ITTO20121159A1 - Procedimento per la produzione di spugne polimeriche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Procedimento per la produzione di spugne polimericheâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di materiali o articoli espansi, polimerici o spugne polimeriche, con l’impiego di perle di un idrogelo, come stampo generatore di porosità.

La produzione di spugne polimeriche con l’impiego di perle di idrogeli come porogeno à ̈ nota e costituisce una valida alternativa ai convenzionali metodi di produzione di articoli espansi che utilizzano agenti espandenti fisici o chimici, particolarmente per la produzione di supporti (scaffolds) porosi per l’utilizzo in campo medicale.

WO 2010/025219 descrive la produzione di espansi polimerici, con diverse caratteristiche antimicrobiche, che contengono perle di alginato con agenti antimicrobici come ulteriore generatore di porosità sacrificale. L’impiego di perle con diverse dimensioni permette di modulare la densità del espanso impiegato. Le perle sono rimosse dal materiale espanso mediante dissoluzione.

Hamasaki S. et al. in Materials Science and Engineering C. 28 (2008), 1250-1254, descrivono la produzione di spugne cheratiniche altamente porose e flessibili che contengono perle disidratate di alginato di calcio mediante la tecnica “freezedrying†e liofilizzazione; a seguito della formazione della spugna, le perle sono rimosse mediante una tecnica di liofilizzazione.

Tomei A. A. et al. in Biotechnology and Bioengeneering, Vol. 103, n. 1, May 1, 2009, descrivono la produzione di spugne polimeriche poliuretaniche, con l’utilizzo di perle disidratate di alginato di calcio; a seguito della solidificazione del polimero, le perle sono rimosse per dissoluzione in soluzione di acido citrico.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un procedimento alternativo per la produzione di spugne polimeriche che, utilizzando perle di idrogelo come porogeno, semplifica la procedura operativa, facilitando la rimozione dalla spugna polimerica così ottenuta delle perle di idrogelo.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un procedimento alternativo che consente di ottenere materiali espansi, particolarmente spugne polimeriche funzionalizzate, ovvero contenenti agenti attivi, come ad esempio macromolecole funzionali, localizzate sulla superficie delle pareti delle celle costituenti l’espanso.

Tali scopi sono conseguiti mediante un procedimento avente le caratteristiche definite nelle rivendicazioni che seguono, che costituiscono parte integrale della presente descrizione.

Nel procedimento secondo l’invenzione la produzione delle spugne polimeriche viene effettuata mediante miscelazione di una soluzione polimerica o di prepolimero in stato liquido viscoso, con perle di un idrogelo che può essere costituito da materiali naturali o sintetici, preferibilmente biocompatibili.

Un’ampia gamma di materiali può essere utilizzata per la produzione di perle di idrogelo, come ad esempio alginato, cellulosa, polivinilacetato (PVA), chitosano, agarosio, poliacrilammide (PAA), poli-N-isopropilammide (poli(NIPAAm)).

Le tecnologie produttive per le perle di idrogelo sono di per sé note.

Perle di alginato (che costituisce un idrogelo preferito nell’ambito dell’invenzione) possono essere ottenute versando a gocce, lentamente, una soluzione di alginato di sodio/acqua in una soluzione acquosa contenente cloruro di calcio, lattato di calcio o altro sale di calcio. Lo scambio degli ioni sodio con il calcio da luogo alla gelatinizzazione e alla formazione di perle di alginato di calcio, che contengono una specifica quantità di acqua in esse intrappolata.

Le perle di cellulosa possono ad esempio essere ottenute versando a gocce, in acqua deionizzata, una soluzione di cellulosa microcristallina e N,N dimetilacetammide/cloruro di litio, come liquido ionico. Lo scambio di solventi tra l’acqua e il liquido ionico risulta nella formazione di perle di idrogelo di cellulosa.

La dimensione iniziale delle perle può variare tra 1-2 mm ad alcuni decimi di micron, come ad esempio 0.1 Î1⁄4m. In generale, le dimensioni delle perle dipende dal metodo utilizzato per la loro formazione e possono così essere regolate in funzione delle esigenze. Per l’ottenimento di perle di maggiori dimensioni, nei campi sopra citati, si può utilizzare un semplice ago o una pipetta allo scopo di versare a gocce l’alginato di sodio o la cellulosa nella soluzione di sale di calcio o nella soluzione di liquido ionico, rispettivamente.

