Stimuli-responsive nanocomposites for biomedical applications

Hydrogels and colloids represent one of the most studied systems for biomedical purposes. Particularly relevant are those called “smart” systems, characterized by the ability to change properties after their stimulation through an external source. The different kinds of stimuli can include pH, light, temperature, electromagnetic field, etc. Under these conditions, physical and chemical changes occur, inducing the system to behave differently and emphasize its functional properties. Under the field of smart materials, nanocomposite systems represent a promising area of research. They derive from the combination of hydrogels and colloids to form a singular device with increased properties and sensitivity to external stimuli. Under stimulation, nanocomposite’s functions are activated and can be potentially used to treat a damaged tissue. In this context, the work presented in this thesis is based on the design and characterization of smart nanocomposite materials potentially useful for biomedical applications. The discussion is structured in two macro areas defined by the use of inorganic and organic nanoparticles inside a polymeric structure. It starts from the use of gold nanoparticles to create a light-sensitive device able to induce a temperature increase in the surrounding tissue. In particular, the studied hydrogel is able to increase the local temperature of tens of degrees after few minutes of light exposure. Considering the current poor selectivity achieved by hyperthermia treatments, the proposed hydrogel can represent a suitable solution for future cancer treatments based on more selective action. Alongside, magnetite nanoparticles were used for the development of a drug-delivery device sensitive to electromagnetic field irradiation. Magnetically driven systems could have a high impact on future drug delivery devices since they can reach the most internal organs and sites of the body in a non-invasive way and release locally the therapeutic drug. Lastly, organic nanoparticles were synthetized and their pH-sensitivity characterized in order to form a pH-sensitive nanocomposite drug-delivery system for combined therapy. In particular, the synergic interaction between pH-nanoparticles and polymer network leads to the formation of a modulable physically crosslinked hydrogel able to perform a simultaneous release of different drugs from nanoparticles and hydrogel. The general aim of this work is to exploit the physical and chemical properties of nanoparticles to create versatile stimuli-responsive nanocomposite materials, which have the potential to overcome single system’s limitations and well adapt to multiple fields of biomedical applications.

Gli idrogel e i colloidi rappresentano uno dei sistemi più studiati per scopi biomedici. Particolarmente rilevanti sono i cosiddetti sistemi “smart”, caratterizzati dalla capacità di cambiare proprietà a seguito della loro stimolazione mediante uno stimolo esterno. I diversi tipi di stimoli possono includere pH, luce, temperatura, campi elettromagnetici, ecc. Sotto queste condizioni, si verificano cambiamenti fisici e chimici che inducono il sistema a comportarsi in modo diverso e ad enfatizzare le proprie funzioni. Nell'ambito dei materiali intelligenti, i sistemi nanocompositi rappresentano una promettente area di ricerca. Essi derivano dalla combinazione di idrogeli e colloidi per formare un unico dispositivo caratterizzato da maggiori proprietà e sensibilità verso gli stimoli esterni. Sotto stimolo, le funzioni del sistema nanocomposito vengono attivate e possono essere potenzialmente utilizzate per il trattamento di un tessuto danneggiato. Il lavoro presentato in questa tesi si basa sulla progettazione e sulla caratterizzazione di materiali nanocompositi intelligenti, potenzialmente utili per applicazioni biomediche. La trattazione si articola in due macro aree definite dall'utilizzo di nanoparticelle inorganiche e organiche all'interno di una struttura polimerica. Si parte dall'utilizzo di nanoparticelle d'oro per creare un dispositivo sensibile alla luce in grado di indurre un aumento di temperatura nel tessuto circostante. In particolare, l'idrogelo studiato è in grado di aumentare localmente la temperatura di qualche decina di gradi dopo pochi minuti di esposizione alla luce. Considerando l'attuale scarsa selettività raggiunta dai trattamenti di ipertermia, il sistema proposto può rappresentare una soluzione adatta per futuri trattamenti antitumorali basati su un'azione più selettiva. In un secondo lavoro, nanoparticelle di magnetite sono state utilizzate per lo sviluppo di un dispositivo di rilascio di farmaci sensibile all'irradiazione di campi elettromagnetici. I sistemi guidati magneticamente potrebbero avere un grande impatto sui futuri dispositivi di somministrazione, poiché possono raggiungere gli organi e i siti più interni del corpo in modo non invasivo e rilasciare localmente il farmaco terapeutico. Infine, sono state sintetizzate nanoparticelle organiche e la loro sensibilità al pH è stata caratterizzata al fine di formare un sistema nanocomposito di drug-delivery sensibile al pH e adatto alla terapia combinata. In particolare, l'interazione sinergica tra le nanoparticelle pH-responsive e la rete polimerica ha portato alla formazione di un idrogelo fisicamente reticolato e modulabile, in grado di effettuare un rilascio simultaneo di diversi farmaci sia dalle nanoparticelle che dalla maglia polimerica. L'obiettivo generale di questo lavoro è quello di sfruttare le proprietà fisiche e chimiche delle nanoparticelle per creare materiali nanocompositi reattivi a diversi stimoli, capaci di superare i limiti dei singoli sistemi e di adattarsi a molteplici campi di applicazione biomedica.