Caratterizzazione degli idrogel

I polimeri sintetizzati sono stati caratterizzati tramite analisi spettroscopica FT-IR, calorimetria a scansione differenziale (DSC), microscopia elettronica a scansione (SEM) e studi di rigonfiamento in modo da ottenere informazioni sulla composizione chimica e morfologica dei sistemi.

2.3.1 Analisi tramite spettroscopia FT-IR

L’analisi degli spettri FT-IR ha mostrato la completezza della reazione di polimerizzazione per tutti e quattro i film polimerici sintetizzati. Lo spettro FT-IR di ciascun copolimero p(NIPAAm-co-EBA) mostra le bande caratteristiche dei due monomeri e la contemporanea scomparsa delle bande caratteristiche del doppio legame delle funzioni acriliche, rappresentate dai bending C─H fuori dal piano (990-918 e 980-954 cm-1), presenti in entrambi i monomeri di partenza. Inoltre, tutte le restanti bande caratteristiche dei monomeri sono presenti nello spettro FT-IR dei polimeri finali: 3280 cm-1 _{(stretching vibrazionale del}

legame NH dei comonomeri ammidici); 2940 cm-1 (stretching dei legami C–H presenti nei gruppi metilici, metilenici e metinici); 1647 cm-1 (stretching del legame C=O della funzione carbonilica di NIPAAm and EBA). In Figura 2.3 sono riportati e messi a confronto gli spettri del monomero funzionale, del reticolante e del copolimero P1. Risultati identici sono stati

ottenuti per gli altri copolimeri.

2.3.2 Calorimetria a scansione differenziale (DSC)

I termogrammi ottenuti dall’analisi DSC eseguita su tutti i campioni realizzati, hanno evidenziato la presenza di una transizione di stato. La temperatura critica di soluzione inferiore mostrata dai sistemi sintetizzati ha assunto valori compresi approssimativamente nel range 32,1-35,4°C. Tale comportamento può essere considerato come una diretta conseguenza del grado di reticolazione del materiale. La transizione da uno stato rigonfiato ad uno collassato è prodotto dalla formazione di sacche idrofobiche in seguito ad avvicinamento delle catene idrocarburiche per somministrazione di calore. Sistemi più reticolati, possedendo minor gradi di libertà, richiedono temperature più alte affinché tale transizione avvenga. Lo spessore del film polimerico prodotto sembra non avere una grande influenza sulla temperatura critica di soluzione inferiore (LCST) per i sistemi polimerici con una maggiore quantità di reticolante (copolimeri P2 e P4), mentre influenza sostanzialmente la temperatura

di transizione per i sistemi in cui il rapporto monomero funzionale/reticolante è uguale a 20. Tra il copolimero P1, avente spessore pari a 1,6 mm e il copolimero P3 (spessore 0,8 mm)

sono stati registrati 1,5°C di differenza, con la LCST che passa da 32,1 °C a 33,6°C. In particolare, i polimeri P2 e P4, registrando un valore di LCST rispettivamente di 35,4°C e

35,1°C, risultano molto interessanti per i nostri scopi, in quanto tale temperatura di transizione è molto prossima a quella corporea.

2.3.3 Microscopia elettronica a scansione (SEM)

I copolimeri sintetizzati sono stati sottoposti ad analisi tramite microscopio elettronico a scansione. Le fotomicrografie registrate sia sulla superficie frontale, sia sulla superficie laterale hanno evidenziato una superficie porosa. Tale condizione è un parametro estremamente importante al fine di ottenere una buona adesione tra supporto polimerico e strato cellulare. In particolare, in Figura 2.4 A-D sono riportate le analisi effettuate sul campione P3 in superficie laterale (Figure 2.3 A e B) e frontale (Figure 2.4 C e D). Le

fotomicrografie effettuate sugli altri copolimeri non hanno permesso di evidenziare differenze significative.

Figura 2.4: Analisi del sul campione P3 in superficie laterale (A e B) e frontale (C e D).

2.3.4 Studi di rigonfiamento

Al fine di valutare l’applicabilità di tali idrogel nel rilascio controllato di farmaci e la loro risposta alla temperatura, sono stati eseguiti studi sulla loro capacità di rigonfiamento. Immergendo il film polimerico sintetizzato, in un mezzo acquoso e variando la temperatura da 25 a 40°C, intorno alla LCST del sistema in esame, è possibile osservare visivamente (Figura 2.5) il passaggio del copolimero da uno stato rigonfiato, a temperature inferiori alla LCST, ad uno stato collassato in cui l’affinità per il mezzo acquoso risulta diminuita.

