Ανάπτυξη μικροσφαιριδίων με τη χρήση νέων βιοϋλικών και μικρορευστονικών διατάξεων (microfluidics) για την παραγωγή φαρμακο-καλλυντικών (cosmeceuticals) προϊόντων

Abstract

Microbeads (MBs) play a pivotal role in the formulation and application of numerous cosmeceutical products, as they are widely employed as carriers for bioactive compounds, exfoliating agents, or rheology modifiers in semi-solid and liquid preparations. Traditionally, MBs have been manufactured using synthetic polymers such as polyethylene and polypropylene. However, their resistance to biodegradation contributes significantly to environmental pollution and the accumulation of primary microplastics. The growing concern regarding the ecological footprint of such MBs has led to a global shift toward the development of biodegradable alter-natives that retain the desired physicochemical and functional properties. Therefore, the combined demand for environmental sustainability and increasingly stringent regulatory frame-works in the healthcare and cosmetics industries underscores the urgent need for novel bio-materials that provide performance and safety without burdening the ecosystem. Within this context, biodegradable polymers have attracted substantial interest as promising sustainable alternatives, owing to their ability to degrade into non-toxic by-products under physiological or environmental conditions. These materials are derived from natural or synthetic polymers that undergo degradation primarily through enzymatic or hydrolytic mechanisms. In recent years, numerous biopolymers have been proposed for use in cosmeceutical applications (e.g., toothpastes, exfoliating formulations, creams), aiming to replace conventional plastics or other naturally derived materials that pose limitations in functionality or bio-degradability. Despite their potential, the use of such biodegradable materials is not without challenges. Many of the associated drawbacks stem from fundamental properties of the resulting MBs. For example, in exfoliating formulations, particles with irregular morphology may induce undesirable skin effects such as microabrasions or uneven exfoliation. Additionally, poor control over particle size distribution may adversely affect the rheological behavior of the final product, thus impacting its sensorial qualities and ease of application. Considering the above, the central objective of this doctoral research thesis was to design and develop biodegradable MBs from novel aliphatic polyesters using microfluidic technology, tailored to exhibit optimal physicochemical characteristics (size, shape, surface roughness, etc.) for use in cosmeceutical exfoliating formulations. The ultimate goal was to maximize product functionality and sensorial performance, while maintaining environmental compatibility and biodegradability. The first part of the thesis focused on the synthesis and extensive physicochemical cha-acterization of novel triblock copolymers based on poly(lactic acid) (PLA) and polyethylene glycol (PEG), of the PLA-PEG-PLA type. Two main polymer series were synthesized. In the first, the molecular weight of PEG was kept constant at 2,000 g/mol, while the [LA/PEG] molar ratio varied from 20/1 to 640/1. In the second series, the LA/PEG molar ratio was fixed at 640/1, and PEG with various molecular weights (1,000, 4,000, 6,000, and 8,000 g/mol) was used as the central block to evaluate the effect of PEG molecular weight on copolymer properties. The molecular weight, structural and thermal properties, and degree of crystallinity of the copolymers were evaluated using a suite of analytical techniques including gel permeation chromatography (GPC/SEC), nuclear magnetic resonance (NMR), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), thermo-gravimetric analysis (TGA), polarized light microscopy (PLM), and broadband dielectric spectroscopy (BDS). The results confirmed successful synthesis of homogeneous copolymers in both series. PEG incorporation was found to act as an internal plasticizer, leading to significant reductions in the glass