Polimeri biodegradabili per applicazioni biomediche

1. Polimeri biodegradabili per applicazioni biomediche MARCO VASTANO LICEO SCIENTIFICO “RENATO CACCIOPPOLI”

2. Struttura Omopolimero: Costituito da monomeri di un solo tipo. Convenzionalmente un polimero si rappresenta in questo modo Unità monomeriche che formano la catena principale

3. Copolimeri lineari Copolimero a blocchi:tutti i monomeri di uno stesso tipo sono raggruppati insieme. (Unione di due omopolimeri) Copolimero random: i due monomeri si presentano con ordine casuale. Copolimero innestato:le catene costituite da monomero B sono innestate ad una catena polimerica di monomero A. Graft copolymer I copolimeri a struttura lineare a seconda della loro organizzazione posso essere:

4. Copolimeri non lineari Copolimero ramificato:Le catene attaccate alla catena principale hanno lunghezza paragonabile alla catena principale stessa. Copolimero a stella:Le estremità di più catene polimeriche sono legate in un centro comune. I copolimeri a struttura non lineare a seconda della loro organizzazione posso essere:

5. Copolimeri non Lineari Copolimero reticolato: le numerose ramificazioni fanno sì che tutte le catene del polimero siamo attaccate l’una all’altra, formando così un reticolo tridimensionale.(Network) Dendrimero: ogni ramificazione è l’innesto per una nuova ramificazione che sarà a sua volta un nuovo innesto, così da formare una struttura simile ad un albero.

6. Polimeri biodegradabili Polimeri che degradano a composti di basso peso molecolare, durante o al termine dell’espletamento della funzione da essi svolta nel corpo umano. Applicazioni biomediche Applicazioni farmaceutiche Matrici per il rilascio controllato di farmaci Impianti temporanei

7. Caratteristiche Principali Per attendere a queste determinate finalità, i polimeri in questione devono avere determinati requisiti: • Biocompatibilità: si intende una sostanziale inerzia nei confronti dell’ ambiente fisiologico circostante in modo tale che l’organismo non debba “accorgersi“ della sua presenza e dunque espellerlo o assorbirlo con produzione di sostanze tossiche o cancerogene. • Biodegradabilità: implica processi che comportano un progressivo deterioramento delle proprietà del materiale polimerico con formazione di frammenti a più basso peso molecolare. Inoltre la velocità di degradazione, deve far si che tali copolimeri posseggano una “vita controllata”, che degradino a composti di basso peso molecolare, durante o al termine dell’espletamento della funzione da essi svolta nel corpo umano.

8. Copolimeri a blocchi biodegradabili SEMICRISTALLINO IDROFOBICO BIODEGRADABILE – Idrolisi del legame estereo – Attacco enzimatico La degradazione del PCL avviene per I costituenti principali dei copolimeri a blocchi che poi andremo a sintetizzare sono: • Segmento poliestereo: POLI--CAPROLATTONE (PCL) H-[O-(CH2)5-CO]n-OH • Segmento polietereo: POLIETILENGLICOLE (PEG) H-[O-CH2-CH2]n-OH MOLTO IDROFILICO BIOCOMPATIBILE ELIMINABILE PER VIA RENALE

9. Possibili utilizzi La diversa natura dei due blocchi, idrofilica del PEO e idrofobica del PCL, favorisce la naturale tendenza di questi sistemi ad autoaggregarsi in ambiente acquoso dando vita a strutture ordinate di tipo core-shell di forma sferica e dimensioni nanoscopiche. Il core è formato unicamente dal segmento di tipo idrofobico ed è quello nel quale si possono caricare farmaci lipofili; il guscio, a sua volta, è tutto di natura idrofilica ed ha il doppio compito di proteggere il core e assicurare alla nanoparticella solubilità in ambiente acquoso e, dunque, il trasporto del farmaco. I copolimeri a blocchi biodegradabili sono considerati biomateriali molto promettenti; infatti, utilizzando segmenti di diversa natura, idrofilica e idrofobica, (es. PEO, PCL) è possibile ottenere sia sistemi anfifilici a diverso rapporto idrofilicità/idrofobicità sia variare opportunamente le proprietà chimico fisiche e la cinetica di degradazione modulando le dimensioni e le architetture dei diversi blocchi. Ecco un esempio di potenziale applicazione:

