Study and characterization of amphiphilic copolymers with complex architecture for biomedical applications

Nanomedicine is a quite recent and promising research field that uses nanotechnology to achieve innovation in healthcare. One of the application in nanomedicine is the drug delivery; in fact, the design of nanostructures can be used as carriers that encapsulate and transport drugs or biological active agents in the human body increasing their half-lives and solubility. Moreover, the functionalization of the nanocarriers is used to achieve the targeting in specific tissues that need to be treated, optimizing the dosage and reducing the side effects of the active agents. The aim of the thesis is to characterize amphiphilic copolymers, previously synthe- sized by Prof. Cellesi’s research group, with different architectures that are suit- able for biomedical applications. Amphiphilic copolymers, in aqueous media, form micelles/nanoparticles with an hydrophobic core, which is able to encapsulate water- insoluble drugs, and a hydrophilic corona, that increase the nanoparticle stability in the biological environment avoiding recognition by the immune system and fast biodegra- dation. The amphiphilic copolymers studied are made of hydrophobic polycaprolactone (PCL) and hydrophilic polyethylene glycol (PEG); three different architectures were characterized: linear, arm and multi-branch copolymers. The nanoprecipitation, a widespread process to form nanoparticle suspensions in the aqueous media, was studied by evaluating which parameters affect the encapsulation of drugs and particle size distributions. Two types of water-insoluble drugs, that had showed promising results in treating kydney diseases, were encapsulated: dex- amethasone, a corticosteroid, and Bis-T-23, a dynamin activator. Moreover, the self- assembling of the polymers was studied in aqueous media; in fact, it is important to understand how polymers behave once in the colloidal suspensions, if they have a crit- ical micelle concentrations and form aggregates or they exist as unimolecular entities maintaining a good stability even upon dilution. Both drugs were successfully encapsulated in all the polymers. Only the polymers with linear and multi-branched structures had a significant improvement of the drug 1 loading reducing the polymer-drug concentrations during the nanoprecipitation. The size distributions did not show any significant difference or regular trends changing the experimental conditions. Further changes in the experimental conditions in the nanoprecipitation and the sup- port of computational simulations are suggested to further improve the loading capac- ities and optimized the polymers designed.

La nanomedicina `e un recente e promettente campo di ricerca che utilizza la nanotecnologia per sviluppare innovazione nel campo della sanita`. Una delle applicazioni della nanomedicina `e il drug delivery; infatti, la progettazione di nanostrutture puo` essere utilizzata per incapsulare e trasportare farmaci o agenti biologicamente attivi nel corpo umano, aumentandone la loro emivita e solubilita`. La funzionalizzazione dei nanocarrier, inoltre, permette di ottenere una veicolazione specifica nei tessuti che sono interessati dalla malattia e che devono essere curati, ottimizzando i dosaggi del principio attivo e riducendone gli effetti collaterali. Lo scopo della tesi `e di caratterizzare copolimeri anfifilici con architetture differenti, sintetizzati in precedenza nel gruppo di ricerca del Prof. Cellesi, adatti per applicazioni biomediche. I copolimeri anfifilici, in ambiente acquoso, formano micelle/nanoparticelle con un nucleo idrofobico, capace di incapsulare farmaci insolubili in acqua, e una corona idrofila, che accresce la stabilit`a delle nanoparticelle nell’ambiente biologico eludendo il riconoscimento da parte del sistema immunitario ed evitando una rapida biodegradazione. I copolimeri anfifilici studiati sono composti di policaprolattone (PCL) idrofobico e glicole polietilenico (PEG) idrofilo; tre architetture differenti sono state caratterizzate: lineare, a quattro braccia e multi-ramificata. La nanoprecipitazione, un diffuso processo per la formazione di sospensioni di nanoparticelle in mezzo acquoso, `e stata studiata valutando quali parametri del processo influenzano l’incapsulamento di farmaci e le distribuzioni delle dimensioni delle particelle. Sono stati incapsulati due tipi di farmaci non solubili in acqua, che hanno mostrato promet- tenti risultati nel trattamento di patologie renali: il desametasone, un corticosteroide, e il Bis-T-23, un attivatore della dinamina. Inoltre, `e stato studiato l’assemblaggio spontaneo dei polimeri in ambiente acquoso; infatti, `e importante conoscere come i polimeri si comportano nella sospensione colloidale, se possiedono una concentrazione micellare critica e formano aggregati, oppure esistono come entita` unimolecolari mantenendo una buona stabilita` anche se soggetti a diluizione. Entrambi i farmaci sono stati incapsulati con successo in tutti i polimeri. Solo i polimeri con struttura lineare e multi-ramificata hanno registrato un miglioramento significa- tivo dell’incapsulamento del farmaco riducendo la concentrazione di polimero e farmaco nella nanoprecipitazione. Le distribuzioni delle dimensioni non hanno mostrato alcuna differenza significativa o andamento regolare cambiando le condizioni sperimentali. Sono suggerite ulteriori modifiche nelle condizioni sperimentali della nanoprecipitazione e il supporto di simulazioni computazionali per ulteriori miglioramenti delle capacita` di caricamento del farmaco e l’ottimizzazione della progettazione dei polimeri.