Interazione onde d'urto e nanobolle nella cavitazione farmaceutica

Sommario
Lacavitazioneèunfenomenofisicocaratterizzatodallaformazione,inseguitoalarotturadelliquido,
di cavità (propriamente bolle) contenenti gas disciolto o vapore. Sin dai primi anni ’80 la cavitazione
veniva utilizzata per il trattamento dei calcoli renali. Attualmente applicazioni di questo fenomeno nel
campobiomedicosonomolteplicitracuiextracorporealshockwavelithotripsy(ESWL)eextracorporeal
shockwavetherapy (ESWT).
Le bolle possono avere dimensioni dei μm o dei nm. Le microbolle, a causa delle loro dimensioni,
non sono in grado di migrare passivamente attraverso le pareti dei vasi sanguigni, soprattutto nella rete
vascolarizzatadeltumore,marimangonoincircolazionefinoaquandononvengonoassorbitidallamilza
e dal fegato. L’originalità di questo studio è l’utilizzo di nanobolle per ovviare a queste limitazioni con
lo scopo di rilasciare farmaci in loco. Una strategia avanzata dell’uso della cavitazione con ultrasuoni
è la drug delivery che consiste nell’assorbimento, da parte della cellula di farmaco caratterizzato da
alto peso molecolare. In questo modo il rilascio del farmaco risulta essere mirato. Alcuni studi hanno
dimostrato la maggiore efficacia della drug delivery con l’aggiunta delle nanobolle gassose. In generale,
sono possibili due modalità per la drug delivery. Nell’approccio di co-somministrazione, gli agenti di
contrastoadultrasuonivengonoiniettatinelflussosanguignoinsiemeall’agenteterapeutico. Alcontrario,
l’applicazionelocaledegliultrasuonipuòindurreunaumentodellapermeabilitàdellamembranacellulare
endoteliale,migliorandol’assorbimentodell’agente terapeutico da parte delle cellule bersaglio.
In questo studio è stata sviluppata un’analisi termodinamica della cavitazione ed è stato preso in
considerazione un modello fermo (fluido a riposo) per la determinazione del modello matematico della
nanobolla. Le nanobolle utilizzate negli esperimenti, contengono perfluoropentano circondato da diversi
gusci polimerici: Chitosano, Glicolchitosano, Chitosano-TPP, Chitosano fluorescente- FITC. Le onde
d’urtoutilizzatenegliesperimentisonostateprodottedaundispositivopiezoelettricoconun’intensitàdi
0,05-1,48 mJ=m
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. Dallo studio è emersa la stabilità della nanobolla anche a seguito del trattamento con
le onde d’urto. I risultati ottenuti sperimentalmente sono congrui a quelli teorici e si è ottenuta quindi,
un’evaporazionedelperfluoropentanocontenutoalsuointerno. Questocomportamentoèstatoosservato
principalmente nel caso di nanobolle con shell di Blank Chitosan, Glicolchitosano, Chitosano+TPP con
unapressioneapplicataparia64 MPae250shots. Unulteriorestudiosunanobollecontenentiilfarmaco
antitumorale doxorubicina, ha dimostrato l’efficacia del modello matematico di nanobolle per il rilascio
inlocoelasuaripetibilità. Irisultatisperimentali si è dimostrato essere corrispondenti a quelli teorici.
Capitolo1
La cavitazione
1.1 Ilfenomenodellacavitazione
La cavitazione, in generale, può essere definita come la rottura di un liquido e la conseguente
formazione all’interno dello stesso, di cavità (propriamente di bolle) contenenti gas disciolto o vapore
del liquido stesso. Esistono diverse tipologie di cavitazione: chimica, elettrica e indotta da radiazioni.
La cavitazione è causata da un abbassamento della pressione sotto il livello della pressione di vapore del
liquidooppuredall’innalzamentodellatemperaturaoltrealpuntodiebollizione. Quest’ultimacavitazione
èchiamataacusticaedèquellaconsideratainquestatrattazione. Lacavitazioneacusticaèquindilacrescita
e il collasso di microbolle preesistenti sotto l’influenza di un campo ultrasonico nei liquidi. Queste bolle
vengono quindi agitate, espandendosi e contraendosi con la compressione e decompressione delle onde
ultrasoniche.
La cavitazione acustica con ultrasuoni ha possibili applicazioni terapeutiche [1] tra cui somministra-
zionedeifarmaciinloco,istopatia,litotripsia,trasferimentogenico. Lacavitazionevieneapplicataanche
permigliorarel’ablazionetermicadeitumori o di altri tessuti malati.