10. Micelle polimeriche Blocco idrofilico Farmaco lipofilo Blocco idrofobico POTENZIALITA’ DI COPOLIMERI ANFIFILICI QUALI MATRICI NEL RILASCIO CONTROLLATO DI SOSTANZE BIOATTIVE • Solubilizzazione di molecole estremamente lipofile nel “core” idrofobico Le proprietà di autoassemblamento possono essere controllate dalla natura del core idrofobico e dall’ architettura del polimero

11. PEO-PCL-OH Di-blocco AB -CL Sn(Oct2) PEO OH CH3O 120°C 24h 70°C SINTESI DI COPOLIMERI LINEARI PCL-PEO Polimerizzazione in massa per apertura dell’anello (ROP) di e-caprolattone iniziata da poli-etilenossido-monometiletere (mPEO-OH) Di-blocchi AB + Reazione di accoppiamento dei terminali OH di un copolimero diblocco AB con i terminali COCl del mPEO-COCl Tri-blocchi AB PEO-PCL-OH Diblocco AB + PEO-COCl PEO-PCL-PEO Triblocco ABA Schema di reazione completo

12. DMAP O DIPC N H Z Z N H C H ( C H ) Z N H C H C O H 2 4 48h C O ( C H ) Tamb 2 4 O m P E O N H Z 6h H 2 T=30°C Pd/C 24h 80°C O O N H C H ( C H ) N H e -CL Sn(oct) 2 2 2 4 2 O H P C L C N H C H ( C H ) N H C P C L O H C O 2 4 24h C O 120°C O m P E O O m P E O SINTESI DI COPOLIMERI RAMIFICATI ‘a stella’ - reazione di coupling tra N-N-di-Z-Lys e mPEO-OH - reazione di deprotezione dei gruppi amminici della di-Z-Lys-PEO Copolimero AB2 - reazione di polimerizzazione (ROP) ad opera del macroiniziatore Lys-PEO m-PEO-OH + di –Z-Lys-PEO di –Z-Lys AB2 Lys-PEO

13. Caratterizzazione Una volta sintetizzato il polimero deve essere caratterizzato. A tale scopo ci sono varie tecniche: CARAT. STRUTTURALE • NMR CARAT. TERMICA • DSC CARAT. CHIMICO FISICA • MISURE DI VISCOSITA’ INER. • SEC

14. ppm NMRNuclear Magnetic Resonance L’NMR è una tecnica particolare per ottenere informazioni circa la struttura molecolare. In uno spettometro di risonanza magnetica nucleare il campione viene immesso in un campo magnetico e viene inoltre applicato un campo di radiofrequenze. Il campo magnetico applicato viene lentamente aumentato e l’eccitazione del nucleo da un livello energetico all’altro (risonanza) viene rilevato come un voltaggio indotto, risultante dall’ assorbimento di energia dal campo di radiofrequenze. Uno spettro NMR è dato dalla registrazione del voltaggio indotto in funzione della variazione del campo magnetico. L’area sotto il picco dipende dal numero di nuclei che hanno compiuto il salto. Nuclei diversi risuonano a frequenze diverse. Grazie all’NMR è possibile determinare, dunque, la presenza di un dato atomo confrontando le sue peculiari caratteristiche con quelle registrate dallo strumento.

15. DSCCalorimetria Differenziale a Scansione La DSC è una tecnica usata per studiare i cambiamenti che si verificano in un polimero quando viene riscaldato. Lo strumento per la DSC è formato da due recipienti, in uno si mette il campione di polimero, nell’altro un campione di riferimento. Questi sono posti sotto un riscaldatore che comunica con un computer. Questo computer viene impostato con un ciclo termico, e controlla che i due recipienti separati,ognuno con la sua resistenza, si scaldino con lo stesso flusso di calore. Proprio il flusso di calore è una coordinata fondamentale per il grafico della DSC:

16. La temperatura di cristallizzazione: In quanto fenomeno esotermico c’è una diminuzione del calore fornito. La temperatura di fusione: In quanto fenomeno endotermico c’è un aumento del calore fornito. La temperatura di transizione vetrosa: In quanto transizione di secondo grado si nota un aumento del calore specifico. DSCCalorimetria Differenziale a Scansione Dal grafico si può facilmente intuire come sia calcolabile:

