Ring opening polymerization of cyclic esters with organocatalysts aimed to the synthesis of novel materials for drug delivery applications

Aliphatic polyesters represents an important class of polymers which founds many applications in drug delivery owing to their properties and facile degradation. High molecular weight polyesters and polyester macromonomers are commonly synthesised via Ring Opening Polymerisation of th corresponding lactones with metal based catalysts like tin octanoate. Due to the living behaviour of the polymerization predictable molecular weights and low polydispersity indexes can be achieved, but long reaction times and high temperatures are needed to perform polymerisation. New organocatalysts 1,8-diazabyciclo[5.4.0]-undec-7-ene (DBU) and 1,7,7-triazabicyclo[4.4.0]-dec-5-ene (TBD) are claimed to be effective catalysts for lactones ROP reaction even at room temperature and for short reaction times. Therefore the possibility of using such catalysts to obtain tuned polyesters in mild reaction conditions was tested. Once the effectiveness of TBD and DBU and the livingness of the polymerisation was proven, such catalysts were used to polymerise a new class of less reactive but renewably derived lactones, namely δ-decalactone and δ-dodecanolactone. These monomers were chosen in the attempt of creating novel and renewable materials for drug delivery applications in alternative to the more traditional materials now widely used, based on the non-renewable δ-valerolactone and ε-caprolactone. For this reason the synthesis of macromonomers with five units of decalactone and dodecanolactone and terminal double bond functionality was studied and optimised. Macromonomers were later copolymerised via controlled radical polymerisation (RAFT) with PEGMA45 to produce tuned block copolymers and such block copolymers obtained were used to produce nanoparticles suitable for intravenous drug delivery. The effectiveness of the new materials produced as drug delivery systems was tested with a drug loading and release test of an anticancer drug (Paclitaxel) and compared with the effectiveness of the same copolymers but based on valerolactone.

I poliesteri alifatici costituiscono un’importante classe di polimeri che trova molte applicazioni nel campo della drug delivery grazie alle loro uniche proprietà meccaniche ed al facile degrado. Poliesteri ad alto peso molecolare e macromonomeri sono sintetizzati via ROP dei corrispondenti esteri ciclici con catalizzatori metallici come lo stagno ottanoato. Grazie al carattere living della reazione di polimerizzazione si possono ottenere polimeri con peso molecolare ben definito e basse polidispersità, ma sono necessari lunghi tempi di reazione ed elevate temperature. Nuovi catalizzatori organici quali 1,8-diazabyciclo[5.4.0]-undec-7-ene (DBU) and 1,7,7-triazabicyclo[4.4.0]-dec-5-ene (TBD) sono stati proposti come efficaci catalizzatori per la ROP di lattoni, in grado di catalizzare la reazione a temperature più basse e per tempi di reazione inferiori. Dato, perciò, il vantaggio derivante dal loro utilizzo, abbiamo testato la possibilità di ottenere poliesteri con questi catalizzatori. Una volta dimostrata l’efficacia di TBD e DBU e verificato il carattere living della polimerizzazione, tali catalizzatori sono stati utilizzati per polimerizzare una nuova classe di monomeri rinnovabili, δ-decalattone e δ-dodecalattone. Questi monomeri sono stati scelti allo scopo di creare materiali per applicazioni di drug delivery alternativi a quelli più utilizzati e derivati dai monomeri non rinnovabili δ-valerolattone e ε-caprolattone. Perciò abbiamo ottimizzato la procedura di sintesi di macromonomeri con cinque unità nella catena e con funzionalità di un legame vinile terminale per consentire successiva polimerizzazione radicalica. I macromonomeri prodotti sono stati copolimerizzati via RAFT, ovvero tramite una polimerizzazione radicalica controllata, con PEGMA45, un monomero idrofilo a base di PEG, al fine di produrre copolimeri a blocchi e utilizzati, infine, per la produzione di nanoparticelle adatte alla drug delivery intravenosa. L’efficacia dei nuovi materiali prodotti è stata testata con prove di carico e rilascio di un farmaco antitumorale (Paclitaxel) in acqua. Il comportamento dei nuovi materiali prodotti è stato confrontato con quello dello stesso tipo di copolimero ma basato su valerolattone che abbiamo usato come riferimento.