ITRM20120169A1 - Dispositivo di rilascio di specie chimiche a controllo ottico - Google Patents

Description

Dispositivo di Rilascio di Specie Chimiche a Controllo Ottico

STATO DELL’ARTE DELL’INVENZIONE

1. Settore dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo di rilascio di specie chimiche a controllo ottico, basato sull’eccitazione luminosa di nanoparticelle che sviluppano calore in modo controllato e localizzato, in cui la specie chimica da rilasciare à ̈ contenuta in aggregati supramolecolari di molecole anfifiliche, come per esempio strutture di tipo micellare o liposomi.

La specie chimica da rilasciare può essere un farmaco o in generale una qualunque sostanza somministrata a scopo terapeutico, diagnostico e/o cosmetico. Tuttavia, l’invenzione non à ̈ limitata a questi ambiti perché può essere applicata in qualunque settore dove à ̈ richiesto un rilascio localizzato e controllato di una specie chimica impiegabile nella presente invenzione.

Le strutture contenenti la specie chimica da rilasciare qui considerate sono di tipo termosensibile, ovvero sono capaci di modificarealcune loro proprietà chimiche e/o strutturali in presenza di una variazione di temperatura, determinando così il rilascio parziale o totale della specie chimica in esse contenuta.

2. Descrizione dello stato dell’arte

Sono note diverse soluzioni d’impiego di aggregati supramolecolari di molecole anfifiliche, in particolare strutture micellari e liposomi, usate per contenere e trasportaresostanze chimiche idrofobiche e idrofiliche.

Per esempio, l’articolo di HuaWei, Si-XueCheng, Xian-Zheng Zhang e Ren-XiZhuo Thermo-sensitive polymeric micelles based on poly(N-isopropylacrylamide) as drug carriers, Progress in Polymer Science 34 (2009) 893-910 descrive diversi tipi di micelle che sono progettate per contenere una specie chimica come un farmaco, e che operano un rilascio di tale specie chimica per effetto di un innalzamento di temperatura al di sopra della temperatura critica di soluzione inferiore di alcuni precursori anfifilici che le costituiscono. Tuttavia, gli stessi autori affermano che i meccanismi di rilascio di farmaci contenuti in micelle richiedono una regolazione locale della temperatura molto accurata, che costituisce un punto critico per la loro applicazione.

Di contro, l’inclusione di farmaci in strutture micellari à ̈ descritta fin dalla domanda di brevetto europeo No. 721,776, che però à ̈ silente circa la somministrazione

 

localizzata del farmaco trasportato, così come nelle domande di brevetto europeo No. 1392254, No. 1418945 e No. 1487892, nelle domande di brevetto USA No.

2006/0216342 e No. 2010/0203150 e nella domanda internazionale di brevetto No.

2005/087825. Inoltre, à ̈ nota la somministrazione orale di strutture liposomiche o proliposomiche che incorporano uno o più farmaci, come descritto per esempio nella domanda internazionale di brevetto No. WO 2006/062544. In questi documenti, non viene presa in considerazione l’eventuale termosensibilità di queste strutture supramolecolari e la specie chimica non viene somministrata in modo localizzato.

La domanda di brevetto USA No. 2002/1012298 descrive diversi tipi di liposomi capaci di incorporare un farmaco che può essere rilasciato nel corpo umano mediante un’ipertermia locale indotta artificialmente mediante riscaldamento localizzato in corrispondenza del sito da trattare, o grazie un innalzamento locale della temperatura corporea, causato per esempio da febbre o infiammazione dei tessuti, con temperature di rilascio variabili tra 38°C e 45°C. Liposomi dello stesso tipo vengono descritti anche nella domanda internazionale di brevetto No. WO 2009/062398.

In assenza di un’ipertermia naturale, l’induzione artificiale di un’ipertermia localizzata può essere realizzata con diversi sistemi di riscaldamento che possono prevedere la somministrazione locale di radiofrequenze, microonde, infrarossi, ma con una procedura che risulta sempre disagevole, invasiva e potenzialmente dannosa per i tessuti adiacenti.

La domanda di brevetto USA No. 2007/0077230 descrive un dispositivo per la somministrazione controllata di liposomi o altre nanostrutture termosensibili contenenti un farmaco, capaci cioà ̈ di rilasciare il farmaco in esso contenuto per via di un innalzamento locale della temperatura. Il dispositivo à ̈ capace di realizzare un’iniezione intratumorale delle nanostrutture attraverso un ago e un riscaldamento localizzato ottenuto con un’antenna operante con radiofrequenze o microonde. L’antenna e l’ago possono essere incorporati nel medesimo dispositivo di somministrazione.

Sebbene in questa soluzione si cerchi di assicurare un’esatta localizzazione del rilascio delle strutture molecolari chiuse, sia la procedura di somministrazione sia la procedura di riscaldamento risultano essere particolarmente invasive.

Il brevetto USA No. 6623430 descrive invece un dispositivo per ottenere la disintegrazione in situ di liposomi contenenti un farmaco, che impiega un trasduttore acustico capace sia di riscaldare localmente il sito di applicazione sia di realizzare

 

una visualizzazione del profilo termico generato.

Un altro documento che descrive la somministrazione di ultrasuoni à ̈ la domanda di brevetto No. 2005/0003008, in cui il farmaco à ̈ incluso in strutture micellari che vengono investite e dissolte mediante l’applicazione di un flusso di ultrasuoni.

Questa forma di energia causa la vibrazione delle molecole anfifiliche che costituiscono la struttura micellare; essa à ̈ pertanto del tutto analoga a una forma di riscaldamento. Tuttavia, il trattamento non coinvolge unicamente le micelle ma qualsiasi tessuto e componente biologico presente in prossimità di dette micelle, causando possibile disagio e possibili danneggiamenti a livello molecolare locale.

La domanda internazionale di brevetto No. WO 2011/001351 descrive strutture formate da molecole anfifiliche come micelle, liposomi, nanosfere, polimerosomi che contengono al loro interno specie chimiche da rilasciare a fini terapeutici. Il rilascio avviene mediante la disintegrazione o il dissolvimento di tali strutture, che viene indotto grazie a uno stimolo esterno che può includere l’impiego di ultrasuoni focalizzati a elevata intensità, radiofrequenze a elevata intensità, campi magnetici variabili a elevata frequenza, ipertermia indotta mediante radiofrequenze, microonde e così via. Il metodo di somministrazione suggerito prevede anche l’inclusione in dette strutture di un agente di contrasto, ovvero un certo numero di particelle magnetiche a base di ferro, nichel, cobalto, zinco, per permettere la loro localizzazione mediante tecniche di visualizzazione di particelle magnetiche, allo scopo di applicare correttamente uno di detti stimoli esterni. Si noti che tali particelle magnetiche, a somministrazione conclusa, permangono nell’organismo insieme alla specie chimica rilasciata.

La domanda di brevetto USA No. 2009/0004258 descrive un sistema di rilascio di farmaci contenuti in liposomi termosensibili in cui sono incluse particelle di materiale paramagnetico come ossido di ferro; esse provocano un riscaldamento localizzato di 2-3°C se investite da un campo magnetico ciclico, causando così il rilascio del farmaco.

La domanda di brevetto USA No. 2009/0054722 descrive una soluzione analoga alla precedente, in cui il riscaldamento à ̈ indotto da un campo magnetico a elevata frequenza. Anche in questi due ultimi casi, le particelle paramagnetiche, una volta disgregato il liposoma termosensibile che le contiene, vengono rilasciate nell’organismo.

