Design of smart Lyotropic Liquid Crystals (LLCs) for selective diffusion and controlled drug delivery

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Raffaella Bertoni
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1 DISS. ETH NO Design of smart Lyotropic Liquid Crystals (LLCs) for selective diffusion and controlled drug delivery A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by RENATA NEGRINI Master degree in Chemical Engineering, Politecnico di Milano, Italy Born on citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Raffaele Mezzenga Dr. Laurent Sagalowicz 2014

thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc.

2 Abstract (English) Smart nanomaterials have enabled progress in many areas, including food and medicine, among others. Modified lipid-based lyotropic liquid crystals (LLCs) represent a good example of these soft materials. The outcome of this thesis originates from design principles on the realization of smart lipid-based LLCs. As a main goal, we explore the potential of employing LLCs mesophases to tune diffusion of hydrophilic molecules and we discuss the methods followed to engineer different systems for controlled drug release purposes. In particular, we engineered tunable lipid based LLCs by addition of different amphiphilic molecules to the neutral monolinolein-water system in order to obtain smart nanomaterials able to selectively separate different molecules or to respond to external stimuli, thus controlling the release of hydrophilic drugs in the human body. In the first chapter a general overview on liquid crystals and in particular on the lipids self-assembly process and the peculiarities of the monolinoleinwater system are introduced. Additionally, the key role of the self-assembly process, energetic and geometrical considerations (i.e. critical paking parameter, CPP, and the minimal surface, TPMS) are presented, with the purpose of determining the relationship between structures and properties (i.e. diffusion and release behavior) of the systems employed, and control the design of smart materials for different applications. The following chapters, which represent the original research and the main outcome from the thesis, focus on the design and realization of smart LLCs by modification of the neutral monolinolein-water system. The second chapter demonstrates the possibility of controlling the diffusion processes in bicontinuous cubic phases by modifying their water channels surface. In - 6 -

The outcome of this thesis originates from design principles on the realization of smart lipid-based LLCs.

3 the first part, the diffusion of hydrophilic drugs through the LLCs mesophase is tuned by swelling the bicontinuous cubic water channels by addition of a hydration enhancer. In the second part we obtain a smart bicontinuous cubic phase by the introduction of electrostatic interactions on the water channel surface, which are able to retain oppositely charged molecules at different ph. For this purpose two different additives are employed, either a weak acid, linoleic acid (LA), or a weak base, pyridinylmethyl linoleate (PML) and different charged molecules released varying the electrostatic interactions drug-mesophase. The third chapter deals with the design and realization of smart phresponsive LLCs for controlled drug delivery. To this point, we added in the first case linoleic acid, which being a weak acid (pka 5), is essentially in the deprotonated charged state at ph 7 and mainly protonated and neutral at ph 2, imposing changes in the critical packing parameter (CPP) of the lyotropic liquid crystal at the two different phs. The system was designed to reversibly change from reverse bicontinuous cubic phase to a reverse hexagonal phase, when changing the ph from neutral (ph 7) to acidic (ph 2) conditions, which results in a slowing down of the release process from ph 7 to ph 2. Secondly, by using the same approach, we developed tumor target smart nanocarriers. We synthetized a new weak base, pyridinylmethyl linoleate (PML) and we added it to the monolinolein/water system. PML being a weak base (pka 5), is essentially neutral at ph 7.5 and positively charged at ph 5.5, imposing changes in the critical packing parameter (CPP) of the lyotropic liquid crystal. The system is thus designed to release cancertherapeutic drugs faster at ph 5.5, mimicking the cancerous acidic ph, and slower at ph 7.5, i.e. physiological ph. An Outlook and Conclusions sections illustrate how the main findings of this work can be expanded to future research

