Xylan based composite nanoparticles and biofoams for drug delivery and tissue engineering

Abstract

Xylan is a hemicellulosic polysaccharide, which can be obtained from forest and agricultural wastes. Similar to some other polysaccharides, xylan can find application in drug delivery and tissue engineering due to its availability, structural diversity, biocompatibility, biodegradability, and low cost. In the first part of the study, xylan-based nanoparticles were developed for colontargeted oral drug delivery. Xylan is resistant to digestion and absorption in the upper GIT and is degraded by hydrolysis of glycosidic bonds by the colon microbiota; this makes it prominent in targeted drug delivery to the colon. The drug carrier was combined with a polymeric micelles system to increase the bioavailability of hydrophobic bioactive molecules in the colon targeting. The model hydrophobic molecule, curcumin, was loaded in the core of the triblock copolymer P-123 micelles by the thin-film hydration method. Curcumin-loaded micelles were coated with xylan supported by chitosan and tripolyphosphate using the ionic gelation method. In another approach, xylan was also used to coat curcumin-loaded mesoporous silica nanoparticles to prevent premature drug release in the upper GIT in colon-targeted delivery. In both approaches, the drugcontaining structures were maintained up to the colon and the drug was released upon bacterial hydrolysis of xylan. In the second part, xylan-based biofoams were synthesized by the oil in water emulsion templated method. Several physicochemical and mechanical tests have shown that at the optimal conditions foams with promising properties could be synthesized. Besides, to develop a more effective tissue therapy by utilizing the synergistic effect of the drug delivery and scaffold system, a model drug was successfully loaded into biofoams. This study showed that xylan is a promising feedstock for the synthesis of stable and biocompatible materials in biomedical applications, which reveals its potential capability in drug carriers and scaffolds.

Ksilan, orman ve tarım atıklarından elde edilebilen hemiselülozik bir polisakkarittir. Diğer kimi polisakkaritlere benzer şekilde, ksilan bulunabilirliği, yapısal çeşitliliği, biyouyumluluğu, biyolojik olarak parçalanabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle ilaç dağıtımı ve doku mühendisliği uygulamalarında kendine yer bulabilir. Çalışmanın ilk bölümünde, kolon hedefli oral ilaç dağıtımı için ksilan bazlı nanopartiküller geliştirildi. Ksilan, üst gastrointestinal sistemde sindirime ve absorpsiyona dirençlidir ve kolon mikrobiyotası tarafından glikozidik bağların hidrolizi ile parçalanır; bu da onun kolona hedeflenen ilaç dağıtımında öne çıkmasını sağlar. İlaç taşıyıcı, hidrofobik biyoaktif moleküllerinin kolon hedeflemede biyoyararlanımını arttırmak için, polimerik misel sistemi ile birleştirildi. Model hidrofobik molekül kurkumin, ince film hidrasyon yöntemiyle pluronik triblok kopolimer P-123 misellerinin çekirdeğine yüklendi. Kurkumin yüklü miseller, iyonik jelasyon yöntemi kullanılarak kitosan ve sodyumtripolifosfat destekli ksilan ile kaplandı. Diğer bir yaklaşımda ise ksilan, kolon hedefli taşıyıcılarda erken ilaç salımını önlemek için kurkumin yüklü mezogözenekli silika nanopartiküllerini kaplamak için kullanıldı. Her iki yaklaşımda da, ilaç içeren yapılar kolona kadar korunmuş ve ilaç, ksilanın bakteriyel hidrolizi sonucu salınmıştır. İkinci bölümde, su içinde yağ emülsiyonu şablon yöntemi ile ksilan bazlı biyoköpükler sentezlendi. Çeşitli fizikokimyasal ve mekanik testler, optimal koşullarda umut verici özelliklere sahip köpüklerin sentezlenebileceğini göstermiştir. Ayrıca ilaç taşıma ve iskele sistemlerinin sinerjik etkisinden yararlanılarak daha etkili bir doku tedavisi geliştirmek için bir model ilaç başarıyla biyoköpüklere yüklendi. Bu çalışma, ksilanın, ilaç taşıyıcıları ve yapı iskelelerindeki potansiyel kapasitesini ortaya çıkaran, biyomedial uygulamalarda kararlı ve biyouyumlu materyallerin sentezi için umut verici bir hammadde olduğunu göstermiştir.