transition temperature (Tg), while simultaneously affecting crystallinity and structural dynamics. Interestingly, although PEG incorporation suppressed crystalline nucleation, an overall increase in crystallinity was observed in the final materials. Selected copolymers synthesized with PEG 2,000 were further processed via droplet microfluidics to form MBs. Systematic variation of process parameters enabled optimization of particle size distribution and morphology. It was found that copolymers with low LA/PEG ratios (20/1 and 40/1) were unable to form MBs under the given conditions. The most effective processing conditions were achieved with a dispersed phase flow rate of 10 μL/min and a continuous aqueous phase flow rate of 100 μL/min, yielding monodisperse and robust MBs with well-defined morphological characteristics. Notably, increasing the aqueous phase flow rate led to larger MBs, while the hydrophilic nature of PEG induced a sponge-like structure in MBs derived from the 160/1 copolymer. The resulting MBs were then evaluated for their potential use in exfoliating cosmeceutical gel formulations. Surface morphology, mass loss, thermal stability, and crystallinity were monitored under different aqueous environments (distilled water, tap water, seawater, and NaOH solution) to assess biodegradation over time. The MBs exhibited slow hydrolytic degradation over 120 days, which was attributed to the absence of enzymatic activity. Importantly, the thermal stability of the MBs remained largely unaffected under all conditions tested. In parallel, exfoliating hydrogel formulations containing PLA-PEG-PLA MBs were prepared and subjected to sensorial evaluation. MB-containing gels demonstrated superior grain feel and residual skin sensation, while performing less favorably in terms of spreadability and smoothness, indicating potential trade-offs in sensorial attributes that could guide further formulation refinement. In the final stage of the thesis, nanoemulsions of curcumin (a potent natural antioxidant) were developed using microfluidic emulsification. These nanoemulsions showed enhanced colloidal stability and effective drug encapsulation. The incorporation of curcumin-loaded nanoemulsions into the new exfoliating gels added significant cosmeceutical value, by combining physical exfoliation with biological activity. The solubility of curcumin was first screened across a variety of oils, with coconut oil emerging as the most suitable carrier due to its high solubilizing capacity. Optimized nanoemulsions were produced under specific oil-to-water phase ratios and subsequently characterized by dynamic light scattering (DLS) for particle size and ζ-potential, while their antioxidant activity was assessed via DPPH assay. In vitro skin permeability studies (using Strat-M® synthetic membranes) revealed that nanoencapsulation significantly improved the transdermal delivery of curcumin compared to its free form. Further-more, the antioxidant activity of nanoencapsulated curcumin remained stable after 24 hours of UV exposure, highlighting the protective effect of the carrier system. In conclusion, this doctoral thesis demonstrates that microfluidic-assisted fabrication of biodegradable MBs from amphiphilic PLA-PEG-PLA copolymers, alongside the development of curcumin-loaded nanoemulsions with enhanced physicochemical stability, can lead to the formulation of next-generation, multifunctional cosmeceutical exfoliating products that are both effective and environmentally responsible.