17. Analisi DSCPolimero triblocco (PEO2KPCL8KPEO2K) Ciclo termico: riscaldamento da 0°C a 80°C raffreddamento da 80°C a 0°C (v=2°C/min) Tc=38°C Tf = 56°C Curva di fusione Curva di raffreddamento

18. Viscosimetria in soluzione diluita Più il peso molecolare è elevato, più sarà viscosa la soluzione polimerica Questo è il principio cardine di questa tecnica di caratterizzazione. La stretta correlazione tra peso molecolare e viscosità è dovuta da due fattori strettamente condizionati dall’aumento del PM • Aumento del volume idrodinamico.(Le molecola del solvente vengono bloccare da quelle del polimero) • Aumento delle forze secondarie del polimero.(Il legame tra le molecole del solvente e del polimero sarà più forte)

19. ln(t/t0) inh: C Concentrazione della soluzione Viscosimetria in soluzione diluita Ma vediamo in cosa consiste una misura viscosimetra: Prendiamo come misura di confronto il tempo di efflusso del solvente puro, e lo definiamo t0. A questo punto andiamo a misurare il tempo di efflusso (t) della soluzione e confrontandolo con t0 arriviamo alla definizione di una certa viscosità. La viscosità che a noi interessa è quella inerente, che si ottiene con questa equazione:

20. Peso Molecolare Dei polimeri, poiché formati dai una pluralità di catene di PM differente, è possibile calcolare solo il peso molecolare medio. Esistono “vari” pesi molecolari: • Peso molecolare medio numerico, Mn • Peso totale delle molecole polimeriche/Numero di molecole polimeriche • Peso molecolare medio ponderale, Mw • E’ una media ponderale che tiene conto del fatto che una grande molecola contiene una quantità maggiore della massa totale del campione di polimero rispetto alla quantità contenuta dalle molecole più piccole. • Peso molecolare medio viscosimetro

21. Peso Molecolare Per avere una distribuzione completa del peso molecolare è necessario fare ricorso ad un altro tipo di tecniche quali la cromatografia di esclusione sterica e la spettrometria di massa MALDI.

22. SECSize Exclusion Chromatography La SEC è un ulteriore metodo per calcolare la distribuzione del peso molecolare medio del polimero. • La SEC consta principalmente di tre fasi: • Dissoluzione del polimero in un solvente.(Spesso THF) • La soluzione viene iniettata in una colonna piena di granuli.(polistirene reticolato) • Misurazione dei tempi di eluizione. Le molecole di peso molecolare maggiore eluiranno prima poiché non verranno trattenute dai granuli e dai pori del polistirene reticolato. Così se il cromatografo è correttamente calibrato, si avrà un grafico simile a questo:

23. SECSize Exclusion Chromatography Il grafico originale ha sull’ascisse l’unità di tempo crescente, contrariamente a quella peso, da sinistra verso destra.

24. Polimerizzazione in massa per apertura dell’anello (ROP) di e-caprolattone iniziata da poli-etilenossido-monometiletere (mPEO-OH) Di-blocchi AB C H O ) ( C H C H O ) H C H O ( C H C H O C O C H ( C H ) C H O H 3 2 2 3 2 2 2 2 3 2 n n m SINTESI DI COPOLIMERI LINEARI PCL-PEO O O m + 130° C 24h Sn(oct) 2

25. Reazione di accoppiamento dei terminali OH di un copolimero AB con i terminali COOH del mPEO-COOH Tri-blocchi AB C H O ) ( C H C H O ) H C H O ( C H C H O C O C H ( C H ) C H O H 3 2 2 3 2 2 2 2 3 2 n n m ) C H O ( C H C H O C O C H ( C H ) C H O C O ( C H ) C O O ( C H C H O ) C H 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 3 m n SINTESI DI COPOLIMERI LINEARI PCL-PEO + H2O Lo stesso coupling è stato ottenuto anche facendo reagire il di-blocco CH3-PEO-PCL-OH con un PEO terminante con un gruppo acetile COCl con condensazione di HCl. Questa reazione è stata fatta sotto N per evitare alterazioni per l’alta reattività del COCl con l’umidità atmosferica.