Sviluppo di nanofibre polimeriche biocompatibili per il rilascio controllato di nanoparticelle lipidiche

Regenerative medicine represents one of the most promising strategies to address the loss of function of tissues and organs, overcoming the limitations of traditional therapies and transplants. In this context, tissue engineering combines cells, biomaterials, and biochemical signals to guide the regeneration of compromised tissues. A promising strategy is based on the use of scaffolds, temporary 3D structures capable of mimicking the extracellular matrix and providing support to cells. Additionally, the combination with drug delivery systems for the controlled release of active agents can improve therapeutic efficacy. This thesis project focused on the development and characterization of a scaffold composed of poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers, obtained by electrospinning, as a platform for the controlled release of lipid nanoparticles (LNPs). Electrospinning is a technique that allows the production of scaffolds characterized by: i) a high surface area, which is fundamental for the release of nanoparticles or drugs and for scaffold degradation; ii) high porosity, such as not to compromise tissue respiration and cellular nutrient exchange; iii) a biomimetic morphology, as by reproducing the fibrous structure of the extracellular matrix it promotes cell adhesion, proliferation, and differentiation. PVA was selected because it is a polymer approved by the Food and Drug Administration (FDA) for several clinical applications; it is hydrophilic, biocompatible, low-cost, easily processable by electrospinning, and capable of forming hydrogels, which are ideal systems for the controlled release of drugs or nanoparticles. To ensure structural integrity in aqueous environments, the obtained scaffolds were consolidated by thermal crosslinking, varying temperature and treatment time, in order to control degradation kinetics and the release of the nanoparticles contained within them. The resulting scaffolds were characterized by FT-IR spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate morphology and fiber diameter distribution under different spinning conditions. The LNPs, composed of phospholipids and cholesterol, were formulated by microfluidics, an advanced formulation technology that allows industrial scale-up, and were characterized in terms of size, polydispersity index (PDI), and zeta potential by Dynamic Light Scattering (DLS), showing physicochemical characteristics suitable for use as drug delivery systems. The LNPs were then added to the polymer solution, and the resulting mixture was subjected to electrospinning. The effective incorporation of LNPs into the scaffolds was confirmed by spectroscopic (FT-IR and Raman) and microscopic (fluorescence, confocal, and SEM microscopy) techniques. Before crosslinking, the integrity of the LNPs was confirmed by solubilization of the scaffolds in water followed by DLS analysis. Preliminary studies on scaffold degradation and the consequent release of LNPs under physiological conditions were also conducted. Overall, the results obtained demonstrate, for the first time, the possibility of effectively incorporating microfluidics-produced LNPs within PVA nanofibrous scaffolds, enabling the development of a hybrid system capable of combining adequate structural support with drug delivery functionality. This approach can be considered a valid proof of concept for the future development of advanced multifunctional biomaterials intended for applications in regenerative medicine and tissue engineering.

La medicina rigenerativa rappresenta una delle strategie più promettenti per affrontare la perdita di funzione di tessuti e organi, superando i limiti di terapie tradizionali e trapianti. In questo contesto, l'ingegneria tissutale combina cellule, biomateriali e segnali biochimici per guidare la rigenerazione dei tessuti compromessi. Una strategia promettente si basa sull’impiego di scaffolds, strutture 3D temporanee in grado di mimare la matrice extracellulare e fornire supporto alle cellule. Inoltre, la combinazione con sistemi di drug delivery per il rilascio controllato di attivi può migliorarne l’efficacia terapeutica. Questo progetto di tesi si è focalizzato sullo sviluppo e caratterizzazione di uno scaffold, costituito da nanofibre di alcol polivinilico (PVA), ottenuto tramite elettrospinning, come piattaforma per il rilascio controllato di nanoparticelle lipidiche (LNPs). L’elettrospinning è una tecnica che consente di ottenere scaffolds caratterizzati da i) un'elevata area superficiale, fondamentale per il rilascio di NPs o farmaci e per la degradazione dello scaffold, ii) un’alta porosità, tale da non compromettere la respirazione tissutale e lo scambio dei nutrienti cellulari, iii) una morfologia biomimetica, infatti riproducendo la struttura fibrosa della matrice extracellulare favorisce l’adesione, la proliferazione ed il differenziamento cellulare. Il PVA è stato scelto in quanto è un polimero approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) per diverse applicazioni cliniche, è idrofilico, biocompatibile, a basso costo, facilmente processabile mediante electrospinning e in grado di formare idrogeli, sistemi ideali per il rilascio controllato di farmaci o NPs. Per garantire l’integrità strutturale in ambiente acquoso, gli scaffolds ottenuti sono stati consolidati mediante reticolazione termica, variando temperatura e tempo di trattamento, così da poter controllare le tempistiche di degradazione e il rilascio delle NPs in essi contenute. Gli scaffolds così ottenuti sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FT-IR e microscopia elettronica a scansione (SEM) per valutare la morfologia e la distribuzione dei diametri nelle varie condizioni di spinning. Le LNPs, costituite da fosfolipidi e colesterolo, sono state formulate mediante microfluidica, una tecnologia formulativa avanzata che permette lo scaling-up industriale, e caratterizzate in termini di dimensione, indice di polidispersione (PDI) e potenziale Zeta mediante Dynamic Light Scattering (DLS), mostrando caratteristiche chimico-fisiche adatte all’utilizzo come sistemi di drug delivery. Le LNPs sono state quindi addizionate alla soluzione polimerica e la miscela risultante è stata sottoposta ad elettrofilatura. L’effettiva incorporazione delle LNPs negli scaffolds è stata confermata mediante tecniche spettroscopiche (FT-IR e Raman) e microscopiche (microscopio a fluorescenza, confocale e SEM). Prima della reticolazione, l’integrità delle LNPs è stata confermata mediante solubilizzazione degli scaffolds in acqua e successiva analisi DLS. Sono stati inoltre condotti studi preliminari di degradazione degli scaffolds e conseguente rilascio delle LNPs in condizioni fisiologiche. Nel complesso, i risultati ottenuti dimostrano, per la prima volta, la possibilità di incorporare efficacemente LNPs, ottenute tramite microfluidica, all’interno di scaffolds nanofibrosi in PVA, consentendo la realizzazione di un sistema ibrido capace di coniugare un adeguato supporto strutturale con funzionalità di drug delivery. Tale approccio può essere considerato un valido proof of concept per il futuro sviluppo di biomateriali avanzati multifunzionali destinati ad applicazioni nell’ambito della medicina rigenerativa e dell’ingegneria tissutale.