Injectable Polymer-Nanoparticle Hydrogel for the controlled drug delivery

Cancer is a significant challenge in global public health, with an increasing annual incidence. Although conventional treatments, such as radiotherapy, chemotherapy and surgery, limit the tumour progression often involve undesirable side effects affecting healthy tissue. The application of nano-systems in the field of medicine is continuously expanding, and their use as vectors for anti-cancer drugs is a rapidly developing line of research. Nanoparticles demonstrate remarkable abilities to intensify the intracellular concentration of active ingredients within tumour cells, while limiting damage to surrounding healthy tissues. Moreover, when precisely synthesized, nanoparticles can selectively release the drug in response to specific micro-environmental conditions, such as pH or temperature changes. However, several challenges persist, including blood instability, suboptimal tissue distribution and toxicity. In parallel, approaches to intratumoural drug delivery using injectable biodegradable hydrogels are emerging. This strategy offers the possibility of having a controlled and sustained release directly within the tumour site, minimizing the undesirable effects associated with systemic delivery of active ingredients. In addition, hydrogels prove effective in overcoming the challenges associated with the limited solubility of many chemotherapeutic agents, allowing for increased drug concentration directly at the site of interest. The synergistic integration of polymeric hydrogels and nanoparticles in a hybrid system represents a promising prospect in cancer therapy. Their combination in a single platform allows their individual limitations to be addressed. In this context, a combined polymer-nanoparticle hydrogel system with stimulus-responsive properties at specific pH and temperature ranges was developed. Before proceeding with the formation of the combined system, NPs and hydrogel were synthesized separately and subjected to characterization by DLS and UV-vis analysis. In addition, rheological tests were conducted to analyze the gel’s mechanical properties. The use of a RAFT polymerization, which was monitored by NMR analysis, allowed precise control over the amphiphilic copolymers structure, formed by poly((PLA-co MAA)-b-(EG2MA)) and poly((PLA-co-MAA)-b-(EG2MA-co-EG8MA)), which subsequently formed the micelles through a mechanism of 'flash nanoprecipitation'. The hydrogel was formed by initially synthesizing the HPMC-C12 polymer network, followed by the addition of a buffer solution (PBS) to form the gel. Afterward, drug release experiments were carried out to assess the controlled loading and release of molecules, including 5-FU, FITC, and FITC-DXT, within distinct transport systems. In the final step of the thesis research, the mechanical properties of the polymer-nanoparticle hydrogel system were characterized through rheological tests.

Il cancro costituisce una sfida significativa nella salute pubblica globale, con una crescente incidenza annuale. I trattamenti convenzionali, come la radioterapia, la chemioterapia e la chirurgia, sebbene efficaci nel limitare la progressione tumorale, spesso comportano effetti collaterali indesiderati che coinvolgono anche tessuti sani. L'applicazione di nano-sistemi nel campo della medicina sta conoscendo una crescente espansione e il loro impiego come vettori per farmaci antitumorali costituisce una linea di ricerca in rapida evoluzione. Le nanoparticelle dimostrano notevoli capacità di intensificare la concentrazione intracellulare dei principi attivi all'interno delle cellule tumorali, limitando al contempo il danno ai tessuti sani circostanti. Inoltre, quando sintetizzate con precisione, queste particelle possono rilasciare il farmaco in modo selettivo in risposta a specifiche condizioni microambientali, come variazioni di pH o temperatura. Tuttavia, persistono diverse sfide da affrontare, tra cui l'instabilità ematica, la distribuzione tissutale subottimale e la tossicità. Parallelamente, sta emergendo l'approccio alla somministrazione intratumorale di farmaci attraverso l'impiego di idrogel biodegradabili iniettabili. Tale strategia offre la possibilità di effettuare un rilascio controllato e prolungato direttamente all'interno del sito tumorale, minimizzando gli effetti indesiderati associati alla distribuzione sistemica dei principi attivi. Inoltre, questa metodologia si dimostra efficace nel superare le sfide legate alla limitata solubilità di numerosi agenti chemioterapici, consentendo una maggiore concentrazione di farmaco direttamente nel sito di interesse. L'integrazione sinergica di idrogel polimerici e nanoparticelle in un sistema ibrido rappresenta una prospettiva promettente nell'ambito della terapia antitumorale, poiché la combinazione dei due in un unico sistema aiuta a superarne i limiti individuali. In questo contesto, è stato sviluppato un sistema combinato nanoparticelle polimeriche-idrogel con capacità di risposta agli stimoli in specifici intervalli di pH e temperatura. Prima di procedere con la formazione del sistema combinato, i due sistemi di trasporto sono stati sintetizzati separatamente e sottoposti a caratterizzazione mediante analisi DLS e UV-vis. Inoltre, prove reologiche sono state condotte per analizzare le proprietà meccaniche del gel. L'utilizzo di una polimerizzazione RAFT, il cui progresso è stato monitorato attraverso analisi NMR, ha permesso un controllo preciso sulla struttura dei copolimeri anfifilici di poly((PLA-co-MAA)-b-(EG2MA)) e poly((PLA-co-MAA)-b-(EG2MA-co-EG8MA)), che hanno successivamente formato le micelle attraverso una ‘nano-precipitazione flash’. La formazione dell'idrogel è stata ottenuta mediante la sintesi preliminare della maglia polimerica di HPMC-C12, seguita dall'aggiunta di una soluzione tampone (PBS) per formare il gel. Successivamente, è stata condotta un'indagine sulla capacità di caricare e rilasciare in modo controllato molecole quali 5-FU, FITC e FITC-DXT per i sistemi di trasporto separati. Nell'ultima fase del lavoro di tesi, sono state studiate le proprietà meccaniche del sistema combinato mediante test reologici, con l'obiettivo di definire la regione viscoelastica lineare del sistema ibrido da iniettare.