RICERCA ITALIANA     

Sviluppo di materiali polimerici per applicazioni biomediche mediante tecnologie innovative sostenibili

Università degli Studi di Trieste

Abstract

L'utilizzazione di polimeri quali biomateriali richiedono che venga rivolta una sempre maggiore attenzione ai processi di produzione dei polimeri e alla realizzazione di nuovi polimeri con caratteristiche specifiche. Uno dei problemi più importanti da risolvere è connesso con la possibilità di avere cicli di produzione che rientrino nelle norme fissate dalle regolamentazioni internazionali. Particolare cura è riservata all'eliminazione di ogni possibile contaminante. Le caratteristiche peculiari dei fluidi supercritici (FSC) consentono di produrre materiali innovativi con caratteristiche non ottenibili con le tecniche tradizionali e in assenza di residui di solvente nel prodotto finale. I materiali che verranno trattati sono monomeri per la produzione dei polimeri che verranno successivamente funzionalizzati con l'introduzione di farmaci o di altri componenti ad attività angiogenica. Per lo stesso scopo saranno anche utilizzati polimeri prodotti in maniera tradizionale ma comunque conforme alle norme sanitarie. In particolare saranno utilizzate tecniche di polimerizzazione in dispersione in CO2 supercritico, tecniche di precipitazione mediante antisolvente supercritico, di atomizzazione assistita mediante fluido supercritico, di impregnazione di amtrici polimeriche e di produzione di membrane e schiume polimeriche.
Le unità di ricerca saranno coinvolte sia nella produzione dei nuovi materiali, sia nello sviluppo e nell'ingegnerizzazione dei processi. Per ogni processo proposto verranno costruiti gli impianti su scala di banco, e verrà studiato l'effetto dei parametri di processo sulle proprietà dei materiali. I materiali prodotti, scelti in base a finalità applicative, saranno caratterizzati tramite le tecniche analitiche più avanzate, concordemente agli standard internazionali del settore biomedico. I materiali che forniranno i risultati più promettenti verranno processati su impianti in scala pilota e la ricerca verrà portata ad un grado di avanzamento tale da consentire una completa valutazione tecnico-scientifica ed economica della fattibilità della produzione industriale dei materiali proposti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Ireneo KIKIC Università degli Studi di TRIESTE

Obiettivo del Programma di Ricerca

La ricerca nel campo dell'ingegneria chimica si sta sempre più rivolgendo a settori di frontiera con altre discipline quali la scienza dei materiali, la tecnologia farmaceutica, la biologia, la medicina. E' perciò sempre più sentita la necessità di confrontarsi con tematiche differenti da quelle tradizionali ma che si possono affrontare con le metodologie tipiche dell'ingegneria chimica. Per citare un esempio: studiare i processi diffusivi all'interno di una particella di catalizzatore o quelli di un liquido in un'apparecchiatura di estrazione liquido-liquido non è molto diverso, da un punto di vista dei fenomeni fisici coinvolti, dallo studiare il processo di rilascio di farmaci all'interno del corpo umano. Il nuovo problema è reso più difficile dalla diversa natura del sistema al contorno.
Partendo da questa esigenza il presente progetto di ricerca si pone l'obiettivo di applicare nuove tecnologie di avanguardia, ma che si stanno rapidamente consolidando, nell'ambito dei processi chimici ad argomenti del settore biomedico. Si vogliono cioè produrre sia farmaci a rilascio controllato, sia polimeri per uso biomedico sia mezzi per la realizzazione di impianti tessutali con tecnologie a basso impatto ambientale.
La tecnologia che si intende utilizzare è quella che sfrutta i fluidi supercritici.
Le unità di ricerca posseggono un significativo know-how sui diversi processi che utilizzano la tecnologia con fluidi supercritici come testimoniato dalla recente produzione scientifica dei responsabili delle unità e dal fatto che il coordinatore del progetto è attualmente Presidente dell'Associazione Internazionale per lo Sviluppo delle Applicazioni dei Fluidi Supercritici (ISASF)
L'uso di più tecniche è giustificato dalla necessità di produrre materiali con morfologie, dimensioni e funzionalità diverse tramite percorsi di trasformazione differenti (da soluzioni organiche, da mezzo acquoso, da soluzioni supercritiche, tramite reazione). Il programma di ricerca è stato impostato su due basi: complementarietà delle tecniche e razionalizzazione delle risorse. La complementarietà delle tecniche consente di affrontare lo stesso problema con processi diversi, di confrontare i risultati e di proporre una soluzione comune
La scelta della tecnica più opportuna in vista di una applicazione industriale potrà essere fatto attraverso uno studio comparato dei risultati ottenuti dalle diverse unità. Analogamente il problema della preparazione di materiali compositi farmaco/polimero può essere affrontato con metodologie diverse, ciascuna delle quali presenta vantaggi e limiti che richiedono una valutazione su base tecnico-scientifica. Per quanto riguarda la razionalizzazione delle risorse le unità si propongono di mettere in comune le proprie specificità per far fronte alle esigenze degli altri partecipanti. Questo consentirà di limitare l'inutile duplicazione di impianti e apparecchiature e di ridurre i tempi per giungere a risultati di interesse applicativo. La razionalizzazione sarà realizzata preparando un quadro di specificità delle singole unità in cui verranno indicate le risorse disponibili da mettere a disposizione in termini di apparecchiature e procedure.
Si deve ancora mettere in luce che anche se non partecipano direttamente al presente progetto di ricerca collaboreranno allo stesso Unità di ricerca provenienti dal settore farmaceutico e medico. Questo fatto faciliterà, nel prossimo futuro, l'avviamento di una collaborazione effettiva sui temi di frontiera. <<<