Nella domanda di brevetto USA No. 2011/0230568 vengono proposti numerosi tipi di strutture polimeriche termosensibili che possono includere una specie chimica,

 

accoppiandole con una vasta gamma di possibili elementi che possono fornire calore ad esse, tra i quali nanoantenne atte a essere illuminate con un fascio luminoso. Tuttavia, non vengono affrontati né il problema di poter ottenere un effetto di rilascio localizzato della specie chimicada rilasciare, né di poter dosare la specie chimica da rilasciare, né di poter controllare la temperatura necessaria per indurre il rilascio al di sotto di una certa soglia, né di poter localizzare l’effetto termico.

In tutti questi casi à ̈ comunque difficoltoso realizzare un esatto posizionamento delle strutture contenenti la specie chimica da rilasciarea livello del target biologico da trattare, siano esse micelle, liposomi o altro. Di conseguenza, la somministrazione della specie chimica risulta scarsamente localizzata e poco controllabile.

Inoltre, nei casi citati in cuiil dispositivo di rilascio preveda anche la presenza di particelle termofore come particelle paramagnetiche o nanoantenne, non à ̈ contemplata la possibilità di una loro rimozione completa al termine del trattamento. Esse dunque possono rimanere nel sito oggetto della somministrazione e, più in generale, nell’organismo, con possibili effetti tossici nel caso di particelle scarsamente biocompatibili.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Il problema tecnico che la presente invenzione si propone di risolvere consiste nel superamento degli inconvenienti citati con riferimento allo stato dell’arte.

In particolare, uno scopo principale del dispositivo di rilascio secondo l’invenzione à ̈ quello di consentire una somministrazione localizzata di una specie chimica, sfruttando la termosensibilità delle strutture di molecole anfifiliche usate come contenitore, ma senza che ciò richieda un riscaldamento diretto dell’area di applicazione o comunque una procedura invasiva, disagevole e potenzialmente dannosa per tessuti viventi adiacenti all’area di applicazione.

Un altro scopo principale della presente invenzione à ̈ quello di consentire una somministrazione che possa essere posta sotto il totale controllo di un operatore, anche successiva all’applicazione del dispositivo nella sede da trattare con la specie chimica da rilasciare. Inoltre, uno scopo altamente preferibile consiste nella possibilità di effettuare, con il medesimo dispositivo posizionato nella sua sede di somministrazione, dei rilasci sia parziali che ripetibili su un arco temporale senza che ciò richieda l’applicazione di un nuovo dispositivo.

Inoltre si vuole assicurare l’eventuale, se richiesta, completa asportabilità del dispositivo a somministrazione avvenuta. Ulteriormente, si vuole facilitare la

 

manipolazione delle strutture che contengono la specie chimica da rilasciare e delle particelle termofore, ovvero del dispositivo che le contiene fino al suo posizionamento finale.

Il suddetto problema viene risolto da un dispositivo di rilascio come sopra specificato, che comprende:

ï‚· una matrice polimerica porosa con pori di dimensione tale da permettere il passaggio di una specie chimica da rilasciare, detta matrice essendo scelta in modo da essere sostanzialmente trasparente a un flusso luminoso nello spettro visibile o vicino infrarosso;

 una pluralità di particelle nanometriche disperse in detta matrice polimerica porosa con una distribuzione sostanzialmente omogenea, atte ad eccitarsi quando investite da detto flusso luminoso generando calore; e

 una pluralità di strutture termosensibili sotto forma di aggregati supramolecolari di molecole anfifiliche, contenenti detta specie chimica da rilasciare a una temperatura di somministrazione predeterminata, dette strutture essendo disperse in e vincolate a detta matrice polimerica porosa,

detta temperatura di somministrazione predeterminata essendo raggiungibile mediante una intensità di irraggiamento efficace senza influenzare l’integrità strutturale della matrice polimerica porosa.

Secondo esempi di realizzazione preferiti della presente invenzione, la matrice polimerica porosa à ̈ facilmente modellabile in un film sottile e può essere aderita in corrispondenza dell’area dove si intende realizzare il rilascio della specie chimica.

Se quest’ultima à ̈ un farmaco, il film può essere aderito a livello cutaneo o sottocutaneo, ma può anche essere depositato su un sito interno all’organismo, ad esempio da sottoporre o sottoposto a trattamento chirurgico, avendo cura che il polimero che costituisce la matrice sia chimicamente inerte e stabile in ambiente fisiologico per consentire una rimozione del dispositivo in forma integrale, o sia al contrario biodegradabile in ambiente fisiologico in un periodo successivo all’applicazione in situ.

Le particelle nanometriche possono essere di tipo metallico, atte ad essere eccitate con radiazione luminosa, vantaggiosamente proposte in forma di nanocilindri, preferibilmente realizzati in oro con dimensioni e forma predefinite affinché la loro eccitazione possa avvenire a una particolare lunghezza d’onda elettromagnetica compresa nella finestra spettrale del visibile e vicino infrarosso.

 

In particolare, il flusso luminoso potrà essere generato con una lunghezza d’onda compresa fra 500 e 1200 nm, che include la cosiddetta finestra terapeutica, in cui la luce presenta la massima penetrazione all’interno del tessuto biologico. In questo modo, il dispositivo di rilascio potrà essere illuminato direttamente dall’esterno anche se disposto in posizione sottocutanea, per consentire l’afflusso rapido della specie chimica nella zona adiacente all’area di applicazione del dispositivo.

Il flusso luminoso potrà essere fornito sotto forma di un fascio laser a bassa intensità o attraverso l'emissione di un LED, senza che il fascio luminoso interferisca con i tessuti o con la matrice polimerica.

L’eccitazione delle risonanze plasmoniche (cioà ̈ delle oscillazioni collettive di carica elettronica a frequenze caratteristiche forzate dal campo elettrico oscillante della luce incidente) delle nanoparticelle metalliche genera una quantità di calore per effetto fototermico (cioà ̈ per coversione di radiazione in calore a opera di effetti dissipativi nella carica elettronica oscillante sotto azione forzante del campo elettrico luminoso). Tale calore si sviluppa direttamente all’interno del dispositivo di rilascio, senza richiedere un riscaldamento di tipo conduttivodall’esterno. Detto effetto fototermico à ̈ modulabile in funzione dell’intensità di irraggiamento (cioà ̈ della potenza luminosa per unità di superficie) impiegatae del tempo di irraggiamento, determinando un riscaldamento locale di differente entità e durata. Per esempio, tale effetto fototermico può essere mantenuto al di sotto di temperature tali da provocare danni termici irreversibili ai tessuti adiacenti al dispositivo.

Per applicazioni interne all’organismo, in cui non sia possibile illuminare il dispositivo dall’esterno, il flusso luminoso potrà essere fornito da una fibra ottica inserita nell'organismo per via percutanea o endoscopica in modo tale da realizzare una somministrazione controllata, in corrispondenza del sito da trattare, e con il dosaggio necessario.

Gli aggregati supramolecolari di molecole anfifiliche costituiscono una struttura delimitata che può contenere una vasta gamma di specie chimiche rilasciabili con il presente dispositivo. In particolare una struttura micellare potrà contenere una specie chimica poco o non solubile in acqua, mentre un liposoma potrà contenere anche una specie chimica idrofilica.

Nel caso delle strutture micellari, può essere sfruttata la proprietà di alcuni tipi di micelle, di contrarsi o rigonfiarsi se la temperatura viene innalzata, ovvero se la temperatura si allontana anche di pochi gradi da una temperatura di transizione caratteristica. La variazione di volume può stimolare l’espulsione della specie

 

chimica incapsulata in ogni singola struttura micellare.

Nel caso di altre strutture costruite da molecole anfifiliche, come liposomi o altro, l’innalzamento locale della temperatura produce un temporaneo indebolimento dei legami chimici intermolecolari, che rendono tali strutture temporaneamente permeabili, con fuoriuscita controllata della specie chimica contenuta.

