The need for safe, therapeutically effective and patient-compliant drug delivery systems continuously leads researchers to design novel tools and strategies. Clay minerals are widely used materials in drug products both as excipients and active agents. When administered simultaneously, drug–clay interactions have been observed and studied, but until recently were not considered as a possible mechanism to modify drug release. In recent years, and based on their high retention capacities as well as swelling and colloidal properties, clays have been proposed as very useful materials for modulating drug delivery. This paper first reviews the studies on drug–clay interactions, and then those focused on the applications of natural clays and their semi-synthetic or synthetic derivatives to carry out specific functions in new drug delivery systems. In particular, clays are used to delay and/or target drug release or even improve drug dissolution. Finally, new strategies are reported for increasing drug stability and simultaneously modifying drug delivery patterns through the use of clay minerals.

This study reviews current challenges of clay minerals for drug delivery. Clay minerals are widely used in conventional pharmaceutical dosage forms both as excipients and active agents. Clay minerals may interact with drug molecules, but also with inactive components of medicinal products such as polymers. On the basis of these interactions, clay minerals and their modified forms can be effectively used to modify drug delivery systems. In this research area, recent advances include the use of montmorillonite and saponite to retain drug molecules and control their release. Synthetic analogues such as Laponite and layered double hydroxides are also being used for biopharmaceutical and technological purposes. Another interesting strategy is the preparation of composites with clay mineral particles in polymeric matrices to obtain different systems (films, nanoparticles, hydrogels, matrices…) with improved pharmaceutical properties compared to the single components.

Nano-hybrid systems have been shown to be an attractive platform for drug delivery. Laponite® RD (LAP), a biocompatible synthetic clay, has been exploited for its ability to establish of strong secondary interactions with guest compounds and hybridization with polymers or small molecules that improves, for instance, cell adhesion, proliferation, and differentiation or facilitates drug attachment to their surfaces through charge interaction. In this work, LAP was combined with Tetronics, X-shaped amphiphilic PPO-PEO (poly (propylene oxide)-poly (ethylene oxide) block copolymers. β-Lapachone (BLPC) was selected for its anticancer activity and its limited bioavailability due to very low aqueous solubility, with the aim to improve this by using LAP/Tetronic nano-hybrid systems. The nanocarriers were prepared over a range of Tetronic 1304 concentrations (1 to 20% w/w) and LAP (0 to 3% w/w). A combination of physicochemical methods was employed to characterize the hybrid systems, including rheology, particle size and shape (DLS, TEM), thermal analysis (TG and DSC), FTIR, solubility studies and drug release experiments. In vitro cytotoxicity assays were performed with BALB/3T3 and MCF-7 cell lines. In hybrid systems, a sol-gel transition can occur below physiological temperature. BLPC exhibits the most significant increase in solubility in formulations with a high concentration of T1304 (over 10% w/w) and 1.5% w/w LAP, or systems with only LAP (1.5%), with a 50 and 100-fold increase in solubilisation, respectively. TEM images showed spherical micelles of T1304, which elongated into wormlike micelles with concentration (20%) and in the presence of LAP, a finding that has not been reported before. A sustained release of BLPC over 140 hours was achieved in one of the formulations (10% T1304 with 1.5% laponite), which also showed the best selectivity index towards cancer cells (MCF-7) over BALB/3T3 cell lines. In conclusion, BLPC-loaded T1304/LAP nano-hybrid systems proved safe and highly effective and are thus a promising formulation for anticancer therapy.

Forgotten diseases, more usually known as "neglected tropical diseases" or NTDs, affect developing regions of Africa, Asia, America, and some countries of the European continent. Due to the characteristics of the population affected by NTDs (poor areas in developing countries, low-income patients), little effort is made either to eradicate or to innovate the therapeutics by the screening of new molecules. On the other hand, the improvement of the existing drug delivery systems is a more affordable alternative. This review will summarize the main, latest discoveries regarding NTDs lipid-based drug delivery systems. Out of the 20 different infections currently classified as NTDs, the present chapter will address tuberculosis, leprosy, leishmaniasis, malaria, and schistosomiasis. Special attention has been paid to lipid platforms such as liposomes, emulsions, and solid lipid nanoparticles. The major part of the studies cited in this chapter aims to improve treatment efficacy of the already commercialized molecules with different strategies such as bioavailability improvement, reduced toxic and/or side effects, and drug release control. Advances in treatment efficacy would translate into higher patient compliance and lower resistances, which ultimately will reduce the spread of the infections. In this regard, lipid nanoparticles have demonstrated to be a versatile, robust option for the amelioration of NTDs worldwide.

Nano-hybrid systems are products of interactions between organic and inorganic materials designed and planned to develop drug delivery platforms that can be self-assembled. Poloxamine, commercially available as Tetronic®, is formed by blocks of copolymers consisting of poly (ethylene oxide) (PEO) and poly (propylene oxide) (PPO) units arranged in a four-armed star shape. Structurally, Tetronics are similar to Pluronics®, with an additional feature as they are also pH-dependent due to their central ethylenediamine unit. Laponite is a synthetic clay arranged in the form of discs with a diameter of approximately 25 nm and a thickness of 1 nm. Both compounds are biocompatible and considered as candidates for the formation of carrier systems. The objective is to explore associations between a Tetronic (T1304) and LAP (Laponite) at concentrations of 1–20% (w/w) and 0–3% (w/w), respectively. Response surface methodology (RMS) and two types of machine learning (multilayer perceptron (MLP) and support vector machine (SVM)) were used to evaluate the physical behavior of the systems and the β-Lapachone (β-Lap) solubility in the systems. β-Lap (model drug with low solubility in water) has antiviral, antiparasitic, antitumor, and anti-inflammatory properties. The results show an adequate machine learning approach to predict the physical behavior of nanocarrier systems with and without the presence of LAP. Additionally, the analysis performed with SVM showed better results (R2 > 0.97) in terms of data adjustment in the evaluation of β-Lap solubility. Furthermore, this work presents a new methodology for classifying phase behavior using ML. The new methodology allows the creation of a phase behavior surface for different concentrations of T1304 and LAP at different pHs and temperatures. The machine learning strategies used were excellent in assisting in the optimized development of new nano-hybrid platforms.

The development of functional bionanocomposites for active food packaging is of current interest to replace non-biodegradable plastic coatings. In the present work, we report the synthesis of an alginate-based nanocomposite filled with modified halloysite nanotubes (HNTs) to develop coatings with improved barrier properties for food packaging. Firstly, HNTs were chemically modified by the introduction of carbon dots units (CDs) onto their external surface (HNTs-CDs) obtaining a nanomaterial where CDs are uniformly present onto the tubes as verified by morphological investigations, with good UV absorption and antioxidant properties. Afterwards, these were dispersed in the alginate matrix to obtain the alginate/HNTs-CDs nanocomposite (Alg/HNTs-CDs) whose morphology was imaged by AFM measurements. The UV and water barrier properties (in terms of moisture content and water vapor permeability) were investigated, and the antioxidant properties were evaluated as well. To confer some antimicrobial properties to the final nanocomposite, the synthetized filler was loaded with a natural extract (E) from M. cisplatensis. Finally, the extract kinetic release both from the filler and from the nanocomposite was studied in a medium mimicking a food simulant and preliminary studies on the effect of Alg/HNTs-CDs/E on coated and uncoated fruits, specifically apples and bananas were also carried out.