Risultati parziali attesi

La prima fase di lavoro deve fornire tutti i dati chimico-fisici necessari allo svolgiemnto corretto delle prove sperimentali della fase successiva. Il lavoro sarà condotto sia su base bibbliografica sia su base speriemntale.
Il risultato maggiore atteso è la comprensione del comportamento termodinamico delle miscele solvente/fluido supercritico/soluto e delle miscele di polimerizzazione in presenza di tensioattivo. La buona comprensione del comportaemnto di fase è infatti fondamentale per ben impostare le prove sperimentali e per raggiungere una adeguata comprensione della fenomenologia dei processi studiati.
In questa fase saranno anche modificati gli impianti esistenti e saranno state effettuate le prove sperimentali per la generazione di microparticelle di farmaci, di polimeri e di sistemi compositi polimero/farmaco e schiume di polimero. Inoltre i materiali saranno stati caratterizzati con le opportune tecniche analitiche. Il primo risultato atteso è la comprensione della fenomenologia dei processi proposti con particolare attenzione al legame fra le variabili operative e le caratteristiche del prodotti. Inoltre ci si attende di generare uno o più sistemi farmaco/polimero da proporre come nuovi prodotti per il rilascio controllato di farmaco. Ci si propone di fornire un quadro di insieme delle tecniche proposte in relazione al loro campo di applicazione. Ovvero si vuole redigere una griglia di applicazione dei processi, individuando per ciascuno di essi quali sono i materiali che possono essere processati con il maggior beneficio.Il risultato atteso è l'ingegnerizzazione dei processi studiati attraverso una ottimizzazione dei fattori critici dei processi (scambio termico, agitazione...). Inoltre i processi studiati verranno estesi a impianti più grandi (impianti pilota per l'industria farmaceutica) individuando i fattori critici per lo scale-up dei processi <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il trattamento di malattie quali il diabete, l'osteoporosi, l'asma, di diversi disturbi cardiaci, il cancro e di molte altre ancora non è mai basato solamente sulle classiche formulazioni farmaceutiche. La biologia e la medicina hanno cominciato a ricondurre i problemi di queste malattie a problemi di scienza molecolare creando nuove opportunità terapeutiche. Tali miglioramenti sono strettamente connessi con i progressi nei biomateriali, portando allo sviluppo dei nuovi approcci terapeutici. Biomateriali sono considerati comunemente quelle sostanze che non appartengono alla categoria del cibo o dei farmaci e che, contenute nei sistemi terapeutici, sono in contatto con tessuti o con fluidi biologici. Queste sostanze, utilizzate in preparazioni biomediche e farmaceutiche, rivestono un importante ruolo nei devices extracorporei come le lenti a contatto, i dializzatori ma sono anche parti di diversi tipi d'impianti: dai pacemaker cardiaci ai vasi sanguigni. Per avere un'idea dell'importanza dei biomateriali si può affermare che essi entrano in più di 8000 tipi di devices medici, in più di 2500 prodotti diagnostici e in più di 40000 diverse preparazioni farmaceutiche [1].
Anche se i biomateriali hanno già contribuito al successo di un gran numero di approcci terapeutici c'è tutt'ora la necessità di trovare materiali sia ceramici che metallici che polimerici con caratteristiche migliori per le diverse applicazioni. In particolare si ritiene che possano essere apportati significativi miglioramenti ai processi di produzione e caratterizzazione di polimeri usati come:
