosslinker an immediate polymerisation occurs and thus the rapidly curing mixture must be used to fill the missile or shells, referred to as ‘stores’. This process can lead to poor distribution of the crosslinker resulting in the formation of an inhomogeneously crosslinked matrix and the formation of voids. One solution to this problem involves containing the crosslinker within polyurethane microcapsules that are uniformly dispersed in the explosive-polymer mixture. Upon the application of a stimulus the crosslinker can be released from the microcapsules and the formation of a uniformly crosslinked PBX achieved. Herein is reported the design and synthesis of polyurethane microcapsules that release isocyanate crosslinkers when desired using a thermal stimulus. This has been achieved by exploiting the thermally-reversible nature of oxime-urethane and Diels-Alder adducts that have been incorporated into the shell wall of the microcapsules. An alternative approach to controlling the polymerisation of PBX materials has also been achieved using thermally-reversible blocked isocyanates that regenerate the isocyanate crosslinker when exposed to heat.

Production and properties of casein hydrolysate microencapsulated by spray drying with soybean protein isolate

The aim of this work was to encapsulate casein hydrolysate by spray drying with soybean protein isolate (SPI) as wall material to attenuate the bitter taste of that product. Two treatments were prepared: both with 12 g/100 g solids and containing either two proportions of SPI: hydrolysate (70:30 and 80:20), called M1 and M2, respectively. The samples were evaluated for morphological characteristics (SEM), particle size, hygroscopicity, solubility, hydrophobicity, thermal behavior and bitter taste with a trained sensory panel using a paired-comparison test (non-encapsulated samples vs. encapsulated samples). Microcapsules had a continuous wall, many concavities, and no porosity. Treatments M1 and M2 presented average particle sizes of 11.32 and 9.18 mu m, respectively. The wall material and/or the microencapsulation raised the hygroscopicity of the hydrolysate since the free hydrolysate had hygroscopicity of 53 g of water/100 g of solids and M1 and M2 had 106.99 and 102.19 g of water/100 g of solids, respectively. However, the hydrophobicity decreases, the absence of a peak in encapsulated hydrolysates, and the results of the panel sensory test considering the encapsulated samples less bitter (p < 0.05) than the non-encapsulated, showed that spray drying with SPI was an efficient method for microencapsulation and attenuation of the bitter taste of the casein hydrolysate. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Biodritin microencapsulated human islets of langerhans and their potential for type 1 diabetes mellitus therapy

Background. Microencapsulation of pancreatic islets with polymeric compounds constitutes an attractive alternative therapy for type 1 diabetes mellitus. The major limiting factor is the availability of a biocompatible and mechanically stable polymer. We investigated the potential of Biodritin, a novel polymer constituted of alginate and chondroitin sulfate, for islet microencapsulation. Methods. Biodritin microcapsules were obtained using an air jet droplet generator and gelated with barium or calcium chloride. Microencapsulated rat insulinoma RINm5F cells were tested for viability using the [3-(4,5-dimetyl-thiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-tetrazoliumbromide] [MTT] colorimetric assay. Microencapsulated rat pancreatic islets were coincubated with macrophages derived from mouse peritoneal liquid to assess the immunomodulatory potential of the microcapsules, using quantitative real time-PCR (qPCR). Biodritin biocompatibility was demonstrated by subcutaneous injection of empty microcapsules into immunocompetent Wistar rats. Insulin secretion by microencapsulated human pancreatic islets was evaluated using an electrochemoluminescent assay. Microencapsulated human islets transplanted into chemically induced diabetic mice were monitored for reversal of hyperglycemia. Results. The metabolic activity of microencapsulated RINm5F cells persisted for at least 15 days. Interleukin-1 beta expression by macrophages was observed during coculture with islets microencapsulated with Biodritin-CaCl2, but not with Biodritin-BaCl2. No statistical difference in glucose-stimulated insulin secretion was observed between nonencapsulated and microencapsulated islets. Upon microencapsulated islet transplantation, the blood glucose level of diabetic mice normalized; they remained euglycemic for at least 60 days, displaying normal oral glucose tolerance tests. Conclusion. This study demonstrated that Biodritin can be used for islet microencapsulation and reversal of diabetes; however, further investigations are required to assess its potential for long-term transplantation.

A new micro/nanoencapsulated porphyrin formulation for PDT treatment

The highly hydrophobic 5,10,15-triphenyl-20-(3-N-methylpyridinium-yl)porphyrin(3MMe)cationic species was synthesized, characterized and encapsulated in marine atelocollagen/xanthane gum microcapsules by the coacervation method. Further reduction in the capsule size, from several microns down to about 300-400 nm, was carried out successfully by ultrasonic processing in the presence of up to 1.6% Tween 20 surfactant, without affecting the distribution of 3MMe in the oily core. The resulting creamlike product exhibited enhanced photodynamic activity but negligible cytotoxicity towards HeLa cells. The polymeric micro/nanocapsule formulation was found to be about 4 times more phototoxic than the respective phosphatidylcholine lipidic emulsion, demonstrating high potentiality for photodynamic therapy applications. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.