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L'alginato è un polisaccaride naturale contenuto in alcune specie di alghe brune e in particolare è un componente strutturale delle pareti cellulari. Questo accumulo di alginato dà anche flessibilità alle alghe e gli consente di resistere alle correnti marine.

 L'acido alginico fu isolato da uno scienziato scozzese, il Dr. E.C.C. Stanford, nel 1883. Da allora, l'acido alginico e i suoi derivati sono stati utilizzati come idrocolloide in una varietà di applicazioni come additivi alimentari, mangimi, prodotti farmaceutici, prodotti odontoiatrici, cosmetici e stampa tessile.

APPLICAZIONI BIOMEDICHE E FARMACEUTICHE

In ambito biomedico e farmaceutico i geli di alginato sono utilizzati da più di tre decadi per incapsulare una ampia selezione di principi attivi (Reis et al. 2007; Goh et al. 2012), proteine (George et al. 2006; Gombotz et al 2012) e cellule (Orive et al. 2002; Vos et al. 2006).

Applicazioni oftalmiche

La somministrazione oculare di farmaci deve tener conto della particolare anatomia e fisiologia dell’occhio, la necessità di superare le barriere protettive dell’apparato senza causare danni ai tessuti o aumentare il rischio di effetti indesiderati sistemici (Rupenthal et al. 2011). La via oculare è generalmente poco efficiente: la biodisponibilità dei farmaci somministrati è di circa l’1-3% a causa della diluizione e della rapida rimozione della forma di dosaggio ad opera del fluido lacrimale (Tonnesen et al. 2002). Per aumentare il tempo di contatto del farmaco con la cornea e quindi la biodisponibilità possono essere usate macromolecole che aumentano la viscosità e la mucoadesione. Il sodio alginato gelifica in situ nell’occhio senza necessitare dell’addizione di ioni divalenti. Alginati con un contenuto di residui guluronici superiore al 65% gelificano immediatamente. Sfruttando questa proprietà sono state prodotte gocce oftalmiche veicolanti pilocarpina capaci di prolungare significativamente il tempo di effetto del farmaco (Shapiro et al. 1997). Un differente sistema autogelificante ha permesso di ottenere tempi di ritenzione maggiori a livello oculare di alcaloidi; questi sistemi non presentano, inoltre, proprietà irritanti (Liu et 22 al. 2010). L’uso di alginato miscelato con idrossipropilmetilcellulosa come addensante ha permesso di ottenere gocce oculari autogelificanti contenenti moxifloxacina idrocloruro (Mandal et al. 2014).

Applicazioni topiche

Bendaggi a base di alginato sono stati ampiamente studiati al fine di promuovere la guarigione di lesioni acute o croniche. I bendaggi tradizionali svolgono principalmente una funzione di barriera: mantengono la ferita secca permettendo l’evaporazione dell’essudato e impediscono la penetrazione di patogeni nella lesione (Queen et al 2004). I bendaggi moderni invece formano in corrispondenza della lesioni un ambiente umido e promuovono i processi di guarigione della ferita. I bendaggi a base di alginato sono prodotti per gelazione ionotropica con calcio: mediante liofilizzazione, si ottengono fogli porosi e fibrosi di alginato utilizzati per assemblare i bendaggi. Il gel secco applicato sulla lesione assorbe l’essudato della ferita e favorisce la ricostruzione del tessuto cutaneo. I bendaggi a base di alginato sono utilizzati per ferite essudative: ulcere, ferite infette, ferite croniche profonde e ferite granulative. I bendaggi sono adattabili alle cavità, promuovono l’emostasi e sono poco allergenici (Skórkowska-Telichowska et al. 2013). Possono veicolare molecole promuoventi la guarigione, anestetici locali o anti batterici. Sono stati approntati bendaggi capaci rilasciare in modo controllato dibutiril cicloadenosina monofosfato, un regolatore della proliferazione dei cheratinociti che accellera il processo di guarigione (Balakrishnan et al. 2005). Il rilascio, da parte di geli d’alginato, di ioni argento aumenta l’attività antimicrobica e antiossidante dei bendaggi. L’addizione di argento aumenta anche l’affinità di legame delle elastasi e delle citochine proinfiammatorie (Wiegand et al. 2009). La gelazione di un reticolo alginico con ioni zinco porta ad un aumento degli affetti antibiotici ed immunomodulatori, nonché un aumento dei fattori di crescita endogeni (Agren et al. 1999). 

