Advanced atom transfer radical polymerization tools in nanomedicine: characterization and optimization strategies

Polymer conjugation with inorganic nanoparticles, as well as proteins, has significantly revolutionized the field of nanomedicine, resulting in platforms with diagnostic and therapeutic capabilities, respectively. This master thesis project focuses on Carbon dots (CDs) and protein conjugates, with a strong emphasis at implementing post-modification characterization strategies. Indeed, deeper understanding of polymers architecture is highly desirable to obtain reproducible conjugates and advance their translation to clinical settings. Specifically, various thermosensitive copolymers composed of 2-(2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (MEO2MA) and Poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA) at different molar ratios and reaction conditions were synthesized via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) from commercial initiators. From the numerous attempts performed, a lack of correlation between set monomers composition and corresponding Lower Critical Solution Temperature (LCST) emerged. Nevertheless, CD-conjugates were synthesized proving that they could be effectively grafted via ATRP techniques. Concurrently, protein-polymer conjugates were successfully synthesized via aqueous AGET ATRP using Poly(glycerol monomethacrylate) PGMA and PPEGMA as promising biocompatible alternatives to poly(ethylene glycol) (PEG). With the ultimate aim of accurately determining the structural features of the polymers in a post-polymerization phase, hydrolysis reactions of the conjugates were implemented using standard heating and microwave synthesizer protocols. Once successfully carried out on polymers obtained from commercial initiators, the corresponding optimized protocols were translated to the protein-polymer conjugates. In this context, microwave-assisted reactions allowed us to considerably reduce the procedure time. Hence, the characterization strategies were successfully carried out and validated through Nuclear Magnetic Resonance and Infrared Spectroscopy analyses.

La coniugazione di polimeri con nanoparticelle inorganiche, oltre che con proteine, ha radicalmente rivoluzionato il campo della nanomedicina, portando alla formulazione di strumenti diagnostici e terapeutici. Questo progetto di tesi magistrale si focalizza sulla sintesi di coniugati ottenuti a partire da dots di Carbonio (CDs) e proteine, con particolare enfasi rivolta allo sviluppo di strategie per la loro caratterizzazione. In tal proposito, un’approfondita conoscenza della struttura dei polimeri impiegati è altamente desiderabile per ottenere elevata riproducibilità, necessaria per l’avanzamento dei coniugati nella clinica. Specificatamente, vari copolimeri con proprietà termosensibili sono stati sintetizzati tramite polimerizzazione radicalica a trasferimento atomico (ATRP) da iniziatore commerciale a partire da di(etilen glicol) metacrilato (MEO2MA) e poli(etilen glicol) metacrilato (PEGMA) a diversi rapporti molari, esplorando svariate condizioni di reazione. Dalle varie prove svolte, la mancata correlazione tra composizione del copolimero e temperatura di transizione di fase (LCST) è stata evidenziata. Tuttavia, dei coniugati sono stati efficacemente ottenuti a partire dai CDs, dimostrando che questi potevano essere realmente modificati tramite ATRP. Parallelamente, coniugati a partire da proteine sono stati sintetizzati, impiegando glicerolo monometacrilato (GMA) e PEGMA, con l’obiettivo di dimostrarne l’impiego come valide alternative al poli(etilen glicol) (PEG). Con l’obiettivo di determinare le caratteristiche strutturali dei polimeri, l’idrolisi dei coniugati è stata implementata impiegando sia metodi tradizionali che le microonde. Dopo aver idrolizzato i polimeri sintetizzati da iniziatore commerciale, i corrispettivi protocolli ottimizzati sono stati applicati ai coniugati polimero-proteina. A tal riguardo, le reazioni svolte sotto l’irraggiamento con microonde hanno permesso di ridurre notevolmente i tempi di reazione. Pertanto, le strategie di caratterizzazione sono state valutate tramite analisi di Spettroscopia a Risonanza Magnetica Nucleare e Infrarossa.