• Materiali per modulare il rilascio di farmaci e proteine;
• Materiali per protesi tessutali;
• Materiali usati nella microfabbricazione di apparecchiature medicali.
Molti dei materiali polimerici utilizzati clinicamente non erano inizialmente progettati per queste applicazioni e per questo motivo causarono, all'inizio, diversi problemi.
Una validissima alternativa ai processi tradizionali di produzione di biomateriali polimerici è rappresentata dall'utilizzazione di tecnologie basate sull'uso dei fluidi supercritici [2, 3]. Tale utilizzazione consente in molti casi un miglioramento dei processi produttivi tradizionali sfruttando le peculiari proprietà dei fluidi stessi: la possibilità di modulare le loro proprietà fisiche (principalmente viscosità e diffusività) tra quelle caratteristiche dei liquidi e quelle dei gas e il basso impatto ambientale dei fluidi supercritici quali ad esempio il biossido di carbonio. Questo fluido ha una temperatura critica (31.1 °C) compatibile con la stabilità termica di molti materiali e una pressione critica (74 bar) facilmente raggiungibile in processi industriali.
Diverse tecniche di processamento basate sui fluidi supercritici stanno emergendo. Esse si possono dividere nelle seguenti categorie:
• Sintesi di polimeri;
• Generazione di microparticelle;
• Impregnazione;
• Formazione di schiume e membrane nell'ambito dell'ingegneria tessutale.
Uno dei motivi e dei vantaggi della utilizzazione del biossido di carbonio ad alta pressione nelle polimerizzazioni eterogenee è rappresentato dalla possibilità di ottenere direttamente dal reattore dopo la depressurizzazione il polimero sotto forma di particelle non contaminate da solvente e con dimensioni variabili fra 50 nm e i 2 micron in funzione delle condizioni operative adottate e delle proprietà chimico-fisiche dei componenti il sistema di reazione [4]. In questo contesto, un ruolo chiave per la conduzione con buone prestazioni di una polimerizzazione per emulsione o dispersione è da attribuire al tensioattivo utilizzato. Poiché i comuni tensioattivi, progettati per operare in presenza di fasi continue acquose o organiche, sono completamente insolubili in CO2 al fine di stabilizzare la fase polimerica dispersa in biossido di carbonio supercritico è stato necessario mettere a punto una nuova classe di stabilizzanti. Nella struttura molecolare di questi composti è possibile individuare una porzione CO2-filica solubile nel mezzo continuo ed una parte CO2-fobica che esplica un'azione di ancoraggio, mediante aggraffaggio chimico o adsorbimento fisico, sulla superficie delle particelle polimeriche in accrescimento. La porzione solubile in biossido di carbonio si estende nel mezzo continuo ed impedisce la coalescenza delle particelle in virtù delle azioni repulsive che si innescano quando i segmenti delle catene tendono ad occupare la medesima regione dello spazio. La natura della porzione CO2-filica è fortemente condizionata dal comportamento di fase dei materiali macromolecolari in CO2 in quanto gli unici polimeri solubili in condizioni relativamente miti (T <100 °C, P < 400 MPa) sono i perfluorurati amorfi, i polisilossani ed i copolimeri a blocchi polieteri-policarbonati. Più ampia risulta la scelta per la porzione di ancoraggio che può variare da un blocco costituito dalla medesima unità ripetitiva che costituisce il polimero da sintetizzare ad una opportuna unità terminale reattiva che può reagire "in-situ" con le catene polimeriche in accrescimento [5 - 7].

