3D Printed scaffold for the local delivery of drug loaded polymeric nanoparticles

This thesis is focused on the development and optimization of a suitable delivery system for the local delivery of Resiquimod (R848) as a pro-drug carrier for the phenotypic conversion of tumor-associated macrophages. In the nanomedicine field, biodegradable polymeric nanoparticles (NPs) have proved to be an efficient tool to improve the drug bioavailability, safety and efficacy. Firstly, nanoparticles with size suitable for the drug delivery and different chemical-physical properties were synthesized and consisted of a main backbone, a block copolymer, made of lipophilic units, forming the core of the NPs, and hydrophilic monomers, the shell. The monomer composing the core of the NPs was opportunely engineered to provide an attachment site for the chemical loading of the drug. In any case, NPs production was addressed through a three step procedure involving (i) the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization of a zwitterionic monomer, (ii) the ring opening polymerization (ROP) of a ε-caprolactone monomer, and (iii) the RAFT emulsion polymerization of the macromonomer synthesized in the second step in the presence of the macroRAFT agent produced in the first. During step (iii), the NPs can be functionalized with fluorescent monomers providing detection of cellular uptake through fluorescent imaging techniques. Two fluorophore have been chosen as tracer and their performances compared, mainly in terms of absorbance decay. Drug release from drug-loaded NPs was investigated, as well as NPs cytotoxicity. Secondly, this work tried to overcome the proper localization of the delivery system through the manufacture of 3D printed biomimetic scaffolds loaded with polymeric nanoparticles. 3D bioprinting is a bleeding edge technology, whose aim is ensuring a fast and reliable production of biomimetic structures. A two degrees of freedom release system is achieved: the drug provision of therapeutic activity requires the NPs diffusion out from the scaffold and the NPs encounter of a physiological fluid which hydrolyzes the bound NPs-drug. Thus, the control on the release lies upon the tuning of the characteristic of both NPs polymeric structure and scaffold. Two different printing technique, extrusion and stereolithography, have been exploited and the relative release kinetics were assessed in a plethora of condition, confirming the possibility of manufacturing a customizable localized delivery set-up.

Questa tesi è focalizzata sullo sviluppo e l'ottimizzazione di un sistema di drug delivery per la somministrazione locale di Resiquimod (R848), realizzando un pro-farmaco atto alla conversione fenotipica di macrofagi associati a fenomeni tumorali. Nel campo della nanomedicina, le nanoparticelle polimeriche (NP) biodegradabili si sono rivelate uno strumento efficace per migliorare la biodisponibilità, la sicurezza e l'efficacia dei farmaci. In primo luogo, sono state sintetizzate nanoparticelle, con dimensioni adatte alla somministrazione umana e diverse proprietà chimico-fisiche, costituite da un copolimero a blocchi, che comprende unità lipofile, che formano il nucleo delle NP, e monomeri idrofili, che ne compongono il guscio. Il monomero lipofilo è stato opportunamente ingegnerizzato per fornire un sito di legame per il farmaco. La produzione di NP prevede una procedura in tre fasi che si divide in (i) polimerizzazione reversibile a trasferimento di catena di addizione-frammentazione (RAFT) di un monomero zwitterionico, (ii) polimerizzazione ad apertura d’anello (ROP) del monomero ε-caprolattone, e (iii) la polimerizzazione RAFT in emulsione del macromonomero sintetizzato nel secondo step in presenza dell'agente macroRAFT prodotto nel primo. Durante la terza fase, le NP possono essere funzionalizzate con monomeri fluorescenti fornendo così una strategia per il rilevamento dell'uptake cellulare. Due fluorofori sono stati scelti come tracer e le loro prestazioni confrontate, principalmente in termini di decadimento dell'assorbanza allo spettrofotometro UV-Vis. Il rilascio di farmaco dalle NP così come la citotossicità delle nanoparticelle stesse sono state analizzate nel dettaglio. In secondo luogo, questo lavoro ha cercato di ovviare a problemi legati alla corretta biodistribuzione del farmaco attraverso la produzione di scaffold biomimetici stampati in 3D con al loro interno nanoparticelle polimeriche. La biostampa 3D è una tecnologia all'avanguardia, il cui scopo è garantire una produzione rapida e affidabile di strutture porose biocompatibili. Si ottiene un sistema di rilascio a due gradi di libertà: affinché il farmaco possa esplicare la sua attività terapeutica, le NP devono diffondere fuori dallo scaffold e incontrare un fluido fisiologico che idrolizzi il legame chimico tra farmaco e NP. Pertanto, il controllo del rilascio è riposto sulla messa a punto delle caratteristiche della struttura polimerica delle NP e dello scaffold. Due diverse tecniche di stampa, estrusione e stereolitografia, sono state utilizzate e le relative cinetiche di rilascio sono state investigate in una pletora di condizioni, confermando la possibilità di produrre un assetto personalizzabile per il rilascio localizzato di farmaci.