Microperle di dimensione ridotta, nel campo sopra indicato, possono ad esempio essere ottenute utilizzando generatori di gocce microfluidici, come ad esempio giunzioni a T, H o Y, dispositivi di focalizzazione di flusso, configurazioni passive di break-up.

Emulsioni di alginato di sodio o di cellulosa in una fase oleosa possono essere formate in corrispondenza della giunzione tra microcanali, in un dispositivo microfluidico, ove il flusso di fase dispersa (ad esempio alginato di sodio o cellulosa) diviene instabile e si frammenta in modo periodico per dar luogo a goccioline nella fase continua costituita dal liquido oleoso.

Le gocce di alginato o di cellulosa sono quindi raccolte o trasferite nella soluzione di ioni calcio o nella soluzione ionica acquosa e dopo la gelatinizzazione uniforme si ottengono microsfere di alginato di calcio o di cellulosa, insolubili in acqua.

La dimensione delle gocce e di conseguenza la dimensione delle perle sono principalmente controllate dalla portata dell’olio, costituente il veicolo e dalla portata della fase di materiale costituente l’idrogelo, nel dispositivo microfluidico utilizzato; possono essere ottenute microperle con diametro nel campo da 900 Î1⁄4m a 10 Î1⁄4m.

Si intende che l’invenzione non à ̈ limitata a metodi particolari per la generazione delle perle, con una distribuzione di dimensioni mono- o polidispersa, nell’ambito di dimensioni micrometriche o sub micrometrica; metodi alternativi includono procedimenti di miscelazione, di sonicazione o metodi elettrodinamici.

Il procedimento secondo l’invenzione si applica alla produzione di espansi polimerici con l’impiego di un’ampia gamma di polimeri, che comprendono materiali naturali o sintetici o loro combinazioni (ivi inclusi i sistemi compositi) con proprietà elastomeriche, termoplastiche o termoindurenti.

I materiali preferiti comprendono ad esempio polidimetilsilossano (PDMS), gomme naturali, gelatina, acrilati, poliuretani. Le spugne polimeriche, cui l’invenzione si riferisce, sono caratte rizzate da una struttura a pori interconnessi, ovvero a celle aperte intercomunicanti.

Per l’ottenimento di tale struttura, un modo preferito di attuazione contempla l’operazione di posizionare le perle di idrogelo in un determinato volume o contenitore, in modo che le perle siano impaccate tra loro in reciproco contatto. La forma del volume interno del contenitore può corrispondere alla forma dell’articolo di spugna che si intende ottenere.

Successivamente, la soluzione viscosa di polimero o prepolimero viene versata nel contenitore in modo da coprire le perle ivi impaccate, cosicché la soluzione di polimero o prepolimero viene a costituire la matrice in cui sono disperse le perle di idrogelo a contatto tra loro.

L’operazione successiva comprende la solidificazione del polimero o polimerizzazione del prepolimero, che naturalmente à ̈ eseguita in funzione delle specifiche caratteristiche del materiale utilizzato. Ad esempio, la solidificazione di una soluzione polimerica può essere ottenuta semplicemente per evaporazione del solvente, o in caso dell’impiego di soluzioni di pre-polimero, la solidificazione à ̈ ottenuta mediante reticolazione.

La fase successiva del procedimento produttivo prevede l’operazione di sottoporre la spugna polimerica, ottenuta a seguito della solidificazione, includente le perle di idrogelo come fase dispersa, a condizioni che causano la disidratazione delle perle di idrogelo, con conseguente sostanziale riduzione del loro volume.

Quantunque la disidratazione possa essere conseguita anche mediante il mantenimento a temperatura e pressione ambiente, à ̈ preferibile usare una disidratazione accelerata, mantenendo le spugne ottenute in condizioni controllate sottovuoto (ad esempio a pressione tra 25 mm/Hg Torr) a <760 mm/Hg e a temperatura uguale o lievemente superiore a 50°C (ad esempio 50-60 °C). Tali condizioni inducono il rilascio dell’acqua dalle perle e la conseguente riduzione di volume, con formazione di pori interconnessi.

Le perle disidratate possono essere facilmente estratte, ad esempio disponendo la spugna così ottenuta in un bagno d’acqua, utilizzando aria compressa o un flusso di acqua o gas inerte; la dimensione dei pori corrisponde alle dimensioni delle perle inizialmente utilizzate.

