Synthesis of dual thermo- and redox-responsive gelators for the localized delivery of therapeutics

This thesis work is focused on the synthesis of a dual thermo- and redox-responsive biocompatible polymeric system, able to reversibly change its physical state from free-flowing liquid to self-standing gel when the temperature is raised above its lower critical solution temperature (LCST). The purpose of the system is the non-invasive delivery of therapeutics through the dissolution of the therapeutic in the polymeric solution at room temperature and subsequent injection, associated to the in situ formation of a gel scaffold. This system is constituted by amphiphilic copolymers, bearing a hydrophilic portion, based on Poly(ethylene glycol) methyl ether (PEG 5k), and a thermo-responsive portion, based on two possible monomers: Hydroxypropyl methacrylate (HPMA) or Di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (EG2MA). In order to synthetize the gel, reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was employed and polymerization-induced self assembly (PISA) was exploited to induce the formation of nanoparticles. Since the aim of the thesis is to obtain a system that is also redox-responsive, disulfide linkages were introduced between the polymeric chains by copolymerization with Bis(2-methacryloyl)oxyethyl disulfide (BMOD), thus obtaining a crosslinked system. This was preventively reduced to thiol groups in order to obtain a liquid that can be safely injected with a common syringe. On the other hand, thanks to the oxidizing properties of the extracellular environment, we aim at forming the disulfide bridges directly in situ, hence obtaining a gel with improved mechanical properties with respect to the corresponding physical gel with no disulfide bonds. After a thorough characterization of the system, the possibility of adopting it in the controlled release of therapeutics was verified by loading and monitoring the release of fluorescein, as a small drug mimic molecule, and of a model protein (Green Fluorescent Protein, GFP). These tests were performed in the samples both with and without disulfide bonds, in order to characterize the differences in the release from the two systems.

Questa tesi si focalizza sulla sintesi di un sistema polimerico biocompatibile, in grado di rispondere sia a stimoli termici che derivanti da variazioni nel potenziale redox modificando reversibilmente il proprio stato fisico da liquido a gel quando la temperatura viene incrementata al di sopra della sua temperatura critica inferiore di solubilità (LCST). L’obiettivo del sistema è la somministrazione non invasiva di terapici al corpo umano, tramite dissoluzione del terapico nella soluzione polimerica a temperatura ambiente e successiva iniezione nel corpo, associata alla formazione di un gel in situ. Il sistema è costituito da copolimeri anfifilici, che presentano una porzione idrofila, a base di poli (etilen glicol) metil etere (PEG 5k), e una porzione termo-responsiva, basata su due possibili monomeri: idrossipropil metacrilato (HPMA) o di (etilen glicol) metil etere metacrilato (EG2MA). Per sintetizzare questo gel è stata utilizzata la polimerizzazione RAFT ed è stato sfruttato l’assemblaggio indotto dalla polimerizzazione (PISA) per indurre la formazione delle nanoparticelle. Poiché l’obiettivo della tesi è l’ottenimento di un sistema che sia anche in grado di rispondere a variazioni nel potenziale redox, sono stati introdotti tra le catene polimeriche dei ponti disolfuro, tramite copolimerizzazione con bis (2-metacriloil) ossietil disolfuro (BMOD), in modo da ottenere un sistema reticolato. Il sistema è stato poi ridotto a una configurazione con gruppi tiolo, per ottenere un liquido che potesse essere iniettato in sicurezza con una siringa comune. Poiché l’ambiente extracellulare ha proprietà ossidanti, l’obiettivo è quello di formare i ponti disolfuro direttamente in situ, e ottenere quindi un gel con proprietà meccaniche migliori rispetto al corrispondente gel fisico senza ponti disolfuro. Dopo una caratterizzazione approfondita del sistema, è stata verificata la possibilità di utilizzarlo per il rilascio controllato di terapici caricandolo con la fluoresceina, una molecola piccola in grado di simulare il comportamento di un farmaco, e con una proteina modello (proteina fluorescente verde, GFP). Questi test sono stati svolti sia nei campioni senza i ponti disolfuro, sia in quelli con i ponti disolfuro, in modo da caratterizzare le differenze nel rilascio dai due sistemi.