Sommario Gli idrogeli sono sistemi costituiti da una rete tridimensionale di catene di polimeri che possono rigonfiare in presenza di acqua o fluidi fisiologici. Grazie alle loro peculiari proprietà, come il loro alto contenuto di acqua e il possibile controllo sulla cinetica di rigonfiamento, gli idrogeli hanno attirato grande interesse per diverse applicazioni biomediche (Borzacchiello et al., Biomaterials from nature for advanced devices and therapies 2016). L’utilizzo degli idrogeli come materiali biomedicali e le loro prestazioni in tale ambito dipende in maniera sostanziale dalla loro struttura, per questo motivo la caratterizzazione reologica di questi sistemi complessi rappresenta uno strumento essenziale per indagare le loro proprietà meccaniche e dunque definire le loro caratteristiche strutturali e per ottimizzare queste proprietà in funzione della specifica applicazione. Nella presente comunicazione l’attenzione sarà rivolta alla relazione struttura-proprietà reologiche ed alle applicazioni di idrogeli nell’ambito biomedicale. Gli idrogeli possono essere costituiti sia da polimeri sintetici che da polimeri naturali. In quest’ultimo caso, ampiamente utilizzato risulta essere l’acido ialuronico (HA) o ialuronato che è un polisaccaride lineare naturale dotato di caratteristiche quali l’idrofilia, la viscoelasticità, la biocompatibilità, riassorbibilità e la capacità di essere modificato chimicamente che lo rendono il candidato favorito per la formazione di idrogeli per applicazioni biomediche. L’HA, infatti, è una componente primaria della matrice extracellulare dei tessuti connettivi nell’ umor vitreo degli occhi, cartilagine ialina, nucleo polposo, del disco e cordone ombelicale e svolge un ruolo importante in diverse funzioni in vivo come la lubrificazione delle articolazioni, il controllo delle proprietà viscoelastiche dei tessuti molli ed è coinvolto in importanti funzioni cellulari come la motilità cellulare, l’adesione della matrice cellulare e l’organizzazione delle cellule. Gli idrogeli a base di HA trovano ampio utilizzo nell’ambito del rilascio controllato di farmaci, dell’ingegneria dei tessuti, della medicina rigenerativa come ad esempio nell’ambito della soft tissue augmentation. In quest’ultimo campo di applicazione, oltre alla rigenerazione del derma a fini estetici , vengono utilizzati anche nella terapia di cicatrici e paralisi delle corde vocali; in quest’ambito l’uso di HA iniettabile, reticolato chimicamente, aumenta il volume delle corde vocali completando la chiusura glottale, ed è stato osservato, inoltre, che i materiali a base di HA favoriscono la rigenerazione endogena del tessuto, poiché aumentano l’attrazione di fibroblasti che portano alla produzione di collagene e altre molecole della matrice extracellulare (Borzacchiello et al., J. Mater. Sci.-Mater. Med. 2005). Di grande rilevanza, inoltre, risultano essere gli idrogeli “intelligenti” come quelli capaci di rispondere a stimoli esterni quali, la temperatura, il pH o particolari variazioni di soluti. In questa comunicazione saranno trattati alcuni esempi di questi sistemi. Tra gli idrogeli intelligenti, i polossameri (o Pluronici) sono gel termosensibili composti da copolimeri in triblocchi di poli (etilenossido) -poli (propilene ossido) -poli (ossido di etilene) (PEO-PPO-PEO). Il loro processo di auto-assemblaggio avviene attraverso la micellizzazione, che è caratterizzata da due parametri chiave, vale a dire concentrazione di micellizzazione critica e la temperatura di micellizzazione critica. Questi parametri, che dipendono dalla composizione (PEO/PPO ratio) e peso molecolare, possono essere ottimizzati per ottenere materiali con proprietà finali adatte ad una vasta gamma di applicazioni. E’ stato dimostrato che idrogeli a base di polossameri e HA possono essere usati con successo per il rilascio controllato di farmaci. I gel di polossameri sono utilizzati per il rilascio controllato di farmaci, ma è stato riscontrato che questi, da soli, hanno inadeguate proprietà meccaniche e una scarsa bioadesività. L’aggiunta di HA in questi sistemi comporta un forte miglioramento delle proprietà fisico-chimiche e meccaniche dei gel di polossameri, che permettono di rallentare le cinetiche di rilascio di farmaci quali antivirali (aciclovir) e proteine (insulina) (Mayol et al., Eur. J. Pharm. Biopharm. 2008).