Il ripristino della temperatura iniziale, una volta cessato il flusso luminoso, riporta dette strutture nella configurazione iniziale. Queste possono eventualmente contenere un residuo di specie chimica rilasciabile in un secondo momento. In ogni caso, sia tali strutture che le particelle nanometriche termofore rimangono, durante e dopo il rilascio, incluse all'interno della matrice polimerica porosa e non vengono quindi rilasciate insieme alla specie chimica.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 illustra uno schema di un dispositivo per il rilascio di specie chimiche, in cui la matrice polimericacontiene particelle metalliche nanometriche, dette in breve nanoparticelle, come per esempio nanocilindri in oro eccitabili nel vicino infrarosso, e aggregati supramolecolari termosensibili di molecole anfifiliche, per esempio micelle termosensibili contenenti una specie chimica, ed in cui il calore generato dalle nanoparticelle attiva una modificazione strutturale di tali aggregati che porta al rilascio controllato della specie chimica nell’ambiente circostante;

La figura 2 illustra nel diagramma di sinistra gli spettri di assorbimento ottico di matrici polimeriche di chitosano(3,5 % w/v) drogate con nanocilindri in oro con un rapporto di aspetto (rapporto tra l’altezza e il diametro del nanocilindro) di circa 4 e contenenti micelle ditipopolicaprolattone-polietilene ossido-policaprolattone (PCL-PEO-PCL) (10 wt%) a differente densità di particelle espressa come concentrazione d’oro contenuto (a = 0,2 mM; b = 0,4 mM; c = 0,8 mM; d = 1,6 mM; e = 3,2 mM d’oro contenuto); nel diagramma a destra à ̈ illustrata la variazione del rapporto tra l’area dellabanda di assorbimento 1 (S1) nel vicino infrarosso (λ1≈ 810 nm) e dellabanda 2 (S2) nel visibile (λ2≈ 540nm),caratteristiche dei nanocilindri, in funzione del valore di assorbimento massimo della banda 1, per diverse concentrazioni di oro;

La figura 3 comprende alcuni diagrammi che illustrano gli spettri di assorbimento di rodamina 6G rilasciata in soluzione fisiologica (PBS, pH 7,4) da matrici di chitosano (3,5 % w/v) drogate con nanoclindri d’oro con un rapporto di aspetto di circa 4 e con una concentrazione d’oro di 0,8 mM, contenenti micelle di tipo PCL-PEO-PCL (10 wt%) e 1 % w/v di rodamina 6G: a sinistra, al variare dell’intensità di un laser a diodo AlGaAs con emissione a 810 nm dopo 1 minuto di irraggiamento; e a destra,al

 

variare del tempo di irraggiamento a un’intensità fissata di 0,36 W/cm<2>. Nei riquadri piccoli sono riportati i valori di rodamina 6G rilasciata in un volume di soluzione (espressi come Î1⁄4g/mm<3>) al variare dei suddetti parametri;

La figura 4 illustra nel diagramma a sinistra i profili di temperatura misurati al variare dell’intensità media d’irraggiamento (0,32 - 0,36 - 0,41 - 0,46W/cm<2>) di un laser AlGaAs con emissione a 810 nm e modalità di irraggiamento in continua (cw), per stimoli luminosi di 1 minuto su matrici polimeriche di chitosano (3,5 % w/v) drogate con nanocilindri d’oro con un rapporto di aspetto di circa 4e una densità di 0,8 mMe contenenti micelle di tipo PCL-PEO-PCL (10 wt%), immerse in soluzione fisiologica (PBS, pH 7,4); nel diagramma a destra à ̈ mostrata la temperatura massima misurata a livello della matrice che varia linearmente con la intensità di irraggiamento impostata;

La figura 5 mostra un diagramma che illustra il rilascio cumulativo di rodamina 6G da un dispositivo analogo a quello descritto in figura 3, irraggiato per 1 minuto a intervalli di 10 minuti, impiegando un laser a diodo AlGaAs con emissione a 810 nm e una densità di potenza pari a 0,41W cm<-2>;

La figura 6 mostra un diagramma che illustra un’analisi ottenuta con un calorimetro differenziale a scansione di una matrice polimerica di chitosano drogata con nanocilindi d’oro e contenente micelle di tipo PCL-PEO-PCL (linea continua), paragonata a quella ottenuta su un sistema analogo ma privo di micelle (linea tratteggiata), alla velocità di scansione di 5°C/min;

La figura 7 mostra un diagramma che illustra la dimensione media di micelle di tipo PCL-PEO-PCL (soluzione acquosa contenente 1 mg/mL di PCL-PEO-PCL) valutata tramite misure di Dynamic Light Scattering (DLS) al variare della temperatura fra due valori prefissati di 25 °C (in alto) e 50 °C (in basso) su vari cicli di misura;

La figura 8 mostra un diagramma che illustra la similarità tra lo spettro di assorbimento di nanocilindri d’oro in soluzione (linea continua) e lo spettro di assorbimento di una matrice di chitosano drogata con nanocilindri d’oro con un rapporto di aspetto di circa 4e una concentrazione d’oro pari a 0,8mMe contenente micelle di tipo PCL-PEO-PCL (linea tratteggiata).

DESCRIZIONE DI UN ESEMPIO DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

Il contesto nel quale à ̈ stato concepito il presente dispositivo di rilascio secondo l’invenzione à ̈ quello del rilascio controllato di specie chimiche attivato da uno stimolo esterno di luce nel campo del visibile odel vicino infrarosso.

 

In generale, la presente invenzione riguarda lo sviluppo di un dispositivo capace di realizzare un rilascio di una o più specie chimiche, innescato da uno stimolo luminoso. Più in particolare, la presente invenzione riguarda lo sviluppo di un dispositivo impiantabile all'interno dell'organismo o applicabile sulla superficie cutanea o in altro ambiente biologico come una coltura cellulare, un tessuto espiantato o un tessuto artificiale, per il rilascio di specie chimiche attivato da una radiazione luminosa emanata da un dispositivo laser o LED nelvisibile o nel vicino infrarosso, utilizzabile ad esempio nell’ambito di terapie mediche che richiedono l’apporto localizzato e controllato di un farmaco nel tempo. Si intende comunque che tale rilascio potrà servire per finalità non mediche, anche in un contesto diverso da quello biologico.

Il dispositivo di rilascio sopra menzionato à ̈ costituito da una matrice polimerica porosa idratabile, ovvero un idrogel poroso, drogata con una dispersione di nanoparticelle, in particolare nanoparticelle metalliche, che svolgono la funzione di assorbitori con proprietà di conversione luce-calore sotto irraggiamento nelvisibile o nel vicino infrarosso. Un esempio di nanoparticelle à ̈ rappresentato da nanocilindri d’oro.

La generazione di calore attiva a sua volta il rilascio di molecole di una specie chimica caricata all’interno di aggregati supramolecolari termosensibili di molecole anfifiliche; tali aggregati essendo contenutiall’interno della matrice polimerica.

Più nel dettaglio, Il rilascio à ̈ realizzato inviando su tale dispositivo su una porzione di esso una radiazione luminosa che viene assorbita dalle nanoparticelle metalliche contenute nel dispositivo, generando un aumentolocalizzato e controllato di temperatura che, nel caso di applicazioni in vivo, sarà comunque poco al di sopra della temperatura fisiologica e comunque al di sotto del limite di danno termico ai tessuti. Tale riscaldamento del dispositivo o di una porzione di esso attiva una transizione termica caratteristica degli aggregati di molecole anfifiliche con variazione di volume degli stessi e/o della loro permeabilità o comunque di qualche loro proprietà chimica e/o strutturale, a seguito del quale la specie chimica viene liberata nell’ambiente circostante attraverso i pori della matrice polimerica.

