Biocompatible capsules have recently been highlighted as novel delivery platforms of any "materials" (e.g., drug, food, agriculture pesticide) to address current problems of living systems such as humans, animals, and plats in academia and industry for agriculture, biological, biomedical, environmental, food applications. For example, biocompatible alginate capsules were proposed as a delivery platform of biocontrol agents (e.g., bacterial antagonists) for an alternative to antibiotics, which will be a potential strategy in future agriculture. Here, we proposed a new platform based on biocompatible alginate capsules that can control the movements as an active target delivery strategy for various applications including agriculture and biological engineering. We designed and fabricated large scale biocompatible capsules using alginates and custom-made nozzles as well as gelling solutions. To develop the active target delivery platforms, we incorporated the iron oxide nanoparticles in the large scale alginate capsules. It was found that the sizes of large scale alginate capsules could be controlled via various working conditions such as concentrations of alginate solutions and iron oxide nanoparticles. As a proof of concept work, we showed that the iron oxide particles-incorporated large scale alginate capsules could be moved actively by the magnetic fields, which would be a strategy as active target delivery platforms for agriculture and biological engineering (e.g., controlled delivery of agriculture pesticides and biocontrol agents).
Purpose: Biocompatible capsules have recently been highlighted as a novel platform for delivering various components, such as drug, food, and agriculture pesticides, to overcome the current limitations of living systems, such as those in agriculture, biology, the environment, and foods. However, few active targeting systems using biocompatible capsules and physical forces simultaneously have been developed in the agricultural engineering field. Methods: Here, we developed an active targeting delivery platform that uses biocompatible alginate capsules and controls movements by magnetic forces for agricultural and biological engineering applications. We designed and fabricated large-scale biocompatible capsules, using custom-made nozzles ejecting alginate solutions for encapsulation. Results: To develop the active target delivery platforms, we incorporated iron oxide nanoparticles in the large-scale alginate capsules. The sizes of alginate capsules were controlled by regulating the working conditions, such as concentrations of alginate solutions and iron oxide nanoparticles. Conclusions: We confirmed that the iron oxide particle-incorporated large-scale alginate capsules moved actively in response to magnetic fields, which will be a good strategy for active targeted delivery platforms for agriculture and biological engineering applications, such as for the controlled delivery of agriculture pesticides and biocontrol agents.
Alginates are used to encapsulate various materials, including food, cosmetics, and pharmaceuticals. This study examined the properties and oxidation stability of fish oil capsules manufactured with calcium alginate gels. The fish oil capsules were manufactured by dropping sodium alginate solution and fish oil into a calcium chloride solution through nozzles. The membrane thickness, sphericity, rupture strength and deformation depth of the fish oil capsules were determined. The peroxide value of the fish oil was assayed to determine the oxidation stability of the capsules. The capsules measured approximately 3 mm with a membrane thickness of 90 μm independent of the amount of fish oil added. As the amount of fish oil encapsulated increased, the sphericity, rupture strength and deformation depth of the capsules decreased. The encapsulation efficiency increased until the amount of fish oil was 30%. The oxidation stability of fish oil in capsules was dependent on the type of nozzle, e.g., the oxidation stability of fish oil in capsules made using a double nozzle was greater than with a single nozzle. These results should lead to industrial application of fish oils including eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) acids, as nutraceuticals.
칼슘 이온에 의해 젤화되는 알지네이트를 내부가 고상인 비드와 내부가 액상인 캡슐 형태로 각각 만들어 납이온 흡착 특성을 비교하여 보았다. 흡착 키네틱과 흡착 등온선 분석을 통해 칼슘-알지네이트 비드와 캡슐의 흡착 특성 차이를 pH 및 경화 시간에 따른 변화, 흡착시 칼슘 이온 방출량의 모니터링을 통해 검토하였다. 비드와 캡슐의 구조적 차이에 상관없이 두 흡착제 모두 표면착화(surface complexation)와 이온교환(ion exchange) 메커니즘에 의해 납 이온을 흡착하였고, 흡착량에 상관없이 두 메커니즘 간의 비율은 유사하였다. 납이온 흡착에 대한 pH 의존성은 비드와 캡슐이 유사하였으며, 이는 두 흡착제에 존재하는 표면 작용기가 유사함을 의미한다. 반면에 흡착 키네틱 분석에서는 캡슐에 비해 비드에서의 납이온 흡착 속도가 느렸으며, 흡착 등온선 분석에서 얻은 납이온의 최대 흡착량($Q_{max}$)은 알지네 이트 비드가 캡슐의 약 49% 정도로 나타났다. 이러한 납이온 흡착 거동의 차이는 비드와 캡슐 간의 구조적 차이에 기인한 것으로, 알지네이트 비드는 확산 저항에 의해 상대적으로 느린 흡착 속도 및 단위 무게당 적은 흡착량을 보이는 것으로 판단된다.
