Idrogel sensibili a stimoli elettric

Gli idrogel elettro-sensibili rivestono notevole interesse in settori specifici quali la realizzazione di muscoli artificiali (Bassil e al., 2008), di dispositivi per il rilascio modificato di farmaci sito-specifico (Murdan, 2003) e per la riparazione o l’occlusione di vasi sanguigni danneggiati (Jackson e al., 2013; Jackson e al., 2015a).

Gli idrogel sensibili a stimoli elettrici sono materiali in grado di deformarsi in seguito all’applicazione di un campo elettrico alla soluzione in cui essi si trovano. Generalmente sono costituiti da polielettroliti polimerici, sia naturali che di sintesi, contenenti gruppi funzionali ionizzabili, che risultano i principali responsabili del loro comportamento elettro-sensibile (Hsu e Block, 1996). Alcuni esempi chiave di polimeri naturali elettro-sensibili, o che possono essere resi tali mediante modificazioni chimiche, sono gli idrogel a base di polisaccaridi (chitosano, alginato, acido ialuronico, cellulosa, destrano, gomma xantano, agarosio), di proteine (collagene, gelatina, fibrina, elastina, albumina), polipeptidi e polimeri sintetici (alcool polivinilico, polivinilpirrolidone, polietilenglicole, acido poli(lattico-co- glicolico), acido poli(lattico) e metacrilati) (Moura e al., 2013).

Tra i polimeri sintetici, con caratteristiche di elettro-responsività rivestono particolare interesse gli idrogel a base di poli(acido acrilico) (pAA), poli(acido metacrilico) (pMAA), acido poli(stirene sulfonico) (pSS), poli(vinilalcol) (pVA), poli(acrilammide) (pAAm) e glicole poli(etilenico) (PEG). (Figura 1.21).

Figura 1.21: Struttura di omopolimeri sensibili al campo elettrico.

Tutti questi polimeri raramente sono utilizzati come tali, in quanto in forma neutra hanno bassa sensibilità allo stimolo elettrico, per cui si preferisce usare i loro sali, come nel caso dell’acido acrilico, metacrilico e stirene sulfonato, o di modificarli covalentemente, come nel caso dell’alcol vinilico e della poliacrilammide.

Il problema principale dei polimeri sintetici è che la maggior parte di loro presenta scarsa biodegradabilità in vivo e questo favorisce l’insorgere di fenomeni avversi, non desiderati. Polimeri a base di acido acrilico, metacrilico e acrilammide sono scarsamente biodegradabili

per cui non possono essere usati come tali. Per ovviare a questo tipo di inconvenienti sono stati introdotti in network polimerici insieme a sistemi macromolecolari di origine naturali, caratterizzati spesso da una adeguata biodegradabilità e biocompatibilità. A tale scopo sono stati preparati idrogel elettrosensibili mediante copolimerizzazione di monomeri e reticolanti funzionali, con sistemi naturali o semisintetici, che contengono nella loro struttura gruppi carichi o ionizzabili in soluzione o ancora che possono essere modificati covalentemente per inserire tali gruppi. L’integrazione di molecole naturali in network polimerici combina le peculiari caratteristiche biologiche di tali sistemi, come ad esempio l’affinità e la specificità di legame, con le proprietà modulabili quali resistenza e stabilità meccanica, sensibilità a stimoli esterni ecc., di monomeri e materiali di sintesi (Shiwen e al., 2011). Il p(vinilalcool), al contrario, è completamente biodegradabile e in più ha ottime proprietà chimico-fisiche per cui può essere usato per la sintesi di idrogel biodegradabili elettro-sensibili, modificandone le funzioni ossidriliche pendenti per legarvi covalentemente gruppi carichi come è stato fatto per la preparazione del p(vinil alcool) benzil solfonato (Shiwen e al., 2011).

La risposta di questi idrogel all’applicazione di una tensione elettrica, a specifici voltaggi, determina fenomeni di rigonfiamento (swelling), contrazione (shrinking), o piegamento (bending) sul materiale polimerico, che inducono modificazioni del network, tali da controllare il rilascio di principi attivi (Jackson e Stam, 2015b).

I fenomeni di swelling e shrinking si verificano quando l’idrogel si trova in posizione perpendicolare rispetto agli elettrodi. Mentre il bending si osserva quando il materiale polimerico è disposto in parallelo rispetto agli elettrodi carichi (ma senza toccarli) e un lato del polimero si rigonfia mentre il lato opposto si contrae. In generale, la deformazione della matrice dipende dalla forma del gel e della sua posizione rispetto agli elettrodi.

