Sommario, Molte matrici polimeriche hanno una struttura reticolare tridimensionale formata dalle catene che non possono essere singolarmente disciolte in quanto vincolate tra loro da legami chimici o fisici. In generale, sia le proprietà macroscopiche che quelle micro- e nanoscopiche delle matrici polimeriche possono giocare un ruolo importante per le applicazioni biomediche. Ad esempio, è stato recentemente osservato che, nel caso di colture cellulari tridimensionali, le proprietà viscoelastiche (aspetto macroscopico) di hydrogel impiegati quali sostituti della matrice extracellulare, possono influenzare il comporta-mento delle cellule in termini di diffusione, proliferazione e differenziazione. In particolare, è stato dimostrato che cellule staminali mesenchi-matiche formano una matrice mineralizzata e ricca di collagene-1 simile al tessuto osseo, solo quando sono poste a contatto con hydrogel dalle spiccate proprietà elastiche. Nel caso di matrici polimeriche dedicate al rilascio di principi attivi, la distribuzione dimensionale delle maglie del reticolo (aspetto nanoscopico) è di fondamentale importanza. Infatti, questo aspetto può rappresentare il fattore chiave nella regolazione della cinetica di rilascio di un principio attivo, o può essere essenziale per proteggere il principio attivo da fattori esterni quali enzimi ed corpuscoli del sistema immunitario come capita nei sistemi impiantabili basati sulle matrici polimeriche. Un esempio interessante è rappresentato dalle membrane immunoisolanti che servono per proteggere le cellule pancreatiche dall’azione delle immunoglobuline.

La reologia è certamente fondamentale per la determinazione di proprietà macroscopiche, in primo luogo la viscosità e i moduli viscoelastici, ma è anche utile, se combinata con altre tecniche, quali test di rigonfiamento, la microscopia a trasmissione di elettroni, lo scattering di neutroni a basso angolo, i test di rilascio, la crioporosi-metria e la risonanza magnetica nucleare a basso campo (LF-NMR), per valutare importanti caratteristiche nanoscopiche delle matrici polimeriche, ovvero la dimensione media (x) e la distribuzione dimensionale delle maglie del reticolo polimerico. In particolare, la reologia permette la determinazione sperimentale del modulo di taglio G che è essenziale per la valutazione della densità di reticolazione, r_x, (moli di punti di reticolazione per unità di volume della matrice) secondo la teoria di Flory:

     (1)

dove R è la costante universale dei gas, T è la temperatura assoluta, n_p0 e n_p sono, rispettiva-mente, le frazioni volumetriche di polimero nello stato in cui è avvenuta la reticolazione e nello stato (rigonfiato o contratto rispetto allo stato n_p0) in cui G è stato misurato. Nota r_x, è possibile stimare la dimensione media delle maglie  tramite la teoria del network equivalente, secondo la quale il volume che compete a ciascun punto di reticolazione (in numero di r_x*N_A – numero di Avogadro) è quello di una sfera di diametro x:

         (2)

L’NMR a basso campo (LF-NMR) si basa sull’effetto delle superfici solide (qua rappresentate da quelle delle catene polimeriche) sul rilassamento magnetico dei protoni (caratte-rizzati da un dipolo permanente) appartenenti all’acqua che pervade il reticolo polimerico.

Approssimando l’organizzazione topologica delle catene polimeriche con un arrangiamento cubico, si può dimostrare che, quando n_p < 0.55, la dimensione media delle maglie del reticolo polimerico è data da:

        (3)

dove R_f è il raggio della catena polimerica. In più, LF-NMR permette di valutare anche la distribu-zione dimensionale delle maglie attorno al valore medio dato dall’equazione (3).

In genere, quando tutte le catene polimeriche sono reticolate e non possono fluttuare liberamen-te nel reticolo (cioè, non sono presenti catene pendenti nel reticolo), reologia e LF-NMR condu-cono a stime simili di x. Al contrario, quando le catene pendenti sono presenti, la stima reologica di x è più grande di quella dedotta da LF-NMR.

 Parole chiave reologia, NMR a basso campo, matrici polimeriche

 Abstract Many polymeric matrices are three-dimensional networks formed by chains which cannot be dissolved individually since they are connected each other by chemical or physical linkages. In general, macro-, micro- and nano-scopic properties of polymeric matrices play a very important role for biomedical applications. For example, it has been recently observed that, in the case of three-dimensional cultures, the (macroscopic) viscoelastic properties of hydrogels used as substitutes of natural extracellular matrix can affect cells behavior in terms of spreading, proliferation and differentiation. In particular, it has been demonstrated that mesenchymal stem cells form mineralized, collagen-1-rich matrix similar to bone only when they are in contact with highly elastic hydrogels. In the case of polymeric matrices devoted to the release of active agents, the mesh size distribution of the three-dimensional network (nanoscopic property) is of paramount importance. Indeed, it can represent the key parameter ruling the release kinetics of an embedded drug, or it can be essential to protect hydrogel load (drug, cells, and so on) by external factors such as enzymes and the immune system agents as it can happen in the case of polymeric matrix based implantable systems. An interesting example is given by immunoinsulanting mem-branes that serve to protect encapsulated pancreatic cells (aimed at the production of insulin) from the attack of immunoglubulins. Indeed, rheology is the fundamental approach to measure macroscopic properties, mainly the shear viscosity, the viscoelastic moduli, but it can also serve, when combined with other techniques, such as swelling equilibrium tests, transmission electron microscopy, small-angle Neutron scattering, release tests, crioporosimetry and low field NMR, to evaluate one important nanoscopic characteristics of polymeric matrices, i.e the average mesh size (x) and the mesh size distribution of the polymeric network. In particular, rheology implies the experimental determination of the matrix shear modulus (G) that is essential for evaluating the crosslink density (r_x, moles of crosslinks per matrix unit volume) according to the Flory theory:

     (1)

where R is the universal gas constant, T is the absolute temperature, n_p0 and n_p are, respectively, the polymer volume fraction in the crosslinking state and in the state (swollen or shrunken with respect to n_p0 state) of the experimental G determination. r_x knowledge enables determining x via the equivalent network theory according to which the gel volume competing to each crosslink (in number of r_x*N_A, where N_A is the Avogadro number) is that of a sphere whose diameter coincides with x:

         (2)

Low field NMR is based on the effect of solid surfaces (here represented by those of polymeric chains) on the magnetic relaxation of the protons (that are characterized by a permanent dipole) belonging to the water filling the polymeric network. By assuming the topological organization of polymeric chains equivalent to a cubic arrangement, it can be demonstrated, that, provided that n_p < 0.55, the average mesh size of the polymeric network is given by:

        (3)

where R_f is the radius of the polymeric chain. In addition, LF-NMR approach allows also to evaluate the mesh size distribution around the mean value evaluated according to eq.(3).

Generally, if all polymeric chains are crosslinked and unable to freely fluctuate in the network (i.e. dangling chains are absent in the network), rheology and LF-NMR yield to similar evaluation of x. On the contrary, when dangling chains are present, the rheological estimation of x is larger than those obtained by the Low Field NMR approach.

 Keywords rheology, Low Field NMR, polymeric matrices