Sistemi per il rilascio basati su idrogel – Definizione e Meccanismo di Rilascio
Per esplicare il suo effetto terapeutico un principio attivo deve essere disponibile in una certa dose per un dato tempo in uno specifico posto. Pertanto dei sistemi per il rilascio controllato in grado di soddisfare questi requisiti devono essere opportunamente progettati così che il principio attivo possa essere rilasciato con la cinetica desiderata (di ordine zero), in risposta ad alcuni stimoli esterni (sistemi sensibili), e/o in certi ambienti (sistemi per la somministrazione mirata). I sistemi per il rilascio basati su idrogel sono ottimi candidati quando si necessita di un rilascio controllato e, sebbene siano ampiamente utilizzati in diversi campi (farmaceutico, agroalimentare etc.), una completa comprensione dei fenomeni coinvolti – e la loro descrizione matematica (modellazione) – non è ancora stata raggiunta.
Cos’è un idrogel?
Gli idrogel sono dei network polimerici tridimensionali, idrofilici, capaci di adsorbire grosse quantità di acqua o di fluidi biologici. Una distinzione va fatta tra idrosol e idrogel, con i primi sono indicate soluzioni nelle quali i polimeri sono discolti in acqua mentre, con il termine idrogel sono identificate idrosol di polimeri reticolati. Questi ultimi, a causa della presenza di reticolazioni chimiche o fisiche nel network polimerico, non possono disciogliersi in acqua ma possono assorbirla aumentando così il proprio volume.
Il sistema così formato è molto complesso e generalmente può essere considerato come costituito da tre parti: il network polimerico solido, l’acqua o il fluido biologico interstiziale ed eventuali specie ioniche (Figura 1).
Il comportamento di questo sistema è quindi dato dall’interazione di tutte queste parti con l’ambiente esterno. Infatti l’assorbimento di acqua dovuto alla forza di diluizione (l’entropia del sistema aumenta, come nei normali processi di solubilizzazione di polimeri lineari) causa il rigonfiamento del network. Allo stesso tempo le catene polimeriche, tra le giunzioni del network, dovranno assumere una configurazione allungata con conseguente generatione di una forza elastica. Come il rigonfiamento procede, questa forza elastica aumenta e la forza di diluizione diminuisce. Alla fine verrà raggiunto uno stato di equilibrio di rigonfiamento nel quale queste due forze saranno eguagliate.
Quando questi polimeri presentano un network ionizzabile, la capacità di rigonfiamento potrebbe essere enormemente aumentata come risultato della localizzazione delle cariche che, esercitando un’azione elettrostatica repulsiva, tenderebbero a far espandere il network. Va però considerato che le cariche fisse non sono le uniche presenti nel gel, sarà almeno presente una quantità stechiometrica di controioni mobili. Questi, esercitato un effetto di schermatura, riducono la capacità ideale di swelling per effetto repulsivo. Inoltre il gel può scambiare ioni con l’ambiente per effeto Gibbs-Donnan.
Tutte queste caratteristiche rendono gli idrogel sostante perfette per la formulazione di sistemi per il rilascio controllato di princi attivi, sensibili a variazioni di temperatura, pH e particolari variazioni di soluti.
Meccanismo di rilascio del principio attivo
Quando un polimero secco in grado di formare idrogel, caricato con un principio attivo, è immerso in un fluido fisiologico, il solvente inizia a penetrare all’interno della matrice polimerica.
Se il polimero presenta una temperatura di transizione vetrosa più elevata di quella ambiente/fisiologica, quando il solvente raggiunge una concentrazione critica nel sistema, le catene polimeriche si distendono così da far avvenire la transizione vetrosa-gommosa e far formare uno strato di gel che circonda il centro della matrice non idratata. Il fronte mobile sul quale avviene questo fenomeno è definito “fronte di swelling“, che separa la matrice rigonfiata da quella non rigonfiata. Nella regione rigonfiata le catene polimeriche assumono una configurazione allungata che permette alle molecole di principio attivo di diffondere facilmente verso l’ambiente esterno, una volta che si sono disciolte. Il fronte, nella parte rigonfiata, che separa la zona in cui il principio attivo si trova solamente nella forma disciolta da quella in cui il principio attivo si trova nella forma disciolta e dispersa è chiamato “fronte di diffusione”. Inoltre, la zona in cui la parte rigonfiata è a contatto con il mezzo di dissoluzione esterno è chiamata “fronte di erosione”. Su questo bordo il polimero diventa estremamente idratato e fenomeni come il disentanglement delle catene prendono posto, erodendo la matrice.
Tutte queste regioni sono mostrate in Figura 2, dove una foto di una compressa rigonfiata a seguito di dissoluzione radiale è confrontata con lo schema del comportamento di un sistema di rilascio basato su idrogel.