Vrednotenje fizikalne stabilnosti nizkomolekularnih pomožnih snovi v polimernih nanovlaknih kot potencialnih stabilizatorjev probiotikov

Mervar, Iva (avtor), Zupančič, Špela (mentor), Grilc, Nina Katarina (komentor)

Nanovlakna predstavljajo potencialni nanodostavni sistem za proteine in bakterijske celice. V tem primeru se velikokrat za namen izboljšanja njihove živosti oz. aktivnosti dodajamo stabilizatorje. Zaradi obetavnosti tega področja in nezadostni raziskanosti trdnega stanja stabilizatorjev želimo z magistrskim delom preučiti potencialno problematiko fizikalne nestabilnosti nizkomolekularnih predstavnikov najpogosteje uporabljenih stabilizatorjev v nanovlaknih. Z elektrostatskim sukanjem smo lahko vgradili največ 70 % masnega deleža pomožnih snovi glukoze in manitola ter največ 40 % masnega deleža trehaloze v nanovlaknih iz polietilenoksida (PEO). S statistično analizo slik vrstično elektronske mikroskopije smo ugotovili, da vrsta stabilizatorja vpliva na povprečni premer nanovlaken, medtem ko smo vpliv masnega delež stabilizatorja zaznali le pri najnižjem deležu manitola. Z vzorci pripravljenih nanovlaken smo izvedli pol leta trajajočo stabilnostno študijo, pri kateri smo vzorce shranjevali pri različnih pogojih. Ob osmih časovnih točkah smo na duplikatu vzorcev izvajali analize diferenčne dinamične kalorimetrije, s katero smo spremljali hitrost in obseg kristalizacije izbranih stabilizatorjev. Ugotovili smo, da nanovlakna z višjim deležem stabilizatorja vsebujejo večji delež kristalinične frakcije, posledica česar je hitrejša kristalizacija, predvsem pri vzorcih z višjimi masnimi deleži stabilizatorjev, kjer ogrodje PEO ne nudi več zadostne termodinamske stabilizacije. Ob istih časovnih točkah smo izvajali tudi analize infrardeče spektroskopije (FTIR), kjer so nas zanimale morebitne interakcije med stabilizatorji in ogrodjem PEO. Teh nismo zaznali, smo pa vzporedno s primerjavo vzorcev, ki smo jih shranjevali v silikagelu, z zamiki vrhov v območju hidroksilnih vezi, zaznali vpliv vlage. V zadnji fazi smo pripravili nanovlakna z najvišjim določenim masnim deležem glukoze, v katera smo vgradili potencialni probiotični bakterijski sev. S triplikati ob treh časovnih točah smo na trdnih agarnih gojiščih vrednotili njihovo živost in s FTIR spektroskopijo dodatno raziskovali mehanizem stabilizacije preko primerjave spektov liofilizata, hidratirane disperzije in pripravljenih nanovlaken z vgrajenimi probiotičnimi celicami. Opazili smo zmanjšanje živosti, ki jo pripisujemo stresnim pogojem elektrostatskega sukanja. Z rezultati FTIR analize pa točnega mehanizma na molekularnem nivoju nismo mogli določiti.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: Nanovlakna, elektrostatsko sukanje, stabilizacija probiotikov, fizikalna stabilnost nanovlaken
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Organizacija: FFA - Fakulteta za farmacijo
• Leto izida: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-168133
• Datum objave v RUL: 29.03.2025

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Evaluation of physical stability of low molecular weight excipients in polymeric nanofibers as potential stabilizers of probiotics

Izvleček

Nanofibers represent a potential nano-delivery system for proteins and bacterial cells. In such cases, stabilizers are often added to enhance their viability or activity. Due to the promising nature of this field and the insufficient research on the solid state properties of stabilizers, this master thesis aims to investigate the potential issue of physical instability of low-molecular-weight representatives of the most commonly used stabilizers in nanofibers. Using electrospining, we succesfully incorporated up to 70 % (w/w) of glucose and mannitol, and up to 40 % (w/w) of trehalose into nanofibers made of polyethylene oxide (PEO). Through statistical analysis of scanning electron microscopy images, we found that the type of stabilizer influenced the average diameter of the nanofibers, while the effect of the stabilizer’s mass fraction was observed only at the lowest percentage of mannitol. We conducted a six-month stability study on the prepared nanofiber samples, storing them under different conditions. At eight time points, we performed differential scanning calorimetry analyses on duplicate samples to monitor the rate and extent of crystallization of the selected stabilizers. We observed that nanofibers with higher stabilizer content exhibited a greater crystalline fraction, leading to faster crystallization, particularly in samples with high stabilizer concentracions, where the PEO matrix no longer provided sufficient thermodynamic stabilization. At the same time points, we also conducted Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analyses to investigate potential interactions between the stabilizers and the PEO matrix. No interactions were observed. However, by comparing samples stored in silica gel, we noticed the influence of moisture through peak shifts in the hydroxy region. In the final phase, we prepared nanofibers with the highest determined glucose content, into which we incorporated a potential probiotic bacterial strain. Using triplicate samples at three time points, we asessed the viability of the bacteria on solid agar media and further investiagated the stabilization mechanism through FTIR spectroscopy. By comparing the spectra of the lyophilizate, hydrated dispersion, and the prepared nanofibers containing probiotic cells, we observed a decrease in viability, which we attributed to the stress conditions during electrospinning. However, the FTIR results did not allow us to precisely define the stabilization mechanism at the molecular level.

• Ključne besede: Nanofibers, electrospining, probiotic stabilization, physical stability of nanofibers