Introduzione
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La maggior facilità con cui possono essere somministrati vaccini, antibiotici, ele-
menti integratori …, oltre a migliorare la qualità di vita dell’uomo, riscuote notevole
successo anche in ambito zootecnico, consentendo di curare più agevolmente e con
maggiore efficacia allevamenti di animali di ogni specie.
Le più importanti classi di sistemi per il rilascio di un principio attivo sono:
ξ Micro/nanoparticelle
ξ Liposomi
ξ Eritrociti modificati
ξ Anticorpi monoclonali
Indipendentemente dalla tipologia, tutti i sistemi a rilascio controllato, non dovendo
provocare reazioni di intollerabilità da parte dell’organismo, devono possedere i
seguenti requisiti:
ξ Assenza di tossicità
ξ Biocompatibilità
ξ Assenza di immunogenicità
L’obiettivo del seguente lavoro è lo studio del processo di rilascio di un farmaco da
microparticelle dotate di un rivestimento polimerico.
Si effettua dapprima uno studio di carattere teorico, andando ad esaminare in che
modo alcuni parametri possono influenzare il processo di rilascio.
A tal fine si ipotizza di avere un sistema “perfetto” di microparticelle, tutte caratterizza-
te dallo stesso diametro e spessore di polimero, nelle quali il farmaco è inizialmente
incapsulato allo stato solido.
Successivamente l’oggetto dello studio viene ad essere un sistema reale, del quale
sono disponibili i dati sperimentali di rilascio.
Esso è costituito da microparticelle rivestite in policaprolattone, caratterizzate da una
certa distribuzione granulometrica, nelle quali si trova incapsulata, al tempo iniziale,
una soluzione satura di un antibiotico: la vancomicina.
Introduzione
3
Il modello proposto per il primo sistema deve quindi essere adattato al caso reale, in cui
le particelle non presentano tutte lo stesso diametro e nelle quali all’inizio si ha una so-
luzione satura, e non farmaco allo stato solido.
La scelta di partire, nel primo modello, dal farmaco allo stato solido, è imputabile al
desiderio di uno studio di carattere più generale, nel quale vengono considerate anche la
fase di penetrazione dell’acqua nel polimero e di dissoluzione della particella solida,
oltre a quella, comune ad entrambi i modelli, nella quale si ha l’esaurimento, partendo
dalla condizione di saturazione , della soluzione interna.
Quindi l’analisi di sensitività condotta per il sistema con farmaco solido è valida anche
per le microparticelle con soluzione incapsulata, per la fase comune del processo.
Capitolo 1
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CAPITOLO 1
Il rilascio controllato
1.1 Introduzione
L’obiettivo principale della ricerca in ambito farmaceutico, in passato, era la
formulazione di nuovi principi attivi, la scoperta di nuove strutture molecolari, mentre
veniva spesa minore attenzione per il modo in cui tali agenti farmacologici dovevano
essere assunti.
La somministrazione convenzionale non è però in grado di garantire una
concentrazione costante del principio attivo nell’organismo né di agire direttamente
sull’organo malato, costringendo così il paziente ad assunzioni ripetute e di dosaggio
maggiore, con conseguenti effetti collaterali, specialmente nel caso di farmaci forti,
come gli agenti antitumorali.
Pertanto, per rendere più efficaci le terapie mediche, e limitare gli effetti indesiderati
sull’organismo, si cerca ogni giorno di più di andare ad agire solo dove è necessario,
mirando ad avere un’alta concentrazione del farmaco nel tessuto malato, e trascurabile
altrove.
Inoltre, per il miglioramento della qualità di vita del malato, si tenta di ridurre il numero
di somministrazioni, garantendo una copertura farmacologica prolungata nel tempo.
Il metodo di somministrazione alternativo a quello convenzionale che consente il
raggiungimento di tali obiettivi è quello a rilascio controllato.
Capitolo 1
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Fig.1.1 A tratto continuo curva di concentrazione del farmaco somministrato con un sistema a rilascio
controllato, in linea tratteggiata curva di concentrazione del farmaco con somministrazione convenzionale
A seconda del farmaco da somministrare, può essere richiesto un rilascio di tipo
continuo, o un rilascio di tipo pulsato, come per l’assunzione dei vaccini.