L’effetto di rilascio innescato dalla radiazione luminosa à ̈ reversibilee ripetibile in tempi successivi, e modulabile in funzione dell’intensità d’irraggiamento (cioà ̈ potenza luminosa per unità di superficie) e del tempo di esposizione allo stimolo luminoso. La scelta di nanoparticelle con proprietà di assorbimento nel vicino infrarosso (700-1200 nm) consente di impiegare sorgenti di luce maggiormente

 

penetranti all’interno dell’organismo (fino a qualche cm). Tali sorgenti sono compatibili con sistemi commerciali, sia LED sia laser.

Questo dispositivo di rilascio permette di conseguire il rilascio controllato di specie chimiche basato su un effetto fototermico da una matrice ibrida precedentemente caricata con tali specie e contenente una dispersione di particelle metalliche. A differenza di precedenti sistemi l’effetto termico generato dalla conversione del fascio luminoso in calore ad opera delle particelle metalliche e il conseguente effetto di rilascio sono altamente controllabili in funzione della intensità di irraggiamento impiegata e del tempo di esposizione allostimolo luminoso. Questo aspetto fornisce un sistema di controllo accuratoe preciso dell’entità del rilascio.

Con riferimento alla figura 1, il dispositivo di rilascio comprende sostanzialmente almeno quattro componenti.

Il primo di essi à ̈ costituito da una matrice polimerica porosa con pori di dimensione tale da permettere il passaggio e la fuoriuscita di una specie chimica da rilasciare. Il materiale impiegato per realizzare questa matrice, secondo il presente esempio di realizzazione, à ̈ un idrogel, ovvero una struttura costituita da un conglomerato ad elevato contenuto di acqua e di natura polimerica. Esso à ̈ poroso con pori compresi nell’intervallo 10 nm ÷ 5000 nm, e preferibilmente tra 50 e 500 nm.

In un tipo di applicazione, il materiale costituente la matrice porosa à ̈ un idrogel con caratteristiche di biodegradabilità sutempi medio-lunghi (mesi) in condizioni fisiologiche; un materiale che presenta queste caratteristiche à ̈ il chitosano, un polisaccaride lineare composto da D-glucosamina e N-acetil-D-glucosamina, ottenuto per deacetilazione della chitina, generalmente proveniente da esoscheletri di crostacei.Possibili alternative sono altri polisaccaridi come alginato, derivati della cellulosa (carbossimetilcellulosa, metilcellulosa ecc.), destrano, gomma guar ecc. oltre a gel a base di acido acrilico (Carbopol<®>ecc.). Le possibilità tuttavia non sono limitate a questi esempi.

Queste formulazioni sono particolarmente adatte per impianti all’interno di un organismo, oltre ad essere impiegabili anche per applicazioni non mediche. Il materiale che costituisce l’idrogel ha quindi le seguenti caratteristiche: à ̈ insolubile in soluzione acquosa a pH fisiologico e per temperature inferiori a 60 °C, à ̈ modellabile in diverse forme in fase di fabbricazione; à ̈ in grado di essere preparato in forma porosa e non subisce modificazioni termiche nell’intervallo di temperatura di interesse per il rilascio della specie chimica, e comunque per temperature inferiori a 60°C.In una ulteriore versione del trovato, l’idrogel può avere esso stesso effetti

 

farmacologici come, ad esempio, effetti anti-batterici e anti-infiammatori.

Il dispositivo di rilascio à ̈ un struttura di idrogel preferibilmente planare, realizzato in forma di film con una larghezza variabile che dipende dalle condizioni di impiego e con uno spessore compreso tra 10 Î1⁄4m e 1000 Î1⁄4m e preferibilmente tra 40Î1⁄4m e 500 Î1⁄4m. La matrice dell’idrogel, in forma idratata, à ̈ quindi flessibile e facilmente adattabile a superfici irregolari e non planari. Per impianti all’interno dell’organismo il dispositivo può essere fissato alla superficie di un tessuto utilizzando suture o altri dispositivi chirurgici. Per impianti all’esterno (ad es. cute) il dispositivo può essere fissato utilizzando cerotti, garze o fasciature.

A titolo di esempio, una matrice polimerica porosa in chitosano può essere preparata per deposizione di una soluzione acquosa a pH acido (pH tra 2 e 6) di chitosano su opportuni stampi, con una successiva evaporazione del solvente (acqua) preferibilmente effettuata nell’intervallo preferenziale 20 ÷ 35 °C. Al fine di ottenere una matrice contenente pori delle dimensioni precedentemente specificate, viene indotta una insolubilizzazione della matrice mediante alcalinizzazione, per esempio impiegando NaOH 1M per un periodo preferibilmente compreso tra 1 e 30 minuti, seguita da uno o più passaggi di neutralizzazione in acqua, prima che avvenga l’evaporazione completa del solvente, e comunque preferibilmente lasciando passare un tempo compreso tra 30 minuti e 6 ore dalla deposizione.

Il secondo di detti componenti,con riferimento alla figura 1, à ̈ costituito da una pluralità di particelle nanometriche disperse nella suddetta matrice polimerica porosa con una distribuzione sostanzialmente omogenea, atte ad eccitarsi quando investite da detto flusso luminoso generando calore.

Secondo l’esempio di realizzazione qui descritto, tali nanoparticelle sono particelle metalliche capaci di mostrare una risposta ottica, ovvero assorbimento e diffusione di luce, che trae origine dall’eccitazione di risonanze plasmoniche, cioà ̈ oscillazioni collettive di carica elettronica a frequenze caratteristiche, forzate dal campo elettrico oscillante delle luce incidente.

Tali risonanze determinano coefficienti di assorbimento ottico molto elevati, superiori di svariati ordini di grandezza rispetto a quelli dei comuni cromofori organici. L’assorbimento ottico varia quindi in funzione del tipo di metallo, della forma e delle dimensioni delle particelle. Per esempio, nel caso di nanoparticelle d’oro, mentre le particelle di forma sferica presentano un unico picco di assorbimento ottico nel verde intorno a 540 nm, le particelle d’oro non-sferiche come nanocilindri d’oro presentano un picco principale nel vicino infrarosso

 

all'interno della cosiddetta e già citata “finestra terapeutica†(700 ÷ 1200 nm), caratterizzata dalla massima penetrazione della luce all’interno dell’organismo.

Pertanto, le particelle che sono impiegate nel presente dispositivo di rilascio sono preferibilmente in oro e di forma cilindrica (nanocilindri d’oro) e di dimensioni preferenziali tra 20 nm e 120 nm di lunghezza e 5 nm e 30 nm di diametro. Lo spettro di assorbimento di queste particelle può essere modulato in modo da presentare un picco principale a una data lunghezza d'onda all’interno della finestra terapeutica; ciò si realizza tipicamente modificando il rapporto di aspetto tra altezza e diametro delle particelle in fase di preparazione. Tali particelle vengono disperse omogeneamente all’interno dell’idrogel e rimangono ivi confinate grazie alle interazioni instaurate con la matrice polimerica porosa. Densità tipiche delle nanoparticelle all’interno della matrice in forma idratata sono comprese nell’intervallo 0,0001 ÷ 1 wt% e preferibilmente 0,001 ÷ 0,1 wt%.

Tale confinamento rimane inalterato finché la matrice si mantiene integra ed à ̈ dunque dipendente dal processo di degradazione della matrice stessa, variabile a seconda delle condizioni in cui si trova, fermo restando che in molte applicazioni tale matrice, ovvero l’intero dispositivo, à ̈ asportabile dal suo sito di applicazione.

Le nanoparticelle metalliche vengono quindi eccitate con una sorgente luminosa, e in particolare con una sorgente laser o LED, generando una quantità di calore nella matrice inglobante che à ̈ funzione in primo luogo dell’intensità di irraggiamento impiegata.