4 Riassunto (Italiano) La scoperta e l impiego di nanomateriali intelligenti hanno comportato negli ultimi decenni progressi in diversi settori come quello alimentare o farmauceutico. Cristalli liquidi liotropici (LLCs) costituiti da lipidi rappresentano un ottimo esempio di materiali soft. Questa tesi è incentrata sulla ricerca di principi di progettazione e nella realizzazione di LLCs lipidici. Lo scopo principale è l esplorazione del potenziale impiego di mesofasi lipidiche studiate per regolare la diffusione e il rilascio controllato di molecole idrofile. In particolare sono stati sviluppati, attraverso l aggiunta di molecole anfifile al sistema neutro monolinoleina-acqua, nanomateriali intelligenti capaci di separare selettivamente diverse molecole o di rispondere a stimoli esterni per il rilascio controllato di farmaci idrofili nel corpo umano. Nel primo capitolo di questa tesi è riportata una panoramica generale sui cristalli liquidi; in particolare, sui processi di self assembly e sulla peculiarità dei sistemi monolinoleina-acqua. Inoltre vengono presentati gli elementi principali che governano l aggregazione, tenendo conto di considerazioni energetiche e geometriche (parametro di impaccamento critico, CPP e superfici minime, TPMS), con lo scopo di determinare la relazione tra la struttura e le proprietà (diffusione e capacità di rilascio) dei sistemi impiegati. Il controllo delle caratteristiche attraverso la struttura risulta essenziale per la progettazione di materiali intelligenti che possano essere disegnati per diverse applicazioni

Questa tesi è incentrata sulla ricerca di principi di progettazione e nella realizzazione di LLCs lipidici.

5 I capitoli seguenti, che rappresentano il lavoro originale di ricerca di questa tesi, sono focalizzati sul design e la realizzazione, attraverso la modifica del sistema neutro monolinoleina-acqua di LLCs sensibili a stimoli esterni. Nel secondo capitolo viene mostrata la possibilità di controllare i processi di diffusione in fasi cubiche bicontinue attraverso il cambiamento della superficie dei canali acquosi. Nella prima parte la diffusione di molecole idrofile attraverso LLCs è stata controllata tramite l aggiunta di surfatanti in grado di aumentare l idratazione delle mesofasi dilatandone i canali acquosi. Nella seconda parte è stata ottenuta una fase cubica bicontinua intelligente attraverso l introduzione di cariche elettrostatiche sulla superficie dei canali acquosi. Con la variazione del ph è stata inoltre regolata la ritenzione delle molecole con cariche di segno opposto. A questo proposito sono stati impiegati due diversi additivi: un acido debole (acido linoleico) o una base debole (pirimidilmetil linoleato). Diverse molecole cariche sono quindi state rilasciate variando l interazione elettrostatica droga-mesofase. Nel terzo capitolo vengono illustrati la progettazione e la realizzazione di smart LLCs sensibili alla variazione di ph per il trasporto controllato di farmaci attraverso il cambiamento del CPP a due diversi ph. Per la realizzazione di questi sistemi è stato aggiunto nel primo caso un acido debole (acido linoleico pka 5) deprotonato a ph 7, protonato e quindi neutro a ph 2. Il sistema è stato disegnato in modo da ottenere una transizione reversibile da fase cubica bicontinua a fase esagonale inversa cambiando il ph da - 9 -

Nel secondo capitolo viene mostrata la possibilità di controllare i processi di diffusione in fasi cubiche bicontinue attraverso il cambiamento della superficie dei canali acquosi.

6 neutro (ph 7) a acido (ph 2). La transizione di fase è accompagnata da un rallentamento nel processo di rilascio da ph 7 a ph 2. Utilizzando il medesimo approccio sono stati quindi sviluppati dei sistemi di trasporto nanometrici che vadano ad agire su cellule tumorali. È stata sintetizzata una base debole, piridinilmetil linoleato (PML) che è stata aggiunta al sistema monolinoleina-acqua. PML è una base debole (pka 5) neutra a ph 7.5 e carica positivamente a ph 5.5, imponendo anche in questo caso il cambiamento del CPP dei cristalli liquidi liotropici. In questo caso il sistema è stato pensato per rilasciare più velocemente farmaci per la terapia anti cancro nelle condizioni di ph acido delle cellule tumorali (ph 5.5) e più lentamente nelle condizioni di ph fisiologiche di cellule sane (ph 7.5). Infine una sezione di conclusioni e possibili sviluppi illustra come i risultati più importanti di questo lavoro possano essere impiegati e sviluppati in futuri progetti di ricerca

È stata sintetizzata una base debole, piridinilmetil linoleato (PML) che è stata aggiunta al sistema monolinoleina-acqua. PML è una base debole (pka 5) neutra a ph 7.5 e carica positivamente a ph 5.

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