La cinetica di disidratazione delle perle dipende dallo specifico idrogelo di volta in volta utilizzato e dalla dimensione iniziale delle perle; il processo di disidratazione à ̈ più veloce quanto minore à ̈ la dimensione iniziale delle perle (ad esempio, circa 50 minuti per perle di dimensioni di 1-2 mm, e 15 minuti per perle di dimensioni di 300 Î1⁄4m a temperatura ambiente e condizioni atmosferiche).

In una forma alternativa di attuazione, le spugne polimeriche possono essere ottenute mediante generazione in situ di perle di idrogelo in una matrice di polimero viscoso, evitando lo stadio di polimerizzazione dell’idrogelo in soluzioni ioniche, con l’impiego di dispositivi fluidici o microfluidici (quali i dispositivi con giunzione a T, H o Y sopra citati) alimentati con un flusso di soluzione polimerica o di prepolimero e con un flusso di idrogelo, destinato a costituire la fase dispersa.

Ad esempio, nel caso di alginato, à ̈ possibile ottenere la formazione di goccioline di alginato di sodio in flusso continuo in un polimero (ad esempio PDMS) in un dispositivo microfluidico e quindi alimentare la soluzione polimerica, includente le goccioline di idrogelo come fase dispersa ad un contenitore per la produzione della spugna. I flussi di soluzione polimerica e di idrogelo possono essere regolati per ottenere una struttura di spugna a pori interconnessi. Perle così ottenute sono quindi assemblate e impaccate nel contenitore e, a seguito della solidificazione del polimero o prepolimero, si ottiene la spugna finale sciogliendo direttamente in acqua l’alginato idrosolubile, contenuto nelle cavità della spugna.

Secondo un’altra formula preferita di attuazione, finalizzata alla produzione di spugne polimeriche con caratteristiche funzionali, il procedimento prevede l’incapsulazione nelle perle di idrogelo di sostanze o agenti funzionali o composti precursori di molecole o agenti funzionali che, preferibilmente, presentano un’elevata affinità chimica con il materiale polimerico destinato ad essere utilizzato per la formazione della spugna. Tali molecole funzionali e/o precursori di nanoparticelle di diversa natura (come ad esempio sali di Au, Ag, Pt) possono svolgere ad esempio attività farmaceutica, antibatterica, possono legarsi a differenti macromolecole o metalli pesanti o sostanze oleose o pericolose per l’ambiente.

Molecole funzionali o precursori possono essere incapsulati nelle perle di idrogelo mediante addizione alla soluzione in cui le perle sono formate, ad esempio nella soluzione di ioni di calcio utilizzata per la produzione di perle di alginato di calcio; alternativamente, le suddette sostanze funzionali o loro precursori possono essere incapsulate nelle perle anche nel caso, precedentemente citato, in cui la dispersione di perle sia ottenuta mediante generazione in situ nel polimero o prepolimero allo stato viscoso.

Si à ̈ osservato che l’operazione di disidratazione o dissoluzione delle perle di idrogelo, all’interno della spugna polimerica solidificata fa sì che le sostanze funzionali o i loro precursori siano chemi- o fisi-adsorbiti e immobilizzati sulle pareti cellulari della spugna,consentendo di ottenere spugne funzionali in cui l’attività funzionale à ̈ fortemente localizzata soltanto sulla superficie interna delle celle o pori della spugna stessa, generando i siti attivi efficaci per successive reazioni o processi.

In una forma preferita di attuazione, possono essere utilizzati composti precursori di metalli, come ad esempio acidi o sali di Au, Ag, Zn, Cu o Pt suscettibili di essere chimicamente ridotti, per generare il metallo corrispondente, mediante gruppi funzionali presenti nel materiale polimerico.

Questa forma di attuazione à ̈ particolarmente vantaggiosa, in combinazione con l’impiego di polimeri contenenti gruppi funzionali ad azione riducente, particolarmente PDMS.

Ad esempio, i sali o acidi precursori di Au, Ag, Zn, Cu o Pt possono essere chimicamente ridotti dalla presenza di gruppi funzionali Si-H presenti nelle spugne polimeriche di PDMS, risultando nella formazione di nanoparticelle metalliche chimicamente legate e intrappolate sulla superficie delle celle della spugna.

Nel caso di spugne che non contengono gruppi funzionali idonei a provocare la riduzione chimica del precursore, Ã ̈ possibile utilizzare altri procedimenti di riduzione, indotti da stimoli esterni, come ad esempio irradiazione di luce o trattamento termico.