Lo sviluppo di calore si traduce in un aumento di temperatura localizzato e più precisamente in un gradiente di temperatura da un minimo di 0,5 °C a un massimo di 50 °C, e preferibilmente da un minimo di 3 °C ad un massimo di 23 °C partendo da una temperatura iniziale di 37 °C. La temperatura decade una volta cessata l’eccitazione, in funzione della velocità di dissipazione del calore e dunque delle caratteristiche termodinamiche dell’ambiente in cui il calore viene dissipato. Le particelle mantengono inalterate le proprietà ottiche a seguito dell’irraggiamento sopra descritto, in modo che esso può essere ripetuto un numero di volte imprecisato senza perdita di efficienza.

Le interazioni che si instaurano tra l’idrogel e le nanoparticelle ivi incluse sono tali da mantenere il sistema idrogel/nanoparticelle stabile, nella forma e struttura originaria a seguito dell’irraggiamento sopra descritto. Inoltre le proprietà meccaniche e in particolare la stabilità meccanica della matrice polimerica porosa non sono influenzate dall’irraggiamento luminoso e dalla conseguente generazione interna di

 

calore, nemmeno a seguito di irraggiamenti ripetuti.

Si intende inoltre che, per applicazioni specifiche, le suddette nanoparticelle potranno essere selezionate in forme e composizioni metalliche alternative, e potranno essere costituite anche da nanoparticelle non metalliche, per esempio nanotubi di carbonio, grafene oppure particelle polimeriche contenenti un cromoforo organico con proprietà di assorbimento nel visibile o nel vicino infrarosso. La scelta del tipo di nanoparticelle da impiegare per la fabbricazione del dispositivo à ̈ guidata da ragioni di diversa natura come lunghezza d’onda di lavoro, efficienzadi trasduzione fototermica, tossicità, degradabilità, stabilità fototermica e affinità per la matrice porosa.

La terza di dette componenti del dispositivo di rilascio secondo il presente esempio di realizzazione à ̈ una pluralità di strutture termosensibili sotto forma di aggregati supramolecolari di molecole anfifiliche, contenenti detta specie chimica da rilasciare a una temperatura di somministrazione predeterminata. Queste strutture sono disposte in modo tale che siano disperse nella detta matrice polimerica porosa, con una distribuzione preferibilmente omogenea, in modo tale da essere vincolate alla matrice stessa.

Esiste una vasta gamma di strutture supramolecolari di molecole anfifiliche, che cioà ̈ contengono sia gruppi funzionali idrofobici che idrofilici. Esempi di molecole con caratteristiche anfifiliche sono fosfolipidi, tensioattivi neutri e ionici,acidi grassi, copolimeri a blocchi, ecc.. Particolarmente preferiti sono i fosfolipidi e i copolimeri a blocchi. Esempi di aggregati di molecole anfifiliche del tipo sopra specificato sono micelle, liposomi e polimerosomi.

Le strutture micellari o micelle si formano quando, in condizioni di temperatura uguale o superiore alla temperatura di Krafft, la concentrazione delle molecole anfifiliche raggiunge una livello critico, indicato come concentrazione micellare critica (CMC). A questa concentrazione critica, le molecole si aggregano generando strutture supramolecolari generalmente sferiche, ma anche di altra forma come cilindriche, lamellari o discoidali. Nei solventi polari, ovvero in acqua, la porzione idrofobica della molecola anfifilica si orienta all’interno dell’aggregato formando il nucleo della micella, mentre la porzione idrofilica si orienta all’esterno costituendo lo strato superficiale della micella.Il nucleo,essendo di natura idrofobica, può essere impiegato per contenere una sostanza non o poco solubile in acqua, ovvero sostanzialmente lipofila, che rimane imprigionata all’interno della micella.

Per liposoma si intende invece una capsula o vescicola normalmente sferica che à ̈

 

generalmente formata da fosfolipidi, i quali si organizzano a formare una membrana a doppio strato in ambiente acquoso o polare. Al centro del liposoma si forma quindi una cavità che può essere usata per contenere un composto solubile in acqua, ovvero una sostanza idrofilica. Le pareti del liposoma possono essere impiegate viceversa per confinare un composto poco o nonsolubile in acqua, ovvero una sostanza idrofobica.

Per polimerosoma s’intende invece tipicamente una vescicola composta da copolimeri a blocchi anfifilici, che possono contenere una cavità acquosa, impiegabile per contenere una sostanza idrofilica rilasciabile all’esterno. Similmente ai liposomi, sostanze idrofobiche possono essere confinate all’interno della membrana del polimerosoma.

Le strutture supramolecolari sopra menzionate sono, secondo la presente invenzione, termosensibili, ovvero hanno la proprietà di subire una modificazione strutturale ad una certa temperatura di transizione che favorisce un rilascio della sostanza contenuta al loro interno.

Nel caso delle strutture micellari, può essere sfruttata la loro proprietà di contrarsi o rigonfiarsi se la temperatura viene innalzata, ovvero se la temperatura si allontana anche di pochi gradi da una temperatura di transizione caratteristica. La contrazione può produrre l’espulsione di una specie chimica incapsulata in ogni singola struttura micellare. Possibili strutture micellari termosensibili impiegabili nel dispositivo oggetto della presente invenzione sono: micelle contenenti poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm) come blocco idrofobico o idrofilico in associazione con blocchi idrofilici o idrofobici come polietileneglicole (PEG) (o polietilene ossido (PEO)), polimetilmetacrilato (PMMA), policaprolattone (PCL), polistirene (PS), acido poli(lattico-co-glicolico)(PLGA), polibutilacrilato (PBA) ecc.; micelle contenenti PEG (o PEO) esposto esternamente e un nucleo formato da blocchi di poliaminoacidi (PAA), poliaminoesteri (PAE), policaprolattone (PCL), polipropilene ossido (PPO), polibutilene ossido (PBO), ecc..

Nel caso di altre strutture supramolecolari costituite da molecole anfifiliche, come liposomi o altro, l’innalzamento locale della temperatura può produrre un temporaneo indebolimento dei legami chimici intermolecolari ad una temperatura di transizione caratteristica, che rende le paretidi tali strutture temporaneamente permeabili, con fuoriuscita controllata della specie chimica contenuta. Possibili strutture liposomiche termosensibili nel dispositivo oggetto della presente invenzione contengono i seguenti fosfolipidi o miscele di questi fosfolipidi:

 

fosfatidilcolina (PC), fosfatidilglicerolo (PG), fosfatidilserina (PS), fosfatidilinositolo (PI) e loro derivati. Possono esistere comunque anche alternative differenti. I liposomi del dispositivo possono contenere colesterolo. I liposomi del dispositivo possono contenere PEG o essere modificati con polimeri termosensibili come PNIPAAm o altri polimeri.

Il ripristino della temperatura iniziale, al cessare del flusso luminoso, vede dette strutture ritornare chiuse ed integre, eventualmente contenenti un residuo di specie chimica rilasciabile in un secondo momento. In ogni caso, sia le strutture chiuse sia le particelle nanometriche termofore rimangono, durante e dopo il rilascio, integrate dentro la matrice polimerica porosa e non vengono quindi rilasciate insieme alla specie chimica, almeno fino a che non avvengano fenomeni di degradazione di detta matrice.

