Structure and dynamics of biological and pharmaceutical systems by solid-state NMR: applications to complex materials and methodological developments on model systems

a) (Italiano) Questa tesi (redatta interamente in lingua inglese) descrive la caratterizzazione strutturale e dinamica di sistemi di interesse biologico e farmaceutico tramite l’applicazione di tecniche NMR a stato solido in alta e bassa risoluzione, nonché lo sviluppo di nuove metodologie NMR per lo studio di proprietà geometriche e dinamiche di sistemi solidi. Il lavoro presentato è suddiviso in 3 parti. La prima parte, che si articola in 3 capitoli, introduce i principi teorici alla base dell’NMR a stato solido (cap.1) e fornisce gli strumenti, sia teorici che sperimentali (cap. 2 e 3, rispettivamente), necessari al raggiungimento di una caratterizzazione dettagliata di campioni solidi. Nella seconda parte della tesi, che si articola in 4 capitoli, viene descritta l’applicazione di tali strumenti alla caratterizzazione di 4 esempi di campioni di interesse biologico o farmaceutico. In particolare, il cap. 4 descrive la caratterizzazione della formulazione finale costituita dal farmaco anti-infiammatorio-non-steroideo Flurbiprofen disperso nella matrice polimerica costituita dal carrier Eudragit RL100; nel cap. 5 viene presentata la caratterizzazione morfologico-dinamica di un sistema per il rilascio controllato di farmaci poco solubili costituito da N-carbossimetilchitosano; il cap. 6 descrive lo studio degli effetti indotti da un diverso grado di invecchiamento artificiale su campioni di farine; il cap. 7 presenta la caratterizzazione delle proprietà morfologiche e dinamiche di sistemi biocompositi costituiti da fibre di cotone incapsulate con copolimeri di etilacrilato e stirene. La terza parte della tesi, che si articola in 2 capitoli, descrive due metodologie NMR a stato solido sviluppate durante gli studi di dottorato. Il cap. 8 introduce e descrive un metodo per la caratterizzazione dinamica di sistemi polimerici amorfi tramite un’analisi globale di tempi di rilassamento spin-reticolo. Il cap. 9, infine, descrive lo sviluppo e l’applicazione di una sequenza di impulsi NMR per la determinazione di distanze internucleari in sistemi multispin in fase solida. Il corpo della tesi, qui descritto, è integrato da 3 appendici (A, B, C), introduzione e conclusioni, nonché dalle introduzioni alle parti 2 e 3. b) (English) This Thesis concerns the structural and dynamic characterization of systems of biological and pharmaceutical interest by means of solid-state NMR, as well as the development of new NMR methodologies for the study of the geometrical and dynamic properties of solid systems. The work is divided into three parts. The first part, articulated in three chapters, introduces the thoretical principles at the basis of solid-state NMR (chap. 1) and the tools, either theoretical or experimental (chap. 2 and 3, respectively), necessary for the achievement of a detailed characterization of solid samples. The second part of the Thesis, divided into 4 chapters, describes the application of such tools to the characterization of 4 examples of solid samples of either biological or pharmaceutical interest. In particular, chap. 4 deals with the study of a drug final formulation composed of the non-steroidal-anti-inflammatory drug Flurbiprofen with the polymeric carrier Eudragit RL100; chap. 5 presents the morphological and dynamic characterization of a sustained-release systems apt at the transport and site-specific release of poorly soluble drugs in the gastro-intestinal tract constituted by N-carboxymethyl-chitosan; chap. 6 describes the solid-state NMR characterization of flours at different accelerated aging degrees; chap. 7 deals with the characterization of natural-fiber reinforced composites obtained through the encapsulation of cotton fibers with synthetic copolymers. The third part of the Thesis, articulated in two chapters, describes two solid-state NMR methodologies developed during the PhD studies. In particular, chap. 8 introduces and describes a method for the dynamic characterization of amorphous polymeric systems by means of a global analysis of spin-lattice relaxation times; finally, chap. 9 describes the development and the application of a solid-state NMR pulse sequence for the determination of internuclear distances in multiple spin systems. The body of the Thesis, described above, is completed by 3 appendices (A, B and C), introduction, conclusions, as well as the introductions to Part 2 and 3.