Si intende, come già indicato, che altre molecole funzionali (come ad esempio proteine, DNA, nanoparticelle) possono essere intrappolate nelle perle di idrogelo.

Il procedimento consente la localizzazione dei composti ad attività funzionale in aree localizzate, evitando la necessità di caricare tutta la matrice polimerica con tali molecole e riducendo il costo finale.

Esempio 1: produzione di perle di alginato di calcio, contenenti acido cloro aurico

Al fine di produrre una spugna polimerica caratterizzata da pori nanocompositi in oro, sono inizialmente realizzate perle di alginato contenenti il precursore di oro. In particolare, perle di diametro pari a 1-2 mm sono formate versando a gocce una soluzione acquosa di alginato di sodio (3% in peso) in una soluzione acquosa contenente cloruro di calcio (10% in peso) che contiene 1mg/ml di acido cloro aurico. Dopo la loro gelificazione, le perle intrappolano il precursore di oro. Questo, durante la fase di formazione della spugna, à ̈ rilasciato e chimicamente ridotto dalla matrice polimerica di cui à ̈ costituita la spugna.

Esempio 2: preparazione di una spugna di PDMS con l’impiego delle perle dell’esempio 1

Le perle prodotte sono disposte in un contenitore, dove viene successivamente versata una soluzione liquida ad alta viscosità di PDMS, costituita dal prepolimero e da un agente curante in un rapporto in peso 10:1. Il sistema à ̈ quindi lasciato polimerizzare a temperatura ambiente e pressione atmosferica per 1-2 giorni. Dopo la polimerizzazione della matrice, il sistema à ̈ rimosso dal contenitore e lasciato per 3 ore in basso vuoto e ad una temperatura di 50 °C. Ciò determina il rilascio della soluzione di precursore dalle perle di alginato al PDMS e la loro successiva riduzione chimica con la formazione di nanoparticelle di oro, dovuta alla presenza dei gruppi Si-H della matrice polimerizzata. Quindi, il sistema PDMS-perle à ̈ posizionato in un bagno di acqua o sotto un flusso di acqua al fine di rimuovere le perle disidratate lasciando dei pori nella matrice polimerica e determinando, di conseguenza, la formazione della spugna.

A titolo comparativo, sono stati condotti degli esperimenti per dissolvere le perle di alginato di calcio usando diverse soluzioni acide e basiche, incluso l’acido citrico. Tuttavia non à ̈ stato possibile ottenere una dissoluzione dell’alginato, ma solo un rigonfiamento (swelling) delle perle.

Per il metodo proposto, l’aspetto più importante à ̈ la disidratazione delle perle al fine di ottenere un rilascio delle sostanze di interesse nella matrice polimerica. L’uso di un flusso di acqua o di aria invece di una soluzione chimica risulta il metodo più semplice, ecologico e a basso costo per rimuovere le perle disidratate dalla spugna. Inoltre, l’impiego di soluzioni acide potrebbe determinare delle modifiche alle nanoparticelle metalliche formate con conseguente perdita delle prestazioni e delle funzionalità della spugna realizzata.

Le spugne polimeriche o polimeriche nanocomposite, oggetto dell’invenzione, trovano applicazione nei seguenti settori di tecnologia:

1. applicazione biologica, dove le spugne ottenute possono essere utilizzate come scaffold, impianti artificiali o per l’immobilizzazione di cellule, proteine funzionali o altre macromolecole. Ciascuna singola cella della spugna può agire come camera di reazione per reazioni biologiche, saggi multiplex e incapsulazione cellulare. Inoltre, à ̈ possibile produrre microdispositivi integrati a partire dalle schiume polimeriche per guidare la crescita cellulare, poiché lo scambio di nutrienti e gas à ̈ favorito dalla porosità della spugna. Alcuni materiali proposti per tali applicazioni possono comprendere spugne elastomeriche, spugne biodegradabili ottenuti da polimeri naturali, come ad esempio amido, espansi di gomma naturale dotata di pori nanocompositi o pori con ligandi funzionali. Alcune di queste spugne possono presentare particolari proprietà ottiche, come la trasparenza, che à ̈ di interesse per la rivelazione ottica di eventi biologici che si verificano all’interno o sulla superficie della spugna;

2. per analisi chimiche delle acque o altri liquidi. In questo caso, la specifica funzionalizzazione di celle predefinite della spugna può indurre l’esplicito legame di sostanze chimiche su di esse, facilitando la successiva analisi;