Capitolo 1
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1.2 Sistemi per il rilascio controllato del farmaco
Esistono vari sistemi che consentono la somministrazione dei farmaci con un rilascio
di tipo controllato, caratterizzati da diversi modi di somministrazione e meccanismi con
cui il farmaco viene rilasciato :
ξ Microsfere e nanosfere: sistemi nei quali il farmaco si trova incapsulato
all’interno di un rivestimento polimerico o sistemi monolitici nei quali è allo
stato disperso all’interno della matrice polimerica .
Il rilascio avviene a seguito di un processo diffusivo e/o di erosione del
polimero.
ξ Creme, pomate, cerotti per un rilascio transdermico.
Nell’ultimo caso il farmaco deve diffondere attraverso una membrana
microporosa, prima di raggiungere la cute.
ξ Pompe osmotiche per l' impianto, nelle quali il principio attivo, a seguito di una
differenza di pressione osmotica, diffonde attraverso una membrana
semipermeabile all’interno della quale è stato incapsulato.
ξ Sistemi nei quali il farmaco presenta con il polimero un vero e proprio legame
chimico, che viene scisso una volta raggiunto il sito nel quale deve essere
rilasciato, in seguito all’azione di opportuni enzimi.
ξ Idrogeli, costituiti da polimeri reticolati altamente idrofili, che rigonfiano
notevolmente a contatto dell’acqua, senza solubilizzarsi.
La diffusione del farmaco ha luogo in questo reticolo polimerico
significativamente rigonfiato.
Capitolo 1
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ξ Liposomi: strutture lipidiche di natura sferica costituite da uno o più strati
lipidici concentrici, delimitanti internamente una soluzione acquosa.
Il farmaco può essere rilasciato con tre meccanismi diversi: può essere rilasciato
all’interno della cellula a seguito della fusione della parte lipidica della vescicola
con la parete cellulare; può essere liberato nella cellula per interazione diretta
della vescicola con la membrana cellulare (endocitosi del liposoma), oppure il
contenuto del liposoma può diffondere attraverso la membrana cellulare.
1.3 Microsfere e nanosfere
In sistemi di questo tipo il principio attivo viene confinato all’interno di un materiale
polimerico, o mediante un vero e proprio incapsulamento allo stato solido o in
soluzione, e rivestimento con uno strato di polimero, oppure tramite sua dispersione
manuale o meccanica all’interno di una matrice.
A seguito di un processo diffusivo e di erosione del materiale polimerico, il farmaco
fuoriesce dalla micro-nanoparticella per raggiungere i siti di destinazione.
I polimeri che vengono usati devono essere biodegradabili e biocompatibili.
Capitolo 1
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1.3.1 Degradazione ed erosione del polimero
La degradazione del polimero è la reazione nella quale si ha la scissione di legami
della catena polimerica con la conseguente formazione di oligomeri, monomeri e di altri
prodotti a basso peso molecolare.
Un polimero è considerato biodegradabile se la reazione di degradazione viene
indotta dall’ambiente esterno: a seguito di processi biocatalitici (per effetto di batteri,
funghi, enzimi) o di reazioni chimiche, in alcuni casi di natura radicalica (idrolisi,
ossidazione, reazioni fotochimiche per esposizione a raggi UV).
Molti fattori influenzano la velocità di degradazione di un polimero: struttura
chimica, architettura macromolecolare, peso molecolare, geometria della particella,
porosità, condizioni dell’ambiente esterno (pH, temperatura,…).
Durante il processo di degradazione si ha la variazione di molte proprietà del
polimero: riduzione del peso molecolare, della resistenza meccanica, aumento della
cristallinità, formazione di monomeri e variazioni di pH.
La degradazione idrolitica è provocata dalla reazione dell’acqua con legami come
quello di tipo estereo.
In questo caso la velocità di degradazione è legata alla capacità del polimero di
assorbire l’acqua, infatti i polimeri idrofili, capaci di assorbire grandi quantità d’acqua,
degradano molto più velocemente di quelli idrofobi.
L’erosione è definita come la disintegrazione fisica del polimero a seguito del
fenomeno della degradazione.
Infatti a seguito della penetrazione dell’acqua nel rivestimento (se il farmaco è
incapsulato) o nella matrice polimerica (se il farmaco è disperso nel polimero), e della
scissione di molti legami nelle catene, quando è stato raggiunto un peso molecolare
sufficientemente basso, avviene la diffusione dei prodotti della degradazione ed il loro
allontanamento dalla micro-nanoparticella: ha luogo così l’erosione.
