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marietta-colella
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PLURONICS17.2a
PluronicsPluronics®®
(BASF)(BASF)
Famiglia di block copolymersnon ionici ed anfifilici
Molecole o unimeri a tre blocchi
(EO)(EO)xx(PO)(PO)yy(EO)(EO)xx
OH
O
O
O
Hx
x
y
Centro idrofobo
Estremità idrofileAmpia disponibilità
Inerzia chimica e biologica
Significative proprietà di solvente
Buona solubilità in acqua
Caratteristiche osmotiche controllate
Proprietà di superficie definite
PluronicPluronic®® grid grid
Pes
o m
ole
cola
re d
i PP
O(t
ra 9
50 e
400
0 D
a)
Contenuto percentuale in peso di EO(tra 10 e 80%)
Paste
Liquidi
Flakes
Area“best gelformation”
PLURONICPLURONIC®® F127 F127
(EO)(EO)9999(PO)(PO)6565(EO)(EO)9999
MW ≈ 12600 Da%EO ≈ 70%
Micellizzazione dei PluronicsMicellizzazione dei Pluronics®®
Aumento della temperatura Aggregazione in MicelleCMTCMT
Basse temperature Unimeri in soluzioneMolecole idratate
(legami H)
Corona micellareCorona micellarePEOPEO
Hydrophobic coreHydrophobic corePPOPPO
Parametri strutturali(F127) Raggio idrodinamico Raggio idrodinamico ≈ ≈ 10 nm10 nm
Numero di aggregazione = 3 Numero di aggregazione = 3 ÷ 12÷ 12
Raggio del nucleo ≈ 7 nmRaggio del nucleo ≈ 7 nm
Gelation dei PluronicsGelation dei Pluronics®®
Soluzionemicellare
Aumento dellatemperatura
Aumento della frazione divolume occupata dalle micelle
VALORE CRITICOVALORE CRITICO= 0,53= 0,53
Packing di sferein struttura cristallinaa cella cubica semplice
Vistose variazioni dellegrandezze reologiche
Entanglementstra le corone micellari
Number increase
Volume increase
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
T [°C]
G', G''
[Pa]
G'
G''
Gelation termicaGelation termicacon cineticacon cineticaTWO STEPTWO STEP
Soluzione di F127 al 18%Soluzione di F127 al 18% Esame del campo di temperatura tra 15 e 37°C
RHEOLOGY
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
T (°C)
G'(
Pa)
P18
P18-A2P18-A2-C
P18-A2-L
ADDITION OF OTHER COMPONENTS:A alginate (2%)
L, C = liposomes
20 ms10°C
40°C
T(°C)
T2(ms)
I(-)
160 ms
1000 ms
14°C
LOW FIELD NMR: RELAXATION (T2)
WATER (84.2%)
PLURONIC (15.7%)
STRUCTUREDPLURONIC
Pluronic® F127 "non strutturato" e "strutturato"
0
10
20
10 20 30 40
T [°C]
Area Normalizzata
[%]
H2O
50
60
70
80
90
100
10 20 30 40T [°C]
Area normalizzata
[%]
5.0E-10
7.0E-10
9.0E-10
1.1E-09
1.3E-09
1.5E-09
1.7E-09
1.9E-09
2.1E-09
0 0.05 0.1 0.15
(td(s))0.5
DH
2O(m
2 /s)
T = 37°C
T = 30°C
T = 25°C
T = 20°C
T = 15°C
T = 10°C
LOW FIELD NMR: DIFFUSION (D)
ALGINATE - PLURONIC7.2bPREPARATION:
-Pluronic is slowly added to the water-alginate solution at 5°C
-The solution is let to rest 24 hours at 5°C
-The solution is heated up to room temperature (PLURONIC GELATION) -ALGINATE GELATION occurs for the addition of a bivalent cation solution
Bivalent solution spraying
Alginate + Pluronic solution
RHEOLOGY: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4]
1000
10000
100000
0.01 0.1 1 10 100 1000
w [rad/sec]
G', G'' [Pa]
G' exp
G'' exp
T = 25 °C = 3 Pa < 40 Pa
x =2.7*10-5 mole/cm3
= 5 nm
LF NMR: Alginate 2% - Pluronic 18% (A2P18) [CuSO4]
0
10
20
30
40
50
60
1 10 100 1000
T2 [ms]
a(T2)
A1
A2
T2,1
T2,2
A4
T2,4
A3
T2,3
Picco i
T2,i [ms]
Ai Normalizzata
[%]
1 3.40 51.88
2 11.40 21.47
3 98.62 5.74
4376.8
420.91
A2% CuSO4 (25°C)
PF127 18%(25°C)
mesh
74%
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1 10 100[nm]
P()
Pluronic F127 18% -Alginato di Cu 2%
2% - CuSO4A2% CuSO4
T = 25°C
0.00E+00
5.00E-10
1.00E-09
1.50E-09
2.00E-09
2.50E-09
0 0.0525 0.105 0.1575
td0.5(s0.5)
D(m
2 /s)
PF127 18%
PF127 Al 18-2%
Linear Model
Not linear model
Latour Model
≈ 2
≈ 4
7.2c RESTENOSIS2,3
L’aterosclerosi è una forma di infiammazione delle arterie. Esso rappresenta la più comune causa di occlusione delle arterie.
