Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Controlled delivery of active compounds using nanoscale carriers is nowadays a common concept, but there are still limitations in current delivery systems related to active compound release rate and nanocarriers stability. To address these limitations, delivery systems can be made to incorporate both nanocarriers (liposomes, microgels and nanogels) and hydrogels. In this study, we have developed controlled delivery systems by combining different carriers in order to overcome deficiencies observed in systems using only one type of carrier. Such a combination could lead to an enhanced controlled release delivery system through synergistic stabilization. More specifically, we created a structured hydrogel embedded with either liposomes, microgels, or nanogels, each loaded with model active compounds that would be released in a controlled fashion by manipulating the temperature of release medium and nanocarriers composition and concentration. We compared drug loading and release kinetics of sulforhodamine B from liposomes (composed of DOPC and DPPC at different ratios) and nanogels (chitosan/hyaluronic acid) embedded in acrylamide hydrogels. We also compared drug loading and release kinetics of rhodamine 6G from microgels of N-isopropylacrylamide (NIPAM) with different ratios of methacrylic acid embedded in acrylamide hydrogel. Liposomes demonstrated a moderate drug loading capacity with sustained release for over ten days, while nanogels showed high drug loading but faster release kinetics, exhausting their contents within two days. Comparatively, microgels completely released their content within a day. Despite their faster release kinetics, microgels have shown the capacity to be finely tuned for efficient drug loading. The Langmuir isotherms indicated that it can be achieved by altering their structural properties or by changing their incubation medium. Each developed system has demonstrated a potential in controlling the release rate, which makes them candidates for further investigations in the future.