L’esempio di realizzazione del dispositivo di rilascio qui descritto comprende preferibilmente micelle, preferibilmente costituite da polimeri a blocchi con blocchi idrofobici e blocchi idrofilici. In particolare il polimero impiegato per le micelle termosensibili del presente esempio di realizzazione à ̈ un copolimero a tre blocchi contenente catene di policaprolattone (PCL) e polietilene ossido (PEO) di tipo PCL-PEO-PCL con pesi molecolari preferenzialmente di 500 ÷ 1000 Da e 1000 ÷ 2000 Da per ciascunodei due blocchi di PCL e il blocco di PEO rispettivamente.Questemicelle sono contenute all’interno dei pori della matrice polimerica porosa e sono in contatto termico con essa. Si intende che le micelle possono trovarsi all’interno della matrice porosa in forma isolata o in forma di dimero o aggregato superiore in funzione della loro concentrazione e della loro tendenza all’aggregazione. La concentrazione delle strutture supramolecolari di molecole anfifiliche all’interno del dispositivo di rilascio ha come limite massimo di circa 70 wt% ed à ̈ preferenzialmente nell’intervallo 5 ÷ 50 wt%.

Tuttavia, il suddetto limite massimo preciso dipende sostanzialmente dal rischio di compromettere la tenuta della matrice porosa del dispositivo, mentre non c’à ̈ un limite minimo. Un esempio di densità utile può trovarsi nell’intervallo 10 ÷ 30 wt% di micelle. La matrice porosa presa da sola equivale a una densità di circa 5 ÷ 10 wt%, più c’à ̈ un inevitabile contenuto di acqua che di solito à ̈ intorno al 50 ÷ 60 wt%. Tale contenuto di acqua può variare da polimero a polimero ma trattandosi di idrogel à ̈ comunque sempre presente.

Tali micelle sono termosensibili, ovvero possono subire una modificazione strutturale a valori di temperatura al di sopra di una determinata temperatura di

 

transizione caratteristica. La modificazione strutturale può consistere in una variazione del volume medio della micella come ad esempio un restringimento (contrazione) con stimolazione dell’espulsione di molecole di una specie chimica precedentemente caricata al suo interno, per esempio un agente farmacologico. La variazione di volume può essere dovuta ad un cambiamento dei parametri di solubilità dei blocchi costituenti la catena polimerica all’aumentare della temperatura. La transizione strutturale delle micelle cade preferenzialmente sopra i 37°C ed in modo particolare al di sopra dei 38°C e sotto i 60°C. La transizione strutturale à ̈ reversibile e dunque può essere indotta in modo ripetuto e in tempi successivi per un numero di volte imprecisato e comunque non inferiore a dieci senza perdita di efficienza.

La specie chimica, quarta componente del dispositivo secondo la presente invenzione, viene caricata all’interno delle strutture supramolecolari di molecole anfifiliche, ovvero nel presente esempio nelle micelle contenute nella matrice polimerica.

La specie chimica può essere per esempio un agente farmacologico, in particolare un agente farmacologico antitumorale. Altri esempi di specie chimiche caricabilinelle strutture chiuse di molecole anfifiliche sono ad esempio: anestetici, antiinfiammatori, antibiotici, agenti antivirali, analgesici, antidepressivi, anticoagulanti, diuretici, anticolinergici, vasodiladatori, farmaci per l’ipertensione, sedativi, farmaci per curare malattie croniche come diabete, problemi cardiovascolari, problemi neurodegenerativi, malattie autoimmuni, Parkinson, Alzheimer, ecc. Le specie chimiche caricabili possono essere ormoni, anticorpi, proteine, glicoproteine, lipoproteine, polisaccaridi, acidi nucleici, composti organometallici, ecc. . Le specie chimiche caricabili possono essere dei coloranti, dei flurofori, dei fotosensibilizzanti e degli agenti di contrasto da utilizzare in svariati ambiti come ad esempio quello estetico, oltre che biomedico e farmacologico.

Impiegando micelle, la specie chimica caricabile à ̈ scarsamente solubile in acqua, à ̈ solo minimamente affine alla matrice porosa ed à ̈ prevalentemente affine al nucleo idrofobico delle micelle. La specie chimica può essere rilasciata dalla micella nell’ambiente circostante in seguito ad un aumento di temperatura che induce una modificazione strutturale nella micella come sopra descritto. L’aumento di temperatura à ̈ a sua volta prodotto dalla conversione di uno stimolo luminoso in calore, mediato dall'assorbimento ottico di particelle metalliche disperse nella matrice porosa con cui le micelle sono in contatto termico. L’aumento di temperatura consente di raggiungere quindi una caratteristica temperatura di somministrazione

 

alla quale la specie chimica viene parzialmente o completamente espulsa dalla struttura di molecole anfifiliche.

Il rilascio della specie chimica dal dispositivo di rilascio à ̈ modulabile in funzione dei parametri di irraggiamento, in particolare l’intensità della radiazione e il tempo di esposizione alla radiazione. Tali parametri consentono di innalzare la temperatura,in primo luogo,dell’ambiente in cui sono presenti le strutture di molecole anfifiliche, finoad un valore corrispondente alla temperatura di somministrazione, e di controllare la durata dell’esposizione a tale temperatura. La temperatura di somministrazione à ̈ identificata da una intensità efficace del flusso luminoso che eccita le nanoparticelle disperse nella matrice senza influenzare la stabilità meccanica, la struttura e la forma della matrice polimerica porosae senza indurre danni termici irreversibili alle strutture biologiche circostanti,ma comunque sufficiente ad attivare una transizione termica caratteristica delle strutture di molecole anfifiliche affinché possa essere indotto un rilascio delle specie chimiche ivi contenute.

Entrando più nel dettaglio del presente esempio di realizzazione, il dispositivo di rilascio qui descritto à ̈ capace di mantenere inalterate le caratteristiche chimicofisiche e di rilascio attivato dalla luce per almeno 30 giorni, se conservato in soluzione fisiologica (PBS, pH 7,4) alla temperatura di 4°Ã· 10°C.

Le proprietà di assorbimento ottico, in particolare nel vicino infrarosso, del dispositivo di rilascio qui descritto dipendono in maniera quasi esclusiva dalla presenza delle nanoparticelle metalliche (giacché altre componenti assorbono solo debolmente nel visibile e nel vicino infrarosso). É possibile variare la densità delle nanoparticelle metalliche in modo tale da ottenere una dispersione omogenea ottimale di queste all’interno della matrice polimerica porosa e dunque un effetto fototermico efficiente e riproducibile.

Con riferimento alla figura 2, sono rappresentati gli spettri di assorbimento di matrici di chitosano (3,5 % w/v) drogate con nanocilindri d’oro con un rapporto di aspetto di circa 4a differente densità di particelle espressa come concentrazione d’oro contenuto, e contenenti micelle di tipo PCL-PEO-PCL (10 wt%) sopra descritte: le curve sono identificate come (a), (b), (c), (d) e (e) con le seguenti concentrazioni: a = 0,2 mM; b = 0,4 mM; c = 0,8 mM; d = 1,6 mM; e = 3,2 mM d’oro contenuto. Inoltre, sono rappresentate anche le variazioni del rapporto tra l’area della banda 1 (S1) nel vicino infrarosso (λ = 810 nm) e della banda 2 (S2) nel visibile (λ = 540nm) in funzione del valore di assorbimento massimo della banda 1. Una diminuzione del

 

rapporto S1/S2 indica un deterioramento delle proprietà ottiche del dispositivo.

Si nota che formulazioni a concentrazioni medio basse d’oro nell'intervallo 0,2 ÷ 0,8 mM (curve a ÷ c) rappresentano una soluzione di compromesso tra un’adeguata capacità di assorbimento ottico, e dunque di conversione fototermica, e una distribuzione sostanzialmente omogenea delle particelle all’interno della matrice. Per concentrazioni più elevate, cioà ̈ maggiori di 0,8 mM d’oro (curve d - e), si verificano effetti sostanziali di aggregazione tra particelle che favoriscono effetti di accoppiamento plasmonico, dovuti alla distanza ravvicinata fra le particelle, con conseguente allargamento e diminuzione d’intensità della banda di assorbimento spettrale nel vicino infrarosso, che si traducono in uno scarso controllo sulla risposta ottica del sistema e in una perdita di efficienza della conversione fototermica. Questo effetto à ̈ ben evidenziato nei diagrammi di figura 2.

