Experimental study of thermo-responsive polymer hydrogel systems for controlled drug release

Abstract

[ES] Los fármacos utilizados hoy en día para tratar enfermedades como el cáncer afectan a las zonas en las que está presente la enfermedad, pero también pueden ser extremadamente dañinos para tejidos y zonas sanas donde la enfermedad no está presente. Por este motivo, la medicina de los últimos años se ha centrado en investigar y desarrollar sistemas localizados de liberación de fármacos para dichos tratamientos.

En este trabajo se han diseñado y estudiado sistemas para la liberación controlada de fármacos activados por estímulos externos como el pH y la temperatura. Para ello, se sintetizó el copolímero poli(D,L-lactide)-g-poli(N-isopropilacrilamida-co-ácido metacrílico) (PLA-NIPAm-MAA), a partir del cual se obtuvieron nano partículas orgánicas con propiedades interesantes en el campo de la liberación de fármacos. La peculiaridad de los copolímeros basados en NIPAm es que su temperatura de solución crítica más baja (LCST) puede modularse variando la cantidad de copolímeros iónicos presentes. Así, las partículas sintetizadas a partir de estos copolímeros se pueden usar para liberación de fármacos sensibles a cambios en la temperatura. Además de tener una liberación dependiente de la temperatura y el pH, las partículas se utilizan para almacenar medicamentos de bajo peso molecular e hidrofóbicos que de otro modo saldrían fácilmente del hidrogel. De esta forma, es posible liberar dos tipos de fármacos: de alto peso molecular a partir del hidrogel y de bajo peso molecular e hidrófobos a partir de las partículas.

En este caso, el fármaco encapsulado en las partículas es expulsado al exterior debido a la compresión de las partículas, y esto ocurre cuando la temperatura del sistema excede la LCST del copolímero. En el presente Trabajo Fin de Máster se han realizado dos experimentos con el objetivo de evaluar la cantidad de fármaco liberado con el tiempo por este tipo de nano partículas orgánicas. Las nano partículas, cargadas con pireno como simulador del fármaco, se encapsularon en un hidrogel de hidroxipropil metilcelulosa (HPMC) y se sumergieron en una disolución acuosa a pH 5. Las muestras fueron tomadas de forma periódica y analizadas mediante radiación UV para determinar la cantidad de pireno liberada. Los dos experimentos mencionados fueron realizados a 37 ºC y 42 ºC.

A partir de los resultados experimentales, se determinará si, en efecto, las nanopartículas son más eficientes a temperaturas superiores a la LCST del copolímero que las constituye y, en qué proporción se libera la cantidad de fármaco en función de las dos temperaturas estudiadas.

[IT] Negli ultimi anni, la medicina si è interessata ai sistemi di somministrazione di farmaci localizzati per il trattamento di malattie come il cancro. I farmaci utilizzati nel trattamento del cancro possono essere altamente dannosi per i tessuti sani e per le regioni in cui è presente la malattia, quindi un sistema di somministrazione di farmaci altamente localizzato è molto importante. In questo contesto sono stati studiati sistemi per il rilascio controllato di farmaci attivati da stimoli esterni come pH e temperatura. La particolarità dei copolimeri a base NIPAm è che la loro lower critical solution temperature (LCST) può essere modulata variando le quantità di copolimeri ionici presenti. Quindi le particelle prodotte da tali copolimeri possono essere utilizzate per la somministrazione di farmaci sensibili alla temperatura. In questo lavoro, il copolimero poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) è stato prodotto seguendo la procedura descritta da Lo et al. [26], da cui sono state ottenute nanoparticelle organiche con proprietà interessanti nel campo del drug delivery. Le nanoparticelle ottenute sono state incapsulate in un idrogel di cellulosa, idrossipropilmetilcellulosa (HPMC), un idrogel in cui i gruppi ossidrile sono sostituiti da gruppi metilico e idrossipropilico che conferiscono le capacità di gelificazione dell'HPMC. Inoltre, le sue proprietà di rigonfiamento e gelificazione termica lo rendono un gel termoreversibile. È per questo motivo e per la sua biocompatibilità che HPMC suscita grande interesse nelle applicazioni farmaceutiche, in particolare nel campo del drug delivery. Il comportamento e la struttura sia delle nanoparticelle organiche che dell'idrogel sono stati studiati e caratterizzati utilizzando diverse tecniche di analisi come la spettroscopia 1H-NMR, GPC, microscopia AFM, DLS, SEM e test reologici. Le nanoparticelle, caricate con isotiocianato di fluoresceina (FITC) come farmaco mimetico, sono state poste nell'idrogel di idrossipropilmetilcellulosa funzionalizzata (HPMC-C12) e sono state immerse in una soluzione acquosa acida (pH 5), a causa della risposta alle variazioni del pH dell'acido metacrilico. In questo caso, il farmaco caricato nelle particelle viene espulso verso l'esterno a causa della compressione delle particelle e di un rigonfiamento dell'idrogel, che si verifica quando la temperatura del sistema supera l'LCST del copolimero (37 ºC). È stato inoltre caratterizzato il sistema nanoparticelle-idrogel e successivamente è stato eseguito un esperimento di rilascio di farmaci per valutare la quantità di farmaco rilasciata nel tempo da questo tipo di sistema. La quantità di FITC rilasciata è stata analizzata a 42 ºC. Dai risultati sperimentali si determinerà se, infatti, il sistema NP-gel è più efficiente a temperature superiori all'LCST del copolimero che costituisce le nanoparticelle e, in quale proporzione viene rilasciata la quantità di farmaco a seconda dell'analisi studiata temperatura.

[EN] In recent years, medicine has become interested in localized drug delivery systems for the treatment of diseases such as cancer. Drugs used in cancer treatment can be highly damaging to healthy tissues as well as to the regions where the disease is present, so a highly localized drug delivery system is very important.

In this context, systems for the controlled release of drugs activated by external stimuli such as pH and temperature have been investigated. To do this, the copolymer poly(D,L-lactide)-g-poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) (PLA-NIPAm-MAA) was also produced, from which organic nanoparticles with interesting properties in the field of drug delivery were obtained. The peculiarity of NIPAm-based copolymers is that their lower critical solution temperature (LCST) can be modulated by varying the amounts of ionic copolymers present. So particles made from such copolymers can be used for temperature-sensitive drug delivery. In addition to having a release dependent on temperature and pH, the particles are used to store low molecular weight and hydrophobic drugs that would otherwise easily come out of the hydrogel. In this way, it is possible to release two types of drugs: high molecular weight from the hydrogel and low molecular weight and hydrophobic from the particles.

In this case, the drug loaded in the particles is ejected outwards due to the compression of the particles and this occurs when the temperature of the system exceeds the LCST of the copolymer. In this Thesis Work, two experiments were performed to evaluate the amount of drug released over time by this type of nanoparticles. The nanoparticles, loaded with pyrene as a mimetic drug, were placed in an hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) hydrogel and were immersed in an acidic aqueous solution (pH 5). Samples were taken periodically and analysed by UV to assess the amount of pyrene released. Both mentioned experiments were conducted at 37 ºC and 42 ºC.

From the experimental results, it will be determined if, in fact, the nanoparticles are more efficient at temperatures higher than the LCST of the copolymer that constitutes them and, in what proportion the amount of drug is released depending on the two temperatures studied.