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Authors: Yiamsawas, Doungporn
Title: Lignin biomaterial - from enzyme-responsive vehicles to carbon precursor
Online publication date: 15-Jun-2016
Language: english
Abstract: This thesis presents the first report on enzymatic triggered release of active agents from lignin nanoparticles prepared by a variety of chemistry via the miniemulsion process. The nanoparticles are found very promising as novel drug delivery vehicles in agriculture. The first approach is to prepare lignin hollow nanocapsules by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion. The obtained cross-linked lignin nanocontainers can be loaded with hydrophilic substances which can be released by an enzymatic trigger, namely laccases, present in natural plants. The second strategy for the nanocarrier formation is the modification of lignin by esterification of hydroxyl groups present in lignin with methacrylic anhydride. Then lignin nanocarriers with different morphologies such as solid, core-shell, and porous structure were produced by a combination of miniemulsion polymerization and a solvent evaporation process. A hydrophobic dye is used to investigate the release behavior of the lignin nanocarriers depending on their morphology. To verify the enzymatic response of lignin nanocarriers, the enzyme laccase was used to trigger the release of the dye from the lignin nanocarriers. Lignin can act as drug delivery vehicles for fungal diseases in plants. For this, biodegradable lignin nanoparticles were loaded with pyroclostrobin, an antifungal drug against a disease of grapevine called Esca; studies in plants were performed by injecting aqueous dispersion of nanoparticles into Esca-infected vitis vinifera (grapevines). This work was carried out in collaboration with Prof. Dr. Eckhard Thines of the Institute of Biotechnology and Drug Research in Kaiserslautern. The enzymes secreted by Esca degraded the lignin nanoparticles and released the drug to cure infected wine plants. All treated plants with the fungicide-filled lignin nanoparticles recovered from the Esca infection. The effect of biodegradable lignin nanoparticles and non-degradable polystyrene nanoparticles with encapsulated iron oxide on the development of mung beans and their bio-distribution was studied. Magnetic polystyrene nanoparticles influenced the growth of the root and the stem development during seeding, while the lignin particles did not have any visible effect. Both types of nanoparticles could penetrate the epidermis of the root tissue, were accumulated in root cells, and could be transported through the vascular cylinder to leaves. The lignin nanoparticles were further loaded with a model antifungal drug that was distributed within the plant after incubation or injection of the bean with the nanoparticle dispersion. This thesis shows tremendous potential of lignin nanoparticles in drug delivery for agricultural purposes and also in water purification by carbonization of lignin particles synthesized by the miniemulsion process. The resulting carbon particles exhibited a high surface area and showed efficient adsorption of the methylene blue dye. These results prove that the abundant biopolymer lignin can be used as an efficient material for the preparation of nanoparticles with variable morphologies that can be applied in agriculture as biodegradable drug carrier or as adsorbent after carbonization.
Diese Arbeit ist den ersten Bericht über enzymatische ausgelöste Freisetzung von Wirkstoffen aus Lignin Nanopartikel. Die Nanopartikel sind durch eine Vielzahl von Chemie mit dem Miniemulsionsverfahren hergestellt. Die Nanopartikel sind sehr vielversprechende und neuartige Materialien für die Freisetzung von Wirkstoffe in der Landwirtschaft. Der erste Ansatz war die Herstellung von Lignin hohlen Nanokapseln durch einen Grenzflächen-Polyadditionsverfahren in inverse Miniemulsionen. Die vernetzten Lignin Nanocontainer könnten mit hydrophilen Substanzen, die durch in natürlichen Pflanzen eine enzymatische vorliegenden Trigger freigegeben werden können geladen werden. Die zweite Strategie für die Nanobildung ist die Modifikation von Lignin durch Veresterung der Hydroxylgruppen von Lignin mit Methacrylsäureanhydrid. Lignin Nanopartikeln mit verschiedener Morphologie, feste Nanopartikel, Kern-Schale-Strukturen, und poröse Strukturen, wurden durch eine Kombination von Miniemulsionspolymerisation und das Lösungsmittelverdampfungsverfahren hergestellt. Ein hydrophober Farbstoff ist als Wirkstoff verwendet, um das Freisetzungsverhalten der Lignin Nanopartikel zu untersuchen. Die enzymatische Reaktion von Lignin Nanopartikel ist mit dem Enzyme Laccase untersucht, um die Freisetzung des Farbstoffs aus dem Lignin Nanopartikel auszulösen. Wir zeigen, dass Lignin als Arzneimittelabgabevehikel für Pilzkrankheiten benutzen werden. Biologische abbaubare Lignin Nanopartikel sind mit pyroclostrobin, ein Antimykotikum gegen Weinrebekrankheit genannt Esca. Untersuchng der Pflanzen wurden durch Injektion von wässrigen Dispersion von Nanopartikeln in Esca-infizierten Vitis vinifera (Weinrebe) durchgeführt. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Professor Thines, Institut für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung, Kaiserslautern, durchgeführt. Alle behandelten Pflanzen mit den Fungizid gefüllten Lignin-Nanopartikel waren aus der Esca-Infektion erholt. Die Wirkung von biologischen abbaubarenen Nanopartikeln Lignin und Polystyrol/Magnetit Nanopartikel auf die Entwicklung von Mungobohnen und ihre Bio-Verteilung sind untersucht. Magnetische Polystyrol Nanopartikel beeinflusst das Wachstum der Wurzel und dem Stamm Entwicklung beim Impfen, wobei die Lignin-Teilchen haben keinen Effekt. Beide Nanopartikel sind in der Epidermis der Wurzelgewebe eindrungen und wurden in Wurzelzellen akkumuliert. Sie könnten durch das Gefäßzylinder Blätter transportiert werden. Die Lignin Nanopartikel wurden weiter mit einem Modell Antimykotikum, das in der Anlage nach der Inkubation oder Injektion der Bohne mit der Nanopartikeldispersion verteilt wurde geladen. Dieser Bericht zeigt die enorme nützliche Anwendung von Lignin Nanopartikeln für die Freisetzung von Wirkstoffe für landwirtschaftliche Zwecke und auch in der Wasserreinigung durch Carbonisierung von Lignin Partikel. Die resultierenden Kohlenstoff-Teilchen wiesen eine hohe Oberfläche und zeigten eine effiziente Adsorption der Methylenblau Farbstoff. Diese Ergebnisse beweisen, dass die Biopolymer Lignin ist ein effiziente Material für die Herstellung von Nanopartikeln mit variabler Morphologien, die in der Landwirtschaft als bioabbaubare Arzneimittelträger oder als Adsorptionsmittel nach der Carbonisierung angewendet werden können.
DDC: 000 Allgemeines
000 Generalities
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4054
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005258
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 159 Seiten
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