Experimental study of thermo-responsive hydrogel systems for controlled drug release

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 localized controlled release of drugs activated by external stimuli such as pH and temperature have been investigated. 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. So particles made from such copolymers can be used for temperature-sensitive drug delivery. In this work, the copolymer poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) was produced following the procedure described by Lo et al. [26], from which organic nanoparticles with interesting properties in the field of drug delivery were obtained. The obtained nanoparticles were encapsulated in a cellulose hydrogel, hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), a hydrogel in which the hydroxyl groups are replaced by methyl and hydroxypropyl groups that give the HPMC gelation abilities. In addition, its swelling and thermal gelling properties make it a temperature-reversible gel. It is for this reason and for its biocompatibility that HPMC arouses great interest in pharmaceutical applications, specifically in the field of drug delivery. The behavior and structure of both the organic nanoparticles and the hydrogel were studied and characterized using different analysis techniques such as 1H-NMR spectroscopy, GPC, AFM microscopy, DLS, SEM and rheological tests. The nanoparticles, loaded with fluorescein isothiocyanate (FITC) as a mimetic drug, were placed in the functionalized hydroxypropyl methylcellulose (HPMC-C12) hydrogel and were immersed in an acidic aqueous solution (pH 5), because of the pH-responsiveness of methacrylic acid. In this case, the drug loaded in the particles is ejected outwards due to the compression of the particles and a swelling of the hydrogel, that occurs when the temperature of the system exceeds the LCST of the copolymer (37 ºC). The nanoparticles-hydrogel system was also characterized and successively, a drug release experiment was performed to evaluate the amount of drug released over time by this type of system. The amount of FITC released was analyzed at 42 ºC. From the experimental results, it will be determined if, in fact, the NP-gel system is more efficient at temperatures higher than the LCST of the copolymer that constitutes the nanoparticles and, in what proportion the amount of drug is released depending on the studied temperature.

Negli ultimi anni, la medicina si è interessata ai sistemi di somministrazione di farmaci localizzati per il trattamento di malattie come il cancro. I farmaci utilizzati nel trattamento del cancro possono essere altamente dannosi per i tessuti sani e per le regioni in cui è presente la malattia, quindi un sistema di somministrazione di farmaci altamente localizzato è molto importante. In questo contesto sono stati studiati sistemi per il rilascio controllato di farmaci attivati da stimoli esterni come pH e temperatura. La particolarità dei copolimeri a base NIPAm è che la loro lower critical solution temperature (LCST) può essere modulata variando le quantità di copolimeri ionici presenti. Quindi le particelle prodotte da tali copolimeri possono essere utilizzate per la somministrazione di farmaci sensibili alla temperatura. In questo lavoro, il copolimero poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) è stato prodotto seguendo la procedura descritta da Lo et al. [26], da cui sono state ottenute nanoparticelle organiche con proprietà interessanti nel campo del drug delivery. Le nanoparticelle ottenute sono state incapsulate in un idrogel di cellulosa, idrossipropilmetilcellulosa (HPMC), un idrogel in cui i gruppi ossidrile sono sostituiti da gruppi metilico e idrossipropilico che conferiscono le capacità di gelificazione dell'HPMC. Inoltre, le sue proprietà di rigonfiamento e gelificazione termica lo rendono un gel termoreversibile. È per questo motivo e per la sua biocompatibilità che HPMC suscita grande interesse nelle applicazioni farmaceutiche, in particolare nel campo del drug delivery. Il comportamento e la struttura sia delle nanoparticelle organiche che dell'idrogel sono stati studiati e caratterizzati utilizzando diverse tecniche di analisi come la spettroscopia 1H-NMR, GPC, microscopia AFM, DLS, SEM e test reologici. Le nanoparticelle, caricate con isotiocianato di fluoresceina (FITC) come farmaco mimetico, sono state poste nell'idrogel di idrossipropilmetilcellulosa funzionalizzata (HPMC-C12) e sono state immerse in una soluzione acquosa acida (pH 5), a causa della risposta alle variazioni del pH dell'acido metacrilico. In questo caso, il farmaco caricato nelle particelle viene espulso verso l'esterno a causa della compressione delle particelle e di un rigonfiamento dell'idrogel, che si verifica quando la temperatura del sistema supera l'LCST del copolimero (37 ºC). È stato inoltre caratterizzato il sistema nanoparticelle-idrogel e successivamente è stato eseguito un esperimento di rilascio di farmaci per valutare la quantità di farmaco rilasciata nel tempo da questo tipo di sistema. La quantità di FITC rilasciata è stata analizzata a 42 ºC. Dai risultati sperimentali si determinerà se, infatti, il sistema NP-gel è più efficiente a temperature superiori all'LCST del copolimero che costituisce le nanoparticelle e, in quale proporzione viene rilasciata la quantità di farmaco a seconda dell'analisi studiata temperatura.