Pertanto, poter mantenere le nanoparticellea distanza sufficiente fra di loro à ̈ essenziale per garantire sia l’efficienza che la riproducibilità del sistema fototermico, e dunque del rilascio di specie chimica. L’effetto di accoppiamento plasmonico si verifica per distanze inferiori a 2,5 volte il diametro della particella ed à ̈ stato studiato in particolare per nanoparticelle d’oro con assorbimenti nel vicino infrarosso come nanocilindri, nanoshells silice/oro, nanocages e nanoframes. Una possibile variante, per ovviare al problema dell’accoppiamento plasmonico nel caso di concentrazioni elevate di particelle, à ̈ quella di usare materiali di rivestimento di natura organica come polietileneglicole (PEG) o inorganica come silice o silicio per mantenere la loro separazione fisica ai valori sopra indicati. L’opportunità di disperdere omogeneamente le nanoparticelle nella matrice polimerica, oltre a ottimizzare l’assorbimento del sistema come sopra discusso, permette anche di ottenere una distribuzione di temperatura omogenea all’interno del dispositivo di rilascio e dunque un effetto di rilascio maggiormente controllabile. Tutte le strutture supramolecolari di molecole anfifiliche in media subiranno un aumento di temperatura simile e dunque rilasceranno una determinata quantità di specie chimica (cioà ̈ mediamente uguale). I vantaggi di avere una formulazione così ottimizzata garantisce ottime prestazioni di rilascio e la possibilità di controllare, in base a parametri di irraggiamento (intensità di irraggiamento e tempo di esposizione), l’entità della specie chimica rilasciata.

Pertanto, la densità dei nano cilindri d’oro preferibilmente impiegabile in un dispositivo formulato come descritto in figura 2 corrisponde ad una concentrazione d’oro tra 0,2 mM e 0,8mM.

La bontà di questa scelta à ̈ confermata dalla corrispondenza (figura 8) tra lo spettro

 

di assorbimento ottico di una soluzione acquosa contenente nanocilindri d’oro e lo spettro di un dispositivo di rilascio come sopra descritto contenente una concentrazione di oro pari a 0,4 mM (cioà ̈ al di sotto di una soglia a cui si verifica accoppiamento plasmonico). Tale corrispondenza indica che il dispositivo di rilascio come sopra descritto e con una densità di particelle al di sotto di una certa soglia possiede delle caratteristiche tali da mantenere mediamente isolate le nanoparticelle.

In presenza di una matrice con un’ottimale dispersione di nanoparticelle, la quantità di specie rilasciata può essere modulata variando parametri fondamentali di irraggiamento quali la potenza luminosa per unità di superficie e il tempo di esposizione al trattamento fototermico. Con riferimento alla figura 3, sono rappresentati gli spettri di assorbimento di rodamina 6G rilasciata in soluzione fisiologica da matrici porose di chitosano (3,5 % w/v) drogate con nanocilindri d’oro con un rapporto di aspetto di 4 e una densità di 0,8 mM di oro contenuto, contenenti micelle di tipo PCL-PEO-PCL (10 wt%) e 1 % w/v di rodamina 6G: a sinistra, al variare della intensità di irraggiamento prodotto da un laser a diodo AlGaAs a 810 nm operante in modalità continua (cw) dopo 1 minuto di irraggiamento; a destra,al variare del tempo di irraggiamento con un’intensità costante di 0,36 W/cm<2>. Nei riquadri piccoli sono indicati i valori in Î1⁄4g/mm<3>di rodamina 6G rilasciata in soluzione al variare di questi stessi parametri. Dai test effettuati emerge la possibilità di controllare la quantità di specie chimica rilasciata in funzione dei parametri di irraggiamento,come si evincedall’andamento sostanzialmente lineare della quantità rilasciata. Si sottolinea la possibilità che tale andamento lineare possa essere progressivamente modificato dall’esaurimento della specie caricata all’interno del dispositivo di rilascio (non mostrato). Quest’ultimo fenomeno può essere controllatoagendo sulla quantità di specie chimica caricata, sulla densità di strutture di molecole anfifiliche nel dispositivo e sulle condizioni sperimentali in cui avviene il rilascio.

L’aumento di temperatura ottenuto a seguito dello stimolo luminoso può essere controllato variando l’intensità di irraggiamento come mostrato nel diagramma a sinistra di figura 4 che mostra i profili di temperatura misurati al variare della intensità media d’irraggiamento (0,32 - 0,36 - 0,41 - 0,46W/cm<2>) di un laser a diodo AlGaAs a 810 nm operante in modalità continua (cw) per stimoli luminosi di 1 minuto su dispositivi di rilascio costituiti da matrici di chitosano (3,5 % w/v) drogate con nano cilindri d’oro con un rapporto di aspetto pari a 4 e con una concentrazione di 0,8 mM, contenenti micelle di tipo PCL-PEO-PCL (10 wt%) e immerse in soluzione

 

fisiologica. Nel diagramma di destra si mostra comela temperatura massima misurata a livello dei dispositivi varia linearmente con l’intensità di irraggiamento impostata.

Verrà di seguito descritto un esempio ancor più dettagliato di dispositivo di rilascio secondo la presente forma di realizzazione.

ESEMPIO

Un esempio di somministrazione da un dispositivo di rilascio secondo la forma di realizzazione qui descritta à ̈ illustrato con riferimento alle figure da 5 a 8. L’esperimento à ̈ realizzato utilizzando un laser a diodo di AlGaAs con emissione a 810 nm e una densità di potenza pari a 0.41 W/cm<2>, prodotta utilizzando una fibra da 600 µm di nucleo, mantenuta perpendicolarmente alla matrice polimerica a una distanza di circa 4 cm e diaframmando la sua emissione con un’iride di 2 mm di diametro, in modo tale da ottenere una distribuzione di intensità il più possibile costante sulla superficie illuminata. La matrice à ̈ costituta da chitosano strutturato in forma porosa e contiene nanoclindri d’oro con rapporto di aspetto di circa 4, che determina un picco di assorbimento ottico intorno a 800-820 nm.

All’interno della matrice sono contenute micelle termosensibili di PCL-PEO-PCL con una transizione termica poco al di sopra della temperatura fisiologica, cioà ̈ intorno ai 40 °C. Tali micelle sono in grado di ridurre le loro dimensioni medie di circa un terzo al di sopra della temperatura di transizione e,conseguentemente, stimolare il rilascio di una specie chimica precedentemente caricata, che nel presente caso à ̈ rappresentata da rodamina 6G.

L’esperimento à ̈ stato realizzato mantenendo la matrice immersa in soluzione fisiologica (PBS, pH 7,4) a 25 °C. L’irraggiamento laser à ̈ stato fissato ad una durata di 1 minuto ed à ̈ stato ripetuto a distanza di 10 minuti. All’inizio e al termine di ogni periodo d’irraggiamento à ̈ stato misurato lo spettro di assorbimento ottico della soluzione. Nel grafico di figura 5 à ̈ riportata la percentuale cumulativa di rodamina 6G rilasciata, calcolata dai valori di assorbimento massimo misurati in corrispondenza del picco della rodamina 6G a 530 nm.

Si osserva un rilascio ripetuto di rodamina 6G dal dispositivo, che evidenzia la reversibilità del sistema. La quantità di rodamina 6G rilasciata diminuisce progressivamente nei vari intervalli di irraggiamento a causa del progressivo svuotamento della matrice.

