Bicontinuous structures formed by monomer-water interface stabilized with colloidal nanoparticles

Oxidative stress is a physiological condition due to a non-equilibrium situation between oxidant species and the system in charge of their depletion. Among the various chemical species, reactive oxygen species are the most common in this context. This imbalance is at the core of different pathologies such as Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, osteoporosis, cardiovascular diseases, and its results to also play a role in the genesis and the development of tumors. In the recent years nanoceria has attracted much attention in this field, because of its antioxidant properties, as a matter of fact this material is able to reproduce the mechanism of two enzymes assigned to the degradation of ROS, the superoxide dismutase and the catalase enzymes. Still in the biomedical field, bijels are a new class of materials that since their discovery fifteen years ago, are becoming the subject of many studies. They are constituted by two immiscible liquid phases stabilized by a jammed layer of nanoparticles that accumulate at the interface. Bijels have a big potential for different applications, thanks to their dual nature, indeed in these bicontinuous systems two completely immiscible phases, for example an organic one and an aqueous one, are in intimate contact, thus making possible the introduction of both lipophilic and hydrophilic molecules. The goal of this thesis work was the production of structures with bijel-like bicontinuous morphology, along with all those key characteristics useful for a biomedical application, more specifically for drug delivery purposes. These structures have been obtained through the polymerization of caprolactone, the organic phase, which entraps the aqueous phase containing the stabilizing nanoparticles of ceria. In the first part of this work, the production protocol for these structures has been defined, in order to obtain a well-defined dimension and shape. This has been done varying many parameters like, temperature, stirring velocity, particle concentration and water caprolactone ratio. Once these structures were obtained, for their characterization confocal, IR, GPC and DSC analyses have been performed, then also swelling and degradation tests were conducted. Eventually, some release tests have been carried out, where multiple fluorophores were used both for the aqueous and the organic phase.

Lo stress ossidativo è una condizione fisiologica dovuta ad uno squilibrio tra specie ossidanti e i sistemi preposti alla loro eliminazione. Tra le diverse specie chimiche quelle reattive all’ossigeno, dette ROS, sono quelle più comuni in questo contesto. Questo squilibrio è alla base di diverse patologie come il Parkinson, l’Alzheimer, l’osteoporosi, patologie cardiovascolari, e risulta anche giocare un ruolo importante nella genesi e nello sviluppo di tumori. La nanoceria negli anni ha attirato molta attenzione in questo ambito, per via delle sue proprietà antiossidanti. Infatti questo materiale risulta essere in grado di riprodurre il meccanismo di due enzimi adibiti allo smaltimento dei ROS, l’enzima superossido dismutasi e l’enzima catalasi. Sempre nell’ambito biomedico, dei materiali che fin dalla loro scoperta quindici anni fa, stanno diventando l’oggetto di molti studi sono i bijel, strutture bicontinue costituite da due fasi liquide immiscibili, stabilizzate da nanoparticelle che si accumulano all’interfaccia. Questi gel hanno grande potenziale per numerose applicazioni grazie alla loro duplice natura, infatti in questi sistemi due fasi completamente immiscibili, come per esempio una organica e una acquosa, sono in stretto contatto, rendendo teoricamente possibile l’introduzione sia di molecole lipofile che idrofile. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di produrre e caratterizzare strutture aventi la stessa morfologia bicontinua dei bijel e anche tutte quelle caratteristiche utili per un’applicazione biomedicale, in particolare per il drug delivery. Queste strutture sono state ottenute attraverso la polimerizzazione del caprolattone, la fase organica, che intrappola la fase acquosa contenente le nanoparticelle stabilizzanti di ceria. Nella prima parte di questo lavoro è stata definita la procedura per la produzione di tali strutture con una dimensione e forma ben definita, attraverso la variazione di diversi parametri tra cui temperatura, velocità di agitazione, concentrazione di particelle e rapporto acqua caprolattone. Una volta ottenute, per la caratterizzazione di queste strutture sono state eseguite le analisi al confocale, all’IR, alla GPC e al DSC; quindi sono state effettuate delle prove di swelling e di degrado. In conclusione, sono stati effettuati dei test di rilascio; a questo scopo sono stati usati più fluorofori, sia per la fase acquosa sia per quella organica.