Chitosan-alginate capsules were formed by the electrostatic interactions and had appropriate mechanical strength, permeability to albumin and stability to hepatocyte. Pig hepatocytes were isolated and immobilized in chitosan-alginate capsules. Encapsulation in 3 minutes and spheroid formation period of 24 hours were optimum condition for the high liver function. Pig hepatocytes density of $90.{\times}10^6$ cells/mL in capsules was suitable for the application to bioartificial liver support system.
LEE , JI-HYUN;LEE, DOO-HOON;SON, JEONG-HWA;PARK, JUNG-KEUG;KIM, SUNG-KOO
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제15권1호
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pp.7-13
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2005
Chitosan-alginate capsules were formed by electrostatic interactions and exhibited an appropriate mechanical strength, permeability, and stability for the culture of hepatocytes. Pig hepatocytes were isolated and hepatocyte spheroids formed and immobilized in chitosan-alginate capsules. An encapsulation procedure of 3 min and spheroid formation period of 24 h were the optimum conditions for the best liver functions. Pig hepatocytes with a cell density of $6.0{\tomes}10^6$ cells/ml in the capsules were found to be most suitable for application in a bioartificial liver support system. The encapsulated pig hepatocyte spheroids exhibited stable ammonia removal and urea secretion rates in a bioreactor for 2 weeks. Accordingly, chitosan-alginate encapsulated hepatocyte spheroids in a packed-bed bioreactor would appear to have potential as a bioartificial liver.
Microencapsulation of anchovy oil as a core material in sodium alginate as a wall material was inves tigated. Microencapsulation was accomplished by injecting an oil/water emulsion, consisting of a mixture of liquefied sodium alginate and emulsifier, under high pressure through an orifice submerged in a calcium lactate solution. Microcapsules suspended in a dispersion fluid were observed under a fluorescence mi croscope to verify the presence of the capsules and to note coalescence or degradation of the capsules. Optimum conditions for microencapsulation of anchovy oil were obtained when 1.0% aqueous solution of sodium alginate contained 3% of a 1:1 ratio of ESPR 25(polyglycerine+polylinoleate) and TW 20(sorbitan laurate+ethylene oxide) as an emulsifier in terms of capsule size and size distribution, and emulsion stability. The airless sprayer produced microcapsules with a diameter between 15.9 and 73.9 m with different concentration of a wall material. The optimum mixing ratio of wall material to core material was 90:10(wt/wt). 0.2% calcium lactate was appropriate as a dispersion fluid.
해양 다당류인 chitosan과 alginate를 이용해서 캡슐을 제조할 수 있었으며 그 성상을 물고기 알과 같은 형태 즉 인조어란의 성상으로 만들 수 있었다. 캡슐의 크기는 공기 사출기의 유속에 의해 1~5mm로 조절할 수 있었다. 캡슐의 기계적 강도는 chitosan요액의 pH와 이온의 농도에 의해 조절할 수 있었으며 원하는 어란의 기계적 강도를 가진 인조캡슐을 제조할 수 있었다. 이러한 인조어란 대체품의 제조이외에도 타분야인 의약, 산업 및 식품 분야에 이용이 가능한 캡슐로 이용 될 것이다.
Kim, Sung-Koo;Yu, Sun-Hee;Lee, Ji-Hyun;Axel Racemacher;Lee, Doo-Hoon;Park, Jung-Keug
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제11권3호
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pp.423-427
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2001
Chitosan/alginate capsules were formed by electrostatic interactions and had appropriated mechanical strength, permeability to albumin, and stability to hepatocytes. Rat hepatocytes were isolated and immobilized in chitosan/alginate capsules. During the encapsulation process with hepatocyte, 10% of viability was decreased mainly due to the low pH of the chitosan solution. Among various capsule fabrication methods, the chitosan-alginate capsule showed the highest mechanical strength. Addition of collagen in the capsule with hepatocytes enhanced hepatic metabolism as well as the cell viability for 2 weeks of culture. The hepatocyte in the capsule without collagen decreased the viability to 10% for 2-week cultures.
To separate chitosanoligosaccharides easily by size exclusion, an coencapsulating technology of substrate and enzyme was developed. Chitosan and chitosanase were enveloped in this membrane and the product released to medium by size exclusion. The lower limit of the alginate concentration and the agitation speed were 0.5% and 40 rpm, respectively. Membrane thickness and capsules diameter were $10{\mu}m$ and approx. 3.0mm, 1.5mm, respectively. The molecular weight difference by concentration and cps of alginate were of little significance. And also, the molecular weight of distribution according to enzyme concentration was low concentration of enzyme produced high molecular weight of oligosaccharides. At 1.5mm size of capsule, product diffusion rate to outer part was higher than other capsules. The molecular weight distribution of the released oligosaccharides ranged from 1000 to 6000 Da.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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