Crosslinking mechanisms for the synthesis and design of hydrogels for drug delivery

In recent years, the pharmaceutical field has paid increasing attention to the design of carriers with specific characteristics, one of which is the controlled release of drugs, in addition to the formulation of active principles. Delivery systems have become increasingly important due to their advantages over conventional dosage forms, such as reduced toxicity, improved efficacy and active targeting. Hydrogels have been extensively studied in this regard due to their inherent characteristics that make them highly suitable for biomedical applications. For these reasons, this thesis is focused on the evaluation of two strategies involving the preparation, synthesis, and design of two hydrogels by exploiting the materials and crosslinking mechanisms of the two formulations, with the ultimate goal of achieving controlled drug release. Initially, a well established system was evaluated, i.e. Sodium Alginate gel obtained using the external gelation technique. Parameters such as curing time in calcium chloride bath, curing time in chitosan bath and the molarity of the calcium chloride solution were selected as key features. Several release tests were performed to evaluate how their changes can affect the release mechanism, exploiting the negatively charged matrix to achieve complexation with chitosan. Two drugs were encapsulated, namely caffeine as neutral model and lidocaine HCl as cationic model. In this way, it was possible to evaluate how the chitosan external layer and the electrostatic interactions with the drug could enhance the drug release timings and kinetics. These tests were performed in PBS (pH = 7.1-7.5) and at specific timepoints an aliquot was withdraw from the release environment to analyse the drug content through UV/Vis spectroscopy. The results indicated that the external layer acted as an additional resistance to diffusion, thereby delaying release timings. The same effect was observed with electrostatic interactions between the drug and matrix. Furthermore, it was observed that an increase in the curing time in chitosan bath and concentration of the calcium chloride solution resulted in more controlled release curves. Finally, the drug release data were mathematically treated and fitted to various kinetic equations, applying Higuchi squire root law and Korsmeyer-Peppas’ model. The model of best fit was identified by comparing the correlation coefficients obtained with the correlation analysis. After the characterization of the alginate system, a new strategy was studied, this time a different crosslinking method was evaluated: a Hyaluronic Acid hydrogel was synthesized and obtained through a reticulation mechanism based on the Avidin-Biotin interaction. These two molecules, the first being a protein and the second a vitamin can lead, due to their high affinity, to the strongest non-covalent bond known in nature. However, this affinity tends to reduce when biotin is grafted to polymers or proteins. This issue could be attributed to steric hindrance that hinders the binding of biotin groups to avidin's binding sites. To address this problem, a possible solution proposed in this study is to exploit longer biotin-presenting spacers to distance biotin groups from the hyaluronic acid backbone. This could potentially favour the interactions between the two molecules and therefore the reticulation and the mechanical characteristics of the resulting gel. The properties of the hydrogels were evaluated through rheological tests (time sweep mode). The potential of the crosslinking method could be also exploited to link drugs to biotin groups. This approach could enable a release mechanism that is not solely dependent on diffusion, but also on the degradation of the gel and the rupture of the biotin-drug bond. However, the rheological analysis revealed that the cohesion between the chains of the synthesized gels was not sufficient to encapsulate, retain and then release the drug. Despite these limitations, the avidin-biotin interaction represents a promising crosslinking method that can be further studied to achieve a gel with tuned kinetics of degradation and controlled drug release.

