Zastosowanie biocelulozy jako nośnika substancji aktywnych

(1)

DONIESIENIE ZJAZDOWE

FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5):381–383

RADOSŁAW DROZD1_{| RAFAŁ RAKOCZY}2_{| KAROL FIJAŁKOWSKI}1_{| ADAM F. JUNKA}3

ZASTOSOWANIE BIOCELULOZY JAKO NOŚNIKA SUBSTANCJI

AKTYWNYCH

THE APPLICATION OF BIO-CELLULOSE AS A CARRIER OF ACTIVE SUBSTANCES

ABSTRACT: Introduction The unique properties of bio-cellulose (BC) as biocompatibility, high hydrophilicity, strength, and susceptibility to various chemical modifications makes this natu-ral polymer an attractive bio-carrier, which can be used in many industries and medicine. The source of this polymer can be plants or certain microorganisms. Nowadays, the object of many studies is cellulose produced by bacteria of the genus Gluconacetobacter, which like the plant, is made up of molecules of glucose, however, the polymer has better mechanical properties and is also characterized, inter alia, by higher water capacity. Production of this polymer with the use of the bacterial cultures does not require time-consuming and cost-intensive techno-logy for purification and adjustment, which makes the production of bacterial cellulose is more environmentally friendly. For the preparation of the BC various technologies supporting the ef-ficiency of the process as a rotating magnetic field or “air-lift” bioreactors, which significantly affect the end properties of the bio-cellulose at a molecular level as crystallinity or the ability to absorption of various kinds of active compounds were applied. Bacterial cellulose, due to its unique properties and, above all biocompatibility is used as an efficient carrier in the produc-tion of dressings saturated with agents that exhibit anti-microbial activity, for example collo-idal silver, sorbic acid etc. BC in the form of patches may also be used as an efficient carrier in transdermal therapeutic systems (TTS) for delivering drugs such as diclofenac, lidocaine or ibu-profen and in front of pharmaceuticals that are degraded in the gastrointestinal tract. The ad-vantage of using bio-cellulose in TTS is the ease incorporation of active substances in the sup-port structure and its relatively high retention and homogeneity. The susceptibility of this na-tural polymer to various chemical modifications also allows for the introduction into the struc-ture number of other functional groups. These modifications ensure a durable bond the acti-ve substance to the structure of bio-cellulose, thereby facilitating their dosage, e.g., by simple changing the size and shape of the cellulose membrane. This makes it easier to monitor the contact time of the injury site with a drug used. In addition to low molecular weight substan-ces, bio-cellulose is an excellent carrier for various kinds of biocatalysts such as enzymes. Pa-pain and collagenase, are currently used in formulations for the treatment of non-healing wo-unds and ulcers. These enzymes can be potentially stable immobilized on BC thus giving the possibility of simple control over their activity without exposing the same to healthy tissue de-gradation. In addition to medical applications as a carrier BC was used as both the native and modified for the immobilization of enzymes essential for many industrial processes. Materials and methods The study was conducted using bacterial cellulose obtained from static, shaked and subjected to the influence of the rotating magnetic field, cultures of Gluconacetobacter. After purification the resulting BC was used in the native or modified form as a carrier for the immobilization of selected oxidoreductases and hydrolases. Results and Conclusions The ob-tained results indicated that depending on the type of BC used as carrier for the immobilization of enzymes, processing conditions and the type of the compound immobilized, the resulting

1 Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie

2 Instytut Inżynierii Chemicznej i Procesów Ochrony Środowiska

Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie 3 Zakład Mikrobiologii Farmaceutycznej

i Parazytologii Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

} RADOSŁAW DROZD

Katedra Immunologii, Mikrobiologii i Chemii Fizjologicznej,

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 45, 70-311 Szczecin, Tel.: +48 (91) 449 67 09, e-mail: rdrozd@zut.edu.pl Wpłynęło: 17.10.2016 Zaakceptowano: 21.10.2016 DOI: dx.doi.org/10.15374/FZ2016063