A seconda del meccanismo, si può avere un’erosione omogenea o di superficie.
Se la penetrazione dell’acqua è più rapida del processo erosivo, la degradazione ha
luogo in tutto il rivestimento/matrice polimerica e si verifica ovunque, e con la stessa
velocità, la perdita di materiale: si ha in questo caso l’erosione omogenea.
Con questo tipo di erosione la micro-nanoparticella non muta le proprie dimensioni,
anche ad un avanzato stadio di degradazione, ma si ha un notevole cambiamento della
microstruttura del materiale polimerico.
Capitolo 1
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Fig.1.2 Erosione omogenea di una matrice polimerica biodegradabile
Se invece la velocità di penetrazione dell’acqua è comparabile a quella di erosione,
la perdita del materiale ha luogo solo negli strati superficiali della particella: si ha
un’erosione superficiale.
Quest’ultima viene di solito preferita a quella omogenea, poiché più facilmente
controllabile, tuttavia non è sempre possibile ottenerla.
Molti polimeri non sono infatti sufficientemente idrofobi da evitare che l’acqua penetri
all’interno e degradi il materiale più velocemente di quanto vengano erosi gli strati
superficiali.
Fig.1.3 Erosione superficiale di una matrice polimerica biodegradabile
Capitolo 1
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1.3.2 Rilascio del farmaco
Diversi meccanismi concorrono al rilascio del farmaco incapsulato o disperso
all’interno della particella:
ξ Erosione del polimero
ξ Diffusione del farmaco attraverso la matrice (se disperso) o il rivestimento
polimerico (se incapsulato).
ξ Dissoluzione del farmaco nella soluzione esterna
Se il farmaco si trova allo stato disperso all’interno di una matrice polimerica può
venire rilasciato sia a seguito dell’erosione del polimero nel quale è immerso, sia per
effetto di un processo diffusivo, attraverso la matrice, verso la soluzione esterna.
Il terzo meccanismo risulta significativo solo allo stadio iniziale, quando si ha la
dissoluzione delle molecole di farmaco depositate sulla superficie esterna delle
particelle.
Se il farmaco è presente allo stato incapsulato risulta più significativo il fenomeno
diffusivo rispetto all’erosione del polimero, poiché nello strato di rivestimento non sono
disperse molecole di principio attivo, e il rilascio per erosione è possibile solo quando
essa arriva ad interessare gli strati più interni, a ridosso del farmaco incapsulato.
In entrambi i casi comunque l’importanza relativa dei diversi meccanismi varia da un
sistema all’altro, dipendendo dall’idrofilia del polimero, dalla sua flessibilità, dalla
velocità di degradazione, dal peso molecolare, dalla cristallinità, dalla geometria della
particella e dalla porosità della matrice/rivestimento.
La cinetica del rilascio risulta poi influenzata anche dalle caratteristiche del farmaco
stesso, e principalmente dal suo peso molecolare e dalla sua solubilità in acqua.
Molteplici sono i fattori che influenzano la diffusione del farmaco attraverso il materiale
polimerico: la sua solubilità nel polimero, le sue dimensioni molecolari e la sua
distribuzione nella matrice.
Devono poi anche essere prese in considerazione le caratteristiche del mezzo esterno,
quali la temperatura ed il pH.
Capitolo 1
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1.3.3 Polimeri usati
Dovendo rimanere nell’organismo per un lungo periodo di tempo senza scatenare
reazioni di intollerabilità, un polimero biodegradabile, per applicazioni di questo tipo,
deve risultare biocompatibile, cioè deve soddisfare i seguenti requisiti:
ξ Non tossico
ξ Privo di inquinanti (additivi, solventi, residui di sintesi…)
ξ I prodotti di degradazione devono essere biocompatibili
ξ Deve poter venire assorbito dall’organismo
ξ Non deve scatenare reazioni immunitarie
Il fatto che deve poter essere assorbito dall’organismo significa che i suoi prodotti di
degradazione devono poter essere eliminati naturalmente, oppure risultare intermedi di
reazioni metaboliche.
Inoltre, per poter essere impiegato in sistemi di questo tipo, un polimero deve poter
essere facilmente processabile, sterilizzabile, e presentare una buona stabilità durante il
periodo di stoccaggio.
