Synthesis and characterization of smart hydrogels for controlled drug release considering RAFT polymerization and SEC tetra-detection

• Author(s): Machado, Carla Alexandra Lopes
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10198/10336
• Origin: Biblioteca Digital do IPB
• Subject(s): Polimerização RAFT; Micro reator; Impressão molecular
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Dias, Rolando
• Contributor(s): Biblioteca Digital do IPB

Description

Os hidrogéis inteligentes têm importantes aplicações nas áreas da biotecnologia, biomedicina, farmácia e ambiente. A libertação de fármacos ou de genes, bio separações, bio sensores e engenharia dos tecidos são alguns exemplos de processos onde esta classe de materiais avançados mostram um aumento da sua importância ao longo do tempo. Este trabalho é dedicado à síntese, caracterização e avaliação do desempenho de hidrogéis inteligentes para aplicações de adsorção e libertação (dessorção) de fármacos. Esta pesquisa pretende contribuir para o desenvolvimento de ferramentas de projeto relacionando as condições de síntese com a estrutura e a performance final neste tipo de materiais. A Polimerização Radicalar Clássica (FRP) e a Polimerização via Transferência de Cadeia Reversível por Adição-Fragmentação (RAFT) são ambas consideradas no programa experimental efetuado. O efeito da técnica de polimerização (FRP/RAFT) na estrutura e propriedades dos hidrogéis inteligentes é assim avaliada. Neste trabalho foi construído um micro reator de fluxo contínuo que permitiu a produção de partículas destes hidrogéis. A comparação da estrutura e propriedades destes materiais sintetizados em reator fechado e num micro reator de fluxo contínuo foi também feita. A impressão molecular foi considerada como o terceiro vetor de pesquisa para obter hidrogéis avançados com propriedades adaptadas. Polímeros Molecularmente Impressos (MIP) foram produzidos em reator fechado e em micro reator de fluxo continuo considerando, alternativamente, as técnicas de polimerização FRP/RAFT. Uma combinação inovadora de diferentes ferramentas de projeto (técnica de síntese/tipo de reator/impressão molecular) foi assim tentada nesta pesquisa. Informação relativa à arquitetura molecular dos materiais sintetizados, especialmente a estrutura dos polímeros lineares solúveis análogos aos hidrogéis, foi obtida usando Cromatografia de Exclusão de Tamanho (SEC) com tetra-deteção, nomeadamente Índice de Refração (IR), Ultravioleta (UV), Dispersão de Luz (LS) e Viscosidade Intrínseca (VI). Estas análises foram efetuadas utilizando diretamente a água como eluente (tentando assim evitar o uso de solventes orgânicos na análise de materiais compatíveis com a água). Foram identificadas grandes diferenças entre a estrutura de produtos FRP e RAFT utilizando esta técnica de caracterização, que confirma a utilidade da polimerização RAFT na modificação das propriedades dos polímeros. As propriedades finais dos hidrogéis sintetizados, nomeadamente a adsorção e libertação de fármacos, foram testadas usando diferentes abordagens experimentais. Foram consideradas diferentes fármacos utilizados na medicina como o 5-Fluoruracilo (usado no tratamento do cancro), o ibuprofeno (anti-inflamatório/analgésico), a isoniazida (utilizada no tratamento da tuberculose) e a cafeina (estimulante do sistema nervoso central). Numa primeira fase, considerando adsorção em modo fechado (incubação) destes fármacos em hidrogéis inteligentes, as posteriores dinâmicas de libertação dos fármacos foram medidas experimentalmente, também em modo fechado, utilizando espectroscopia UV. As mudanças de temperatura e pH foram consideradas como estímulos para provocar estes processos de libertação. Materiais baseados em ácido acrílico (introduzindo nas redes sensibilidade ao pH) e N-isopropilacrilamida (introduzindo nas redes sensibilidade à temperatura) foram usadas com este objetivo. Estudos relativos à adsorção de fármacos (especialmente a cafeína) em modo fechado em hidrogéis inteligentes produzidos neste trabalho foram explorados com o intuito de medir isotérmicas de adsorção. Extração em Fase Sólida (SPE) foi também considerada com intenção de avaliar a quantidade de fármaco adsorvida nos hidrogéis quando as condições do meio envolvente (pH das soluções e portanto a razão de inchamento das redes) são alteradas. A Análise Frontal, uma técnica de alta precisão para testes de adsorção, foi considerada numa última etapa para avaliar a performance dos hidrogéis inteligentes sintetizados. O mesmo sistema de GPC utilizado para analisar a estrutura dos polímeros foi aqui considerado, tendo sido a monitorização UV in-line especialmente útil para a quantificação de dinâmicas de adsorção e dessorção de fármacos nos hidrogéis através análise frontal (processo contínuo). Estes estudos foram efetuados através do empacotamento dos materiais produzidos (hidrogéis bulk obtidos em reator fechado ou partículas sintetizadas em micro reator) em colunas de GPC vazias (com diferentes tamanhos disponíveis). O elevado inchamento dos materiais foi usado como vantagem para induzir o auto empacotamento dos hidrogéis nas colunas de GPC. Polímeros molecularmente impressos e não impressos foram considerados nestes estudos de afinidade. O efeito da estrutura molecular do fármaco na afinidade e seletividade dos materiais foi também estudado através de análise frontal comparando compostos com diferentes estruturas químicas, nomeadamente a cafeína e a 4-aminopiridina. A investigação aqui apresentada mostra a viabilidade da produção de partículas de hidrogéis inteligentes combinando operação contínua em micro reator com polimerização RAFT e impressão molecular.

