Il progetto ha come scopo principale la progettazione e realizzazione di idrogel chimici, in situ gelling e self-assembling utilizzando come polimero base la condroitina solfato. Questa verrà opportunamente derivatizzata per ottenere due derivati dotati di gruppi funzionali in grado di reagire spontaneamente in condizioni fisiologiche consentendo la formazione di un reticolo polimerico tridimensionale. Tali idrogel verranno realizzati in modo da possedere caratteristiche idonee sia per applicazione nel campo del drug delivery che in quello, ancor più innovativo, dell'ingegneria tissutale. Nel primo caso la progettazione dell'idrogel sarà finalizza al raggiungimento di cinetiche di rilascio che mantengano costante, al valore desiderato, la concentrazione di principio attivo nel sito di interesse. Per quanto riguarda l'applicazione dell'idrogel come scaffold nel campo dell'ingegneria tissutale l'obiettivo della ricerca sarà quello di realizzare un sistema polimerico dotato di proprietà meccaniche tali da garantire la vitalità cellulare e promuovere la proliferazione e il differenziamento delle stesse. L'attività di ricerca si comporrà, dunque, di due fasi principali. La prima finalizzata a individuare e sintetizzare i derivati della condroitina da utilizzare come polimeri di partenza e stabilire le condizioni sperimentali necessarie per ottenere un sistema in grado di reticolare in condizioni fisiologiche. Nella seconda fase si passerà, invece, allo studio e alla caratterizzazione del sistema polimerico precedentemente ottenuto verificandone l'applicabilità per i fini preposti. Verranno quindi determinate le proprietà meccaniche dell'idrogel mediante studi reologici e verranno effettuati studi di rigonfiamento, di rilascio e di degradazione. Infine, verranno condotti ulteriori studi al fine di investigare la biocompatibilità e la biodegradabilità del sistema polimerico valutando attentamente l'assenza di tossicità dei prodotti di decomposizione del network polimerico.
Il sistema polimerico in situ gelling, obiettivo di questo progetto di ricerca, si presenta come un promettente quanto innovativo idrogel chimico self-assembling con elevata potenzialità d'impiego sia come formulazione per il rilascio controllato e sito-specifico di farmaci sia come scaffold per applicazioni nel campo dell'ingegneria tissutale.
Il sistema polimerico proposto ha come importante vantaggio quello di essere realizzato mediante l'utilizzo di un solo biopolimero di partenza, la condroitina solfato, chimicamente modificata al fine di ottenere due suoi derivati in grado di generare idrogel nel sito di applicazione. L'uso della sola condroitina conferisce all'idrogel peculiari proprietà. In primo luogo, la biocompatibilità del sistema risulterà superiore a quella posseduta dagli idrogel iniettabili presenti in letteratura poiché questi sono, nella maggior parte dei casi, realizzati partendo da blend polimerici. La condroitina solfato, come precedentemente accennato, è infatti un glicosamminoglicano abbondantemente presente nella matrice extracellulare in condizioni fisiologiche ed è per tanto assolutamente biocompatibile. Inoltre, la condroitina possiede rilevanti proprietà biologiche che comprendono l'attività antinfiammatoria, la regolazione enzimatica e la stimolazione della proliferazione e della differenziazione cellulare. Idrogel realizzati con sola condroitina o suoi derivati conservano quindi tali proprietà che gli conferiscono caratteristiche ottimali soprattutto nel caso di applicazioni nel settore dell'ingegneria tissutale.
Infine, i prodotti di degradazione non mostrano tossicità essendo molto simili a quelli fisiologicamente ottenibili in seguito a degradazione della stessa condroitina solfato.
Ad oggi molti dei sistemi in situ gelling sono idrogel chimici ottenuti in seguito ad irradiazione UV-VIS direttamente nel sito di interesse o idrogel fisici ottenuti per formazione di legami deboli quali interazioni elettrostatiche o idrofobiche e legami idrogeno. Tuttavia, gli idrogel fisici presentano delle carenze che ne limitano l'uso in contesti clinici. Innanzitutto, l'uso di interazioni fisiche per la reticolazione comporta un controllo non ottimale del grado di reticolazione e quindi della cinetica di rilascio del farmaco. Inoltre, essendo le interazioni fisiche molto più deboli rispetto alle chimiche si ottengono dei materiali con scarse proprietà meccaniche. Infine, non sempre è possibile definire con chiarezza il meccanismo e il tempo di degradazione che rimane comunque più breve se confrontato con quello ottenibile nel caso di idrogel di tipo chimico. Per superare tali limitazioni è stato quindi deciso di realizzare un gel di tipo chimico la cui reticolazione avviene per formazione di legami covalenti attraverso una addizione di tipo Michael fra i due diversi derivati della condroitina solfato precedentemente sintetizzati. In questo modo si ottiene un idrogel dotato di migliori proprietà meccaniche nonché di cinetiche di rilascio e degradazione controllabili e riproducibili. L'addizione di Michael è una reazione termodinamicamente favorevole che avviene spontaneamente in condizioni fisiologiche in un arco temporale non superiore ai 10 minuti. La scelta di tale reazione per la formazione del gel presenta il duplice vantaggio di avere da un lato una reazione che avviene spontaneamente in condizioni fisiologiche e dall'altro la possibilità di poter controllare la cinetica di reticolazione andando a variare il grado di funzionalizzazione dei polimeri di partenza. Un diverso grado di derivatizzazione dei polimeri, oltre a influenzare la velocità di reticolazione, può essere sfruttato per modulare la porosità dell'idrogel, in modo da ottenere un sistema che presenti caratteristiche ottimali per quanto riguarda parametri quali velocità di rilascio del principio attivo, capacità di rigonfiamento, tempi di degradazione e quindi permanenza nel sito di applicazione.
In conclusione, è possibile affermare che il sistema polimerico proposto, rispetto a quanto riportato in letteratura, permette di unire i vantaggi ottenibili utilizzando un sistema in situ gelling con quelli derivanti dalla scelta della condroitina come biopolimero di partenza, che includono elevata biocompatibilità, buone proprietà meccaniche ed elevata flessibilità di parametri quali porosità e cinetica di reticolazione. Grazie a queste caratteristiche il sistema si presenta come una promettente alternativa ai sistemi convenzionali sia nel campo dell'ingegneria tissutale che in quello del drug delivery.