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Uploaded byEnrico Bagnoli
TESI
Il documento descrive un progetto di ricerca volto alla creazione di idrogeli contenenti nanocapsule polimeriche (NPCs) di pectina e chitosano, esplorando la loro interazione e applicazione nel controllo del rilascio di farmaci bioattivi. Si evidenziano i metodi di sintesi e deposizione delle NPCs tramite la tecnica layer-by-layer, i risultati relativi all'efficacia delle pectine a diverso grado di metilazione, e le potenti potenzialità future nel campo del drug delivery. L'obiettivo finale è quello di sviluppare un sistema biocompatibile stabile, in grado di rilasciare farmaci in modo controllato e specifico presso il sito della malattia.
TESI
- 1. Enrico Bagnoli Giacomo Urbini Universitàdegli 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 eIntroduzione Polisaccaridi e Tecnica Layer-by-layer Idrogel Microbilancia al Cristallo di Quarzo (QCM) Risultati Conclusioni
- 3. Obiettivo Creazione dell’idrogel conNPCs disperse al suo interno Creazione di nanocapsule polimeriche (NPCs) di Pectina e Chitosano Caratterizzazione dell’interazione tra Pectina e Chitosano
- 4. Cos’è il “drugdelivery” ? 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 complessecaratterizzate 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 Propostaper 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 sononetworks 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 Cristallodi 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 Cristallodi 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 misuraproprietà 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 principalmentecondizionata da due fattori: • pH • DM della Pectina
- 14. Conclusioni I risultati migliorisono 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 delLayer-by-Layer Nanocapsule polimeriche (NPCs) Risultati Conclusioni
- 16. Tecnica del Layer-by-Layer Deposizionedi polielettroliti su micro-nano sfere. next layer Dopo la deposizione, il supporto viene rimosso ottenendo capsule cave
- 17. Tecnica del Layer-by-Layer LBLmostra 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 idealeper 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 conmicrosfere 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 SEMdell’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 statopossibile 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 Caratterizzazionedelle proprietà mucoadesive (dipendenza da pH e DM). Influenza dei metodi di sterilizzazione sulle proprietà dell’idrogel nanostrutturato. Prove in vitro e in vivo.
- 24.
- 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 diagramillustrates 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: NPCsfabbricate su cristalli di farmacoFarmaco intrappolato nei pori del templateCapsule cave caricate col farmaco
- 28. Targeting Magic bullet azionesinergica: “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 completatoil 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
Editor's Notes
- #5 The drug delivery systems within an organism are subject to ongoing research aimed at improving them. An ideal administration should allow the drug substance to arrive intact at the site of interest and only interact with it, without damaging healthy tissue. The idea of developing a drug that selectively destroy disease cells without damaging healthy cells was proposed by Paul Ehrlich, almost a century ago; he called his hypothetical drug the “magic bullet”.
- #7 progetto PRIN
- #10 0.5 ng/cm2
- #11 Cm dipende da:
- #12 layer on the sensor crystal.
- #15 Tale valore è infatti a metà strada tra il pKapectin= 3,5 pKachitosan= 6,5
- #19 As reported by different authors, nanoparticulated systems show promise as active vectors due to their capacity to release drugs; their subcellular size allows a relatively higher intracellular uptake than other particulate systems; they can improve the stability of active substances and can be biocompatible with tissue and cells when synthesized from materials that are either biocompatible or biodegradable.
- #21 Difficili da rimuovere senza danneggiare le capsule.
- #26 Tale modello è rappresentato da un dissipatore viscoso collegato in parallelo a una molla
- #27 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.
- #28 L’incapsulazione può avvenire: Prima della fabbricazione, e cioè prima della copertura con la tecnica LbL Dopo la fabbricazione, e cioè il materiale viene incapsulato dentro capsule prefabbricate
- #29 Passive Targeting For the release of pharmacologically-active molecules, the passive targeting mechanism exploits the anatomical differences between normal tissue and diseased tissue. Active Targeting The mechanism of active targeting uses a specific link between the carrier molecule and some target molecules that are over-expressed at the site of interest to promote a targeted release in the pathological site.