Biopolymer-Based Hybrid Hydrogels for Biomedical Applications: From Macroscopic to Nanosized Systems

Les partícules portadores basades en biopolímers són biocompatibles i ofereixen la capacitat d’incorporar agents actius hidròfils i hidròfobs. La incorporació d’un fàrmac en una matriu polimèrica pot millorar-ne la protecció contra la degradació en mitjans fisiològics severs. A més, pot controlar-ne l’alliberament al lloc d’acció específic, amb una biodisponibilitat terapèutica augmentada i efectes secundaris o toxicitat minimitzats. Aquesta tesi presenta la preparació de diferents sistemes híbrids de polisacàrids per a encapsular substàncies hidròfiles, que posteriorment són alliberades. Es preparen portadors que varien de mida macroscòpica a nanomètrica mitjançant diferents mètodes: gelificació ionotròpica, assecat per polvorització i tècniques de nanoemulsió. El quitosà i l’alginat s’utilitzen com a polímers de matriu i la sílice s’aplica com a additiu estructurant. En la primera part del treball es prepara un gel macroscòpic orgànico-inorgànic mitjançant un procés simple que implica una gelificació ionotròpica i s’investiga l’eficiència del mètode per a incorporar molècules hidròfiles (sal disòdica d’erioglaucina i clorhidrat d’efedrina). L’alliberament de les substàncies encapsulades es controla adaptant l’estructura de la xarxa híbrida. El segon enfocament implica la preparació de microcàpsules usant gelificació ionotròpica seguida d’assecat per polvorització. En aquest procés, que és ràpid i continu, el líquid inicial es transforma en partícules seques. S’estudia el comportament d’alliberament de fàrmacs hidròfils i es compara amb els resultats obtinguts en la primera part per a partícules macroscòpiques. D’altra banda, les micropartícules biopolimèriques es carreguen amb ions Pd(II) i, després de la reducció a Pd(0), s’apliquen com a catalitzadors per a una reacció model, la reducció de 4-nitrofenol mitjançant borhidrur de sodi. El tercer enfocament consisteix en la preparació d’un nanogel orgànico-inorgànic mitjançant dos mètodes diferents de nanoemulsió inversa. El primer mètode, en el qual intervé una sola nanoemulsió, és un procés en què s’obtenen nanopartícules de quitosà quan es produeix la difusió d’un agent entrecreuant a una nanoemulsió que conté una dissolució de quitosà en la fase dispersa. En el segon mètode, es mescla una nanoemulsió de polisacàrid amb una segona nanoemulsió d’un agent entrecreuant. Es forma un nanogel després de la fusió de les gotetes de les dues nanoemulsions. En els sistemes preparats pels tres enfocaments, les nanoestructures de sílice s’incorporen de manera homogènia dins de la matriu del polímer. El comportament de l’alliberament depèn del mètode de preparació, de la mida de les estructures i de la presència o no de sílice. Amb caràcter general, es pot concloure que la sílice té un paper molt important tant en l’augment de l’estabilitat estructural dels portadors d’hidrogel com en el retard de l’alliberament en diferents medis.Biopolymer-based carrier particles are biocompatible and offer the ability to incorporate hydrophilic and hydrophobic active agents. The incorporation of a drug into a polymeric matrix can enhance its protection against degradation in harsh physiological media. In addition, it can control the release to the specific site of action, with increased therapeutic bioavailability and minimized side effects or toxicity. This thesis presents the preparation of different polysaccharide hybrid systems for encapsulating hydrophilic substances, which are subsequently released. Carriers ranging from macroscopic to nanometric size are produced by different methods: ionotropic gelation, spray drying, and nanoemulsion techniques. Chitosan and alginate are used as matrix polymers and silica is applied as a structuring additive. In the first part of the work, an organic–inorganic macroscopic gel is prepared by a simple process involving ionotropic gelation, and the efficiency of the method for entrapping hydrophilic molecules (erioglaucine disodium salt and ephedrine hydrochloride) is investigated. The release of the encapsulated substances is controlled by tailoring the hybrid network structure. The second approach involves the preparation of microcapsules by using ionotropic gelation followed by spray drying. In this process, which is fast and continuous, a liquid feed is transformed into dry particles. The release behavior of hydrophilic drugs is studied and compared with the results obtained in the first part for macroscopic particles. In addition, the biopolymer microparticles are loaded with Pd(II) ions and, after reduction to Pd(0), applied as catalysts for a model reaction, namely the reduction of 4 nitrophenol by sodium borohydride. The third approach consists in the preparation of an organic–inorganic nanogel by two different inverse nanoemulsion methods. The first method is a “one-nanoemulsion” process in which chitosan nanoparticles are produced by allowing the diffusion of a cross-linking agent to a nanoemulsion containing a solution of chitosan in the dispersed phase. In the second method, a polysaccharide nanoemulsion is mixed with a second cross-linking nanoemulsion. A nanogel is formed after fusion of the droplets of the two nanoemulsions. In the systems prepared by the three approaches, silica nanostructures are homogeneously incorporated within the polymer matrix. The release behavior depends on the preparation method, the size of the structures, and the presence or not of silica. Overall, it can be concluded that silica plays a very important role in both increasing the structural stability of the hydrogel carriers and retarding the release in different media