Design and synthesis of new polymer-based hydrogels and their applications in drug release studies

Drug delivery systems for the controlled and targeted release of drugs are in continuous development nowadays, allowing to benefit of ever better and more effective therapies. Chemical engineers thanks to their multidisciplinary preparation ranging from a thorough knowledge of transport phenomena to the transformations of matter, play a fundamental role in the development of these innovative systems. This thesis work aims to develop and characterize innovative polymer-based hydrogels, to study their efficacy as systems for controlled release of drugs and to verify the possibility of inherent antimicrobial properties for these hydrogels. In particular, the work focuses on two different formulations, particularly promising for simplicity and potentiality; a first based on carbomer and polyethylene glycol of two different molecular weights obtained through a physical-chemical transition by microwave irradiation; and a second based on carbomer and a polyetherdiamine through a coupling reaction made possible by the use of a specific activating agent. Initially an optimization work was carried out, synthetizing the two formulations in various ratios between the reagents and selecting the most promising ones. Then has been done a characterization work to four different types of hydrogels that were results the best from the previous experiment. Through the characterizations, swelling behavior, rheological properties, morphology, antimicrobial activity and the effective formation of the chemical bonds characteristic of these systems were investigated for these hydrogels. Finally, the effective effectiveness of these formulations as systems for the controlled release of drugs was tested using mimetic drugs of various sizes.

I sistemi per il rilascio controllato e mirato di farmaci sono al giorno d’oggi in continuo sviluppo, consentendo di beneficiare di terapie sempre migliori ed efficaci. Gli ingegneri chimici grazie alla loro preparazione multidisciplinare che spazia dall’approfondita conoscenza dei fenomeni di trasporto alle trasformazioni della materia, giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo di questi innovativi sistemi. Questo lavoro di tesi si propone di sviluppare e caratterizzate innovativi idrogel a base polimerica, studiarne l’efficacia come sistemi per il rilascio controllato di farmaci e verificare la possibilità d’intrinseche proprietà antimicrobiche per questi idrogel. In particolare il lavoro si focalizza su due differenti formulazioni, particolarmente promettenti per semplicità e potenzialità; una prima a base di carbomer e polietilenglicole di due diversi pesi molecolari ottenuta attraverso una transizione fisico-chimica tramite l’irradiazione di microonde; ed una seconda a base di carbomer ed una polieterodiammina attraverso una reazione di coupling resa possibile dall’utilizzo di un apposito agente attivante. Inizialmente si è svolto un lavoro di ottimizzazione, sintetizzando le due formulazioni in vari rapporti tra i reagenti e selezionando le più promettenti. Dopodiché si è passati alla caratterizzazione di quattro differenti tipologie di idrogel che sono risultati i migliori dal precedente esperimento. Tramite le caratterizzazioni sono stati indagati per questi idrogel, il comportamento al rigonfiamento (swelling), le proprietà reologiche, la morfologia, l’attività antimicrobica e l’effettiva formazione dei legami chimici caratteristica di questi sistemi. Infine è stata testata l’effettiva efficacia di queste formulazioni come sistemi per il rilascio controllato di farmaci utilizzando dei farmaci mimetici di varie dimensioni.