Allo scopo di rivascolarizzare le arterie coronariche stenotiche, dal 1978 è stata introdotta la così detta “angioplastica coronarica transluminare percutanea” (PTCA).
La PTCA consiste:1) nell’avanzare un palloncino
montato su catetere sino all’area del restringimento coronarico
2) nel gonfiare il palloncino3) nel ritirare il catetere dopo aver
sgonfiato il palloncino
Purtroppo la PTCA induce una successiva restenosi del vaso
L’espansione del palloncino durante l’angioplastica è stata associata allo spiegamento di uno stent
Il dispiegamento dello stent ha significativamente ridotto la frequenza del recoil elastico e del successivo rimodellamento restringente del vaso, ma non ha evitato l’ispessimento neointimale (in-stent restenosi, ISR)
È stato quindi introdotto l’uso dei Drug Eluting Stents (DES) capaci di rilasciare nella parete dell’arteria un farmaco dalle proprietà antinfiammatorie, antitrombogeniche o antiproliferative
DES tradizionali
Late stent thrombosis following drug-eluting stent implantation: data from a large, two-institutional cohort study, Wenaweser & Tsuchida, World Congress on Cardiology, Barcelona, Spain, 2-6 September 2006 Increased mortality after implantation of first generation drug-eluting stents: seeing the smoke, where is the fire?, Wijns & Krucoff, European Heart Journal, 27, 2737-2739, 2006
Nuovi approcci Farmaci basati su acidi nucleici(NABD)
GEL PAVING
gel layer
intima
media
adventitia
endothelium
elastic lamina
elastic lamina
Stent strut cross section
blood flow direction
Coronary wall
diffusionconvection
elimination
drug
diffusion
Sezione dello stent Parete arteriosa
Lume
Coating rinforzato
Coating con principio attivo
Il principio attivo• Molecole basate su acidi nucleici (NABD) capaci di diminuire la proliferazione delle VSMC sopprimendo l’espressione di geni promotori del ciclo cellulare
• Tali molecole sono complessate con liposomi, vescicole costituite da lipidi anfifilici strutturati in doppi strati (spessore di circa 4 nm) che generano membrane delimitanti uno o più compartimenti acquosi al loro interno
MATHEMATICAl MODELLING
• Lo stent è immaginato come una successione di anelli circolari
• Simmetria rispetto alla coordinata , ovvero i profili di concentrazione sono:
C = C(R, Z, t) ∀
• Tramite il gel paving una fase gel viene applicata alla parete dell’arteria
• Viene realizzato un sistema a doppio layer: un gel forte a contatto col sangue e un gel debole a contatto con l’arteria(per esempio: pluronico + alginato)
Configurazione totally embedded Configurazione totally out
Sistema a bande
Sistema continuo
Ipotesi e approssimazioni
Nella definizione di un modello matematico che descriva il processo di rilascio dal sistema appena visto, sono state introdotte le seguenti ipotesi:• La fase gel non viene erosa dal flusso sanguigno• La distribuzione del farmaco nella parete dell’arteria dipende da fenomeni di diffusione, convezione e internalizzazione• La parete dell’arteria viene considerata un tessuto dalle caratteristiche omogenee• Si considera solamente il contributo radiale della velocità di convezione• Il farmaco può essere solamente o in forma solubile o legato irreversibilmente
