Photonic monitoring of chitosan nanostructured alginate microcapsules for drug release

By using a novel microfluidic set-up for drug screening applications, this study examines delivery of a novel risedronate based drug formulation for treatment of osteoporosis that was developed to overcome the usual shortcomings of risedronate, such as its low bioavailability and adverse gastric effects. Risedronate nanoparticles were prepared using muco-adhesive polymers such as chitosan as matrix for improving the intestinal cellular absorption of risedronate and also using a gastric-resistant polymer such as sodium alginate for reducing the gastric inflammation of risedronate. The in-vitro characteristics of the alginate encapsulated chitosan nanoparticles are investigated, including their stability, muco-adhesiveness, and Caco-2 cell permeability. Fluorescent markers are tagged with the polymers and their morphology within the microcapsules is imaged at various stages of drug release.

Biofunctionalization of alginate microcapsules: advances in cell-based drug delivery systems

172 p.

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.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Emulsion strategies in the microencapsulation of cells: Pathways to thin coherent membranes

Microencapsulation of cell spheroids in an immunoselective, highly biocompatible, biomembrane offers a way to create viable implantation options in the treatment of insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM). Traditionally the encapsulation process has been achieved through the injection/extrusion of alginate/cell mixtures into a calcium chloride solution to produce calcium alginate capsules around the cells. A novel alternative is explored here through a procedure using an emulsion process to produce thin adherent calcium alginate membranes around cell spheroids. In this study, a thorough investigation has been used to establish the emulsion process parameters that are critical to the formation of a coherent alginate coat both on a model spheroid system and subsequently on cell spheroids. Optical and fluorescence microscopy are used to assess the morphology and coherence of the calcium alginate/ poly-L-ornithine/alginate (APA) capsules produced. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Assessment of different formulations of oral Mycobacterium bovis Bacille Calmette-Guerin (BCG) vaccine in rodent models for immunogenicity and protection against aerosol challenge with M-bovis

Bovine tuberculosis (bTB) caused by infection with Mycobacterium bovis is causing considerable economic loss to farmers and Government in the United Kingdom as its incidence is increasing. Efforts to control bTB in the UK are hampered by the infection in Eurasian badgers (Metes metes) that represent a wildlife reservoir and source of recurrent M. bovis exposure to cattle. Vaccination of badgers with the human TB vaccine, M. bovis Bacille Calmette-Guerin (BCG), in oral bait represents a possible disease control tool and holds the best prospect for reaching badger populations over a wide geographical area. Using mouse and guinea pig models, we evaluated the immunogenicity and protective efficacy, respectively, of candidate badger oral vaccines based on formulation of BCG in lipid matrix, alginate beads, or a novel microcapsular hybrid of both lipid and alginate. Two different oral doses of BCG were evaluated in each formulation for their protective efficacy in guinea pigs, while a single dose was evaluated in mice. In mice, significant immune responses (based on lymphocyte proliferation and expression of IFN-gamma) were only seen with the lipid matrix and the lipid in alginate microcapsular formulation, corresponding to the isolation of viable BCG from alimentary tract lymph nodes. In guinea pigs, only BCG formulated in lipid matrix conferred protection to the spleen and lungs following aerosol route challenge with M. bovis. Protection was seen with delivery doses in the range 10(6)-10(7) CFU, although this was more consistent in the spleen at the higher dose. No protection in terms of organ CFU was seen with BCG administered in alginate beads or in lipid in alginate microcapsules, although 10(7) in the latter formulation conferred protection in terms of increasing body weight after challenge and a smaller lung to body weight ratio at necropsy. These results highlight the potential for lipid, rather than alginate, -based vaccine formulations as suitable delivery vehicles for an oral BCG vaccine in badgers.

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.

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.

Effect of sodium alginate concentration on membrane strength and permeating property of poly-l-arginine group microcapsule

A novel poly-l-arginine microcapsule was prepared due to its nutritional function and pharmacological efficacy. A high-voltage electrostatic droplet generator was used to make uniform microcapsules. The results show that the membrane strength and permeating property are both remarkably affected with the changes of sodium alginate concentration. With the sodium alginate concentration increasing, gel beads sizes increase from 233 mum to 350 mum, release ratio is also higher at the same time, but the membrane strength decreases.

Characterization of structure and diffusion behaviour of Ca-alginate beads prepared with external or internal calcium sources

Ca-alginate beads were prepared with either external or internal calcium sources. The structures of both beads were investigated with the aid of scanning electron microscopy (SEM) and confocal microscopy. It was shown that the beads with internal calcium source had a looser structure and bigger pore size than those with external calcium source. The attempts to interpret the difference were carried out by determining the Ca content within the beads at various times, which indicated that it was the different gelation mechanisms that caused the difference of structures of both beads. Furthermore, it was also found that the diffusion rate of haemoglobin (Hb) within the beads with an internal calcium source was faster than that of the beads with an external one, which was consistent with the observation of their structures.

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.