Thermo-responsive hydrogels for controlled drug delivery

In recent years, medicine has become interested in localized drug delivery systems for the treatment of diseases such as cancer. Drugs used in cancer treatment can be highly damaging to healthy tissues as well as to the regions where the disease is present, so a highly localized drug delivery system is very important. In this context, systems for the controlled release of drugs activated by external stimuli such as pH and temperature have been investigated. Gold nanoparticles (Au-NPs) have several applications that exploit their localised plasmon resonance (LSPR), i.e. their ability to absorb light at different wavelengths and produce localised heat. In the work carried out in this thesis, different gold nanoparticles of different shapes, spherical and rod-shaped, and with different LSPRs were produced. The photothermal effect of the synthesized particles was evaluated by irradiating a hybrid system consisting of an agar-carbomer hydrogel (AC1) and Au-NPs with an infrared laser. It was evaluated how the temperature increase recorded in the experiments was influenced by the type of particle used, the concentration of the particles, the power of the laser and its wavelength. Specifically, three experiments were conducted, the first using spherical gold nanoparticles (Au-NSPs) with an absorbance peak at 518 nanometres, the second using gold nano-rods (Au-NRs) with an absorbance peak at 718 nm and the third using Au-NRs with an absorbance peak at 970 nm. For the first two experiments, a laser diode with a wavelength of 808 nm was used, while for the last experiment, a laser diode with a wavelength of 975 nm was used. Another type of thermo- and pH-responsive nanoparticles were also synthetised. The copolymer poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) was produced, from which organic nanoparticles with interesting properties in the field of drug delivery were obtained. The peculiarity of NIPAm-based copolymers is that their lower critical solution temperature (LCST) can be modulated by varying the amounts of ionic copolymers present. Particles made from such copolymers can be used for temperature- and ph-sensitive drug delivery. The drug loaded in the particles is ejected outwards due to the structural deformation of the particles and this occurs when the temperature of the system exceeds the LCST of the copolymer and the pH values is around 5. In this work, two experiments were performed to evaluate the amount of drug released over time by this type of nanoparticles. The nanoparticles, loaded with pyrene as a mimetic drug, were placed in an AC1 hydrogel and were immersed in an acidic aqueous solution (pH 5). Samples were taken periodically and analysed by UV to assess the amount of pyrene released. The first experiment was conducted at 42 °C at pH of 5 and the second at 37 °C under the same pH condition.

Negli ultimi anni la medicina si è interessata a sistemi di rilascio localizzato di farmaci per la cura di diverse patologie come il tumore. I farmaci utilizzati nella cura del cancro possono essere altamente dannosi per i tessuti sani oltre che per le regioni in cui è presente la malattia, per questo un sistema di rilascio dei farmaci altamente localizzato è molto importante. In questo contesto sono stati studiati dei sistemi per il rilascio di farmaci in maniera controllata e attivati da stimoli esterni come pH e temperatura. Le nanoparticelle d’oro (Au-NPs) trovano diverse applicazioni che sfruttano la loro risonanza plasmonica localizzata (LSPR), ovvero la loro capacità di assorbire luce a diverse lunghezze d’onda e produrre calore localizzato. Nel lavoro svolto in questa tesi sono state prodotte diverse nanoparticelle d’oro di diverse forme, sferiche e a cilindri, e con diversi LSPR. Si è valutato l’effetto fototermico delle particelle sintetizzate irraggiando un sistema ibrido composto da un idrogel agar-carbomer (AC1) e Au-NPs con un laser infrarosso. Si è valutato come l’incremento di temperatura registrato negli esperimenti fosse influenzato dal tipo di particella utilizzata, dalla concentrazione delle particelle, dalla potenza del laser e dalla sua lunghezza d’onda. Nello specifico sono stati condotti tre esperimenti, il primo utilizzando nanoparticelle d’oro sferiche (Au-NSPs) con picco di assorbanza a 518 nanometri, il secondo usando nano-cilindri d’oro (Au-NRs) con picco di assorbanza a 718 nm e il terzo usando Au-NRs con picco di assorbanza a 970 nm. Per i primi due esperimenti è stato utilizzato un diodo laser con lunghezza d’onda di 808 nm mentre, per l’ultimo esperimento un diodo laser con lunghezza d’onda di 975 nm. Sono state inoltre sintetizzate un altro tipo di nanoparticelle sensibili alle variazioni di temperatura e pH. Si è prodotto il copolimero poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) da cui sono state ottenute delle nanoparticelle organiche con proprietà interessanti nell’ambito del rilascio di farmaci. La peculiarità dei copolimeri a base di NIPAm è che la loro temperatura di soluzione critica inferiore (LCST) può essere modulata variando le quantità di copolimeri ionici presenti. Le particelle realizzate con tali copolimeri possono essere utilizzate per il rilascio di farmaci termo- e pH-sensibile. Il farmaco caricato nelle particelle viene espulso verso l’esterno a causa della compressione delle nanoparticelle, ciò avviene quando la temperatura del sistema supera la LCST del copolimero. In questo lavoro sono stati fatti due esperimenti per valutare la quantità di farmaco rilasciato nel tempo da questa tipologia di nanoparticelle. Le nanoparticelle, caricate con pirene come farmaco mimetico, sono state inserite in un idrogel agar-carbomer (AC1) e sono state immerse in una soluzione acquosa acida (pH 5). Periodicamente sono stati fatti dei campionamenti poi analizzati all’UV per valutare la quantità di pirene rilasciata. Il primo esperimento è stato condotto a 42 °C mentre il secondo a 37 °C nelle stesse condizioni di pH.