I polimeri usati possono essere sia di origine naturale che prodotti di sintesi.
Alla prima famiglia appartengono i seguenti polimeri
ξ Polisaccaridi, come la cellulosa
ξ Chitina
ξ Chiosano
ξ Proteine (collagene, fibrina, gelatina, albumina…)
Capitolo 1
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Sono prodotti di sintesi:
ξ Poliesteri alifatici
ξ Poliglicolide (PGA)
ξ Polilattide (PLA)
ξ Poliglicolattide (PLGA)
ξ Poli- Η-caprolattone (PCL)
ξ Poli-3-idrossibutirato (PHB)
ξ Poli-3-idrossibutirato-3-idrossivalerato P(HB-HV)
ξ Polianidridi
ξ Policarbonati alifatici
ξ Poliortoesteri
ξ Poliamminoacidi
ξ Poliossido di etilene
Capitolo 1
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1.3.4 Preparazione delle micro-nanosfere
Vi sono numerose tecniche per la preparazione di micro-nanosfere di polimeri
biodegradabili contenenti un farmaco.
La prima tecnica usata, che riscosse notevole successo, fu quella della
coacervazione.
Essa consiste nella dissoluzione del polimero in un solvente nel quale il materiale da
incapsulare, insolubile, si trova sospeso.
La precipitazione del polimero è indotta da variazioni di composizione (per esempio in
seguito all’aggiunta di sali), di pH o di temperatura.
Tale tecnica viene usata per l’incapsulamento di oli e di soluzioni.
Le particelle prodotte sono delle capsule.
Uno dei metodi di microincapsulamento più diffusi, per semplicità e versatilità, è la
tecnica a singola emulsione olio/acqua (O/W) con evaporazione del solvente.
Il farmaco ed il polimero vengono dissolti in un solvente volatile, in genere cloruro di
metilene (CH
2
Cl
2
); a questa fase organica viene successivamente aggiunta una fase
acquosa contenente uno stabilizzante, come polivinilalcol o gelatina, effettuando una
buona miscelazione.
Data l’immiscibilità delle due fasi viene a formarsi un’ emulsione, resa stabile dalla
presenza dello stabilizzante che evita la coalescenza delle goccioline.
Il solvente viene fatto evaporare, in genere a pressione ridotta, ed il polimero precipita.
Capitolo 1
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Le microsfere formatisi vengono separate dalla fase acquosa, lavate ed essiccate.
Fig.1.4 Rappresentazione schematica della tecnica a singola emulsione con evaporazione del solvente
Il solvente che deve essere usato per la fase dispersa deve possedere le seguenti
caratteristiche:
ξ Capacità di dissolvere il polimero
ξ Immiscibilità con la fase continua
ξ Alta volatilità
ξ Bassa tossicità
Il cloruro di metilene e l’acetonitrile sono solventi che soddisfano le prime tre
condizioni, ma sono tossici, pertanto bisogna assicurarsi di averli rimossi
completamente dalle particelle.
Capitolo 1
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La fase continua deve soddisfare i seguenti requisiti:
ξ Incapacità a dissolvere il polimero
ξ Immiscibilità con la fase dispersa
ξ Volatilità minore della fase dispersa
ξ Bassa tossicità
ξ Facilità di separazione dalle microsfere formatesi
In genere come fase continua viene usata acqua distillata, che possiede tutte le
precedenti caratteristiche ed è biocompatibile.
Per l’incapsulamento di farmaci solubili in acqua si usa la tecnica a doppia
emulsione (W/O/W) con evaporazione del solvente.
Il polimero viene disciolto in un solvente organico, per esempio cloruro di metilene.
Successivamente si aggiunge la fase acquosa contenete il farmaco, e mediante
sonicazione oppure omogeneizzazione si forma la prima emulsione (water
1
/oil).
Questa viene poi versata in una soluzione acquosa contenente un agente emulsionante,
come la metilcellulosa, o più emulsionanti come l’insieme metilcellulosa - cloruro di
sodio.
La miscelazione della prima emulsione con la fase acquosa genera la seconda emulsione
(water
1
/oil/ water
2
) dove ha luogo la formazione delle microsfere.
Si diluisce poi ulteriormente questa seconda emulsione con acqua, per facilitare la
rimozione del solvente organico.
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