Idrogeli sensibili all’ATP basati su alginato e nanoparticelle d’oro

Hydrogels are semisolid colloidal systems with a 3D polymeric network capable of adsorbing large quantities of water. Thanks to their properties, hydrogels are used in different areas such as medical, chemical and pharmaceutic. The main characteristic of hydrogels is to be stimuli responsive. The aim of my thesis project is to develop and study of the properties of a stimuli responsive hydrogel, based on alginate crosslinked with gold nanoparticles functionalised with 1,4,7-triazacicleonane·Zn2+ groups (NPs-TACN·Zn2+). The hypothesis of my project is that such hydrogel would maintain some important features typical of his components, such the high affinity for ATP and the selectivity towards GMP shown by NPs-TACN·Zn2+. This would cause the hydrogel melting, that can be exploited to release the cargo in the presence of specific external stimuli. We initially optimised the conditions of hydrogel preparation. Then we studied the encapsulating properties of the gel, and we observed that small molecules were efficiently encapsulated only if interacting with the nanoparticles. The ability to encapsulate proteins was tested using Creatine Phosphokinase, but further experiments are required. The stimuli responsive properties of the hydrogel were studied in the presence of ATP or similar. We observed that ATP is able to displace the alginate, breaking the crosslinking knots and causing the melting of the gel and consequent cargo release. The affinity of the hydrogel to ADP and AMP is progressively lower. Finally, we proved that the hydrogel has a selective response to GMP over TMP.

Gli idrogel sono sistemi colloidali in forma semisolida caratterizzati da un network polimerico 3D capace di adsorbire grandi quantità di acqua. Gli idrogel sono utilizzati in moltissimi ambiti per le loro proprietà, tra cui l’ambito medico, chimico, farmaceutico e alimentare. La caratteristica principale di alcuni idrogel è l’essere sensibili a stimoli esterni. Lo scopo del mio progetto di tesi è lo sviluppo e lo studio delle proprietà di uno “stimuli responsive” idrogel basato su alginato reticolato con nanoparticelle d’oro passivate da tioli equipaggiati con un complesso 1,4,7-triazaciclonano·Zn2+ (NPs-TACN·Zn2+). L’ipotesi di questo progetto è che l’idrogel così formato mantenga le proprietà tipiche delle sue componenti, quali l'elevata affinità per l'ATP e la selettività nei confronti di GMP mostrata dalle NPs-TACN·Zn2+. Ciò permetterebbe di spiazzare l’iterazione con l’alginato in favore di quella nucleotidefosfato-nanoparticelle, causando quindi lo scioglimento del gel e il rilascio del carico inglobato. Dopo aver ottimizzato le condizioni di formazione dell’idrogel, abbiamo studiato le proprietà di incapsulamento e di risposta a stimoli esterni, quali ATP e analoghi. Nella preparazione delle NPs si è potuto constatare che piccole molecole rimanevano incapsulate nell’idrogel solo se capaci di interagire almeno con le nanoparticelle. La capacità di inglobare proteine è stata testata usando la Creatina Fosfochinasi, ma dovrà essere ulteriormente esplorata utilizzando altri enzimi compatibili con l’alginato. Gli esperimenti effettuati hanno mostrato come l’idrogel di alginato-NPs-TACN·Zn2+ sia più selettivo per i gruppi fosfati rispetto ai carbossilati. In particolare, l’ATP si è mostrato in grado di spiazzare l’alginato, andando a rompere i nodi del reticolo e causando quindi lo scioglimento del gel. L’affinità dell’idrogel per ADP e AMP è progressivamente minore. Inoltre, abbiamo visto che con nucleotidi monofosfato l’idrogel ha avuto una risposta selettiva per il GMP rispetto al TMP.