Biphasic polymer-based porous structures as promising tools for drug delivery applications

In the past few decades, the design of carriers with specific properties, such as controlled drug release, has received more and more attention in the pharmaceutical industry, besides the formulation of the active principle itself. Delivery systems are increasingly important because they offer numerous advantages compared to conventional dosage forms, including increased efficacy, less toxicity, and active targeting. For this purpose, new non-equilibrium structures have been developed in the last fifteen years, and their characterization is now becoming more widely known. These structures are formed by two non-mixable liquids and stabilized by a jammed layer of solid nanoparticles at their interface. Bicontinuous interfacially jammed emulsion gels ("bijels") are a new class of soft matter. They are Pickering emulsions where oil and water are both continuous phases and they have great potential for applications in many areas. However, challenges in producing bijels and controlling structural features of interest have posed significant impediments to their widespread application. From a medical standpoint, the main advantage of these interconnected structures, which are stabilized by colloidal nanoparticles at the oil-water interface, is the potential to obtain a system that can deliver both hydrophilic and hydrophobic drugs at the same time following the multidrug delivery strategy. The monomer used in this thesis work is ε-caprolactone, which is able to entrap a water-based hydroxyapatite (HAp) dispersion into its matrix during its polymerization. This way, it was possible to create a porous bicontinuous structure with hydroxyapatite nanoparticles at the interface. The aim of this thesis is to study if by changing the properties of the aqueous phase, by adding alginic acid sodium salt, we are able to improve mechanical properties and to investigate bijels as carriers for controlled drug release applications. The aqueous phase is changed to see if it affects the material's chemical-physical properties, mechanical properties, and release properties. Alginate was selected because it is a biomaterial with many uses in biomedical science and engineering due to its favorable properties, such as biocompatibility and ease of gelation. We first investigated through rheological tests how different alginate concentrations in bijel affected the rheological properties. Two alginate concentrations, 10 mg/mL and 20 mg/mL, were then chosen and used as a reference, and it was studied if other properties also changed. We performed scanning electron microscopy (SEM) to analyse how the morphological properties change; HR-MAS to justify bicontinuity and dynamic scanning calorimetry (DSC) to study macroscopical properties. Subsequently, swelling tests were made with water to understand whether the sample was able or not to absorb the fluid inside its matrix without breaking. Finally, release studies of samples loaded with fluorophores, both hydrophobic (fluorescein isothiocyanate) and hydrophilic (fluorescein, rhodamine B, fluorescein isothiocyanate-dextran 70000) were useful to further investigate the structures’ properties.

Negli ultimi decenni, la progettazione di vettori con proprietà specifiche, come il rilascio controllato di farmaci, ha ricevuto sempre più attenzione nell'industria farmaceutica, oltre alla formulazione del principio attivo stesso. I sistemi di rilascio sono sempre più importanti perché offrono numerosi vantaggi rispetto alle forme di dosaggio convenzionali, tra cui maggiore efficacia, minore tossicità e targeting attivo. A tale scopo, negli ultimi quindici anni sono state sviluppate nuove strutture di non equilibrio e la loro caratterizzazione è ora diventando più ampiamente conosciuta. Queste strutture sono formate da due liquidi non miscibili e stabilizzate da uno strato incastrato di nanoparticelle solide alla loro interfaccia. I gel di emulsione bicontinue interfacciali ("bijels") sono una nuova classe di materiali soffici. Sono emulsioni Pickering in cui l'olio e l'acqua sono entrambi fasi continue e hanno un grande potenziale per applicazioni in molte aree. Tuttavia, le sfide nella produzione di bijel e nel controllo delle caratteristiche strutturali di interesse hanno posto ostacoli significativi alla loro diffusa applicazione. Da un punto di vista medico, il vantaggio principale di queste strutture interconnesse, che sono stabilizzate da nanoparticelle colloidali all'interfaccia olio-acqua, è la possibilità di ottenere un sistema in grado di rilasciare contemporaneamente sia farmaci idrofilici che idrofobici seguendo la strategia di rilascio multi farmaco. Il monomero utilizzato in questo lavoro di tesi è l'ε-caprolattone, che è in grado di intrappolare una dispersione acquosa di idrossiapatite (HA) nella sua matrice durante la sua polimerizzazione. In questo modo è stato possibile creare una struttura bicontinua porosa con nanoparticelle di idrossiapatite all'interfaccia. Lo scopo di questa tesi è vedere se modificando le proprietà della fase acquosa, aggiungendo alginato di sodio, siamo in grado di migliorare le proprietà meccaniche e di studiare i bijels come vettori per applicazioni a rilascio controllato di farmaci. La fase acquosa viene modificata per vedere se influisce sulle proprietà chimico-fisiche, meccaniche e di rilascio del materiale. L'alginato è stato selezionato perché è un biomateriale con molti usi nella scienza e nell'ingegneria biomedica grazie alle sue proprietà favorevoli, come la biocompatibilità e la facilità di gelificazione. La capacità dell'alginato di creare una matrice gelificata in presenza di cationi bivalenti, in particolare ioni Ca2+, lo ha reso uno dei più importanti componenti naturali utilizzati nei sistemi a rilascio controllato. Per prima cosa abbiamo studiato attraverso test reologici in che modo le diverse concentrazioni di alginato nei bijels influenzino le proprietà reologiche. Sono state quindi scelte e utilizzate come riferimento due concentrazioni di alginato, 10 mg/mL e 20 mg/mL, ed è stato studiato se anche altre proprietà fossero cambiate. Abbiamo eseguito la microscopia elettronica a scansione (SEM) per analizzare come cambiano le proprietà morfologiche; HR-MAS per giustificare la bicontinuità e la calorimetria dinamica a scansione (DSC) per studiare le proprietà macroscopiche. Successivamente sono state effettuate prove di rigonfiamento con acqua per capire se il campione fosse in grado o meno di assorbire il fluido all'interno della sua matrice senza rompersi. Infine, studi di rilascio di campioni caricati con fluorofori, sia idrofobi (fluoresceina isotiocianato) che idrofili (fluoresceina, rodamina B, fluoresceina isotiocianato-destrano 70000) sono stati utili per indagare ulteriormente le proprietà delle strutture.