Bicontinuous structures formed by monomer/water interface stabilization with colloidal nanoparticles

Bicontinuous structures are systems consisting of two immiscible phases, one lipophilic and the other hydrophilic, that coexist as distinct phases to form an interwoven, closely connected matrix. In general, these systems are formed in the presence of special molecules called surfactants, which have a hydrophilic head and a hydrophobic tail. Thus, they can interpose themselves between the two phases and stabilize the system by minimizing interfacial tension. Bicontinuous structures can be used in various fields and are becoming very important in targeted drug transport due to their dual nature, which allows to load both hydrophilic and lipophilic compounds and to release them in a time controlled way. Examples of bicontinuous structures are microemulsions, liquid crystals and bijels. In particular, in this thesis work the bijels will be considered, whose characterization is increasingly becoming a subject of study. These systems consist of two immiscible liquids in non-equilibrium conditions that are stabilized by nanoparticles, allowing the formation of a three-dimensional bicontinuous structure. These bicontinuous gels are very promising in the pharmaceutical field in monitoring the release of particular active ingredients. At the same time, they find applications in the biomedical field such as bone regeneration and tissue engineering because they create a support that aids cell proliferation. The first objective of this work was to derive a new material that could be classified as a bijel-like structure, varying the formulation used in previous work. In this research, various starting monomers different from caprolactone (already used in other works), but belonging to the same family, were considered. These compounds are called 'lactones' and show biocompatibility, biodegradability and peculiar characteristics that allow them to be used in the biomedical field. In general, during the polymerization procedure, the so-formed polymer should be able to entrap the NPs and thus forming a solid porous structure and creating a stable system with water. The promising compound selected for the studies is ω-pentadecalactone. The second step of the research is dedicated to identifying a synthetic strategy to carry out polymerization under favorable conditions, rapidly and in a completely biocompatible manner without the use of solvents. The main difficulty is found in the process of sample formation. Whereas previous work has used capro-lactone, which is liquid at room temperature, the compound used in this study is a solid at the same temperature. For this reason, it was not possible to conduct the polymerization using the same operating conditions. In fact, the reaction was conducted in a water bath under moderate temperature. Once the production phase has been improved, the best formulation was identified in order to obtain a system that was sufficiently manageable and resistant, but at the same time not too rigid. Various experiments were carried out to find the right ratio between organic and aqueous phases. Finally, the obtained bijel-like structure was characterized in terms of chemical-physical properties, polymerization efficiency, morphology, bicontinuity, porosity, thermal stability and ability to release both lipophilic and hydrophilic mimetic drugs in a controlled way.

Le strutture bicontinue sono dei sistemi costituiti da due fasi immiscibili tra loro, una lipofila e una idrofila, che coesistono come fasi distinte formando una matrice intrecciata e strettamente connessa che non ha interruzioni. Di solito questi sistemi si formano in presenza di particolari molecole dette surfattanti, che possiedono una testa idrofila e una coda idrofobica, le quali riescono a interporsi tra le due fasi e stabilizzano il sistema minimizzando la tensione interfacciale. Le strutture bicontinue possono essere utilizzate in vari ambiti e stanno diventando molto importanti nel trasporto mirato di farmaci grazie alla loro doppia natura che permette di caricare al loro interno sia composti idrofili che lipofili e di rilasciarli in modo controllato nel tempo. Esempi di strutture bicontinue sono le micro emulsioni, i cristalli liquidi e i bijels. In questo lavoro di tesi verranno presi in considerazione soprattutto i bijels, le cui caratterizzazioni stanno diventando sempre più materia di studio. Questi sistemi sono costituiti da due liquidi immiscibili in condizioni di non equilibrio che vengono stabilizzati da nanoparticelle permettendo la formazione di una struttura tridimensionale bicontinua. Questi gel bicontinui sono molto promettenti per un utilizzo in ambito farmaceutico per il rilascio controllato di particolari principi attivi. Allo stesso tempo trovano applicazione in ambito biomedico per la rigenerazione ossea e nell’ingegneria dei tessuti in quanto creano un supporto che aiuta la proliferazione delle cellule. Il primo obiettivo di questo lavoro di tesi è stato cercare di ricavare un nuovo materiale che potesse essere classificato come una struttura simile a un bijel, variando la formulazione utilizzata nei lavori precedenti. In questa ricerca sono stati considerati vari monomeri di partenza diversi dal capro-lattone, ma appartenenti alla stessa famiglia. Questi composti vengono definiti come ‘lattoni’ e mostrano biocompatibilità, biodegradabilità e caratteristiche peculiari che ne permettono l’utilizzo in ambito biomedico. In generale, il monomero deve polimerizzare e durante il processo deve essere in grado di intrappolare le nanoparticelle per formare una struttura solida porosa che riesca a creare un sistema stabile con l’acqua. Il composto promettente selezionato su cui si sono concentrati gli studi è l’ω-penta-decalattone. Il secondo passo della ricerca è stato dedicato all’identificazione di una strategia di sintesi per far avvenire la polimerizzazione in condizioni favorevoli, rapidamente e in modo completamente biocompatibile senza l’utilizzo di solventi. La principale difficoltà è stata riscontrata nel processo di formazione dei campioni. Mentre nei lavori precedenti si è utilizzato il capro-lattone che a temperatura ambiente è liquido, il composto usato in questo studio alla stessa temperatura si trova allo stato solido. Per questo motivo non è stato possibile condurre la polimerizzazione con le stesse condizioni operative, infatti la reazione è stata condotta in un bagno di acqua con una temperatura moderata. Dopo aver capito come migliorare la fase di produzione, è stata identificata la miglior formulazione per ottenere un sistema abbastanza maneggevole e resistente, ma allo stesso tempo non troppo rigido, quindi sono stati effettuati vari esperimenti per trovare il giusto rapporto tra fase organica e acquosa. Infine, il bijel ottenuto è stato caratterizzato in termini di proprietà chimiche-fisiche, efficacia della polimerizzazione, morfologia, bicontinuità, porosità, stabilità termica e capacità di rilasciare in maniera controllata farmaci mimetici sia lipofili che idrofili.