Figura 2.5: Swelling/deswelling temperatura-dipendente dell’idrogel NIPAAm-co-EBA.

Le interazioni idrofobiche tra le catene laterali del reticolo polimerico a temperature superiori alla LCST porta ad un materiale completamente idrorepellente che in mezzo acquoso collassa (Figura 2.6).

Figura 2.6: Rappresentazione schematica delle interazioni durante il processo di swelling/deswelling del polimero termo-sensibile.

La caratterizzazione della struttura reticolata degli idrogel sintetizzati è stata ottenuta tramite studi di rigonfiamento all’equilibrio in una soluzione di PBS (pH = 7,0), in accordo con la teoria proposta da Peppas e Barr-Howell (1979) e Peppas e Meadows (1984). Tale teoria si basa sulla determinazione della frazione di volume del polimero (stato rilassato), υ2,r, e della

frazione di volume del polimero del gel rigonfio (stato rigonfiato), υ2,s,secondo le equazioni

2.1 e 2.2: 2, , p r g r V V



dove Vg,r rappresenta il volume di polimero immediatamente dopo la polimerizzazione e Vp e

Vg,s sono i volumi del campione rispettivamente prima e dopo il rigonfiamento all’equilibrio.

Questi volumi sono stati determinati sperimentalmente dal peso del polimero in aria, Wa,r, e in

n-eptano, Wh,r, dopo che il polimero è rigonfiato fino a raggiungere l’equilibrio. Vp e Vg,s sono

stati determinatiusando le equazioni 2.3 e 2.4 dove ρh rappresenta la densità del n-eptano.

, , a r h r p h W W V    Equazione 2.3 , , , a s h s g s h W W V          Equazione 2.4  

Spesso la diffusione attraverso i pori delle catene macromolecolari è il principale meccanismo sfruttato dagli idrogel per il rilascio di una gente terapeutico. A seconda della dimensione dei pori, gli idrogel possono essere classificati in macroporoso, microporoso o non poroso (spesso chiamato nanoporoso). Una caratterizzazione teorica dettagliata della struttura portante in termini di dimensioni dei pori, in combinazione con gli studi di diffusione del terapeutico, fornisce un’importante panoramica sulla struttura del reticolo macromolecolare e aiuta nella progettazione di sistemi di rilascio di farmaci ottimali (Narasimhan e Peppas, 1997).

A tale scopo sono stati determinati le dimensioni dei pori, ξ (equazione 2.5), e la percentuale di rigonfiamento del sistema, q (equazione 2.6).

1/ 2 1/ 3 2, 2 _{n c} s r C M l M  _              _{Equazione 2.5} 2, 1 s q           Equazione 2.6

dove Mr è il peso molecolare delle unità ripetitive dalle quali la catena polimerica risulta

composta, l è la lunghezza del legame C-C lungo la catena polimerica (per i polimeri metacrilici 1,54 Å), Cn è il rapporto caratteristico di Flory calcolato come la media pesata dei

valori di pEBA e pNIAAm (Cn,pNIPAAm = 11,7 and Cn, pEBA = 3,8) in acqua e υ2,s e M sono c

rispettivamente la frazione di volume del polimero del gel rigonfio e il peso molecolare medio tra due punti di reticolazione. Quest’ultimo parametro, che fornisce un’indicazione sulla reticolazione della maglia polimerica, può essere calcolato utilizzando l’equazione 2.7 sviluppata da Peppas e Merrill (1976):

2 2, 2, 2, 1 1/ 3 2, 2, 2, 2, 2, ln(1 ) 1 2 1 2 s s s r c _{s s} r r r V M M  _{   }        _     _   _{   } _ _  _ _ _{   }         Equazione 2.7 

dove V1 è il volume molare dell’acqua (18,1 cm3.mol-1); M (approssimativamente 76000 _n

g._mol-1_{) è il peso molecolare medio del polimero lineare prodotto nelle stesse condizioni di}

polimerizzazione ma senza la presenza dell’agente reticolante e  è il volume specifico del polimero definito come il rapporto tra il peso del polimero Wa,r, in aria prima del

0,55) tenendo conto della composizione del feed di polimerizzazione. Tale procedura non è usuale nella termodinamica dei polimeri, ma risulta opportuno in questo caso, grazie alla similitudine dei valori registrati per i due polimeri pNIPAAm e pEBA.

Tabella 2.2: Parametri strutturali e temperatura di transizione (LCST) degli idrogel.

Polimero

Parametri Strutturali

LCST (°C)