Development of an aerogel-based nutrient carrier for iron and folic acid delivery

Abstract

O ferro e o ácido fólico são micronutrientes essenciais que não podem ser sintetizados pelo corpo humano. A sua deficiência pode levar a anemia, constituindo uma questão de preocupação global, principalmente na gestação. A mulher grávida precisa de ferro e ácido fólico em quantidades acrescidas para manter o seu bem-estar e garantir o crescimento saudável do feto. Devido a sua baixa biodisponibilidade, a suplementação desses nutrientes durante a gravidez é frequentemente recomendada para prevenir anemia, mas os efeitos colaterais associados dificultam a adesão da paciente. Nos últimos anos têm sido intensamente pesquisadas novas formas farmacêuticas para transporte e libertação de medicamentos, nomeadamente materiais nanoestruturados. Todavia, no caso de nutracêuticos, trata-se de uma matéria pouco explorada. Neste contexto, os bioaerogéis de polissacarídeo surgem como transportadores promissores porque combinam as propriedades excecionais dos aerogéis, designadamente a elevada área superficial, com a abundância, biocompatibilidade e biodegradabilidade dos polissacarídeos naturais. Neste trabalho, foram desenvolvidos aerogéis à base de amido capazes de transportar e libertar ferro e ácido fólico. Foram comparados métodos de secagem e obtidos aerogéis de amido com densidade aparente tão baixa quanto 0.140 ± 0.002 g cm-3. A digestão foi simulada e a secagem supercrítica com CO2 resultou em amostras mais resistentes às condições estomacais relativamente à secagem por freeze-drying.Para compreender as interações do ácido fólico com a matriz de amido, foi adotada uma abordagem integradora compreendendo estudos experimentais e simulação molecular. A evolução temporal de um sistema com amilose, mimetizando o amido, e ácido fólico foi avaliada por dinâmica molecular. Os resultados preliminares indicam que o ácido fólico desenvolve ligações intermoleculares fracas com a amilose e pode ser fisicamente capturado por um aglomerado de amilose em água.Para aumentar a absorção de ferro, foi testada a síntese do complexo citrato ferroso visando a sua atuação como fonte de ferro. O ácido fólico e o citrato ferroso foram também adicionados separadamente em géis de amido, resultando em 0.390 ± 0.003% de ácido fólico e 11.05 ± 0.02% de ferro em relação ao amido (m/m). Foram realizados testes de libertação nas condições do intestino e o ferro foi libertado mais rapidamente do que o ácido fólico, atingindo uma libertação de 80% aos 20 e 90 minutos de teste, respetivamente. O modelo cinético de Korsmeyer-Peppas permitiu um ajuste adequado ao perfil de libertação de ácido fólico, mas a rápida libertação de ferro dificultou a modelação do perfil de libertação deste último. Portanto, o aerogel de amido proposto é uma solução promissora para transporte e libertação de nutracêuticos e estudos futuros podem aumentar a sua competitividade em relação aos suplementos convencionais.

Iron and folic acid are essential micronutrients that cannot be synthesized by the human body and their deficiency can lead to anemia. It is a topic of worldwide concern, especially in the case of pregnancy. Pregnant women need iron and folic acid in higher amounts to keep their well-being and ensure the healthy growth of the fetus. Due to their low bioavailability, supplementation of these nutrients during pregnancy is recommended to prevent anemia, but patient compliance can be impaired by the associated side effects. Novel dosage forms for drug delivery, namely nanostructured materials, have been heavily researched in recent years. Nonetheless, nutraceutical delivery is still an under-exploited field. Polysaccharide bioaerogels arise as promising carries, combining the exceptional properties of aerogels, namely high surface area, with the abundance, biocompatibility and biodegradability of natural polysaccharides. In this work, a starch-based aerogel capable of delivering iron and folic acid was developed. Different drying methods were compared and starch aerogels with bulk density as low as 0.140 ± 0.002 g cm-3 were obtained. Digestion was simulated and supercritical drying with CO2 resulted in samples more resistant to the stomach conditions in comparison to freeze-drying.An integrative approach of experimental testing and molecular simulation was attempted to better understand the interactions between folic acid and the starch matrix. The time evolution of a system containing amylose, representing starch, and folic acid was assessed by molecular dynamics. Preliminary results suggest that folic acid develops weak intermolecular bonds with amylose and can be physically entrapped by an amylose agglomerate in water.To enhance iron absorption, the synthesis of a ferrous citrate complex to act as iron source was attempted. Folic acid and ferrous citrate were also separately loaded into starch gels, resulting in 0.390 ± 0.003% of folic acid and 11.05 ± 0.02% of iron in relation to starch (w/w). Release tests in intestinal conditions were performed and iron presented a faster release than folic acid, reaching a release percentage of 80% at 20 and 90 minutes of test, respectively. The Korsmeyer-Peppas kinetic model fitted the folic acid release data quite well, but the rapid release of iron hindered the modeling of its profile. Thus, the proposed starch aerogel is a promising solution for nutraceutical delivery and further development can increase its competitiveness against conventional supplements.