3D simulation of nano/micro cellulose delivery systems for dermic and respiratory applications: Case study of eucalyptus essential oil incorporation

Abstract

The purpose of this work was to design, develop and optimize different combinations of drug delivery systems (DDS) with nanofibrillated (NFC) and microfibrillated (MFC) cellulose-based materials, as 3D networks, encapsulating eucalyptus essential oil molecules, for dermic and respiratory applications. Experimental and computational approaches were implemented for characterization, modeling studies, and structure porosity optimization. The optimized porous structures were able to retain the desired molecules, resulting in more controlled and uniform release kinetics over time. This methodology allowed for optimizing new bio-based drug delivery systems with controlled porosity, pore dimension and distribution, retention of therapeutic molecules, and uniformity of the 3D network. The results showed that different drug delivery systems with this 3D matrix released the essential oil molecules, improving its stability and prolonging the exposure time, factors that are important to develop promising drug delivery systems in biomaterials fields. Overall, cellulose-based structured biomaterials capable of transporting and releasing essential oil components are representatives of innovative materials that will be used in novel applications, in which the exposure time to the therapeutic molecules constitutes a competitive benefit. Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Kombinationen von Verabreichungssystemen (DDS) mit nanofibrillierten (NFC) und mikrofibrillierten (MFC) zellulosebasierten Werkstoffen als 3D-Netzwerke zu entwerfen, zu entwickeln und zu optimieren sowie die Moleküle des ätherischen Eukalyptusöls für dermische und respiratorische Anwendungen einzukapseln. Für die Charakterisierung, die Modellierung und die Optimierung der Strukturporosität wurden experimentelle und rechnerische Verfahren eingesetzt. Die optimierten porösen Strukturen waren in der Lage, die gewünschten Moleküle zurückzuhalten, was zu einer kontrollierteren und gleichmäßigeren Freisetzungskinetik im Laufe der Zeit führte. Diese Methodik ermöglichte die Optimierung neuer biobasierter Verabreichungssysteme mit kontrollierter Porosität, Porengröße und -verteilung, Rückhaltung therapeutischer Moleküle und Gleichmäßigkeit des 3D-Netzwerks. Die Ergebnisse zeigten, dass verschiedene Verabreichungssysteme mit dieser 3D-Matrix die Moleküle des ätherischen Öls freisetzten, ihre Stabilität verbesserten und die Einwirkungszeit verlängerten – Faktoren, die für die Entwicklung vielversprechender Verabreichungssysteme im Bereich der Biowerkstoffe wichtig sind. Insgesamt sind strukturierte Biowerkstoffe auf Zellulosebasis, die in der Lage sind, ätherische Ölkomponenten zu transportieren und freizusetzen, Vertreter innovativer Werkstoffe, die in neuartigen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Einwirkungszeit der therapeutischen Moleküle einen Wettbewerbsvorteil darstellt.