Titolo della tesi: Polymeric Cryogels: An Experimental and Modeling Integrated Approach for Biomedical and Chromatographic Applications
Questa tesi riporta uno studio sperimentale e teorico integrato sui sistemi polimerici porosi, riguardante l'ottimizzazione per applicazioni biomediche e la modellazione come possibili fasi stazionarie nei processi cromatografici. La ricerca copre due aree principali: la prima comprende la sintesi, la caratterizzazione e la modellazione di criogel a base di destrano per la somministrazione controllata di farmaci e l'ingegneria tissutale, mentre la seconda è dedicata alla modellazione computazionale di geometrie triplamente periodiche volte alla progettazione di colonne cromatografiche efficaci.
I derivati metacrilici del destrano sono stati sintetizzati e studiati sistematicamente nella sezione sperimentale con l'obiettivo di definire la finestra di formazione dei sistemi di tipo criogel. È stata studiata l'influenza della concentrazione del polimero, del rapporto dei reagenti e della presenza di ossigeno, evidenziando il ruolo chiave svolto da questi parametri nel determinare la cinetica di reticolazione, la porosità e le proprietà meccaniche. Mediante analisi strutturali e morfologiche sono stati identificati gli intervalli di parametri che consentono il raggiungimento di reti macroporose stabili e altamente interconnesse. Successivamente, lo studio è stato esteso alla valutazione degli effetti esercitati dal peso molecolare del polimero e dalla lunghezza del distanziatore sul comportamento di rigonfiamento, sulla velocità di degradazione e sulla risposta meccanica. Sono stati testati anche criogel a base di destrano per il rilascio del farmaco utilizzando la vitamina B12 come molecola modello: è stato dimostrato che il metodo di caricamento influisce drasticamente sul meccanismo di rilascio. È stato sviluppato un modello meccanicistico a due fasi, in grado di descrivere con successo la transizione tra comportamenti di rilascio fickiani e non fickiani. Per migliorare le prestazioni biologiche, sono stati preparati criogel miscelati contenenti gelatina metacrilata, il cui metodo di preparazione combina efficacemente la robustezza strutturale dovuta ai derivati del destrano con la bioattività della gelatina. Test preliminari di adesione e proliferazione cellulare hanno confermato il potenziale di questi sistemi come impalcature biocompatibili.
Dal punto di vista teorico, è stato formulato un modello di meccanodiffusione modificato per descrivere la meccanica del rigonfiamento dei criogel, introducendo porosità e frazione volumetrica del polimero per rappresentare meglio la natura macroporosa del materiale. Infine, è stato condotto uno studio computazionale su fasi stazionarie cromatografiche modellate come strutture a superficie minima triplamente periodica (TPMS). Utilizzando l'analisi del momento a due zone, sono state analizzate la dispersione idrodinamica e le prestazioni cinetiche di diverse geometrie, identificando le strutture di tipo giroide e diamante come le più promettenti per separazioni ad alta efficienza e fattibili per la fabbricazione avanzata di stampe 3D. Nel complesso, l'approccio qui presentato copre tutto, dalla progettazione dei materiali alla caratterizzazione sperimentale e alla modellazione teorica, contribuendo così all'ulteriore sviluppo di sistemi basati su criogel per bioapplicazioni e fornendo informazioni significative sui principi di sviluppo di nuovi mezzi cromatografici.
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