In un campo acustico la materia è alternativamente soggetta a pressione e tensione. Nella fase di
tensioneunsolidopuòrompersiquandolatensionesuperaunvalorelimite. Unliquidoanchequestavolta
può rompersi per formare cavità o bolle. Nei campi sonori le bolle formate iniziano a oscillare e danno
origineaunaseriedieffettidistintichegeneranol’areadiricercadellacavitazioneacustica. Ladinamica
dellabollacostituisceuncampodiricerca attivo.
1.2 Cavitazioneacustica
1.2.1 Caratteristichediunabolla
Il raggio di una bolla, esposta ad ultrasuoni, viene aumentato dalla pressione acustica che agisce
come forza esterna. Quindi una bolla ha un comportamento oscillante caratterizzata da un’elasticità
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1–Lacavitazione
data dal gas al suo interno e da un’inerzia caratterizzante il liquido attorno la bolla. La bolla risulta
avere frequenza propria e il suo valore è inversamente proporzionale al suo raggio, in condizioni di
equilibrio. Se la frequenza del campo acustico si avvicina alla frequenza propria, la bolla assume un
comportamentorisonanteel’ampiezzadellesueoscillazionidipendedaquantosonoviciniiduevaloridi
frequenzaedalvaloredellapressioneapplicata. Leoscillazionisonononlineariquandosièinprossimità
della risonanza e si generano armoniche di ordine superiore con conseguenti effetti in campo acustico
producendomodificazionichimicheefisiche.
Uncomportamentodellabollapuòessereilcosiddettodiffusionerettificata,inprossimitàdellaquale
il raggio di equilibrio tende a crescere nel tempo. Questo avviene ad intensità acustiche basse, perché
durantecompressioneedespansione,delgaspuòdiffondereversoilliquidoesternoointernodellabolla,
e siccome l’area della superficie è più grande durante l’espansione che nel corso della compressione. Il
risultato è che entra più gas di quello che esce; tale processo corrisponde alla cavitazione non inerziale o
stabile. Talefenomenoavvienesoloconl’irradiazione di fasci ultrasonori continui.
Nelcasoincuivièunafasedilentaespansionedellabollanelcamposonoro,lacavitazioneèinerzialee
ilcampoèdescrittodaondedicompressione e di depressione.
Nellafasedipressionepositiva,labollavienecompressainmodorapidoeviolentofinoalcollassosuse
stessa con conseguente implosione e rilascio di energia. Successivamente si ha un’emissione di energia
localizzata con aumento di pressione e temperature che possono produrre effetti dannosi per il sistema
biologico con conseguente formazione degli hot spot, punti caldi. Invece, durante la fase di pressione
negativa(depressione),sihal’ingrandimentodellabollafinoadunvolumemoltopiùgrandediquelloin
condizionidiequilibrio.
1.2.2 Lacavitazioneincampobiomedico
Alcuneapplicazionidellacavitazione in biomedicina risultano essere [2]:
• Sonotrombolisi
• Terapiagenica
• Sonicazionecellulare
• Litotripsia
• Somministrazionelocalizzatadifarmaci
Lacavitazionevieneusatainassociazione all’ablazione termica per la cura dei tumori.
Possono insorgere delle conseguenze a seguito dell’uso di alte temperature e pressioni, quali la lisi
cellulare o la formazione di radicali liberi. La cavitazione inerziale è un processo caratterizzato da una
soglia,interminidiampiezzadelcampoacustico(piùprecisamentedelmassimonegativodellapressione
acustica): soglia di nucleazione, di frequenza (più è bassa, più lungo è il tempo a disposizione per
l’espansione delle bolle) e di dimensioni delle bolle presenti. A tal proposito, bolle molto piccole sono
caratterizzate da un’alta tensione superficiale che tende a limitarne l’espansione, mentre bolle con un
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1–Lacavitazione
raggio di equilibrio già molto grande possono espandersi ma il collasso non è sufficientemente violento.
Questo andamento violento del fenomeno della cavitazione può portare alla formazione dei radicali
liberi,molecoleoatomiestremamentereattivi,chepossonoagiredirettamentesullecatenepolimerichee
sullestrutturepresentinelmezzo. Iradicaliliberipiùnotisonoquelliderivanti: dallasonolisidell’acqua
e dal contenuto di ossigeno dettiROS (Reacting Oxygen Species). Applicazioni di ultrasuoni diagnostici
invitro,permettonodirilevarel’insorgenza della cavitazione inerziale [3].
