PREPARATION AND APPLICATION OF SOME BIOPOLYMERS, NANOPARTICLES AND NANOFIBRES FOR COSMETICS AND FOOD

Předložená dizertační práce je zaměřena na přípravu kombinovaných preparátů s přírodní aktivní složkou ve formě nanočástic a nanovláken a testování jejich biologických účinků. Moderní typy aplikačních forem byly připraveny z biomateriálů na bázi jednoho či více přírodních polymerů. Chitosanové částice byly připraveny metodou zesítění polymeru s využitím ultrasonikace. Pro přípravu liposomů byla použita směs sojového lecithinu a cholesterolu, v případě nového typu kombinovaných liposomů navíc biopolymer poly-3-hydroxybutyrát. Všechny liposomové částice byly rovněž připraveny metodou ultrasonifikace. Nanovlákna byla získána z polyhydroxybutyrátu s využitím elektrospinningu. Aktivní složkou preparátů byly směsi nízkomolekulárních látek získané extrakcí z přírodních zdrojů s vysokým obsahem antioxidantů. Jako zdroje aktivních látek byly zvoleny vzorky různých typů čajů a kůr, bylin, koření a také vzorky ovoce a zeleniny. U extraktů vzorků byl pomocí spektrofotometrických metod stanoven celkový obsahu polyfenolů, flavonoidů a celková antioxidační aktivita. Získané extrakty byly následně použity k enkapsulaci. Připravené kombinované preparáty byly charakterizovány z hlediska jejich fyzikálně-chemických vlastností. Velikost částic byla sledována s pomocí dynamického rozptylu světla. Koloidní stabilita částic v suspenzi byla stanovena pomocí zeta potenciálu. Ke stanovení účinnosti enkapsulace aktivní látky do částice byly použity spektrofotometrické metody. Morfologie nového typu kombinovaných liposomů byla sledována pomocí elektronové mikroskopie a pro kvantifikaci jednotlivých složek částic byly využity metody plynové i kapalinové chromatografie. Morfologie vláken a inkorporace aktivní složky do jejich struktury byla sledována s využitím FTIR-ATR spektroskopie a elektronové mikroskopie. Připravené preparáty byly následně hodnoceny z hlediska jejich antimikrobiálních, cytotoxických a genotoxických účinků. Bylo zjištěno, že nejvhodnějšími typy extraktů pro přípravu liposomových částic jsou vodné a lipidické extrakty zdrojů antioxidantů. Připravené částice vykazovaly výbornou stabilitu a dobrou enkapsulační účinnost. Rovněž bylo potvrzeno, že inkorporace polyhydroxybutyrátu nesnižuje koloidní stabilitu částice ani účinnost procesu enkapsulace. U připravených preparátů byl potvrzen antimikrobiální nebo antimykotický účinek proti testovacím mikroorganismům Micrococcus luteus, Serratia marcescens a Candida glabrata. Bylo zjištěno, že proces enkapsulace do částic zvyšuje inhibiční efekt samotných přírodních extraktů. Bezpečnost připravených preparátů byla testována s využitím dvou humánních buněčných kultur: epidermálních keratinocytů a buněčné linie HaCaT. Ke stanovení cytotoxicity byly použity jak metody stanovení metabolické aktivity buněk, tak metody sledující intaktnost plazmatické membrány. Pomocí série cytotoxických testů byla potvrzena nízká toxicita liposomových částic. Zkoumání účinků suspenze liposomů a kombinovaných PHB liposomů ukázalo, že spojení fosfolipidu s polymerem PHB nezpůsobuje výrazně vyšší hladinu cytotoxicity na lidských kožních buňkách. Testováním genotoxicity na modelovém mikroorganismu nebyl prokázán u připravených preparátů žádný genotoxický potenciál. Nový typ kombinovaných částic i polymerních vláken může být tedy použit jako cílený nosič pro aktivní složky jako jsou antioxidanty, komplexní přírodní extrakty, antimikrobiální činidla a mnoho dalších.The presented doctoral thesis is focused on preparation of nanoparticles and nanofibers with natural active ingredient and testing their biological effects. Modern types of application forms were prepared from biomaterials based on one or more natural polymers. Chitosan particles were prepared from cross-linked polymer using ultrasonication. A mixture of soy lecithin and cholesterol was used for preparation of liposomes. Poly-3-hydroxybutyrate was used for preparation of combined liposomes, too. All liposome particles were prepared by ultrasonication. Nanofibers were obtained from polyhydroxybutyrate using electrospinning. Mixtures of low-molecular antioxidants obtained by extraction from natural sources were used as active ingredients. Different types of teas, barks, herbs, spices, fruits and vegetables were selected as sources of natural antioxidants. Total phenolic and flavonoid content and total antioxidant activity of extracts were determined using spectrophotometrical methods. Obtained natural extracts were subsequently used for encapsulation. Prepared application forms were characterized in terms of their physicochemical properties. Particle size was monitored by dynamic light scattering. Colloidal stability of particles in suspension was determined using zeta potential. Spectrophotometry was used to evaluate the efficiency of encapsulation of active compounds into particles. The morphology of the new type of combined PHB liposomes was monitored by electron microscopy. Chromatography was used for quantification of individual components of particles. Morphology of nanofibers and incorporation of active agent into their structure were monitored using FTIR-ATR spectroscopy and electron microscopy. Afterwards, antimicrobial, cytotoxic and genotoxic effects of preparations were evaluated. It was found that the most suitable types of extracts for liposome preparation are aqueous and lipid extracts of natural antioxidants. Prepared particles showed excellent stability and good encapsulation efficiency. The study confirmed that incorporation of polydroxybutyrate into liposome structure does not reduce neither the colloidal stability of the particle, nor the efficiency of encapsulation process. Antimicrobial and antimycotic effect of preparations against model microorganisms Micrococcus lutues, Serratia marcescens and Candida glabrata was detected. It was found that process of encapsulation increases the inhibitory effect of natural extracts of antioxidants. The safety of preparations was assessed using two human cell cultures: epidermal keratinocytes and HaCaT cell line. Assays of cell viability and plasma membrane integrity were used to determine cytotoxicity of preparations. Low toxicity of liposome particles was confirmed by a series of cytotoxic tests. Obtained data showed that association of phospholipid with PHB polymer does not cause a significant increase in cytotoxicity in human skin cells. Genotoxicity testing on model procaryotic organism confirmed zero genotoxic potential of preparations. The new type of combined particles and polymeric fibers cant thus be used as a carrier for active ingredients, complex natural extracts, antimicrobial agents and many others.