Development of hybrid hydrogel composites with nanoparticles as platforms for tunable drug delivery

Hybrid hydrogel–nanoparticle systems have gained increasing attention as advanced soft materials capable of integrating multiple functions within a single platform for controlled drug delivery. However, rational design principles are yet to be defined to engineer nanocomposites with predictable and reproducible performances for translational applications. In this regard, this thesis investigates how plasmonic and polymeric nanoparticles can be strategically embedded within a simple hydrogel matrix to provide stimuli-responsiveness and controlled delivery behaviors. The research develops three complementary material-design strategies. The first investigates the incorporation of gold nanorods (AuNRs) via electrostatic interactions to impart near-infrared (NIR) photothermal responsiveness, enabling externally triggered modulation of molecular diffusion. The use of fiber Bragg grating sensors provides spatially resolved temperature profiling, offering quantitative insight into the relationship between local heating and drug-release enhancement. The second strategy introduces an in situ synthetic route in which gold nanoparticles (AuNPs) are produced directly within the hydrogel, using the polymeric constituents as reducing and stabilizing agents. This approach yields well-dispersed spherical nanoparticles and produces nanocomposites whose physico-chemical and mechanical properties can be tuned through AuNP concentration. The third framework examines polymeric nanoparticles as functional building blocks for simultaneous drug delivery of therapeutics. Nanoparticles retention depend on the physical, covalent, or ionic nature of the interfacial interactions with hydrogel. The methodology offers tunable and predictable drug release behavior by engineering nanoparticles functionalities and interaction with the hydrogel. Collectively, the results establish how nanoscale design can be leveraged to activate multifunctional properties. The thesis outlines versatile methodologies for the development of next-generation light-responsive and bioactive materials for therapeutic delivery.

I sistemi ibridi costituiti da hydrogel e nanoparticelle hanno recentemente acquisito crescente attenzione come soft materials avanzati, in grado di integrare molteplici funzionalità all’interno di un’unica piattaforma per il rilascio controllato di farmaci. Tuttavia, principi di progettazione razionale non sono ancora stati pienamente definiti per ingegnerizzare nanocompositi con prestazioni prevedibili e riproducibili, necessarie per applicazioni traslazionali. In questo contesto, la presente tesi studia come nanoparticelle plasmoniche e polimeriche possano essere integrate strategicamente all’interno di una semplice matrice hydrogel al fine di conferire responsività agli stimoli e comportamenti di rilascio controllato. Il lavoro sviluppa tre strategie complementari di progettazione dei materiali. La prima esplora l’incorporazione di gold nanorods (AuNRs) tramite interazioni elettrostatiche, al fine di conferire proprietà fototermiche nella regione del near infra-red (NIR), consentendo la modulazione della diffusione molecolare verso l'esterno della matrice. L’impiego di sensori Fiber Bragg Grating (FBG) permette il monitoraggio spazialmente risolto della temperatura, fornendo informazioni quantitative sulla relazione tra incremento locale di temperatura e incremento del rilascio del farmaco. La seconda strategia introduce un approccio sintetico in situ, nel quale gold nanoparticles (AuNPs) vengono generate direttamente all’interno dell’hydrogel utilizzando i costituenti polimerici come agenti riducenti e stabilizzanti. Tale approccio consente la formazione di nanoparticelle sferiche ben disperse e la realizzazione di nanocompositi le cui proprietà fisico-chimiche e meccaniche possono essere modulate in funzione della concentrazione di AuNPs. La terza strategia analizza l’utilizzo di nanoparticelle polimeriche come building blocks funzionali per il rilascio simultaneo di agenti terapeutici. La ritenzione delle nanoparticelle dipende dalla natura delle interazioni interfacciali con l’hydrogel, che possono essere di tipo fisico, covalente o ionico. La metodologia proposta consente di ottenere comportamenti di rilascio modulabili e prevedibili attraverso l’ingegnerizzazione delle funzionalità delle nanoparticelle e delle loro interazioni con la matrice hydrogel. Nel complesso, i risultati dimostrano come la progettazione a scala nanometrica possa essere sfruttata per conferire proprietà multifunzionali nei materiali compositi. La tesi delinea inoltre metodologie versatili per lo sviluppo di materiali di nuova generazione responsivi alla luce e per applicazioni di rilascio terapeutico.