Rodrigues, FranciscaVieira, MónicaMarques, Mariana Isabel Gonçalves2026-02-252026-02-252025-11-19http://hdl.handle.net/10400.22/31903Polyphenols are bioactive compounds with skin antioxidant and anti-aging potential, yet their cosmetic application remains limited due to instability and poor solubility, so encapsulation offers a promising strategy to improve their stability and controlled release (1). This thesis aimed to develop a novel cosmetic ingredient by enhancing the stability and safety of polyphenols through encapsulation, while employing physiologically relevant 3D in vitro and ex vivo skin models for toxicity and permeation testing. Catechin, epicatechin, chlorogenic acid (CGA), neochlorogenic acid (NCGA), and their mixture were microencapsulated in sodium alginate by spray-drying, achieving encapsulation efficiencies between 19 and 27% and product yields from 37 to 53%. The microparticles displayed enhanced thermal stability and physical entrapment of the phenolic compounds. Moreover, microencapsulation enhanced the antioxidant and antiradical activities, and synergistic effects were detected in the phenolic mix. In vitro biocompatibility assays revealed viabilities above 60% in keratinocytes (HaCaT) and over 80% in fibroblasts (HDF), whereas pure polyphenols displayed dose-dependent reductions in viability. A 3D in vitro co-culture model composed by dermal (HDF) and epidermal (HaCaT) cell lines at air-liquid interface conditions was constructed. The permeability assays revealed compound-dependent permeation. Encapsulation reduced the overall permeation but provided a gradual and controlled release, particularly for catechin and epicatechin. MTT assays demonstrated that catechin and epicatechin-loaded microparticles increased the cell viability in the 3D co-culture and the commercial SkinEthicTM Reconstructed Human Epidermis (RHE) model, whereas NCGA reduced the viability only in the 3D co-culture model (82.55%). Histological analysis of SkinEthicTM RHE model confirmed the absence of phenotypical alterations in keratinocytes with exposure to alginate microparticles. Discrepancies were noted between the monocultures and the 3D co-culture skin model, highlighting the critical role of epidermal-dermal communication in safety evaluations. Permeation studies with Franz diffusion cells in ex vivo human explants revealed negligible permeation of catechin and epicatechin, while CGA, NCGA, and the mix permeated up to 50% and displayed more than 60% of skin retention. Overall, this work demonstrates that alginate-based encapsulation enhances the stability, antioxidant activity, and safety profile of polyphenols, while enabling their controlled release and modulating their skin permeation. The integration of advanced 3D in vitro and ex vivo skin models provided valuable mechanistic insights into skin interactions, underscoring their potential as effective and safe cosmetic ingredients. These findings contribute to the development of alternative testing strategies and highlight the relevance of encapsulation for translating bioactive compounds into cosmetically applicable formulations.Os polifenóis, compostos bioativos com potencial antioxidante e antienvelhecimento cutâneo, enfrentam limitações na aplicação cosmética devido à instabilidade e baixa solubilidade, sendo a encapsulação uma estratégia promissora para melhorar a sua estabilidade e libertação controlada (1). O principal objetivo desta tese foi desenvolver um novo ingrediente cosmético através do aumento da estabilidade e segurança dos polifenóis por encapsulação, recorrendo a modelos de pele 3D in vitro e ex vivo fisiologicamente relevantes para ensaios de toxicidade e permeação. A catequina, epicatequina, ácido clorogénico (CGA), ácido neoclorogénico (NCGA) e a respetiva mistura foram encapsulados em alginato por spray-drying, com eficiências de encapsulação entre 19 e 27% e rendimentos entre 37 e 53%. Estas demonstraram maior estabilidade térmica e retenção física dos compostos fenólicos. A microencapsulação potenciou as atividades antioxidantes e antirradicais e a mistura apresentou efeitos sinérgicos. Ensaios de biocompatibilidade in vitro revelaram viabilidades acima de 60% em queratinócitos (HaCaT) e superiores a 80% em fibroblastos (HDF) enquanto os polifenóis puros demonstraram reduções dependentes da dose na viabilidade. Foi construído um modelo 3D in vitro em co-cultura com células da derme (HDF) e da epiderme (HaCaT), em condições de interface ar-líquido. Os ensaios de permeabilidade revelaram permeações dependentes do composto aplicado. A encapsulação reduziu a permeação, potenciando uma libertação gradual e controlada, especialmente para a catequina e epicatequina. Ensaios de MTT demonstraram que as micropartículas com catequina e epicatequina aumentaram a viabilidade no modelo 3D em co-cultura e no modelo comercial SkinEthicTM de epiderme humana reconstruída (RHE), enquanto o NCGA reduziu a viabilidade apenas no modelo 3D (82.55%). A análise histológica do modelo SkinEthicTM confirmou a ausência de alterações fenotípicas com exposição às partículas de alginato. Foram detetadas discrepâncias entre as monoculturas e o modelo 3D, evidenciando o papel essencial da comunicação epidérmico-dérmica na avaliação de segurança dos compostos. Estudos de permeação com células de difusão de Franz e explantes de pele humana ex vivo, revelaram permeação negligenciável de catequina e epicatequina, em contraste com o CGA, NCGA e a mistura, que permearam 50%, e apresentaram retenção cutânea superior a 60%. Estes resultados sugerem que a encapsulação em alginato melhora a estabilidade, atividade antioxidante e perfil de segurança dos polifenóis, permitindo a sua libertação controlada e modulando a permeação cutânea. A utilização dos modelos de pele 3D in vitro e ex vivo forneceu informações mecanísticas valiosas sobre as interações com a pele, reforçando o seu potencial como ingredientes cosméticos eficazes e seguros. Estes resultados contribuem para o desenvolvimento de estratégias alternativas de teste em cosmética VII e evidenciam a relevância da encapsulação para a inclusão de compostos bioativos em formulações cosméticas.engPolyphenolsSpray-drying3D co-culture skin modelFranz Diffusion cellsSkinEthicTMmaster thesis204179890