Design and applications of b-cyclodextrins functionalized hydrogels for drug delivery

Hydrogels (HGs) are three-dimensional hydrophilic polymers systems possessing a large water content. The rubbery consistency and viscoelasticity confer biocompatibility to the HGs, making them resemble biological tissues of the human body; this is the reason of their wide applications as drug delivery systems. However, it is precisely their hydrophilicity that makes the loading of hydrophobic drugs not effective. The incorporation into hydrogels of amphiphilic molecules able to form inclusion complexes with the hydrophobic drugs could be a possible solution. Cyclodextrins (hosts), with their hydrophilic exterior and hydrophobic cavity, can improve the drug loading and release of hydrophobic drugs (guests) through the formation of inclusion complexes. In this work, β-CD-based host-guest supramolecular hydrogel systems were synthetized. Hydrogels were prepared with different β-CD-functionalized polyvinyl alcohol (PVA)/agarose ratios, thus leading to the development and the selection of two formulations. The success of the functionalization and the bonding formation between the cyclodextrins and the polymeric matrices of the hydrogels were investigated with NMR and HR-MAS spectroscopy respectively. The physical characteristics of both the formulations were analyzed exploiting various techniques: swelling tests, rheology tests, SEM microscopy, nano-CT, and DSC. Finally, rhodamine B, fluoresceine isothiocyanate-dextran, ibuprofen sodium salt and hydrophobic ibuprofen were selected to investigate the release behavior of the hydrogels. The results were analyzed with the UV-vis spectroscopy and were reported as cumulative curves of the released mass during time. All the results were critically analyzed, making comparisons between the two formulations and reference samples without cyclodextrins. Globally, the formulations obtained resulted to be stable and with excellent rheological, structural, and morphological properties. For what concerns the drug delivery, the influence of cyclodextrins were remarkable only for the hydrophobic drug employed, both for the release, that were higher and prolonged, and for the rheology of the loaded hydrogel.

Gli idrogel (HG) sono sistemi polimerici tridimensionali e idrofili che possiedono un elevato contenuto d’acqua. La consistenza gommosa e la viscoelasticità che li caratterizzano rendono gli idrogel biocompatibili in quanto somiglianti ai tessuti biologici del corpo umano. Questa è la ragione per cui tali sistemi sono largamente impiegati per la somministrazione di farmaci. Tuttavia, è precisamente la loro idrofilia a rendere inefficace il caricamento di farmaci idrofobici al loro interno. Una possibile soluzione a questo problema potrebbe essere l’introduzione nella formulazione dell’idrogel di molecole anfifiliche in grado di formare complessi di inclusione con i farmaci idrofobici. Le ciclodestrine sono oligosaccaridi ciclici aventi una cavità idrofobica e una porzione esterna idrofila; pertanto, sono in grado di formare complessi di inclusione con molecole e macromolecole idrofobiche e quindi di apportare un decisivo miglioramento per quanto riguarda il caricamento negli idrogel, e il successivo rilascio, di farmaci idrofobici. In questo lavoro di ricerca sono stati sintetizzati idrogel a partire da rapporti differenti di polivinil-alcol (PVA) funzionalizzato con β-ciclodestrine e agarosio. Successivamente, sono state selezionate e caratterizzate due delle formulazioni prodotte. L’avvenuta funzionalizzazione del PVA e la presenza di un legame tra le ciclodestrine e la matrice polimerica degli idrogel sono state appurate rispettivamente con le analisi spettroscopiche NMR e HR-MAS. Per la caratterizzazione fisica degli idrogel prodotti sono state utilizzate numerose tecniche: test di swelling, test di reologia, microscopia SEM, nano-CT e analisi DSC. Infine, sono stati selezionati rodamina B, destrano, ibuprofene sale sodico e ibuprofene idrofobico come farmaco-mimetici/ farmaci di cui studiare il rilascio attraverso gli idrogel R1 e R6. I campioni ottenuti dai test di rilascio sono stati analizzati tramite la spettroscopia UV-vis e i risultati sono stati riportati come curve cumulative della massa rilasciata nel tempo. In generale, i risultati di tutte le analisi sono stati analizzati criticamente, ponendo a confronto le due formulazioni selezionate contenenti ciclodestrine, con le corrispettive senza ciclodestrine. Globalmente le formulazioni ottenute hanno dimostrato di essere stabili e di avere proprietà reologiche, strutturali e morfologiche degne di nota. Per quanto riguarda i risultati ottenuti in ambito di drug delivery, è stata appurata l’influenza della presenza delle ciclodestrine, sia a livello reologico che di rilascio vero e proprio del farmaco, unicamente nel caso dell’ibuprofene idrofobico.