Τα μικροσφαιρίδια (microbeads, ΜΒs) διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη σύνθεση και τη χρήση πολλών φαρμακο-καλλυντικών προϊόντων, καθώς χρησιμοποιούνται ευρέως ως φορείς μεταφοράς βιοδραστικών ουσιών, απολεπιστικοί παράγοντες ή ρυθμιστές των ρεολογικών ιδιοτήτων των σκευασμάτων αυτών. Παραδοσιακά, τα MBs κατασκευάζονται από συνθετικά πολυμερή, όπως πολυαιθυλένιο και πολυπροπυλένιο, τα οποία, λόγω της ανθεκτικότητάς τους στη βιοαποικοδόμηση, συμβάλλουν σημαντικά στη ρύπανση του περιβάλλοντος και στη δημιουργία πρωτογενών μικροπλαστικών. Η αυξανόμενη ανησυχία για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των εν λόγω MBs έχει οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών βιοδιασπώμενων υλικών, τα οποία θα διατηρούν παράλληλα και τις επιθυμητές φυσικοχημικές και λειτουργικές τους ιδιότητες. Επομένως, η ανάγκη για περιβαλλοντική βιωσιμότητα, σε συνδυασμό με τις αυστηρότερες κανονιστικές ρυθμίσεις που διέπουν το κλάδο της Υγείας, καθιστά επιτακτική την αναζήτηση νέων βιοϋλικών, ικανών να προσφέρουν αποτελεσματικότητα και ασφάλεια στα φαρμακο-καλλυντικά προϊόντα, χωρίς να επιβαρύνουν όμως το περιβάλλον.το πλαίσιο αυτό, τα βιοδιασπώμενα πολυμερή έχουν προσελκύσει αξιοσημείωτο ενδιαφέρον ως βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις λόγω της ικανότητάς τους να αποικοδομούνται σε μη τοξικά παραπροϊόντα υπό φυσιολογικές συνθήκες. Αυτά τα υλικά προέρχονται κυρίως από φυσικά ή συνθετικά πολυμερή που αποικοδομούνται μέσω μικροβιακής/ενζυματικής δράσης ή υδρολυτικών διεργασιών. Τα τελευταία χρόνια, πολλά νέα βιοπολυμερή έχουν προταθεί για εφαρμογή σε διάφορα φαρμακο-καλλυντικά προϊόντα (όπως οδοντόπαστες, απολεπιστικά σκευάσματα, κρέμες καλλυντικών, κ.ά.) ως φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις έναντι των συμβατικών πλαστικών υλικών (ή άλλων υλικών φυσικής προέλευσης) που χρησιμοποιούνται ευρέως. Παρά όμως τα σημαντικά πλεονεκτήματα, η χρήση των εν λόγω βιοϋλικών συνοδεύεται με σοβαρά προβλήματα, τα οποία, μεταξύ άλλων, σχετίζονται άμεσα με τις θεμελιακές ιδιότητες των MBs που προκύπτουν. Για παράδειγμα, σε απολεπιστικά φαρμακο-καλλυντικά προϊόντα η ακανόνιστη μορφολογία των σωματιδίων μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα αποτελέσματα στο δέρμα, όπως μικροτραυματισμούς ή άνιση απολέπιση, ενώ η μη ελεγχόμενη κατανομή του μεγέθους τους μπορεί να επηρεάσει τις ρεολογικές ιδιότητες των ημι-στερεών ή υγρών φαρμακο-καλλυντικών σκευασμάτων που προκύπτουν από αυτά, αλλοιώνοντας έτσι την αίσθηση και την ευκολία εφαρμογής των τελικών προϊόντων.αμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, σκοπός της εν λόγω διδακτορικής έρευνας είναι η δημιουργία βιοδιαποικοδομήσιμων MBs από νέους αλειφατικούς πολυεστέρες με τη χρήση μικρορευστονικών διατάξεων (microfluidics), τα οποία θα διαθέτουν τις βέλτιστες θεμελιακές ιδιότητες (μέγεθος, σχήμα, επιφανειακή τραχύτητα κ.α.) για χρήση σε φαρμακο-καλλυντικά προϊόντα (απολεπιστικά σκευάσματα), βελτιστοποιώντας έτσι τη λειτουργικότητα και τις αισθητικές ιδιότητες των τελικών σκευασμάτων, εξασφαλίζοντας όμως παράλληλα και την περιβαλλοντική τους βιωσιμότητα. Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η σύνθεση και ο εκτενής φυσικοχημικός χαρακτηρισμός νέων τρισυσταδικών συμπολυμερών του πολυ(γαλακτικού οξέος) (PLA), με τη χρήση της πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG) (συμπολυμερή τύπου PLA-PEG-PLA). Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν δυο σειρές συμπολυμερών με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στην πρώτη, εξετάστηκαν διαφορετικές μοριακές αναλογίες [LA/PEG] από 20/1 έως 640/1, διατηρώντας σταθερό το μοριακό βάρος της PEG (2.000 g/mol), ενώ στην δεύτερη διατηρήθηκε σταθερή η μοριακή αναλογία LA/PEG στο 640/1 και χρησιμοποιήθηκε ως κεντρικό μόριο PEG με διαφορετικό μοριακό βάρος (1.000,4.000,6.000 και 8.000 g/mol) προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση του στα τελικά συμπολυμερή. Το μοριακό βάρος, οι δομικές και θερμικές ιδιότητες καθώς και η κρυστάλλωση των νέων συμπολυμερών χαρακτηρίστηκαν με τεχνικές όπως η χρωματογραφία διέλευσης μέσω πηκτής (GPC/SEC) η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), η φασματοσκοπία υπερύθρων μετασχηματισμού Fourier (FT-IR), η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), η θερμοσταθμική ανάλυση (TGA), οπτικό πολωτικό μικροσκόπιο (PLM) και διηλεκτρική φασματοσκοπία (BDS). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και στις δύο σειρές παρασκευάστηκαν ομογενή συμπολυμερή, ενώ προσθήκη της PEG στο κέντρο της αλυσίδας του συμπολυμερούς λειτουργεί ως πλαστικοποιητής, μειώνοντας σημαντικά τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) των τελικών υλικών. Επιπρόσθετα, η μελέτη έδειξε ότι παρόλο που η ενσωμάτωση της PEG φαίνεται να παρεμποδίζει τον πυρήνωση των κρυσταλλικών περιοχών, παρατηρείται γενική αύξηση του βαθμού κρυσταλλικότητας στα συμπολυμερή. Στη συνέχεια, μέρος των εν λόγω υλικών (επιλέχθησαν τα συμπολυμερή που παρασκευάστηκαν με PEG 2.000) χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή ΜΒs μέσω μικρορευστονικών διατάξεων (microfluidics), βελτιστοποιώντας τη μορφολογία και την κατανομή μεγέθους τους, μέσω διαφοροποίησης των παραμέτρων της παραγωγής τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συμπολυμερή με μοριακή αναλογία 20/1 και 40/1 δεν μπόρεσαν να δώσουν MBs ενώ το σύστημα παραμέτρων με ρυθμό ροής 10 μL/min οργανική φάσης και 100 μL/min υδατική φάσης αντίστοιχα, ήταν ικανό να δώσει ευδιάκριτα και σκληρά MBs με μικρή πολυδιασπορά και διαφορετικές μορφολογίες. Παρατηρήθηκε επίσης ότι η αύξηση της ροής της υδατικής φάσης οδήγησε σε αύξηση του μεγέθους των τελικών MBs, ενώ η υδρόφιλη φύση του PEG προκάλεσε την δημιουργία σπογγώδης δομής στα MBs με μοριακή αναλογία 160/1. Ακολούθως, τα βιοαποικοδομήσιμα ΜΒs αξιολογήθηκαν για την πιθανή εφαρμογή τους σε φαρμακο-καλλυντικά απολεπιστικά σκευάσματα. Η επιφάνεια, η απώλεια βάρους, η θερμική σταθερότητα και η κρυσταλλικότητα των σφαιριδίων αναλύθηκαν σε διάφορες συνθήκες προ-κειμένου να εκτιμηθεί η επίδραση διαφορετικών υδατικών περιβαλλόντων (απεσταγμένο νερό, νερό βρύσης, θαλασσινό νερό και διάλυμα NaOH) στη βιοαποικοδόμησή τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα MBs υδρολύονται με αργό βαθμό σε χρονικό διάστημα 120 ημερών, το οποίο οφείλεται στην απουσία ενζύμων ενώ η θερμική σταθερότητά τους δεν εμφάνισε σημαντικές μεταπτώσεις.Επιπλέον, παρασκευάστηκαν απολεπιστικές υδρογέλες (scrub gels) που περιείχαν ΜΒs PLA-PEG-PLA και πραγματοποιήθηκε αισθητηριακή ανάλυση. Οι συνθέσεις με MBs από συμπολυμερή παρουσίασαν σημαντικές βελτιώσεις στην αίσθηση των κόκκων και στην αίσθηση υπολείμματος, αλλά είχαν μειωμένη απόδοση σε χαρακτηριστικά όπως η επάλειψη και η απαλότητα, γεγονός που υποδηλώνει έναν συμβιβασμό στις προτιμήσεις των χρηστών. Τέλος, παρασκευαστήκαν νανογαλακτώματα κουρκουμίνης, μιας ισχυρής φυσικής αντιοξειδωτικής ουσίας, με τη χρήση μικρορευστονικών διατάξεων, εξασφαλίζοντας αυξημένη σταθερότητα και αποδοτική ενσωμάτωση της κουρκουμίνης. Η ενσωμάτωση των νανογαλακτωμάτων κουρκουμίνης στα νέα απολεπιστικά σκευάσματα, προσδίδει σημαντική φαρμακο-καλλυντική αξία, καθώς συνδυάζει τη μηχανική απολέπιση της επιδερμίδας με τη βιολογική δράση της κουρκουμίνης. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μελέτη διαλυτότητας της κουρκουμίνης σε διάφορα έλαια, όπου και διαπιστώθηκε ότι το έλαιο καρύδας παρουσιάζει την υψηλότερη διαλυτότητα. Στην συνέχεια, εξετάστηκαν διάφορες αναλογίες ροής ελαιώδης/υδατικής φάσης για να βρεθούν οι βέλτιστες συνθήκες παρασκευής των νανογαλακτωμάτων. Πραγματοποιήθηκε μέτρηση της μέσης υδροδυναμικής διαμέτρου και του Ζ-δυναμικού με την χρήση δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS), της αντιοξειδωτικής ικανότητας μέσω της δοκιμής DPPH καθώς και in vitro μελέτες διαπερατότητας της νανοεγκλεισμένης κουρκουμίνης με τη χρήση τεχνητών μεμβρανών που προσομοιάζουν το ανθρώπινο δέρμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενθυλάκωση της κουρκουμίνης στα νανογαλακτώματα προσφέρει αυξημένη φυσική σταθερότητα (ζ-δυναμικό > -30 mV), ενώ προσφέρει και προστασία έναντι της UV ακτινοβολίας. Τέλος, η μελέτη διαπερατότητας σε μεμβράνη προσομοίωσης δέρματος έδειξε ότι ο εγκλεισμός της κουρκουμίνης στα νανογαλακτώματα οδήγησε σε αυξημένη διαπερατότητα σε σχέση με την μη εγκλεισμένη κουρκουμίνη. Συμπερασματικά, μέσω της παρούσας διδακτορικής διατριβής διαπιστώνεται ότι η χρήση μικρορευστονικών διατάξεων για την παραγωγή MBs από νέα βιοαποικοδομήσιμα αμφίφιλα συμπολυμερη και την παρασκευή αντιοξειδωτικών νανογαλακτωμάτων κουρκουμίνης με βελτιωμένη σταθερότητα, είναι σε θέση να οδηγήσει στη δημιουργία αποτελεσματικών απολεπι-στικών και αντιοξειδωτικών φαρμακο-καλλυντικών σκευασμάτων.