Negli ultimi anni, il campo farmaceutico ha prestato crescente attenzione alla progettazione di sistemi di somministrazione con caratteristiche specifiche, tra cui il rilascio controllato di farmaci, oltre alla formulazione dei principi attivi. I sistemi di somministrazione sono diventati sempre più importanti grazie ai loro vantaggi rispetto alle forme di dosaggio convenzionali, come la ridotta tossicità, l'efficacia migliorata e il targeting attivo. In questo contesto, gli idrogeli sono stati ampiamente studiati per le loro caratteristiche intrinseche che li rendono altamente adatti per le applicazioni biomediche. Per queste ragioni, questa tesi si concentra sull'analisi di due strategie che coinvolgono la preparazione, la sintesi e la progettazione di due idrogeli, sfruttando i materiali e i meccanismi di reticolazione delle due formulazioni, con l'obiettivo ultimo di ottenere il rilascio controllato di farmaci. Inizialmente, è stato valutato un sistema ben consolidato, ovvero il gel di alginato di sodio ottenuto utilizzando la tecnica di gelificazione esterna. I parametri come il tempo di trattamento in bagno di cloruro di calcio, il tempo di trattamento in bagno di chitosano e la molarità della soluzione di cloruro di calcio sono stati selezionati come caratteristiche chiave. Sono stati effettuati diversi test di rilascio per valutare come le loro variazioni possano influire sul meccanismo di rilascio, sfruttando la matrice carica negativamente per ottenere la complessazione con il chitosano. Sono stati incapsulati due farmaci, ovvero la caffeina come modello neutro e la lidocaina cloroidrata come modello cationico. In questo modo, è stato possibile valutare come lo strato esterno di chitosano e le interazioni elettrostatiche con il farmaco potessero migliorare i tempi e la cinetica di rilascio del farmaco. Questi test sono stati effettuati in PBS (pH = 7,1-7,5) e a tempi specifici è stata prelevata una aliquota dall'ambiente di rilascio per analizzare il contenuto di farmaco attraverso la spettroscopia UV/Vis. I risultati hanno indicato che lo strato esterno agiva come una resistenza aggiuntiva alla diffusione, ritardando quindi i tempi di rilascio. Lo stesso effetto è stato osservato con le interazioni elettrostatiche tra il farmaco e la matrice. Inoltre, è stato osservato che un aumento del tempo di trattamento in bagno di chitosano e della concentrazione della soluzione di cloruro di calcio ha portato a curve di rilascio più controllate. Infine, i dati di rilascio del farmaco sono stati matematicamente elaborati e adattati a varie equazioni cinetiche, applicando la legge di Higuchi e la legge di Korsmeyer-Peppas. Il modello di migliore adattamento è stato identificato confrontando i coefficienti di correlazione ottenuti con l'analisi di correlazione. Dopo la caratterizzazione del sistema di alginato, è stata studiata una nuova strategia. In questo caso è stata valutato un diverso metodo di reticolazione: un idrogel di acido ialuronico è stato sintetizzato e ottenuto attraverso un meccanismo di reticolazione basato sull'interazione avidina-biotina. Queste due molecole, la prima una proteina e la seconda una vitamina, possono portare, grazie alla loro elevata affinità, al legame non covalente più forte conosciuto in natura. Tuttavia, questa affinità tende a ridursi quando la biotina viene legata sulle catene di polimeri o proteine. Questo problema potrebbe essere attribuito all'ingombro sterico che impedisce il legame dei gruppi biotina con i siti di legame dell'avidina. Per affrontare questo problema, una possibile soluzione proposta in questo studio è quella di sfruttare degli spaziatori presentanti la biotina più lunghi per allontanare i gruppi biotina dal backbone dell'acido ialuronico. Ciò potrebbe favorire le interazioni tra le due molecole e quindi la reticolazione e le caratteristiche meccaniche del gel risultante. Le proprietà degli idrogel sono state valutate mediante test reologici. Il potenziale di questo metodo di reticolazione potrebbe anche essere sfruttato per legare i farmaci ai gruppi biotina. Questo approccio potrebbe consentire un meccanismo di rilascio non basato sulla sola diffusione, ma anche sulla degradazione del gel e la rottura del legame biotina-farmaco. Tuttavia, l'analisi reologica ha rivelato che la coesione tra le catene dei gel sintetizzati non era sufficiente per incapsulare, trattenere e poi rilasciare il farmaco. Nonostante queste limitazioni, l'interazione avidina-biotina rappresenta un promettente metodo di reticolazione che può essere ulteriormente studiato per ottenere un gel con cinetiche di degradazione modulate e rilascio del farmaco controllato.