Quando una striscia di gel carica è posta parallelamente rispetto a una coppia di elettrodi, e viene applicata una corrente costante, gli ioni all’interno del gel e gli ioni liberi in soluzione migrano verso l’elettrodo di segno opposto, mentre l’idrogel, grazie alle sue proprietà di neutralità elettrica, resta immobile (Figura 1.22).

Figura 1.22: Idrogel tra due elettrodi sotto effetto del campo elettrico.

Questo cambiamento d’aspetto, comprendendo swelling, shrinking e flessione dell’idrogel, trae origine da una serie di fenomeni e condizioni.  

Se la superficie dell’idrogel è a contatto con un elettrodo (Figura 1.23), la risultante del campo elettrico applicato potrebbe essere differente da sistemi dove l’idrogel è posto in acqua (o in una miscela d’acqua e acetone), senza toccare gli elettrodi. Il risultato sarà ancora differente se la fase acquosa contiene elettroliti.

Figura 1.23: Idrogel elettrosensibile a contatto con un solo elettrodo.

L’idrogel di poliacrilammide o acido polimetacrilico (Figura 1.24), che è a contatto con entrambi gli elettrodi, subisce contemporaneamente il collasso del volume mediante un cambiamento infinitesimale nel potenziale elettrico sul gel. Quando il potenziale è applicato, gli ioni H+ idratati migrano verso il catodo producendo una perdita d’acqua dal lato

dell’anodo. Allo stesso tempo l’attrazione elettrostatica delle cariche negative dei gruppi dell’acido acrilico verso la superficie dell’anodo crea uno stress (assiale) lungo l’asse del gel, maggiormente dal lato dell’anodo. Questi due eventi simultanei conducono alla compressione dell’idrogel al lato dell’anodo (Gnog e al., 1994).

Figura 1.24: Idrogel elettrosensibile a contatto con entrambi gli elettrodi.

Quando un idrogel, costituito da un copolimero di sale sodico dell’acido acrilico e acrilammide, è posto in una soluzione acquosa sotto l’azione di un campo elettrico senza toccare gli elettrodi (Figura 1.25), la tipologia della deformazione dell’idrogel dipende dalla concentrazione degli elettroliti.

Figura 1.25: Idrogel elettrosensibile distaccat da entrambi gli elettrodi.

In assenza di elettroliti o alla presenza di bassissime concentrazioni di elettroliti, l’applicazione di un campo elettrico causa la compressione dell’idrogel. Questo è dovuto alla

catene del polimero da -COO-Na+ a –COOH (Shiga e al., 1992). Alla presenza d’alte concentrazioni d’elettroliti nella soluzione, entra più Na+ nell’idrogel rispetto a quello che migra dall’idrogel al catodo. Se un tensioattivo cationico è addizionato alla soluzione acquosa, lo swelling appare dalla parte del catodo dell’idrogel. Questo è dovuto al movimento delle molecole caricate positivamente del tensioattivo verso il catodo a formare un complesso con le cariche negative delle catene polimeriche dal lato dell’idrogel, affacciato all’anodo. Quando le particelle microsferiche dell’idrogel sono poste in acqua senza sale, l’applicazione di un campo elettrico determina la compressione dell’idrogel dovuto ad elettrosmosi (migrazione d’acqua) ed elettroforesi (migrazione di ioni) dall’idrogel al catodo (Sawahata e al., 1990). Questa proprietà è stata utilizzata per il rilascio di farmaci modulato mediante l’accensione o lo spegnimento del campo elettrico.

A causa di questo movimento di cariche, la pressione osmotica della rete polimerica, nella porzione di idrogel vicino all'elettrodo verso cui sono migrati i contro-ioni, aumenta e diventa maggiore di quella presente sul lato opposto. Di conseguenza si ha la formazione di un gradiente ionico all’interno dell’idrogel, e questa è la forza motrice che causa la deformazione della matrice polimerica verso l’elettrodo di segno opposto ai contro-ioni (Jin e al., 2013). In letteratura sono riportati diversi esempi di idrogel a base di polielettroliti, che, in seguito ad applicazione di un campo elettrico, vanno incontro a fenomeni di swelling, deswelling o

bending, per l’instaurarsi di un gradiente ionico all’interno dell’idrogel. Tra questi il poli (N-

vinilpirrolidone-co-acido acrilico) ha mostrato un comportamento elettrosensibile, sotto l’effetto di un campo elettrico applicato (Jin e al., 2013). Dopo l’applicazione di un campo elettrico a corrente continua, strisce di idrogel a base di poli(NVP-co-AA), immerse in una soluzione tampone, tendono a ripiegarsi verso l’anodo o verso il catodo a secondo del pH della soluzione elettrolitica in cui sono immersi. Quando lo stimolo elettrico viene rimosso, l’idrogel ritorna alla sua posizione di partenza. Inoltre, se la polarità del campo viene modificata, l’idrogel prima ritorna alla sua posizione iniziale e poi inizia a ripiegarsi verso l’elettrodo opposto (Jin e al., 2013).