Fra i processi di micronizzazione con fluidi supercritici i più promettenti dal punto di vista delle applicazioni industriali sono la precipitazione con Antisolvente Supercritico (denominata precipitazione SAS) e l'Atomizzazione Assistita da Antisolvente supercritico (denominata SAA). La precipitazione con antisolvente supercritico è una variante della convenzionale cristallizzazione con antisolvente, con la differenza che l'antisolvente non è un liquido ma biossido di carbonio supercritico. Il processo è realizzato alimentando in un precipitatore, attraverso un iniettore coassiale, la soluzione liquida contenente il composto da micronizzare e una corrente di CO2 a temperatura e pressione controllate. Poichè la CO2 ha una elevata diffusività, la soluzione viene rapidamente sovrasaturata. Gli elevati valori di sovrasaturazione che vengono raggiunti determinano la formazione di nuclei primari sferici di tipo amorfo. Controllando i parametri di processo è anche possibile modificare la dimensione e la morfologia delle particelle. Nell' atomizzazione assistita da un fluido supercritico (Processo SAA). la soluzione contenente il composto da micronizzare viene messa in contatto con CO2 in un miscelatore a riempimento. Si forma una miscela ternaria insatura Solvente/soluto antisolvente che viene espansa e atomizzata in un precipitatore operante a pressione atmosferica. La rapida decompressione causa l'esplosione delle gocce di liquido e la precipitazione del soluto sotto forma di particelle amorfe. Nel precipitatore è anche alimentata una corrente di azoto caldo che favorisce l'evaporazione del solvente. I primi tentativi di applicazione delle precipitazione mediante antisolvente supercritico (SAS) risalgono al 1989 [8] e sono relativi alla formazione di microparticelle di esplosivi. Poi la tecnica è stata applicata alla precipitazione di polimeri [9], biopolimeri e prodotti farmaceutici [10]. Il processo è stato provato sia in forma batch che continua e sono state ottenute particelle di dimensioni da un micron fino a centinaia di microns a seconda delle condizioni di processo. In qualche caso è stata anche dimostrata la possibilità di ottenere con queste tecniche particelle dell'ordine di 100 nanometri [11]. Negli ultimi due-tre anni sono stati anche proposti i processi di atomizzazione assistiti da biossido di carbonio supercritico [12] che sono anch'essi molto promettenti in termini di generazione di nanoparticelle [13, 14].
L'impiego del biossido di carbonio quale solvente del farmaco nel processo di impregnazione comporta notevoli vantaggi. In primo luogo, essa tende ad avere un effetto plasticizzante sui polimeri amorfi [15]; questo aumento della mobilità delle catene polimeriche consente di ridurre la necessità di un riscaldamento durante l'impregnazione, fatto importante per sostanze termolabili [16]. Inoltre, il grado di rigonfiamento del polimero può essere variato semplicemente modificando la densità del biossido di carbonio, ciò consente di modulare la quantità di soluto incorporabile nella matrice polimerica [17, 18], ed infine il rigonfiamento facilita il processo di diffusione del soluto; infatti, nel polimero rigonfiato i coefficienti di diffusione del soluto possono aumentare anche di due ordini di grandezza.
Si possono distinguere due differenti meccanismi di impregnazione a seconda della affinità del soluto con la matrice polimerica. Se l'affinità tra il polimero ed il soluto è bassa il farmaco tende a ricristallizzare durante la depressurizzazione, si ha quindi come risultato finale che i cristalli di soluto sono intrappolati nella matrice polimerica. In caso contrario, cioè quando l'affinità del soluto con il polimero è alta si può realizzare una specifica interazione tra la matrice ed il soluto che impedisce la ricristallizzazione durante la depressurizzazione mantenendo il soluto disperso molecolarmente nella matrice polimerica. In questa situazione, il coefficiente di ripartizione del soluto tra la matrice polimerica ed il FSC è alto ed è possibile un'elevata impregnazione del polimero anche in presenza di una bassa solubilità del soluto [19, 20].
L'obiettivo dell'ingegneria tessutale è quello di rigenerare tessuti naturali a partire da cellule viventi per ripristinare tessuti o organi danneggiati.
La ricostruzione dei tessuti in vitro si basa su tre principali e fondamentali aspetti: le cellule, le strutture tridimensionali che le sostengono, denominate scaffolds, e il bioreattore. Gli scaffolds non devono solo costituire un supporto fisico alle cellule ma devono anche regolare la loro differenziazione, proliferazione e morfogenesi. Essi sono generalmente costituiti da una matrice polimerica, altamente porosa e biodegradabile, che si erode nell'ambiente biologico lasciando posto al nuovo tessuto rigenerato [21].
Nella realizzazione degli scaffolds risultano fondamentali quattro principali aspetti: la scelta del polimero, la micro e nano-architettura della struttura, la funzionalizzazione della superficie e il rilascio di principi attivi.
Tra le varie possibili alternative riveste un notevole interesse la precipitazione mediante anti-solvente gassoso [22]. Con questa tecnica di precipitazione si riescono ad ottenere strutture nano-porose, la completa estrazione di tracce di solvente e l'inglobamento di sostanze bio-attive durante lo stesso processo di produzione [22, 23]. Quest'ultimo processo minimizza inoltre l'uso di solventi organici in quanto necessita principalmente di gas ad alta pressione. <<<