1. Enrico Bagnoli
Giacomo Urbini
Università degli Studi di Genova
Scuola Politecnica
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica
Relatore:
Chiar.ma Prof. Ing. Carmelina Ruggiero
Correlatore:
Dott.ssa Ing. Laura Pastorino
Anno Accademico 2012/2013

2. Sommario
 Obiettivo e Introduzione
 Polisaccaridi e Tecnica Layer-by-layer
 Idrogel
 Microbilancia al Cristallo di Quarzo (QCM)
 Risultati
 Conclusioni

3. Obiettivo
Creazione dell’idrogel con NPCs disperse al suo interno
Creazione di nanocapsule polimeriche (NPCs) di Pectina
e Chitosano
Caratterizzazione dell’interazione tra Pectina e Chitosano

4. Cos’è il “drug delivery” ?
 Incapsulamento, trasporto e rilascio controllato
di agenti bioattivi nei tessuti target.
 La somministrazione ideale:
-farmaco intatto al punto di interesse
-farmaco interagisce solo con le cellule malate
 Paul Ehrlich e il “magic bullet”

5. Drug Delivery
Microcapsule  importante strumento di drug-
delivery
MATERIALI POLIMERICI DI ORIGINE NATURALE
POLISACCARIDI

6. Polisaccaridi
Macromolecole naturali complesse caratterizzate dalla ripetizione di unità
monosaccaridiche.
Chitosano:
E’ un biopolimero cationico ricavato dalla chitina, ottenuta
dall’esoscheletro di crostacei.
Il Chitosano utilizzato è stato acquistato dalla Sigma-Aldrich Co.
Pectina:
Polisaccaride anionico naturale estratto dalla frutta e dalle pareti
cellulari di alcune piante a partire dalla protopectina. Esistono 2 tipi
di pectina a seconda del grado di metilazione:
A) HM
B) LM
Pectina utilizzata è stata fornita dal BioMATLab del Politecnico di
Milano nell’ambito del progetto PRIN

7. Tecnica del Layer-by-Layer
Proposta per la prima volta nel
1966 per la deposizione di colloidi
su superfici planari.
Esposizione alternata di un
supporto a soluzioni polianioniche
e policationiche.
La carica superficiale varia ad ogni
ciclo di deposizione

8. Idrogel
Gli idrogels sono networks polimerici reticolati idrofilici
che hanno la capacità di trattenere acqua all’interno
degli spazi disponibili tra le catene polimeriche.
Somiglianza coi tessuti biologici.
Grazie alla loro biocompatibilità sono molto usati in
campo biomedico.

9. Microbilancia al Cristallo di Quarzo
Misura la massa per unità di area attraverso il cambio della
frequenza di oscillazione di un cristallo di quarzo.
L’oscillazione del quarzo avviene grazie all’effetto
piezoelettrico.
Eccitando il cristallo con un segnale elettrico oscillante si può
innescare una risonanza meccanica.
L’insieme oscillatore elettronico + quarzo costituisce il
sistema di trasduzione di massa.
Elettrodi d’oro e cristallo di quarzo: il cuore della QCM

10. Microbilancia al Cristallo di Quarzo
• Legge di Sauerbrey:
"La variazione di frequenza è proporzionale alla massa
adesa/adsorbita"
Δf = - Cm Δm
• Δf dipende inoltre dalle caratteristiche viscoelastiche
del materiale deposto e da quelle del liquido a contatto

11. Dissipazione
• QCM-D misura proprietà viscoelastiche del materiale
depositato sul quarzo.
D = Elost / 2πEstored
• Studiando D è possibile sapere se il materiale è rigido o
viscoelastico, cosa non possibile dal solo studio della
frequenza.
Modello di Kelvin-Voigt

13. Risultati
Interazione (PEC-CHI)4 principalmente condizionata da
due fattori:
• pH
• DM della Pectina

14. Conclusioni
I risultati migliori sono stati ottenuti usando:
• pectina LM
La pectina HM, infatti, gelifica a pH < 4 formando
aggregati filamentosi. LM invece gelifica solo in presenza di
cationi divalenti (Calcio)
• pH 5
Tale valore è infatti a metà strada tra il
pKapectin= 3,5
pKachitosan= 6,5