bofffonZθ
RZ2CkCBk
Z
CV
θ
C
R
V
R
CV
Z
CD
11
Z
CD
RR
CRD
RRt
CR
kCR
CV
R
CR
RR
Dr
Z
C
ZDz
t
CR
DaCR
CPe
R
CR
RRZ
C
Zt
C 12
= R0/Z0
Pe = VRR0/DDa = kR0²/D
C+(t+), t+ = tD/R0²
Sistema continuo, assenza dello stent
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 2 4 6 8 10
Tempo adimensionale t+
Con
cent
razi
one
med
ia r
elat
iva
Da = 0
Da = 0,025
Da = 0,25
Da = 2,5
Da = kL²/D• k costante di internalizzazione• L lunghezza caratteristica (spessore arteria)• D diffusività del farmaco nell’arteria
Sistema continuo, assenza dello stent
Darteria / Dgel debole
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0 2 4 6 8 10
Tempo adimensionale t+
Con
cent
razi
one
med
ia r
elat
iva
Dart/Dgel debole = 0,01
Dart/Dgel debole = 0,1
Dart/Dgel debole = 1
• Darteria tenuto costante• Dgel debole viene variato• Dgel forte = 1/1000 Dgel debole
Sistema continuo, presenza dello stent
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Tempo adimensionale t+
Con
cen
traz
ion
e m
edia
rel
ativ
a
Fv = 1
Fv = 0,7 Nv = 12
Geometria dello stent • Frazione di vuoto V = 0.7, 0.8, 0.9, 1.0• Numero di vuoti NV = 6, 9, 12• SR = 50, 100, 150 m • Stent totally embedded• Da = 0
Sistema continuo, presenza dello stent
Flusso Sanguigno
Parete dell’arteria
Asse di simmetria
Concentrazione massima relativa
Concentrazione relativa nulla
Gel
Sistema continuo, presenza dello stent
Flusso Sanguigno
Parete dell’arteria
Asse di simmetria
Concentrazione massima relativa
Concentrazione relativa nulla
Gel
0.0
0.03
0.09
0.12
0.15
0.18
0.21
0.12
Ccw
r+
z+
0.50.504
1.0
Blood stream
cw
sog
stg
0.511
0.595
stent strut print
Sistema continuo, presenza dello stent
Confronto tra le configurazioni “totally out” e “totally embedded”Da = 10 su 4 m, (V, NV, SR) = (0.8, 9, 0.01 cm)
0
0,000005
0,00001
0,000015
0,00002
0,000025
0,00003
0,000035
0,00004
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Tempo adimensionale t+
Con
cent
razi
one
med
ia r
elat
iva
Stent totally embeddedStent totally out
0
1
2
3
4
5
6
1 10 100 1000
days
Ccw
(g/
cm3 )
Rbs = 0.25
Rbs = 0.5
Rbs = 0.75
Rbs = 0.75; small DA
Rbs = 0.75; big DA
Thrombi deposition
VSMCs proliferation
Late remodelling+ inflammation
REFERENCES
1) Mariana Puia, Caratterizzazione strutturale di Idrogel polimerici per applicazioni biotecnologiche. Tesi di Laurea, Dipartimento di Ingegneria Chmica, Università di Trieste, A.A. 2007-2008
2) Current Strategies to Improve the Efficacy and the Delivery of Nucleic Acid Based Drugs”, Grassi M., Cavallaro G., Scirè S., Scaggiante B., Dapas B., Farra R., Baiz D., Giansante C., Guarnieri G., Perin D., Grassi G. Current Signal Transduction Therapy, 2010, 5(2), 92-120
3) Mathematical modelling of NABD release from endoluminal gel paved stent”, L. Davia, G. Grassi, G. Pontrelli, R. Lapasin, D. Perin, M. Grassi. Computational Biology and Chemistry, 2009, 33, 33-40.