Parole chiave idrogeli, acido ialuronico, polossameri, sistemi auto-assemblanti

Abstract Hydrogels are systems consisting of a three-dimensional network of polymer chains that can swell in the presence of water or physiological fluids. Thanks to their peculiar properties, such as their high water content and possible control over swelling kinetics, hydrogels have attracted great interest in various biomedical applications (Borzacchiello et al., Biomaterials from nature for advanced devices and therapies 2016). The use of hydrogels as biomedical materials and their performance in this field is largely dependent on their structure, for this reason, the rheological characterization of these complex systems is an essential tool for investigating their mechanical properties and therefore defining their structural characteristics and to optimize these properties in according to the specific application. This communication will focus on the structure-rheological properties and hydrogel applications in the biomedical field. Hydrogels can be made of both synthetic polymers and natural polymers. In the latter case, hyaluronic acid (HA) or hyaluronate is widely used, which is a linear natural polysaccharide with features such as hydrophilicity, viscoelasticity, biocompatibility, resorbability and the ability to be chemically modified to make it the favorite candidate for hydrogel formation for biomedical applications. In fact, HA is a primary component of the extracellular matrix of connective tissues in the vitreous body of the eyes, hyaline cartilage, pulp nucleus, and umbilical cord, and plays an important role in various in vivo functions such as lubrication of the joints, the control of soft tissue viscoelastic properties and it is involved in important cellular functions such as cellular motility, adhesion of cell matrix and cell organization. HA-based hydrogels are widely used in the controlled release of drugs, tissue engineering, regenerative medicine such as “soft tissue augmentation”. In this latter field of application, in addition to the regeneration of the dermis for aesthetic purposes, they are also used in scarring and paralysis of vocal cords. In this context, the use of injectable HA chemically crosslinked increases the volume of vocal cords by completing the glottal closure, and it has also been observed that HA-based materials promote endogenous regeneration of the tissue, attraction of fibroblasts leading to the production of collagen and other molecules of the extracellular matrix (Borzacchiello et al., J. Mater. Sci.-Mater. Med. 2005). Furthermore, of great importance, are the “smart” hydrogels as those capable of responding to external stimuli such as temperature, pH or particular variations of solutes. Some examples of these systems will be discussed in this communication. Among intelligent hydrogels, polyoxamers (or Pluronic) are thermosensitive gels composed of copolymers in poly (ethylene oxide) -poly (propylene oxide) -poly (ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO), their auto – assembling occurs through micellization, which is characterized by two key parameters, namely Critical Micellization Concentration and Critical Micellization Temperature. These parameters, which depend on the composition (PEO / PPO ratio) and molecular weight, can be optimized to obtain materials suitable for a wide range of applications. It has been shown that hydrogels based on polysaccharides and HA can be successfully used for controlled drug release. Poloxamers gel is used for controlled release of drugs, but it has been found that these alone have inadequate mechanical properties and poor bioadhesiveness. The addition of HA in these systems results in a sharp improvement in the physicochemical and mechanical properties of poloxamers, which allow to slow release kinetics of drugs such as antivirals (acyclovir) and proteins (insulin) (Mayol et al., Eur. J. Pharm. Biopharm. 2008).

 Keywords hydrogels, hyaluronic acid, poloxamers, self-assembling systems