Artykuá jest dostĊpny na zasadzie dozwolonego uĪytku osobistego. Dalsze rozpowszechnianie (w tym umieszczanie w sieci) jest zabronione i stanowi powaĪne naruszenie przepisów prawa autorskiego

(2)

382 © Evereth Publishing, 2016 FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5)

systems may exhibit different properties. The immobilized enzymes showed comparable ca-talytic properties to its native forms, without any significant negative impact of immobiliza-tion on their structure. Summarizing, the results confirmed the high potential of cellulo-se as a versatile carrier that could be ucellulo-sed in a number of innovative solutions bacellulo-sed on bio-catalysts.

monitorowanie czasu kontaktu, miejsca urazu ze stosowa-nym lekiem. Oprócz substancji niskocząsteczkowych bioce-luloza jest doskonałym nośnikiem dla różnego rodzaju bio-katalizatorów, jak np. enzymy, które podobnie jak np. papa-ina czy kolagenaza, są obecnie wykorzystywane w prepara-tach stosowanych w leczeniu trudno gojących ran i owrzo-dzeń. Enzymy te można potencjalnie trwale immobilizo-wać na BC, dając tym samym możliwość prostej kontroli nad ich aktywnością, a nie narażając tym samym na degra-dację zdrowej tkanki. Poza zastosowaniami BC w medycy-nie, została ona wykorzystana jako nośnik, w formie zarów-no natywnej, jak i modyfikowanej, do immobilizacji enzy-mów istotnych dla wielu procesów przemysłowych.

MATERIAŁ I METODY

Badania przeprowadzono, wykorzystując celulozę bakte-ryjną uzyskaną ze statycznych jak i wytrząsanych oraz pod-danych wpływowi wirującego pola magnetycznego kultur Gluconacetobacter xylinus. Po oczyszczniu uzyskaną CB wy-korzystano w formie natywnej, jak i modyfikowanej jako nośnik do immobilizacji wybranych oksydreduktaz i hy-drolaz.

WYNIKI I WNIOSKI

Uzyskane wyniki wskazywały, że w zależności od rodzaju BC stosowanej jako nośnik do immobilizacji analizowanych enzymów, warunków tego procesu, a także rodzaju enzymu, otrzymane układy mogą charakteryzować się różnymi wła-ściwościami. Poddane procesowi unieruchamiania enzymy wykazywały porównywalne do form natywnych właściwo-ści katalityczne, co świadczy o braku negatywnego wpły-wu immobilizacji na ich strukturę. Otrzymane dotychczas wyniki badań potwierdzają wysoki potencjał biocelulozy jako wszechstronnego nośnika substancji aktywnych, który może znaleźć zastosowanie w wielu innowacyjnych rozwią-zaniach biomedycznych.

DEKLARACJA PRZEJRZYSTOŚCI: Badania zostały współfinansowane w ramach grantów ST904 UMED Wrocław oraz Narodowego Centrum Badań i Rozwoju LIDER/011/221/L-5/13/NCBR/2014.