La deformazione della matrice polimerica dipende, anche, dalla concentrazione di gruppi carbossilati presenti nel gel. Gel con piccole quantità di gruppi -COO- (circa il 20%) vanno incontro a shrinking, mentre gel con elevate quantità di funzioni -COO- (60-100%) vanno incontro a fenomeni di swelling (Jin e al., 2013).

La deformazione dell’idrogel, e in particolare il gradiente di pressione osmotica che si sviluppa al suo interno, porta all’espulsione e quindi al rilascio del farmaco dalla matrice polimerica.

Il rigonfiamento e la deformazione degli idrogel elettro-sensibili, in seguito all’applicazione di un campo elettrico, può essere spiegato, dalla teoria della pressione osmotica (π), che è data dalla differente concentrazione di ioni tra l’interno e l’esterno del gel, sottoposto ad un campo elettrico. Quando la pressione osmotica aumenta si ha l’instaurarsi di un gradiente ionico all’interno del gel e le catene polimeriche, disposte a reticolo, tendono a restringersi.

La differenza di pressione osmotica (∆π), è quindi il fattore principale che, in condizioni statiche, sotto l’effetto di un campo elettrico, determina la curvatura o il rigonfiamento del polimero. Pertanto, in termini matematici, possiamo dire che la pressione osmotica totale (πtot)

è data da Horkay e al., (2000):

πtot = -V1 -1 (δ∆Ftot / δn1) = πel + πmix + πion Equazione 1.4

dove:

 πel, πmix e π ion sono i contributi elastici, di miscelazione e di ionizzazione della pressione totale (πtot).

 V1 è il volume molare di solvente.  n1 è il numero di moli del solvente.

L’estensibilità delle catene gioca un ruolo importante nel rigonfiamento e nella deformazione fisica dei gel polielettrolitici. Per i network polimerici costituiti da catene flessibili, la pressione elastica (πel) è uguale (Flory, 1953):

πel = -ARTvφ1/3 = -G Equazione 1.5

dove:

 v è la concentrazione di catene elastiche.  φ è la frazione volumetrica di polimero.  R è la costante dei gas.

 T è la temperatura assoluta.

La pressione osmotica di miscelazione (πmix), data dalla miscelazione delle catene

polimeriche con le molecole di solvente, può essere descritta dalla seguente equazione (Flory, 1953):

Equazione 1.6

dove:

 P è il grado di polimerizzazione. Per polimeri con legami crociati P=∞.

 x è il parametro di interazione di Flory-Huggins. Solitamente x dipende dalla concentrazione di polimeri in soluzione.

Negli idrogel polielettrolitici, si crea una differenza di concentrazione ionica tra l’interno e l’esterno del gel per soddisfare le condizioni di elettroneutralità. Questa differenza di concentrazione si traduce in una differenza di pressione osmotica tra il gel e l’equilibrio in soluzione, descritta dall’equazione di Donnan (Prange e al., 1989; Horkay e al., 2000):

Equazione 1.7

dove:

 cj gel e cj sol rappresentano la concentrazione di ioni nel gel e nella soluzione

all’equilibrio.

 N il numero di ioni mobili nel sistema.

La maggior parte della ricerca, fino ad oggi, si è concentrata sullo sviluppo del materiale elettro-sensibile; tuttavia è necessaria anche l’ottimizzazione dello stimolo indotto dall’esterno, per la specifica applicazione degli idrogel elettro-responsive. Test in vitro condotti utilizzando questi dispositivi non hanno evidenziato particolari problematiche, tuttavia alcuni parametri sperimentali risultano essere critici per le applicazioni in vivo, in quanto l’applicazione della corrente elettrica può danneggiare i tessuti e avere conseguenze fatali per il paziente. Bisogna quindi individuare quali sono i parametri ottimali di stimolazione che aumentano la capacità di risposta degli idrogel elettrosensibili riducendo i rischi connessi alla stimolazione elettrica in vivo (Chatterjee e al., 1986).

Alcuni studi sono stati incentrati sull’ottimizzazione dei parametri di stimolazione elettrica, per idrogel con potenziali applicazioni in campo biomedico e farmaceutico. Di particolare

interesse è lo studio di un idrogel elettrosensibile a base di Pluronic® e sale sodico dell’acido metacrilico in cui sono stati analizzati i principali parametri per l’ottimizzazione della stimolazione elettrica.

I parametri che generalmente devono essere considerati nella progettazione e realizzazione di un device in grado di veicolare e rilasciare un principio attivo in funzione di una tensione elettrica esterna sono: