Design of new polymer-based hydrogels through physico-chemical transition

The use of polymeric materials as controlled drug delivery tools represents an important frontier of research in the biomedical field. In this work, the study was focused on the use of a class of colloidal systems, represented by the hydrogels. In particular, a new material has been developed, characterized by a polymeric network that is stabilized by amidic bonds, obtained by a physico-chemical transition step, which gives the system a very high stability and consistency at all physiological pH tested. First, the hydrogels formulations have been optimized, trying different ratios of the polymers involved in the reticulation reactions. Afterwards, characterization studies of the material have been performed: rheology, morphology and reaction profile during the physico-chemical transition were analyzed. The swelling behavior of the hydrogel in aqueous solutions has been studied, in order to understand how the variation in the pH or in the salinity can affect the system. Furthermore, the use of the material as a drug carrier is discussed, investigating the behavior in case of a release by steric hindrance of by the hydrolysis of a cleavable linker interposed between the polymeric scaffold and the drug delivered. Finally, the promising antimicrobial properties of the hydrogel has been analyzed, which make this system a promising tool that combine the microbial inhibition to the controlled drug delivery for a wide range of biomedical applications.

L’uso di materiali polimerici come sistemi per l’incapsulamento e il rilascio controllato di farmaci rappresenta un’importante frontiera di ricerca in ambito biomedico. In questo lavoro, la ricerca si è focalizzata sull’uso di una classe di sistemi colloidali, rappresentata dagli idrogeli. In particolare, si è sviluppato un nuovo materiale caratterizzato da un network polimerico stabilizzato da legami amidici, ottenuti attraverso due successivi step di sintesi utilizzando una transizione fisico-chimica, i quali conferiscono stabilità e compattezza al sistema a tutti i pH testati. La prima fase del lavoro si è basata sull’ottimizzazione delle formulazioni utilizzate per la creazione del gel, cercando di trovare il giusto rapporto tra i reagenti coinvolti nelle reazioni di reticolazione. Successivamente si è proceduto alla caratterizzazione del materiale, per prima cosa quantificando il profilo di reazione durante la transizione chimico-fisica, muovendosi poi verso studi morfologici e di reologia. Il rigonfiamento (swelling) del materiale è stato valutato, con lo scopo di fornire un’indicazione del comportamento dell’idrogelo se posto in un solvente acquoso, in svariate condizioni di pH e salinità. Inoltre, si è proceduto attraverso lo studio del rilascio di mimici di farmaci, valutando inizialmente l’incorporamento di essi nella matrice polimerica soltanto per ingombro sterico e successivamente attraverso un legame estereo, il quale può essere facilmente idrolizzato a contatto con acqua. Infine, sono state analizzate le ottime proprietà antimicrobiche del materiale, le quali rendono l’oggetto di questo lavoro un sistema molto promettente, in grado di combinare il rilascio controllato di farmaci con un sistema sterile e capace di inibire la crescita microbica, che può essere utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni biomediche.