Desenvolvimento de Emulsões Pickering imprimíveis em 3D visando nutrição customizada
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The progressive need to develop effective customized nutrition products to answer to specific nutritional needs is being successively approached by the use of advanced technologies, with 3D-printing gathering increasing interest. 3D-printing allows the creation of tailor-made complex products, facilitating a flexible production and personalization at low-cost investment. On-demand customization advantages of 3D-printing are well recognized, e.g., in the biomedical field, but their range of applications is increasingly broadening to other areas, such as food and cosmetics. In this context, this project intends to show the advantages of 3D-printing for customized nutrition, for which the printability of Pickering emulsions will be studied. This is a scarcely explored topic in the emerging area of bioinks for 3D-printing, which due to their huge potential as versatile systems for combining active principles of the same or opposite nature, urge to be studied.
Emulsions, considered the basis of several technological products e.g., food, cosmetics, biomedicine, etc., can be the pillar to overcome the challenge of customized nutrition products. More specifically, Pickering emulsions PEs, which use solid particles as stabilizers, instead of conventional synthetic surfactants, offer the opportunity to develop stable, green and non-toxic products. The synthesis of bionanoparticles BNPs from biopolymers in this project proteins and polysaccharides via green chemistry routes complexation or enzyme-induced reactions, enables the design of Pickering stabilizers, which can be used in the development of stable bio-Pickering emulsions. To achieve printability these bio-Pickering emulsions must be formulated to present a compatible rheological behavior, which can be primary approached by producing the so called High Internal Phase Pickering Emulsions HIPPEs, increasing particle’s content or adding other colloids to the external phase during the synthesis processes. Also, rheological behavior can be tunned after synthesis by incorporating natural entities such as micro fibrillated cellulose, known to be an effective tailoring agent.These parameters need to be studied as well as their impact on emulsions printability.
Emulsions due to their compartmentalized structure can act as versatile templates to protect and deliver active agents. Particularly, in the case of combining active agents of opposite nature. Reported studies avail the concept that, when combined, certain compounds improve their effectiveness due to synergistic effects. Among the benefits of using Pickering stabilizers, the development of Pickering emulsions makes viable the combination of different active agents in the same product, which is not easily achieved with other delivery systems. Through this approach, active agents of the same or opposite hydrophilic/hydrophobic nature will be preserved in separate compartments within the same formulation. This opens an infinity of opportunities, with potential for several applications. Aiming at demonstrating this potential for customized nutrition applications, a proof of concept will be developed by combining vitamin D3 lipophilic with a calcium source e.g., calcium gluconate, hydrophilic, using an optimized printable system. The produced products, after being digested, are expected to favor calcium absorption due to the presence of vitamin D3, contributing to solve recognized social and health problems related to calcium deficiency such as osteoporosis.
The work presented here intends to demonstrate the potential of Pickering emulsions as 3D-printable systems, being the study centered on these topics. The proof of concept intends to demonstrate their applicability, even an exhaustive validation is not foreseen. Hopefully, the promising results expected in this exploratory project will open a new area of study addressing the use of printable Pickering emulsions in customized nutrition applications.
A necessidade crescente em desenvolver produtos nutricionais personalizados eficazes para responder a necessidades nutricionais específicas está a ser sucessivamente abordada pelo uso de tecnologias avançadas, com crescente interesse pela impressão 3D. A impressão 3D permite a criação de produtos complexos feitos por medida, facilitando uma produção flexível e personalização com um investimento de baixo custo. As vantagens da personalização por medida da impressão 3D são amplamente reconhecidas, por exemplo, no campo da biomédica, mas a sua gama de aplicações está-se expandindo cada vez mais para outras áreas, como alimentos e cosméticos. Neste contexto, o presente projeto pretende mostrar as vantagens da impressão 3D no campo da nutrição personalizada, para a qual será estudada a printabilidade das emulsões Pickering. Este é um tema pouco explorado na área emergente das biotintas bioinks para impressão 3D, que devido ao seu enorme potencial como sistemas versáteis de combinação de princípios ativos da mesma natureza ou oposta, urge ser estudado.
As emulsões, consideradas a base de diversos produtos tecnológicos por exemplo, alimentos, cosméticos, biomedicina, etc., podem ser o pilar para superar o desafio associado aos produtos nutricionais customizados. Mais especificamente, as emulsões Pickering PEs, que utilizam partículas sólidas como estabilizantes, em vez de emulsionantes sintéticos, oferecem a oportunidade de desenvolver produtos estáveis, verdes e não tóxicos. A síntese de bionanopartículas BNPs a partir de biopolímeros neste projeto usando proteínas e polissacarídeos via rotas de química verde complexação ou reações induzidas por enzimas, possibilita o desenho de estabilizadores Pickering, que podem ser utilizados no desenvolvimento de bio-emulsões Pickering estáveis?. Para alcançar a printabilidade, essas bio-emulsões Pickering devem ser formuladas para apresentar um comportamento reológico compatível, o que pode ser abordado pela produção das chamadas High Internal Phase Pickering Emulsions HIPPEs, aumentando o teor de partículas ou adicionando outros coloides à fase externa durante o processo de síntese. Adicionalmente, o comportamento reológico pode ser ajustado após a síntese pela incorporação de compostos naturais, como a celulose microfibrilada, conhecida por ser um agente de modelação da reologia eficaz. Esses parâmetros necessitam ser alvo de estudo, bem como seu impacto na capacidade de impressão das emulsões.
As emulsões, devido à sua estrutura compartimentada, podem atuar como modelos versáteis para proteger e libertar agentes ativos; particularmente, no caso de combinar agentes ativos de natureza oposta. Estudos publicados relatam o facto de que, quando combinados, certos compostos melhoram sua eficácia devido a efeitos de sinergismo. Entre os benefícios associados aos estabilizadores Pickering, o desenvolvimento de emulsões Pickering viabiliza a combinação de diferentes agentes ativos num mesmo produto, o que não é facilmente alcançado com outros sistemas de libertação. Através desta abordagem, os agentes ativos da mesma natureza hidrofílica/hidrofóbica, ou oposta, serão preservados em compartimentos separados dentro da mesma formulação. Isso abre uma infinidade de oportunidades, com potencial para diversas aplicações. Com o objetivo de demonstrar este potencial para aplicações nutricionais personalizadas, uma prova de conceito será desenvolvida combinando vitamina D3 lipofílica com uma fonte de cálcio por exemplo, gluconato de cálcio, hidrofílica, usando um sistema de impressão otimizado. Espera-se que os produtos produzidos, depois de digeridos, favoreçam a absorção de cálcio devido à presença de vitamina D3, contribuindo para minorar os problemas sociais e de saúde relacionados com a deficiência de cálcio, como por exemplo a osteoporose.
O trabalho aqui apresentado pretende demonstrar o potencial das emulsões Pickering como sistemas imprimíveis em 3D, estando o estudo centrado nestes tópicos. A prova de conceito pretende demonstrar a sua aplicabilidade, mesmo não estando prevista uma validação exaustiva, perspetivando que os resultados promissores esperados neste projeto exploratório abram uma nova área de estudo no campo do uso de emulsões Pickering imprimíveis em aplicações nutricionais personalizadas.
