ATRP based conjugation and surface modification of nanosized materials for theragnostic applications

Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) is a reversible deactivation radical polymerization which has been used to synthesize well-defined polymers with tailored properties. Recent progress in Activators ReGenerated by Electron Transfer (ARGET) ATRP in aqueous conditions has allowed the synthesis of a new class of protein conjugates for biomedical applications. This process involved the selective protein conjugation of poly(glycerol mono-methacrylate) (PGMA) and poly(polyethylene glycol methacrylate) (PPEGMA) with tunable topology, via reductive amination with multifunctional ATRP initiators, followed by a grafting-from polymerization. In this Thesis work, we aimed at applying this promising polymerization technique to the synthesis of other bio-nanomaterials. Firstly, we investigated the synthesis of pH sensitive doxorubicin-conjugated PGMA, for a possible application of this functional macromolecule as targeted drug delivery system. These polymerizations were also proposed for the surface modifications of nanosized materials, such as multiwall carbon nanotubes and nanodiamonds, that find promising applications in theranostics. Finally, we investigated the possible use of Activators Generated by Electron Transfer (AGET) ATRP as alternative to ARGET ATRP in these grafting-from aqueous polymerizations, aiming to reduce the complexity of the reaction procedures. The synthesized polymers were characterized in terms of polymerization kinetics, molecular weight distribution, and final physicochemical properties. The experimental results confirmed that by optimizing aqueous ARGET/AGET ATRP designed for grafting-from polymerizations, innovative therapies based on (bio) nanomaterials may be developed for targeted drug delivery, theranostics, and protein-based nanotherapeutics.

La polimerizzazione radicalica per trasferimento atomico (ATRP) è una polimerizzazione radicalica di disattivazione reversibile, utilizzata per la sintesi di polimeri con architettura ben definita e proprietà personalizzate. I recenti progressi nell’Activators ReGenerated by Electron Transfer (ARGET) ATRP in condizioni acquose hanno permesso la sintesi di una nuova classe di coniugati proteici per applicazioni biomedicali. Il processo di ARGET ATRP ha coinvolto la coniugazione selettiva tra proteine e poli(glicerolo mono-metacrilato) (PGMA) e poli(polietilen glicole metacrilato) (PPEGMA) con topologia modulabile tramite una reazione di amminazione riduttiva con iniziatori multifunzionali per ATRP, seguita da una polimerizzazione combinato all’approccio “grafting from”. In questa Tesi Magistrale, è stata approfondita l’applicazione di questa promettente tecnica di polimerizzazione alla sintesi di altri biomateriali. In primo luogo, è stata studiata la sintesi di un coniugato doxorubicina-PGMA sensibile al pH per una possibile applicazione di questa macromolecola come sistema di rilasciato mirato di biomolecole con funzione terapeutica. Le suddette polimerizzazioni sono state studiate anche per le modifiche superficiali di nanomateriali, come nanotubi di carbonio e nanodiamanti, con promettenti applicazioni nella teragnostica. Infine, è stato investigato anche il possibile ricorso all’Activators Generated by Electron Transfer (AGET) ATRP come alternativa all’ARGET ATRP, con l’obiettivo di ridurre la complessità delle procedure di reazione. I polimeri sintetizzati sono stati caratterizzati in termini di cinetica di polimerizzazione, distribuzione del peso molecolare e proprietà fisico-chimiche finali. I risultati sperimentali hanno confermato che ottimizzando le reazioni di ARGET/AGET ATRP in condizioni acquose le terapie innovative basate sui nanomateriali possono essere sviluppate per il rilascio controllato di agenti terapeutici.