Figura 1:La configurazione SAXS su I22. Credito:sorgente luminosa a diamante
Per la prima volta è stata creata una famiglia di idrogel, con proprietà uniche che ne consentono l'utilizzo in applicazioni biologiche. Il lavoro, recentemente pubblicato su Polymer, potrebbe annunciare l'introduzione di una nuova classe di bioinchiostri o veicoli per la somministrazione di farmaci.
Gli idrogel sono reti di catene macromolecolari reticolate che hanno una struttura altamente porosa che consente loro di gonfiarsi con l'acqua. Sono strutture morbide con proprietà viscoelastiche spesso complesse che possono essere messe a punto adattando i loro componenti chimici e la loro densità di reticolazione. In questo modo, possono essere adattati per percepire e adattarsi ai cambiamenti nel loro ambiente, come la temperatura, pH, pressione, leggero, o anche la presenza di altri prodotti chimici.
Una nota famiglia di idrogel a base di copolimeri di poli(ossido di etilene) (PEO) è stata combinata con un polimero meccanicamente robusto noto come Nafion. Le proprietà dei nuovi complessi polimerici sono state rivelate da una serie di tecniche, tra cui Small Angle X-ray Scattering (SAXS) alla Small Angle Scattering and Diffraction beamline (I22) alla Diamond Light Source. L'aggiunta di Nafion ha dimostrato di migliorare notevolmente le proprietà meccaniche degli idrogel, rendendoli un candidato promettente per una varietà di applicazioni come i sistemi di rilascio di farmaci e la biostampa 3D.
Idrogel iniettabili
Una delle applicazioni più affascinanti degli idrogel è nel campo del rilascio di farmaci. Gli idrogel possono essere ingegnosamente sintonizzati per cambiare la loro fase da un liquido iniettabile in un gel all'interno del corpo, che si dissolve gradualmente per rilasciare lentamente un farmaco intrappolato. I vantaggi di questo sono di vasta portata sia per i pazienti che per gli operatori sanitari. Tipicamente, gli idrogel iniettabili sono basati su copolimeri PEO in quanto sono ben caratterizzati e hanno una transizione di fase definita a un gel a temperatura corporea. Però, questi idrogel hanno proprietà meccaniche deboli e rilasciano farmaci rapidamente.
Per affrontare le carenze dell'attuale ondata di iniettabili, un team di scienziati dell'Università del Central Lancashire, li ha combinati con un polimero meccanicamente stabile noto come Nafion. Questo polimero è stato scoperto alla fine degli anni '60 e ha una serie unica di proprietà che hanno portato al suo utilizzo come membrana a scambio protonico per le celle a combustibile. Poiché la sua natura biocompatibile e non tossica è stata recentemente rivelata, Nafion è stato utilizzato anche per applicazioni biomediche come rivestimenti per impianti e biosensori.
Miscele di Nafion
Il team ha preparato miscele di Nafion con due diversi copolimeri:E 19 P 69 E 19 e B 20 E 510 (dove E era OCH 2 CH 2 , P era OCH 2 CH(CH 3 ) e B era OCH 2 CH(C 2 h 5 )). Nafion si lega ampiamente ai due copolimeri come mostrato da una varietà di tecniche. Oltre alla microbilancia a cristalli di quarzo con monitoraggio della dissipazione (QCM-D), gli idrogel ibridi sono stati sottoposti a diffusione dinamica della luce, reologia, e SAX. Dott. Antonios Kelarakis, ricercatore senior presso l'Università del Central Lancashire, e il ricercatore capo dello studio hanno spiegato il loro approccio:"Non volevamo compromettere l'iniettabilità dei polimeri con l'aggiunta di Nafion, quindi una volta che abbiamo saputo che gli idrogel ibridi avevano le forti proprietà meccaniche di cui avevamo bisogno, abbiamo usato SAXS per esplorare la loro struttura."
A I22, le miscele di idrogel sono state montate tra finestre di mica in una cella liquida dotata di bagnomaria per il controllo della temperatura. I modelli SAXS bidimensionali sono stati raccolti utilizzando un rivelatore di area Pilatus P3-2M e tutti i modelli sono stati corretti per le fluttuazioni del raggio incidente e per la diffusione dell'aria e dello strumento prima della conversione in profili unidimensionali.
Proprietà migliorate
L'aggiunta di Nafion ha dimostrato di migliorare la viscoelasticità dei copolimeri esistenti, migliorando così la loro resistenza meccanica. Inoltre, le miscele hanno anche subito transizioni sol-gel brusche e termicamente reversibili al di sotto della temperatura corporea, indicando che hanno mantenuto la loro capacità iniettabile. I sistemi sono stati anche testati per la loro capacità di rilasciare ibuprofene, e Nafion ha dimostrato di ridurre drasticamente il rilascio del farmaco; un effetto ritenuto conferito da una minore porosità o da interazioni più forti matrice-farmaco. Il dottor Kelarakis ha elaborato su queste scoperte, "Oltre a veicolo di medicinali, questo complesso polimerico potrebbe essere utilizzato come bio-inchiostro per la stampa 3D poiché si converte facilmente da liquido a gel. Ci sono pochi materiali attualmente disponibili per questa tecnica, ma abbiamo dimostrato di poter realizzare un materiale promettente in grado di resistere a molto stress".
Il prossimo passo per questa affascinante ricerca è un'indagine completa sull'evoluzione del complesso idrogel durante lo stress, che sarà realizzato in situ utilizzando un reometro su I22. Il team mira a esplorare gli effetti del Nafion su altri polimeri e intende anche introdurre nanoparticelle negli idrogel, in modo che possano essere utilizzati per il bioimaging. La speranza è che le molecole di imaging possano essere rilasciate lentamente nel corpo vicino al sito di interesse (come una ferita) per illuminare componenti fisiologici selezionati.
