Riassunto analitico
Gli idrogeli sono costituiti da strutture tridimensionali polimeriche idrofile in grado di assorbire elevate quantità di acqua o fluidi biologici. Grazie alle loro caratteristiche di biocompatibilità, natura inerte, consistenza gommosa ed elevate capacità di rigonfiamento, gli idrogeli sono materiali ideali per numerose applicazioni biomedicali e in campo farmaceutico. Questi materiali sono impiegati come sistemi per il rilascio controllato di farmaci, in medicina rigenerativa, come lenti a contatto e bendaggi chirurgici, biosensori, attuatori e membrane adsorbenti. Gli idrogeli possono essere formati da omopolimeri o copolimeri e risultano insolubili grazie alla presenza di punti di reticolazione tra le macromolecole polimeriche. Gli idrogeli sono definiti permanenti o chimici se il network è caratterizzato dalla presenza di legami covalenti, mentre, vengono detti reversibili o fisici quando, tra le macromolecole sono presenti legami deboli.
Questa ricerca si è focalizzata sullo studio di idrogeli di tipo fisico con struttura a multiblocchi costituiti da copolimeri poli(acrilonitrile-b-acrilammide) (PAN-b-PAM). Questi idrogeli sono stati ottenuti da una reazione di idrolisi acida di poli(acrilonitrile), in seguito alla quale, sequenze di unità acrilonitrile, rigide e idrofobe, vengono convertite in sequenze di unità acrilammide, flessibili e idrofile. In questa parte della ricerca, è stato studiato il processo di preparazione di questi idrogeli al fine di determinare l’effetto dei diversi parametri di reazione sulla composizione del copolimero. Obiettivo principale di questa ricerca è stata la progettazione e realizzazione di un impianto pilota per la produzione di idrogeli polimerici PAN-b-PAM.
Con lo scopo di incrementare le proprietà di questi materiali e ampliare le loro potenziali applicazioni, oggetto di studio sono state inoltre possibili modifiche, fisiche e chimiche, di questi copolimeri. Uno dei punti deboli degli idrogeli è legato alle scarse proprietà strutturali di questi materiali quando si trovano nello stato rigonfiato. La preparazione di materiali multicomponente, come i nanocompositi, è uno degli approcci più innovativi impiegati per migliorare le proprietà meccaniche degli idrogeli. Sulla base di questa osservazione, sono stati preparati idrogeli nanocompositi contenenti diverse quantità di grafene ossido e l’effetto della nanocarica sulle proprietà dei materiali è stato analizzato. Un possibile diverso approccio per implementare la resistenza degli idrogeli è la preparazione di reticoli polimerici interpenetrati (IPN). Gli IPN sono materiali costituti da polimeri reticolati, nei quali un componente viene sintetizzato e/o reticolato in presenza dell’altro. Nell'ambito di questa ricerca, si sono sintetizzati e caratterizzati semi-IPN costituiti da copolimeri PAN-b-PAM e poli(acrilammide) chimicamente reticolata.
Gli idrogeli possono essere impiegati come sistemi per il rilascio controllato di farmaci: modificando la struttura polimerica, la densità di reticolazione e le proprietà di rigonfiamento è possibile variare la cinetica di rilascio del farmaco inglobato nell’idrogelo. In questa parte della ricerca è stata analizzata la possibilità di impiegare idrogeli copolimerici PAN-b-PAM come sistemi per il rilascio di un farmaco modello.
Le proprietà degli idrogeli li rendono materiali adatti per la crescita cellulare e la rigenerazione dei tessuti. Possono essere utilizzati con tecniche di prototipazione rapida che permettono l’ottenimento di strutture 3D complesse con dimensione e porosità predefinite. In questo lavoro è stata studiata l'applicazione di innovative tecniche di prototipazione per la preparazione di scaffold a base di idrogeli che possono essere impiegati per la riparazione tissutale.
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Abstract
Hydrogels are three-dimensional, hydrophilic, polymeric networks capable of absorbing large amounts of water or biological fluids. Good biocompatibility, inert nature and high water permeation properties make hydrogels ideal candidates for numerous biomedical and pharmaceutical applications. Controlled drug and gene delivery, regenerative tissue scaffolding, contact lenses, wound dressings, biosensors, actuators and absorbent membranes are just few applications of hydrogels currently being developed. Hydrogel networks can be composed of homopolyers or copolymers and are insoluble due to the presence of chemical or physical crosslinks. Hydrogels are called permanent or chemical when they are covalently cross-linked networks; while, they are termed reversible or physical when the networks are held together by molecular entanglements and/or secondary forces.
This research is focused on physically cross-linked hydrogels consisting of poly(acrylonitrile-b-acrylamide) (PAN-b-PAM) multiblock copolymers. These hydrogels have been synthetized through an acid catalysed hydrolysis of poly(acrylonitrile) homopolymer, which converts sequences of hydrophobic acrylonitrile into sequences of hydrophilic acrylamide units. The resulting polymeric structure is composed of acrylonitrile sequences, arranged in crystalline domains, alternated by amorphous blocks of acrylamide units. The preparation process was studied in details and the effect of all reaction parameters on the hydrogel composition was analysed. A series of multiblock copolymers, containing different amounts of acrylamide units, was prepared and the effect of hydrolysis degree on the properties of the gels was evaluated. The main intent of this activity has been the design and realization of a small pilot plant suitable for the production of this polymeric hydrogel. With the aim of improving the properties of PAN-b-PAM hydrogels and broaden their potential applications, possible physical as well as chemical modifications were explored. Conventional swollen hydrogels often show numerous disadvantages in terms of their structural properties. The preparation of multicomponent materials, as nanocomposites, is one of the most attractive approaches to improve mechanical strength of hydrogels. According to this evidence, a series of nanocomposite hydrogels containing different amount of graphene oxide, were prepared and characterised. Additionally, to reinforce polymeric hydrogels and enhance their swelling/deswellling response, the preparation of interpenetrating polymer networks (IPNs) has been recently introduced. IPNs are ‘alloys’ of cross-linked polymers, at least one of them being synthesized and/or cross-linked within the immediate presence of the other, without any covalent bonds between them. Within this research, a series of semi-IPNs based on PAN-b-PAM multiblock copolymers and cross-linked poly(acrylamide) were synthetized, and their physiochemical, mechanical and morphological properties were examined. Among different applications, hydrogels have been proposed as drug delivery systems. Controlling the polymeric structure, the crosslinking density and the swelling properties the delivery kinetics can be tuned according to the desired drug release schedule. In this part of the research, the potential application of the PAN-b-PAM hydrogels as drug-delivery systems has been explored. The properties of hydrogels make them appealing for cells encapsulation and tissue regeneration. They can be processed with rapid prototyping techniques and 3D printed in complex structures with a pre-determined dimensions and porosity. Within this work, the application of innovative rapid prototyping techniques for the preparation of hydrogel scaffolds suitable for cell seeding has been explored.
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