N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide (HPMA) is widely used to produce water-soluble polymers for drug delivery applications due to its non-immunogenic properties. In this work well-established procedures to obtain lipophilic nanoparticles (NPs) from macromonomers obtained by the functionalization of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), were tried to be converted in HPMA-based. Ring Opening Polymerization (ROP) of HPMA with Lactide (LT) and Ɛ-Caprolactone (CL) was performed to obtain HPMA-LA n or HPMA-CL n reactive macromonomers with different average chain length, the first gave expected results with Sn(Oct) 2 , the second lead us to investigate alternative ways (1,5,7-Triazabicyclodec-5-ene as ROP catalyst). The HPMA modification allowed to produce lipophilic macromonomers as a starting materials aimed to obtain polymer nanoparticles suitable for drug delivery applications of hydrophobic drugs. Different strategies were explored for HPMA-LA n macromonomers; first, emulsion free radical polymerization was conducted to obtain monodispersed PEGylated polymer NPs, then solvent polymerization was performed giving a solution of poly(HPMA-LAn)-based polymer which was then adopted to obtain NPs through flash nanoprecipitation. Since such NPs are aimed to drug delivery applications it was proved their fast degradability in biological medium. The ability to load and release a drug (i.e. dexamethasone) was also verified for the NPs synthesized through the different strategies proposed, proving the effectiveness of the HPMA functionalization presented to obtain a system able to deliver lipophilic drugs. NPs toxicity and cellular uptake were studied too to enlarge the set of in vivo evaluations. Finally, HPMA homopolymerization was then tried to have an hydrophilic block as starting point for obtaining an amphiphilic polymer by Radical Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization, suitable for NPs production and thus to get a polymer with a more controlled structure.

La molecola N-(2-idrossipropil) metacrilammide (HPMA) è largamente usata a causa della sua biocompatibiltà per produrre polimeri idrosolubili per applicazioni nel campo del drug delivery, una discipilina sviluppatasi nell’ultimo secolo che sfrutta l’utilizzo di nuovi biomateriali per ottenere dei sistemi che migliorino l’efficacia e la biodistribuzione dei farmaci attualmente in commercio. Questo lavoro si propone di convertire delle procedure già ben consolidate per la produzione di nanoparticelle (NP) lipofile, ottenute tramite la polimerizzazione di macromonomeri a base di 2-idrossietil metacrilato (HEMA), sostituendolo con l’HPMA. Questi macromonomeri vengono poi polimerizzati in virtù del gruppo funzionale vinile, a dare un polimero a pettine che presenta la peculiarità di degradare tramite idrolisi dei legami estere della parte lipofila, lasciando come residuo il solo dorso del pettine. Per ottenere i macromonomeri a base di HPMA è stata utilizzata la polimerizzazione ad apertura di anello (ROP) di Lattide (LT) ed Ɛ-Caprolattone (CL), generando molecole del tipo HPMA-LAn o HPMA-CLn con diversa lunghezza di catena lipofila, che permette di controllare il degrado. Il catalizzatore precedentemente utilizzato era lo stagno ottanoato Sn(Oct)2, il quale ha dato ottimi risultati per la produzione di HPMA-LAn (monomero analizzato tramite 1H-NMR, GPC e MALDI-TOF), ma scarsamente controllati per la sintesi di HPMA-CLn. è stata quindi presa in considerazione la possibilità di utilizzare la polimerizzazione in solvente (toluene o tetraidrofurano) con la molecola 1,5,7-triazabiciclodec-5-ene come catalizzatore. I prodotti ottenuti sono stati utilizzati come materiali di partenza per la produzione di nanoparticelle per il trasporto di farmaci lipofili. Varie strategie sono state esaminate con i macromonomeri HPMA-LAn: 1) Polimerizzazione a radicali liberi in emulsione (emulsion FRP) è stata utilizzata per ottenere NP di copolimero con il PEGMAm, molecola idrofila largamente usata come stabilizzante di NP, che permette la riduzione di utilizzo di surfattante nel processo di polimerizzazione in emulsione. 2) Polimerizzazione in solvente per ottenere una soluzione di copolimero poly(HPMA-LAn)-PEGMAm utilizzata per ottenere NP via nanoprecipitazione flash. Come prova che questi sistemi fossero adatti per le applicazioni biomediche, è stata provata la stabilità in PBS per 30 giorni con misure successive tramite Dynamic Light Scattering (DLS) e la biodegradabilità in medium cellulare. L’abilità al carico e rilascio dei farmaci (e.g. desometasone) è stata verificata per le particelle prodotte, provando l’efficacia dei polimeri a base di HPMA come veicoli di farmaci. Per validare ulteriormente le potenzialità delle formulazioni, sono state studiate anche la tossicità su cellule del tipo 4T1 e l’uptake cellulare con il metodo della fluorimetria, in modo da integrare le analisi in vitro con delle valutazioni in vivo. Infine è stata analizzata l’omopolimerizzazione del poliHPMA con l’ambizione di creare un blocco idrofilo per un polimero anfifilico attraverso il trasferimento per addizione-frammentazione radicalica (RAFT). Aggiungendo delle unità lipofile con lo stesso meccanismo, si potrebbe creare un polimero dalla struttura controllata adatto all’applicazione nella produzione di nanoparticelle.

HPMA based nanoparticles for drug delivery applications

CALLARI, MARCO
2014/2015

Abstract

N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide (HPMA) is widely used to produce water-soluble polymers for drug delivery applications due to its non-immunogenic properties. In this work well-established procedures to obtain lipophilic nanoparticles (NPs) from macromonomers obtained by the functionalization of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), were tried to be converted in HPMA-based. Ring Opening Polymerization (ROP) of HPMA with Lactide (LT) and Ɛ-Caprolactone (CL) was performed to obtain HPMA-LA n or HPMA-CL n reactive macromonomers with different average chain length, the first gave expected results with Sn(Oct) 2 , the second lead us to investigate alternative ways (1,5,7-Triazabicyclodec-5-ene as ROP catalyst). The HPMA modification allowed to produce lipophilic macromonomers as a starting materials aimed to obtain polymer nanoparticles suitable for drug delivery applications of hydrophobic drugs. Different strategies were explored for HPMA-LA n macromonomers; first, emulsion free radical polymerization was conducted to obtain monodispersed PEGylated polymer NPs, then solvent polymerization was performed giving a solution of poly(HPMA-LAn)-based polymer which was then adopted to obtain NPs through flash nanoprecipitation. Since such NPs are aimed to drug delivery applications it was proved their fast degradability in biological medium. The ability to load and release a drug (i.e. dexamethasone) was also verified for the NPs synthesized through the different strategies proposed, proving the effectiveness of the HPMA functionalization presented to obtain a system able to deliver lipophilic drugs. NPs toxicity and cellular uptake were studied too to enlarge the set of in vivo evaluations. Finally, HPMA homopolymerization was then tried to have an hydrophilic block as starting point for obtaining an amphiphilic polymer by Radical Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization, suitable for NPs production and thus to get a polymer with a more controlled structure.
FERRARI, RAFFAELE
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-lug-2015
2014/2015
La molecola N-(2-idrossipropil) metacrilammide (HPMA) è largamente usata a causa della sua biocompatibiltà per produrre polimeri idrosolubili per applicazioni nel campo del drug delivery, una discipilina sviluppatasi nell’ultimo secolo che sfrutta l’utilizzo di nuovi biomateriali per ottenere dei sistemi che migliorino l’efficacia e la biodistribuzione dei farmaci attualmente in commercio. Questo lavoro si propone di convertire delle procedure già ben consolidate per la produzione di nanoparticelle (NP) lipofile, ottenute tramite la polimerizzazione di macromonomeri a base di 2-idrossietil metacrilato (HEMA), sostituendolo con l’HPMA. Questi macromonomeri vengono poi polimerizzati in virtù del gruppo funzionale vinile, a dare un polimero a pettine che presenta la peculiarità di degradare tramite idrolisi dei legami estere della parte lipofila, lasciando come residuo il solo dorso del pettine. Per ottenere i macromonomeri a base di HPMA è stata utilizzata la polimerizzazione ad apertura di anello (ROP) di Lattide (LT) ed Ɛ-Caprolattone (CL), generando molecole del tipo HPMA-LAn o HPMA-CLn con diversa lunghezza di catena lipofila, che permette di controllare il degrado. Il catalizzatore precedentemente utilizzato era lo stagno ottanoato Sn(Oct)2, il quale ha dato ottimi risultati per la produzione di HPMA-LAn (monomero analizzato tramite 1H-NMR, GPC e MALDI-TOF), ma scarsamente controllati per la sintesi di HPMA-CLn. è stata quindi presa in considerazione la possibilità di utilizzare la polimerizzazione in solvente (toluene o tetraidrofurano) con la molecola 1,5,7-triazabiciclodec-5-ene come catalizzatore. I prodotti ottenuti sono stati utilizzati come materiali di partenza per la produzione di nanoparticelle per il trasporto di farmaci lipofili. Varie strategie sono state esaminate con i macromonomeri HPMA-LAn: 1) Polimerizzazione a radicali liberi in emulsione (emulsion FRP) è stata utilizzata per ottenere NP di copolimero con il PEGMAm, molecola idrofila largamente usata come stabilizzante di NP, che permette la riduzione di utilizzo di surfattante nel processo di polimerizzazione in emulsione. 2) Polimerizzazione in solvente per ottenere una soluzione di copolimero poly(HPMA-LAn)-PEGMAm utilizzata per ottenere NP via nanoprecipitazione flash. Come prova che questi sistemi fossero adatti per le applicazioni biomediche, è stata provata la stabilità in PBS per 30 giorni con misure successive tramite Dynamic Light Scattering (DLS) e la biodegradabilità in medium cellulare. L’abilità al carico e rilascio dei farmaci (e.g. desometasone) è stata verificata per le particelle prodotte, provando l’efficacia dei polimeri a base di HPMA come veicoli di farmaci. Per validare ulteriormente le potenzialità delle formulazioni, sono state studiate anche la tossicità su cellule del tipo 4T1 e l’uptake cellulare con il metodo della fluorimetria, in modo da integrare le analisi in vitro con delle valutazioni in vivo. Infine è stata analizzata l’omopolimerizzazione del poliHPMA con l’ambizione di creare un blocco idrofilo per un polimero anfifilico attraverso il trasferimento per addizione-frammentazione radicalica (RAFT). Aggiungendo delle unità lipofile con lo stesso meccanismo, si potrebbe creare un polimero dalla struttura controllata adatto all’applicazione nella produzione di nanoparticelle.
Tesi di laurea Magistrale
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