3. per applicazioni ambientali, ad esempio per la purificazione delle acque. Le spugne polimeriche possono presentare pori nanocompositi funzionali, sulle cui pareti sono ancorate nanoparticelle metalliche, come Au, Pt e Ag, che agiscono come filtro, intrappolando sostanze tossiche e dannose presenti nell’acqua che passa attraverso di esse. Inoltre, questi tipi di spugna possono essere utilizzati per separazioni di acqua-olio a seguito dell’appropriata funzionalizzazione della loro massa e superficie. Allo scopo di ottenere questo risultato, l’impiego di teflon o di altre particelle polimeriche altamente idrofobiche sulla superficie e di ossido di ferro o altre nanoparticelle oleofiliche nella massa può trasformare le spugne in spugne superidrofobiche e assorbenti olio, impedendo all’acqua di penetrare, ma assorbendo in modo efficiente l’olio. L’ossido di ferro o altre nanoparticelle oleofiliche magnetiche rendono le schiume magnetiche, cosicché un debole magnete può spingere le spugne galeggianti verso le zone inquinate da olio/petrolio, ove le spugne possono agire efficacemente per effettuare un’azione di pulizia, assorbendo l’olio/petrolio. Tale trattamento può essere esteso anche ad altri tipi di spugne (ad esempio di poliuretano);

4. purificazione di sostanze oleose come glicerina, petrolio, ecc., separando queste sostanze da acqua, umidità in eccesso, solventi, ecc.;

5. le schiume nanocomposite con celle funzionalizzate principalmente con particelle metalliche o emittenti o con coloranti emittenti, possono essere utilizzate per la produzione di elementi miniaturizzati utili nel campo dell’ottica e della plasmonica.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di una spugna polimerica con impiego di perle di un idrogelo come stampo generatore di porosità, comprendente le operazioni di: - provvedere una matrice di polimero o prepolimero in stato viscoso includente, come fase dispersa, perle di un idrogelo, ove dette perle sono disperse nella matrice così da generare celle tra loro intercomunicanti, - causare la solidificazione della matrice di polimero o prepolimero per ottenere detta spugna polimerica includente le perle di idrogelo, caratterizzato dal fatto che comprende l’operazione di sottoporre la spugna così ottenuta a condizioni che causano la disidratazione di dette perle di idrogelo così da ottenere una riduzione di volume di dette perle e - rimuovere le perle disidratate mediante immersione in acqua della spugna polimerica o mediante esposizione della spugna ad un flusso di gas in pressione.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto idrogelo à ̈ scelto dal gruppo che comprende alginato, cellulosa, poli vinilacetato, chitosano, agarosio, poliacrilamide e poli-N-isopropilamide.
3. 3. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto polimero o prepolimero à ̈ scelto dal gruppo che comprende polimeri elastomerici, termoplastici e termoindurenti, preferibilmente polidimetilsilossano, gelatina, acrilati o poliuretani.
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la disidratazione delle perle à ̈ ottenuta sottoponendo la spugna a condizioni di temperatura superiori a 50°C e/o a pressione subatmosferica.
5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che detta matrice di polimero o prepolimero, includente dette perle come fase dispersa, à ̈ ottenuta impaccando le perle di idrogelo in condizioni di reciproco contatto in un volume predeterminato e alimentando la soluzione viscosa liquida di polimero o prepolimero in detto volume, così da formare una matrice.
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato dal fatto che dette perle sono generate in situ, in una matrice di un liquido viscoso di polimero o prepolimero con l’impiego di un dispositivo fluidico comprendente una giunzione a T, H o Y, in cui sono posti a contatto detto flusso di polimero o prepolimero, e detto flusso di idrogelo.
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette perle di idrogelo comprendono sostanze, macromolecole e/o composti precursori di nanoparticelle che svolgono un’attività funzionale, particolarmente attività terapeutica, di processi chimicofisici, di analisi biologica, chimica e ambientale, di depurazione di acque, olii e altri liquidi.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti composti precursori comprendono sali o acidi di un metallo.
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto precursore comprende un sale o un acido di un metallo scelto tra oro, argento, zinco, rame o platino.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il polimero à ̈ polidimetilsilossano.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre uno stadio di riduzione chimica di detto sale o acido di metallo effettuato a seguito della solidificazione della spugna.