Ionizable zwitterionic nanoparticles obtained via RAFT emulsion polymerization for biomedical applications

This thesis is focused on the synthesis of ionizable zwitterionic nanoparticles (NPs) for biomedical applications, in particular for intravenous drug delivery. In fact, biodegradable polymeric NPs have gained much attention in the recent years due to their unique properties to control the release of therapeutic compounds. In this study three different types of nanoparticles with the same hydrophilic shell but with different lipophilic core and charge have been produced and characterized. Neutral, anionic, and cationic nanoparticles were synthesized via a three-step procedure that involves: (i) the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization of a zwitterionic monomer, (ii) the ring opening polymerization (ROP) of a ε-caprolactone monomer, and (iii) the RAFT emulsion polymerization of the previously synthesized macromonomer in the presence of the zwitterionic RAFT agent. A library of nanoparticles with sizes suitable for biomedical applications has been obtained. A new method to encapsulate lipophilic drugs directly at the bed of the patient and without the need of further purification steps has been developed. Three different drugs have been tested and the NP loading capacity and drug release have been evaluated, showing promising result compared to the ones reported in literature. Furthermore, a lyophilization study of the NPs have been performed to demonstrate the possibility to store them in a dried form and then to reconstitute the formulation just before injection. Moreover, HEMA-Rhodamine B has been selected as tracer to make negatively charged NPs fluorescent and thus, to study their cellular uptake. Finally, the cytotoxicity and cellular uptake of these zwitterionic NPs have been tested in vitro.

Questo lavoro di tesi si concentra sulla sintesi di nanoparticelle zwitterioniche ionizzabili (NPs) per applicazioni biomedicali, in particolare per somministrazione di farmaci per via endovenosa. Infatti, nanoparticelle polimeriche biodegradabili hanno acquisito molto rilievo negli ultimi anni grazie alle proprietà uniche di rilasciare composti terapeutici in modo controllato. In questo studio sono state prodotte e caratterizzate tre tipologie diverse di nanoparticelle aventi tutte lo stesso guscio esterno idrofilo, ma macromonomeri lipofili di diverso tipo e con carica differente. Nanoparticelle neutre, anioniche e cationiche sono state formulate seguendo una procedura di 3 step: (i) polimerizzazione ad apertura di anello (ROP) di monomero di caprolattone, (ii) polimerizzazione reversibile di trasferimento a catena di addizione-frammentazione (RAFT) di monomero zwitterionico, e (iii) polimerizzazione in emulsione RAFT del macromonomero precedentemente sintetizzato nello step (i), in presenza dell’agente RAFT zwitterionico sintetizzato nello step (ii). È stata quindi ottenuta una libreria di nanoparticelle dalle dimensioni fruibili per applicazioni biomedicali. È stato inoltre sviluppato un nuovo metodo per incapsulare il farmaco lipofilo direttamente al letto del paziente, senza la necessità di effettuare passaggi di purificazione. La capacità di carico e rilascio delle nanoparticelle è stata valutata con i tre suddetti farmaci mostrando risultati promettenti comparabili con quelli riportati in letteratura. Inoltre, è stato effettuato uno studio di liofilizzazione per dimostrare che è possibile conservare le nanoparticelle in forma secca per poi risospenderle in PBS appena prima dell’iniezione. Inoltre, l’HEMA-rodamina B è stata scelta come tracciante per le nanoparticelle di carica negativa in modo da renderle fluorescenti e studiarne l’assorbimento cellulare. Infine, sono stati effettuati studi di citotossicità e di assorbimento cellulare delle nanoparticelle zwitterioniche in vitro.