La pressione in un liquido può subire variazioni a seguito di onde sonore. Quando la pressione nel
mezzo diminuisce (rarefazione) la bolla tende ad espandersi, mentre durante la condensazione tende a
diminuire la dimensione. La bolla è caratterizzata da diverse pressioni interna ed esterna e quando viene
colpita da una vibrazione, questa tende a schiacciarsi e ad assumere una forma ellisoidale e il guscio si
assottiglia. Inquestomodovièunmaggiorgradientediconcentrazioneequestopermetteiltrasferimento
di massa. Al contrario, quando la bolla si contrae, il guscio è più spesso e il gradiente della fase di
rarefazioneèminoreenedeterminailflussoversol’internodellabolla. Questofenomenoèilshelleffect.
1.2.3 Sogliedicavitazione
La nucleazione è il primo processo della cavitazione in cui si vengono a formare le cavità. Se si
parte da un liquido senza impurità o gas si ottengono delle cavità nel corpo della fase già esistente
(nucleazioneomogenea). Lanucleazioneomogeneaèsfavoritainquantoaumental’energialibera. Nella
nucleazione eterogenea, si formano cavità dove è già presente una discontinuità di fase. Nei sistemi
sperimentali si è notato che la nucleazione si verifica per la presenza di siti “deboli”. Quest’ultimi si
collocano all’interfaccia liquido-solido, o liquido-solido-gas (nucleazione eterogenea) [4]. La pressione
è caratterizzata da cicli alternati e questo è dovuto alla propagazione ultrasonica nei tessuti. Le bolle
oscillano intorno alla loro dimensione di risonanza e, se soggette ad alte pressioni acustiche, collassano
e si rompono in bolle più piccole. Questo effetto produce picchi di temperatura e di pressione altamente
localizzati, che a loro volta generano onde d’urto, radicali liberi e calore locale. Il collasso della bolla di
cavitazione è alla base di molte applicazioni biomediche. Affinchè una bolla possa crescere è necessario
cheilvaloredell’ampiezzadell’oscillazionedipressionesonoraagentesudiessasiasuperioreaunvalore
soglia (soglia di cavitazione). Al di sotto di tale soglia, se non stabilizzata, la bolla si dissolve. Nella
figura 1.1 nella pagina seguente vengono rappresentati la formazione, la crescita e il collasso delle bolle.
Ilcollassovieneutilizzatomoltonelleapplicazioni biomediche.
1.2.4 Sogliadinucleazioneesogliadicollasso
• Soglia di nucleazione. Affinchè avvenga la nucleazione, omogenea o eterogenea, l’energia deve
raggiungere la soglia. L’energia dipende dall’angolo , ovvero l’angolo di contatto tra una bolla di
nucleazioneelasurperficiedicontatto con il liquido [5].
• Sogliadicollasso. Quandolebollesiespandonorapidamente,nelmezzociclodicompressione,si
osservauncollassoviolento,ovverounimplosionechegeneralasuddivisioneinbollepiùpiccole.
La pressione a cui avviene l’implosione è la soglia di collasso. Le simulazioni confermano che il
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1–Lacavitazione
Figura1.1: Riepilogograficodell’eventodiformazionedibolle[4],crescitadibolleeconseguentecollasso
nelcorsodidiversicicliacustici. Unabollaoscillainfaseconl’ondasonoraapplicata,contraendosidurante
lacompressioneedespandendosidurantele rarefazioni.
collasso più intenso, con la massima velocità del getto e pressione d’impatto, si verifica per bolle
con dimensioni intermedie durante la fase di contrazione quando il tempo di collasso della bolla è
approssimativamente uguale alla durata dell’impulso di compressione dell’onda d’urto. In questa
condizione, la massima quantità di energia dell’onda d’urto incidente viene trasferita alla bolla
collassante[6].
Figura 1.2: Caso a) superficie idrofobica,  >
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, caso b) Superficie idrofilica, <
 2
, caso c)Cavità
conica[5]
Dallafigura 1.2sipuòdedurrecheselabollaèpiccola, èmaggioreequindilasuperficierisulta
essereidrofobica. L’angolodicontatto,hainfluenzasullasogliadinucleazione;infatti,sipotrebbe
concluderechelapresenzadiunasuperficie idrofobica provoca una nucleazione eterogenea.
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