Smart hydrogels find important applications in biotechnology, biomedicine, pharmaceutics or environmental industries. Drug or gene delivery, bio-separations, bio-sensing and tissue engineering are some examples of processes where this class of advanced materials show an increasing importance along the time. This work is devoted to the synthesis, characterization and assessment of the performance of smart hydrogels for drug adsorption and release (desorption) applications. This research aims contribute for the development of designing tools linking the synthesis conditions with the structure and final performance of such kinds of advanced materials. Classical Free Radical Polymerization (FRP) and Reversible Addition-Fragmentation Chain-Transfer (RAFT) polymerization are both considered in the experimental program performed. Effect of the polymerization technique (FRP/RAFT) on the structure and properties of smart hydrogels is thus assessed. A continuous flow micro-reactor allowing the production of smart hydrogel particles was built up in this research plan. Comparison of the structure and properties of smart materials synthetized in batch reactor and continuous flow micro-reactor was thus also tried. Molecular imprinting was considered as a third research vector to obtain advanced hydrogels with tailored properties. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) were produced in batch and continuous flow micro-reactor and considering alternatively the RAFT/FRP polymerization techniques. An innovative combination of different designing tools (synthesis technique/kind of reactor/molecular imprinting) was thus tried in this research. Some information concerning the molecular architecture of the synthetized materials, especially the structure of the soluble linear analogues of the hydrogels, was obtained using a Size Exclusion Chromatography (SEC) instrument with tetra-detection, namely Refractive Index (RI), Ultraviolet (UV), Light – Scattering (LS) and Intrinsic Viscosity (IV). These analyses were performed using directly water as eluent (trying to avoid organic solvents to analyse water compatible materials). High differences between the structure of FRP and RAFT products were identified using this characterization technique, which confirms the usefulness of RAFT polymerization to modify polymer properties. End use properties of the synthetized smart hydrogels, namely concerning drug adsorption and release were tested using different experimental approaches. Different model drugs used in medicine were considered, namely 5-fluorouracil (used in cancer treatment), ibuprofen (anti-inflammatory/analgesic), isonicotinic acid (used in tuberculosis treatment) and caffeine (stimulant of the central nervous system). At a first stage, considering batch adsorption (incubation) of these drugs in stimuli-responsive hydrogels, the subsequent dynamics of release of the drugs were experimentally measured, also in a batch process, using ultraviolet spectroscopy. Temperature and pH changes were considered as stimuli to trigger these release processes. Materials based on acrylic acid (introducing in the networks sensibility to pH) and N-isopropylacrylamide (introducing in the networks sensibility to the temperature) were used within this purpose. Studies concerning the batch adsorption of drugs (especially caffeine) on the smart hydrogels produced in this work were additionally explored by trying the measurement of adsorption isotherms. Solid Phase Extraction (SPE) was also considered in order to assess the amount of drug adsorbed in the smart hydrogels when the surrounding conditions (pH of the aqueous solution and therefore the swelling ratio of the networks) are changed. Frontal analysis (FA), a high precision technique for adsorption studies, was considered in a last stage to evaluate the performance of the synthetized smart hydrogels. The same GPC system considered in polymer structure analysis was used and in-line UV monitoring was especially useful to quantify the dynamics of adsorption and desorption of the drugs in the hydrogels, considering the FA continuous process. These studies were performed through the packing of produced materials (bulk hydrogels obtained in batch reactor or particles synthetized in micro-reactor) in empty GPC columns (different sizes were available). High swelling of these materials was taken as advantage to induce the self-packing of the smart hydrogels in the GPC columns. Molecularly imprinted and non-imprinted smart hydrogels were considered in these affinity studies. Effect of drug structure on the affinity and selectivity of the materials was also studied by frontal analysis by comparing compounds with different chemical structures, namely caffeine and 4-aminopyridine. Research here presented shows the feasibility of the production of particles of smart hydrogels combining operation in continuous micro-reactor with RAFT polymerization and molecular imprinting.

FCT and FEDER under Programme COMPETE (Project PEst-C/EQB/LA0020/2013), QREN, ON2 and FEDER (Project NORTE-07-0162-FEDER-000050) and QREN, ON2 and FEDER (Project NORTE-07-0124-FEDER- 0000014 - Polymer Reaction Engineering)