Il sistema sopra descritto conserva le dimensioni iniziali anche dopo trattamento

 

termico o fototermico come evidenziato dalla valutazione del rapporto di contrazione (deswelling - DSR). Tale rapporto à ̈ stato valutato misurando il peso del dispositivo di rilascio prima del trattamento fototermico sopra descritto (t0) e dopo 1 minuto dal trattamento (t1) e calcolato secondo l’espressione DSR = 100 x ((Peso(t1)-Peso(t0))/Peso(t0)); il risultato à ̈ di una diminuzione di pesodiï 3⁄4 1 % per tempi fino a 30 minuti di trattamento fototermico (laser a diodo AlGaAs con emissione a 810 nm e una intensità pari a 0,41W cm<-2>), che può essere associato ad una variazione trascurabile del volume iniziale e comunque entro i limiti dell’errore di misura. Questa caratteristica à ̈ il risultato della presenza di una struttura portante (idrogel) che non subisce modificazioni strutturali nell’intervallo termico di interesse per il rilascio e che viceversa contiene micelle che possiedono una transizione di fase nell’intervallo di interesse (vedi figura 6) che determina una contrazione di circa un terzo del loro volume (vedi figura 7) ma che non si ripercuote sulla struttura della matrice.

Più nel dettaglio, il confronto tra i termogrammi di un dispositivo privo e uno contenente micelle di PCL-PEO-PCL (vedi figura 6), evidenzia l’assenza di variazioni di rilievo nell’intervallo di temperatura 15 ÷ 65 °C nel primo caso e, viceversa, una transizione endotermica con picco a circa 40 °C nel secondo caso. Questa transizione può dunque essere attribuita alla presenza delle micelle di PCL-PEO-PCL contenute nel dispositivo. L’analisi DLS (figura 7) mette in evidenza una consistente variazione di volume al variare della temperatura da valori più bassi (25 °C) a valori più alti (50 °C) della temperatura di transizione.

* * *

Riassumendo, l’invenzione permette di ottenere un rilascio attivato da radiazione luminosa di molecole di una specie chimica da un dispositivo di rilasciocon le seguenti caratteristiche:

 controllabile in funzione del tempo e della intensità d’irraggiamento, a date concentrazioni di strutture supramolecolari di molecole anfifiliche e di specie chimica caricata;

ï‚· ripetibile nel tempo perché l’effetto di attivazione termica delle strutture chiuse a base di molecole anfifiliche à ̈ reversibile;

ï‚· realizzabile tramite un effetto fototermico localizzato che può essere controllato dall’operatore e mantenuto sotto livelli di danno termico irreversibile per le componenti biologiche e tissutali adiacenti al dispositivo, agendo sulla intensità e sulla durata dell’irraggiamento (cioà ̈ sulla

 

temperatura media raggiunta e sul tempo di esposizione a quella temperatura);

ï‚· il processo di rilascio à ̈ a carico di strutture supramolecolari termosensibili che subiscono una modificazione delle dimensioni medie e/o della loro permeabilità o comunque di qualche loro proprietà chimica e/o strutturaledurante la durata dell’irraggiamento ma non si ripercuote sulla integrità, struttura, proprietà meccaniche e posizionamento della matrice porosa costituente il dispositivo;

 ad attivazione rapida, perché l'effetto fototermico permette di ottenere un innalzamento di temperatura in tempi brevi ovvero dell’ordine dei secondi.

Al dispositivo di rilascio di specie chimiche a controllo ottico precedentemente descritto un tecnico del ramo, per ovviare a inconvenienti contingenti o per rispondere a esigenze specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti senza peraltro uscire dall’ambito di tutela, come definito dalle rivendicazioni annesse.

 

Claims (19)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo di rilascio di specie chimiche a controllo ottico, comprendente:  una matrice polimerica porosa con pori di dimensione tale da permettere il passaggio di una specie chimica da rilasciare, essendo detta matrice sostanzialmente trasparente a un flusso luminoso;  una pluralità di particelle nanometriche disperse in detta matrice polimerica porosa con una distribuzione sostanzialmente omogenea, atte ad eccitarsi quando investite da detto flusso luminoso generando calore; e  una pluralità di strutture supramolecolari termosensibili di molecole anfifiliche, contenenti detta specie chimica da rilasciare a una temperatura di somministrazione predeterminata, dette strutture essendo disperse in e vincolate a detta matrice polimerica porosa, detta temperatura di somministrazione predeterminata, essendo indotta da una intensità di irraggiamento efficace di detto flusso luminoso senza influenzare l’integrità strutturale della matrice polimerica porosa.
2. 2. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui la matrice polimerica porosa à ̈ fornita sotto forma di un film sottile con uno spessore compreso tra 10 Î1⁄4m e 1000 Î1⁄4m e preferibilmente tra 40 Î1⁄4m e 500 Î1⁄4m.
3. 3. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui i pori della matrice polimerica hanno dimensioni comprese nell’intervallo 10 nm ÷ 5000 nm, preferibilmente tra 50 e 500 nm.
4. 4. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui detta specie chimica comprende almeno un agente farmacologico, in particolare un agente farmacologico antitumorale.
5. 5. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui dette particelle nanometriche sono metalliche, atte adessere eccitate a determinate frequenze di risonanza plasmonica se illuminate da un fascio luminoso, preferibilmente in forma di nanocilindri.
6. 6. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 5, in cui dette particelle nanometriche sono nanocilindri d’oro.
7. 7. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 6, in cui le particelle nanometriche hanno dimensioni e un rapporto d’aspetto tali da essere eccitate a determinate frequenze di risonanza plasmonica quando illuminate da un flusso   luminoso con lunghezza d’onda compresa nell’intervallo 500 ÷ 1200 nm.
8. 8. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 6, in cui dette particelle nanometriche hanno dimensioni preferenziali tra 20 nm e 120 nm di lunghezza e 5 nm e 30 nm di diametro.
9. 9. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 5, in cui dette particelle nanometriche all’interno di detta matrice polimerica porosa in forma idratata sono comprese nell’intervallo 0,0001 ÷ 1 wt% e preferibilmente 0,001 ÷ 0,1 wt%.
10. 10. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura supramolecolare à ̈ una struttura micellare.
11. 11. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui detta matrice polimerica porosa à ̈ un idrogel.
12. 12. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 11, in cui detto idrogel comprende chitosano.
13. 13. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 12, in cui la matrice polimerica porosa in chitosano à ̈ preparata per deposizione di una soluzione acquosa a pH acido di chitosano con una successiva evaporazione del solvente effettuata nell’intervallo 20 ÷ 35 °C.
14. 14. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 13, in cui detta evaporazione à ̈ preceduta da una insolubilizzazione della matrice mediante alcalinizzazione per un periodo preferibilmente compreso tra 1 e 30 minuti, seguita da uno o più passaggi di neutralizzazione in acqua, prima che avvenga l’evaporazione completa del solvente, lasciando passare un tempo compreso tra 30 minuti e 6 ore dalla deposizione.
15. 15. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 10, in cui detta struttura micellare à ̈ costituita da copolimeri a blocchi.
16. 16. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 15, in cui detta struttura micellare contiene catene di policaprolattone (PCL) ed polietilene ossido (PEO).
17. 17. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 6, in cui la concentrazione dell’oro in forma di nanocilindi à ̈ preferenzialmente compresa nell’intervallo tra 0,2 mM e 0,8 mM.
18. 18. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 17, in cui la distanza minima tra nanocilindri d’oro à ̈ uguale o superiore a 2,5 volte il diametro della particella nanometrica metallica.  
19. 19. Dispositivo di rilascio secondo la rivendicazione 1, in cui dette particelle nanometriche sono rivestite da un materiale di natura organica, preferibilmente polietileneglicole (PEG) o inorganica, preferibilmente silice o silicio.