Applicazioni odontoiatriche

L’alginato viene utilizzato per produrre calchi dentali nel campo odontoiatrico. Per la produzione di calchi le tecniche utilizzate sono due, tradizionalmente la prima è caratterizzate da due fasi successive: viene dapprima effettuato un pre-calco utilizzando alginato e successivamente viene preparato il calco definitivo utilizzando altri materiali, ad esempio resina acrilica o polietere. Più recente è l’utilizzo della tecnica one-step in cui il calco definitivo è ottenuto direttamente utilizzando l’alginato (Carlsson et al. 2013).

Applicazioni orali

In campo farmaceutico l’alginato è ampiamente utilizzato per la produzione di sistemi di dosaggio orali. La via orale presenta diversi vantaggi: è ben accettata dal paziente, è sicura ed economica. L’utilizzo diffuso dell’alginato per via orale è dovuto alle numerose caratteristiche che rendono adatto il polimero per questa via di somministrazione.. Per via orale l’alginato risulta quindi essere non tossico, altamente biocompatibile e biodegradabile (Espevik et al. 1993). L’alginato presenta caratteristiche di mucoadesività che possono favorire la veicolazione di farmaci a livello delle mucose dell’apparato gastrico (Gombotz et al. 2012). L’adesione delle particelle di alginato al tessuto mucosale permette di rallentare il tempo di passaggio dell’attivo veicolato e di indirizzarlo alla superficie dei tessuto (George et al. 2006). La carica anionica, conferita all’alginato dai gruppi carbossilici, lo rende un buon candidato per la produzione di forme di dosaggio mucoadesive. Studi comparativi hanno mostrato che l’alginato dispone di proprietà mucoadesive più elevate rispetto a altri polimeri come polistirene, chitosano, acido polilattico e carbossimetilcellulosa (Kwok et al. 1989).

Esempio di applicazione farmacologica orale dell’alginato nel reflusso gastroesofageo

Gli alginati comprendono il sodio alginato (E401), il potassio alginato (E402), l’ammonio alginato (E403), il calcio alginato (E404) e il propilenglicole alginato (E405). Come farmaci antireflusso si utilizzano il sale di sodio e di potassio dell’acido alginico. Nel trattamento del bruciore di stomaco causato dal reflusso del contenuto gastrico nell’esofago, la somministrazione di sodio alginato ha un effetto di sollievo molto rapida, entro pochi minuti (Strugala et al., 2010). Nello stomaco, il sodio alginato reagisce con l’acido gastrico liberando l’acido alginico che in presenza di acqua gelifica. Il gel tende ad ostacolare il reflusso del contenuto dello stomaco nell’esofago.

Perchè l’azione di barriera del sodio alginato sia veramente efficace, l’alginato gelificato deve posizionarsi sopra il contenuto dello stomaco a formare una sorta di “zattera galleggiante“. Per favorire il galleggiamento il sodio alginato è somministrato in formulazione con bicarbonato di sodio o di potassio. Il bicarbonato a contatto con l’acido cloridrico presente nello stomaco libera un gas, l’anidride carbonica o CO₂. L’anidride carbonica inglobata nel gel dell’acido alginico lo spinge verso l’alto favorendone il galleggiamento sopra il contenuto dello stomaco e il conseguente effetto barriera.(Scarpignato, Savarino, 2011).

Il sodio alginato è spesso formulato anche con carbonato di calcio perchè gli ioni calcio aumentano la viscosità del gel quindi la sua efficacia anti-reflusso.

Studi biologici

I geli di alginato sono ampiamente utilizzati come modelli 2D o 3D di colture cellulari fisiologicamente rilevanti. L’alginato, grazie al suo basso adsorbimento di proteine e alla mancanza di recettori specifici per questo polimero nelle cellule di mammifero, rappresenta un ottimo terreno di coltura. Alginati modificati con acidi arginilglicilaspartici (RGD) sono frequentemente utilizzati come substrato per colture cellulari in vitro (Lee et al. 2012).

