La caffeina è nota per la sua capacità di aiutare le persone a rimanere vigili, ma un team di ricercatori del MIT e del Brigham and Women's Hospital ha ora escogitato un nuovo uso per questo stimolante chimico, catalizzando la formazione di materiali polimerici.

Usando la caffeina come catalizzatore, i ricercatori hanno escogitato un modo per creare gommose, gel biocompatibili che potrebbero essere utilizzati per la somministrazione di farmaci e altre applicazioni mediche.

"La maggior parte degli approcci sintetici per la sintesi e la reticolazione di gel polimerici e altri materiali utilizzano catalizzatori o condizioni che possono danneggiare sostanze sensibili come i farmaci biologici. Al contrario, qui abbiamo usato chimica verde e ingredienti alimentari comuni, "dice Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor al MIT e uno degli autori senior dello studio. "Riteniamo che questi nuovi materiali potrebbero essere utili nella creazione di nuovi dispositivi medici e sistemi di somministrazione dei farmaci".

Nella loro carta, che appare il giornale Biomateriali , i ricercatori hanno dimostrato di poter caricare i gel con due farmaci antimalarici, e si aspettano che il materiale possa essere utilizzato anche per trasportare altri tipi di droghe. I farmaci trasportati da questo tipo di materiale potrebbero essere masticabili o più facili da deglutire, dicono i ricercatori.

"È davvero interessante per le popolazioni di pazienti, soprattutto bambini, che hanno difficoltà a deglutire capsule e compresse, "dice Giovanni Traverso, un affiliato di ricerca presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e un gastroenterologo e ingegnere biomedico presso il Brigham and Women's Hospital, che è anche un autore senior del documento.

L'ex postdoc del MIT Angela DiCiccio, che ora è a Verily Life Sciences, la divisione scienze della vita di Google X, è l'autore principale del documento.

Aumento della caffeina

La produzione di gel polimerici richiede solitamente catalizzatori metallici, che potrebbe essere pericoloso se parte del catalizzatore rimane nel materiale dopo la formazione del gel. Il team del MIT voleva trovare un nuovo modo per produrre gel utilizzando catalizzatori e materiali di partenza basati su prodotti alimentari e altri materiali sicuri da ingerire.

"Il nostro obiettivo era cercare di semplificare il metodo di produzione e impartire un profilo di sicurezza migliorato fin dall'inizio utilizzando catalizzatori potenzialmente più sicuri, " dice Traverso.

Sebbene la caffeina non sia stata utilizzata prima per la sintesi chimica, ha attirato l'attenzione dei ricercatori perché è di origine vegetale e può fungere da base debole, il che significa che rimuove delicatamente i protoni da altre molecole. Ha anche una struttura simile ad alcune altre basi organiche deboli che sono state utilizzate per catalizzare il tipo di reazione chimica necessaria per formare questi gel:la formazione di legami esteri per creare un poliestere.

"I poliesteri consentono la progettazione intenzionale di materiali ingeribili realizzati con risorse bioderivate, " DiCiccio dice. "Tuttavia, non esistevano catalizzatori abbastanza blandi da incatenare queste molecole senza causare reazioni indesiderate o richiedere un calore molto alto. La nostra nuova piattaforma fornisce una soluzione elegante a questo problema utilizzando materiali economici e prodotti chimici ampiamente accessibili".

I ricercatori hanno deciso di utilizzare la caffeina per indurre l'acido citrico, un altro materiale commestibile prodotto dalle piante, per formare una rete polimerica insieme al glicole polietilenico (PEG), un polimero biocompatibile che è stato utilizzato per molti decenni in farmaci e prodotti di consumo come i dentifrici.

Quando miscelato con acido citrico e PEG, e leggermente riscaldato, la caffeina apre un anello contenente ossigeno nel PEG, permettendogli di reagire con l'acido citrico per formare catene che consistono in molecole alternate di PEG e acido citrico. Se nella miscela sono presenti molecole di farmaco, anch'essi vengono incorporati nelle catene.

Mescolare e abbinare

I ricercatori hanno dimostrato di poter caricare due farmaci per la malaria, artesunato e piperachina, in questi polimeri. Potrebbero anche variare le proprietà chimiche e meccaniche del gel alterandone la composizione. Hanno creato gel che contengono PEG o un altro polimero chiamato glicole polipropilenico, così come alcuni che combinano questi due polimeri in rapporti diversi. Ciò consente loro di controllare proprietà come la resistenza del materiale, la sua struttura superficiale, e la velocità con cui i farmaci vengono rilasciati.

"A seconda di quale potrebbe essere l'applicazione, o quali farmaci vengono incorporati, potresti mescolare e abbinare per trovare una miscela ottimale, " dice Traverso.

I gel possono anche essere stampati con motivi come l'architettura in microscala che si trova sulla superficie delle foglie di loto, che permette loro di respingere l'acqua. L'alterazione dei tratti superficiali del materiale potrebbe aiutare i ricercatori a controllare quanto velocemente o lentamente i gel si muovono attraverso il tratto digestivo.

I gel risultanti contengono una piccola quantità di caffeina, più o meno lo stesso di quello che si trova in una tazza di tè. Nelle prove preliminari di sicurezza, i ricercatori non hanno trovato effetti dannosi in quattro tipi di cellule umane, o nei ratti.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.