Development and characterization of new injectable hybrid systems for osteoporosis treatment applications

W niniejszej pracy magisterskiej skoncentrowano się na wykorzystaniu funkcjonalizowanych cząstek mezoporowatej krzemionki jako nośnika dla leku z grupy bisfosfonianów – alendronianu sodu. Farmaceutyk ten znalazł zastosowanie w leczeniu osteoporozy, choroby Pageta oraz w przypadku nowotworowych przerzutów do kości, jednak doustne podawanie alendronianu sodu niesie za sobą wiele ogólnoustrojowych skutków ubocznych. W celu zwiększenia efektywności załadunku lekiem, modyfikowane grupami aminowymi cząstki mezoporowatej krzemionki zostały poddane dekoracji hydroksyapatytem poprzez ich 5-dniową inkubację w sztucznym osoczu ludzkiej krwi (SBF). W ten sposób wykorzystując powinowactwo alendronianu sodu do powstałej warstwy hydroksyapatytu przyłączono lek do powierzchni sfunkcjonalizowanego materiału, a także „załadowano” nim pory mezoporowatych cząstek krzemionkowych. Otrzymany układ MSP-NH2-HAp-ALN poddano charakterystyce fizykochemicznej wykonując pomiary FT-IR, DLS, potencjału zeta, XPS, XRD i porozymetryczne. Ponadto zbadano morfologię powstałego materiału wykorzystując techniki skaningowej oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Przeprowadzono również eksperyment uwalniania alendronianu sodu z przygotowanego nośnika krzemionkowego. Drugim etapem prac badawczych było zaprojektowanie i przygotowanie bioaktywnej matrycy polimerowej składającej się z kolagenu, chitozanu oraz modyfikowanego grupami aminowymi siarczanu chondroityny. Powstały materiał hydrożelowy poddano badaniom fizykochemicznym oraz biologicznym w celu sprawdzenia jego potencjału jako wstrzykiwalnego zolu sieciującego w warunkach fizjologicznych (pH = 7,4, 37°C).Kolejnym etapem prac nad zaprojektowanym układem będzie zawieszenie kompozycji nośnik-lek w wyselekcjonowanej matrycy biopolimerowej i usieciowanie całego systemu z wykorzystaniem genipiny. Tak powstały materiał hybrydowy może znaleźć potencjalne zastosowanie jako rusztowanie przyspieszające mineralizację tkanki kostnej oraz jako małoinwazyjny sposób leczenia drobnych ubytków kostnych o podłożu osteoporotycznym.

Presented MSc thesis focuses on the use of functionalized mesoporous silica particles as a carrier for the bisphosphonate drug - sodium alendronate. This drug has found application in the treatment of osteoporosis and Paget's disease, however the oral administration of sodium alendronate brings many systemic side effects. In order to increase the drug loading efficiency, the amine-modified mesoporous silica particles were decorated with hydroxyapatite by incubating them for 5 days in simulated body fluid (SBF). Hereby, using the affinity of sodium alendronate to the hydroxyapatite layer, the drug was attached to the surface of the functionalized material and was simultaneously loaded into the pores of mesoporous silica particles. The obtained MSP-NH2-HAp-ALN system was subjected to physicochemical characterization by performing FT-IR, DLS, zeta potential, XPS, XRD and porosimetry measurements. In addition, the morphology of the resulting material was examined using scanning and transmission electron microscopy techniques. An experiment of sodium alendronate release from the prepared carrier was also performed.The second part of the research work was to design and fabricate a bioactive polymer matrix containing collagen, chitosan and chondroitin sulfate modified with amino groups. The resulting hydrogel material was subjected to physicochemical and biological tests in order to verify its potential as an injectable sol with cross-linking ability under physiological conditions (pH = 7.4, 37 °C).The next stage of work on the designed system will be the dispersion of the carrier-drug composition in the selected biopolymeric matrix and crosslinking of obtained systems with genipin. The resulting hybrid material can be potentially used as a scaffold to accelerate the mineralization of bone tissue and as a minimally invasive method of treating minor osteoporotic bone defects.