 Rigenerazione di tessuti

L’incapsulazione di proteine e cellule in geli alginici è stata ampiamente sfruttata per la rigenerazione o l’ingegnerizzazione di differenti tessuti e organi del corpo umano. Per queste applicazioni è stata sfruttata l’ampia gamma di proprietà fisiche, gelificazione, adesione cellulare e degradazione degli alginati. Le proteine di piccole dimensioni possono, generalmente, essere rilasciate velocemente dai geli anche in assenza di degradazione della matrice alginica (Silva et al. 2010). Proteine di dimensioni più elevate possono essere rilasciate in seguito a degradazione della matrice (Kong et al. 2009). In caso di incapsulazione di cellule nei geli, si assiste a fenomeni di migrazione delle cellule o ad un loro rilascio controllato dalla degradazione dell’idrogelo (Hashimoto et al. 2002).

 Rigenerazione vascolare

La formazione di nuovi vasi sanguigni è fondamentale per l’ingegneria tissutale; una distanza di poche centinaia di micron dai vasi causa ipossia e carenza di nutriente per le cellule. La neovascolarizzazione può essere ottenuta mediante l’impianto di cellule, la veicolazione di farmaci angiogenici (proteine o geni) o entrambi. I geli di alginato permettono un controllo spaziotemporale nella somministrazione di questi farmaci (Cao et al. 2007). L’applicazione più studiata è la somministrazione di geli alginici contenenti eparina legata a fattori di crescita (Jay et al. 2009).

 Rigenerazione ossea

Il trattamento di lesioni ossee è spesso limitato da processi di guarigione lenti e imperfetti; i geli di alginato hanno un uso potenziale come veicoli di fattori osteoinduttivi. Gli alginati, rispetto ad altri materiali utilizzati nella rigenerazione di tessuti ossei e cartilagini, possono essere introdotti all’interno del corpo in maniera minimamente invasiva, possono essere utilizzati su difetti ossei di forma irregolare, facilitano l’adesione di ligandi e controllano il rilascio di fattori di induzione tissutale (Park et al. 2005).

 Rigenerazione neuronale

I geli di alginato sono stati utilizzati per riparare il sistema nervoso e centrale. L’alginato soddisfa i requisiti richiesti ad un materiale per rigenerazione neuronale: eccellente biocompatibilità, bassa tossicità e reazione a corpo estraneo, formazione di un microambiente che favorisce l’elongazione assonale e la migrazione delle cellule di Schwann, inibizione dell’invasione dei fibroblasti e della formazione di tessuto cicatriziale. Il calcio alginato, a causa dell’elevata quantità di ioni calcio al suo interno, presenta però citotossicità relativamente elevata sul tessuto nervoso e può dare origine a reazioni da corpo estraneo; vengono quindi utilizzati geli alginici reticolati covalentemente. Allo scopo di promuovere la rigenerazione dei nervi periferici il gruppo di ricerca di Hashimoto ha proposto l’uso di un materiale a base di alginato reticolato con etilendiammina (formazione di legami covalenti tra le catene di alginato). Questi geli sono pratici da utilizzare e possiedono una buona capacità di promozione della rigenerazione dei nervi periferici (Hashimoto et al. 2005). Geli reticolati con etilendiammina hanno promosso la rigenerazione di assoni e astrociti in ratti (Kataoka et al 2004). L’alginato viene anche usato come colla per riparare interruzioni non suturabili di nervi periferici (Suzuki et al. 2000).

Rigenerazione muscolare

Geli di alginato veicolanti cellule, fattori di crescita o entrambi si sono dimostrati utili a promuovere la rigenerazione di tessuti muscolari scheletrici (Levenberg et al. 2005). Il rilascio sostenuto del fattore di crescita degli epatociti e del fattore di crescita dei fibroblasti da gel alginici aumenta in modo rilevante la sopravvivenza a lungo termine e la migrazione di mioblasti primari nel tessuto muscolare danneggiato (Hill et al. 2006a); si è osservata conseguentemente un’aumentata rigenerazione delle fibre muscolari a livello della ferita (Hill et al. 2006b).

KIMICA Corporation azienda giapponese leader di mercato nella produzione degli alginati, già dal 1941, ha creato una rete mondiale per la raccolta di diverse specie di alghe brune adatte alla produzione di alginati industriali. Ciò le rende possibile produrre una vasta gamma di alginati per tutte le esigenze e di alta qualità.