Hydrophilic eutectic gels from betaine and levulinic acid DES, ratio_dependent release profiles

Deep eutectic solvents (DES) have emerged as versatile formulation media because their physicochemical properties can be tuned through the choice and ratio of hydrogen-bond acceptors and donors. This thesis investigates a betaine–levulinic acid DES (Bet:Lev) as a platform for stabilizing and releasing ascorbic acid (vitamin C), a highly effective antioxidant whose aqueous stability is strongly limited by pH- and oxygen-dependent degradation pathways. Two Bet:Lev compositions (1:3 and 1:7) were selected to probe how DES stoichiometry influences polarity, viscosity, water affinity, and ultimately solute mobility and release behavior. To improve handling and enable structured delivery systems, the DES was immobilized into eutectogels using 1,3:2,4-dibenzylidene-D-sorbitol (DBS), a low-molecular-weight gelator that forms fibrillar supramolecular networks. Gel formation was assessed by visual criteria and inversion tests following controlled heating–cooling protocols, and vitamin C was incorporated by temperature-assisted dissolution. Release was studied using a two-stage, biorelevant protocol (pH 1.2 → pH 7.2 at 37 °C) designed to mimic gastrointestinal pH transitions while employing salt-free, pH-adjusted media to isolate solvent-exchange effects. Quantification relied on a nuclear magnetic resonance (NMR) framework combining ^1H NMR peak assignment and quantitative NMR (qNMR) with an internal reference (TSP) to determine concentrations in release samples, with appropriate unit conversion and cumulative-release corrections for sampling. Diffusion-ordered spectroscopy (DOSY) complemented this approach by providing diffusion coefficients as proxies for molecular mobility within the DES and eutectogel environments. Across formulations, release is interpreted primarily through a “burst + solvent exchange/washout” mechanism typical of water-miscible eutectogels, rather than purely diffusion-controlled transport. By integrating formulation design (DES ratio and DBS structuring) with an NMR-based analytical pipeline, this work clarifies how Bet:Lev composition and supramolecular gel networks can be used to modulate mobility, aqueous exchange, and the practical delivery of an oxidation-sensitive active such as vitamin C.

I solventi eutettici profondi (Deep Eutectic Solvents, DES) rappresentano una classe di mezzi formulativi di crescente interesse, poiché le loro proprietà possono essere modulate in modo razionale tramite la scelta e il rapporto tra accettori e donatori di legame a idrogeno. Questa tesi studia un DES a base di betaina e acido levulinico (Bet:Lev) come piattaforma per l’incorporazione e il rilascio dell’acido ascorbico (vitamina C), antiossidante di grande rilevanza applicativa ma caratterizzato da marcate criticità di stabilità in ambiente acquoso, fortemente dipendenti da pH, ossigeno e condizioni di conservazione. Due composizioni (Bet:Lev 1:3 e 1:7) sono state selezionate per valutare come la stechiometria del DES influenzi polarità, viscosità, affinità per l’acqua e, di conseguenza, mobilità del soluto e comportamento di rilascio. Per ottenere sistemi strutturati e maneggevoli, il DES è stato immobilizzato in eutectogel mediante 1,3:2,4-dibenzylidene-D-sorbitol (DBS), un gelificante a basso peso molecolare capace di autoassemblarsi in reti supramolecolari fibrillari. La gelificazione è stata valutata tramite criteri visivi e test di inversione, applicando protocolli controllati di riscaldamento/raffreddamento; la vitamina C è stata incorporata mediante dissoluzione assistita dalla temperatura. Il rilascio è stato investigato con un protocollo biorelevante a due stadi (pH 1,2 → pH 7,2 a 37 °C), pensato per simulare una transizione di pH di tipo gastrointestinale e, al contempo, utilizzare mezzi privi di sali e regolati in pH per isolare il contributo dello scambio di solvente. La quantificazione è stata sviluppata attraverso un framework NMR che integra assegnazione dei picchi in ^1H NMR e qNMR con riferimento interno (TSP) per determinare le concentrazioni nei campioni di rilascio, includendo conversioni di unità e correzioni per il calcolo cumulativo in presenza di campionamento. La spettroscopia DOSY ha completato l’analisi fornendo coefficienti di diffusione come indicatori della mobilità molecolare nel DES e nell’eutectogel. Nel complesso, il rilascio viene interpretato principalmente secondo un meccanismo “burst + scambio di solvente/lavaggio (washout)”, tipico degli eutectogel miscibili con l’acqua, più che come trasporto puramente diffusivo. L’integrazione tra progettazione formulativa (rapporto Bet:Lev e strutturazione con DBS) e pipeline analitica basata su NMR consente di chiarire come composizione del DES e rete supramolecolare possano modulare mobilità, vi scambio con l’acqua e la veicolazione pratica di un attivo sensibile all’ossidazione come la vitamina C.