15. Sommario
 Tecnica del Layer-by-Layer
 Nanocapsule polimeriche (NPCs)
 Risultati
 Conclusioni

16. Tecnica del Layer-by-Layer
Deposizione di polielettroliti su micro-nano sfere.
next
layer
Dopo la deposizione, il supporto viene rimosso
ottenendo capsule cave

17. Tecnica del Layer-by-Layer
LBL mostra diversi vantaggi tra cui:
• Semplicità procedurale
• Non sono necessarie strumentazioni particolari
• Copertura di materiali di ogni forma e dimensione
• Costi molto contenuti
• Preciso controllo di forma e struttura
• Spessore predeterminabile (dai 5 ai 1000 nm con precisione di
1 nm)

18. Nanocapsule Polimeriche
Sistema ideale per l’incapsulamento, il trasporto e il
rilascio di farmaci all’interno dell’organismo.

19. Offrono diversi vantaggi:
• Membrana polimerica protegge il farmaco da degradazione
• Alta efficienza di incapsulamento di farmaci
• Variazione della permeabilità della membrana (apertura di
pori) in seguito a vari fattori
Usando polisaccaridi naturali quali PEC e CHI
• Biocompatibilità e biodegradabilità
• Variando spessore della parete delle NPCs è possibile
modulare la cinetica di rilascio
NPCs

20. Tentativi successivi con microsfere di CaCO3 e rimozione con EDTA a pH
5
Risultati
(CHI/PEC)4 a pH 5 depositati su microsfere di MnCO3 e rimozione delle
microsfere tramite aggiunta di HCl 0,1 M fino a pH<4.
Templates MnCO3 ricoperti da (CHI/PEC) 4 bistratiCapsule cave (CHI/PEC)LM 4 bistrati a pH 5 dopo la rimozione dei templates di CaCO3Capsule cave (CHI/PEC)LM 4 bistrati a pH 5 24 h dopo rimozione templates di CaCO3

21. Risultati
Immagine al SEM dell’idrogel nanoingegnerizzato, asciugato in aria. Si
nota la presenza di un film organico distribuito sulla superficie (PEC/CHIT
gel) contente capsule (collassate).

22. Conclusioni
 È stato possibile sintetizzare NPCs a base di
polisaccaridi naturali e biocompatibili.
 È stato possibile disperdere le capsule in un idrogel
iniettabile.
 Sistema proposto risulta stabile nel tempo.

23. Prospettive future
 Caratterizzazione delle proprietà mucoadesive
(dipendenza da pH e DM).
 Influenza dei metodi di sterilizzazione sulle proprietà
dell’idrogel nanostrutturato.
 Prove in vitro e in vivo.

24. Grazie per
l’attenzione.

25. Modello di Kelvin-Voigt
 In genere il modello di Kelvin-Voigt viene impiegato
per prevedere il comportamento dei materiali
viscoelastici.
 l'equazione costitutiva ad esso associata è la seguente:

26. Dissipazione
The top diagram illustrates
how the frequency of the
oscillating sensor crystal
(gold) changes when the
mass is increased by addition
of a molecular layer. Here
antibodies (green) are added
to a layer of protein (red).
The bottom diagram
illustrates the difference in
dissipation signal generated
by a rigid (red) and soft
(green) molecular layer on
the sensor crystal.

27. Incapsulamento
Principalmente tre metodi:
NPCs fabbricate su cristalli di farmacoFarmaco intrappolato nei pori del templateCapsule cave caricate col farmaco

28. Targeting
Magic bullet azione sinergica: “rough” e “fine”
targeting.
“Rough”
NPCs raggiungono il sito di rischio patologico
“Fine”
Una volta raggiunto il sito patologico NPCs riconoscono
specificatamente le cellule malate e inizia il rilascio

29. Rilascio
Una volta completato il trasporto, il farmaco deve essere
rilasciato solamente dove la malattia si manifesta.
 Rilascio innescato dalla malattia – non richiede
monitoraggio esterno delle condizioni dell’organismo e
rilascia il farmaco grazie a variazioni ambientali
dell’organismo tra cui variazioni di pH che permette
l’apertura dei pori delle NPCs
 Rilascio attivato da uno stimolo esterno – radiazioni IR,
radiazioni UV, radiazioni a microonde che però non
sono ideali per gli effetti negativi che possono avere sulle
cellule e sui tessuti adiacenti