WSTĘP

Unikalne właściwości bakteryjnej celulozy (BC) jako na-turalnego polimeru, takie jak: biokompatybilność, wysoka hydrofilowość, wytrzymałość oraz podatność na różnego rodzaju modyfikacje chemiczne, czyni ją atrakcyjnym bio-nośnikiem substancji czynnych, który znajduje zastosowa-nie wielu gałęziach przemysłu i medycyzastosowa-nie. Źródłem tego polimeru mogą być rośliny lub też niektóre mikroorgani-zmy. Obecnie obiektem wielu badań jest celuloza wytwa-rzana przez bakterie z rodzaju Gluconacetobacter, które, po-dobnie jak celuloza roślinna, zbudowane są z cząsteczek glu-kozy. Jednakże polimer ten posiada lepsze właściwości me-chaniczne i charakteryzuje się także między innymi wyż-szą wodochłonnością. Otrzymywanie tego polimeru z wy-korzystaniem kultur bakteryjnych nie wymaga stosowania czasochłonnych oraz kosztochłonnych technologii do jego oczyszczania i waloryzacji, co sprawia, że produkcja BC jest bardziej przyjazna dla środowiska. Do otrzymywania tego biopolimeru stosowane są różne technologie wspomagają-ce wydajność prowspomagają-cesu, takie jak wirująwspomagają-ce pole magnetyczne, bioreaktory typu „air-lift” czy innego rodzaju rozwiązania, które istotnie wpływają na końcowe właściwości bio-celu-lozy na poziomie molekularnym (np. krystaliczność czy też zdolność absorbcji różnego rodzaju substancji czynnych). Celuloza bakteryjna ze względu na swoje unikalne właści-wości, a przede wszystkim biokompatybilność, znajduje za-stosowanie jako efektywny nośnik w produkcji opatrunków wysyconych substancjami o działaniu antymikrobiologicz-nym (np. srebro koloidalne i kwas sorbowy). Polimer ten w formie plastrów może być również wykorzystywany jako wydajny nośnik w transdermalnych systemach terapeutycz-nych (TST) dla takich leków jak diclofenak, lidokaina czy ibuprofen, a przedewszystkim farmaceutyków, które ule-gają degradacji w układzie pokarmowym. Zaletą stosowa-nia biocelulozy w TST jest łatwość wprowadzastosowa-nia substan-cji czynnych do struktury nośnika oraz ich stosunkowo wy-soka i homogenna retencja. Podatność tego naturalnego po-limeru na różnego rodzaju modyfikacje chemiczne pozwa-la również na wprowadzanie do jego struktury grup alki-lowych, aminowych czy aminosilanów. Modyfikacje te po-zwalają na trwałe wiązanie substancji aktywnych do struk-tury biocelulozy, ułatwiając tym samym ich dozowanie, np. poprzez zmianę rozmiaru, a także kształtu membrany celulozowej. Tego rodzaju rozwiązania ułatwiają również

(3)

FORUM ZAKAŻEŃ 2016;7(5)

PIŚMIENNICTWO

1. Almeida IF, Pereira T, Silva NH. Bacterial cellulose membranes as drug de-livery systems: an in vivo skin compatibility study. Eur J Pharm Biopharm 2014;86(3):332– 336.

2. Astley OM, Chanliaud E, Donald AM, Gdley MJ. Structure of

Acetobac-ter cellulose composites in the hydrated state. Int J Biol Macromol

2001;29(3):193– 202.

3. Fijałkowski K, Żywicka A, Drozd R et al. Modification of bacterial cellulo-se through exposure to the rotating magnetic field. Carbohydr Polym 2015;133:52– 60.

4. Lee KY, Buldum G, Mantalaris A, Bismarck A. More than meets the eye in bac-terial cellulose: biosynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fi-ber composites. Macromol Biosci 2014;14(1):10– 32.

5. Ramundo J, Gray M. Collagenase for enzymatic debridement: a systematic review. J Wound Ostomy Continence Nurs 2009;36(Suppl. 1):S4– S11. 6. Ramundo J, Gray M. Enzymatic wound debridement. J Wound Ostomy

Con-tinence Nurs 2008;35(3):273– 280.

7. Shah N, Ul-Islam M, Khattak WA, Park JK. Overview of bacterial cellulo-se composites: a multipurpocellulo-se advanced material. Carbohydr Polym 2013;98(2):1585– 1598.

8. Silva NH, Rodrigues AF, Almeida IF et al. Bacterial cellulose membranes as transdermal delivery systems for diclofenac: in vitro dissolution and perme-ation studies. Carbohydr Polym 2014;106:264– 269.