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POLIIDROSSIALCANOATI:
STUDIO DELLE POTENZILITÀ APPLICATIVE DELLE NUOVE "PLASTICHE
VERDI"
I poliidrossialcanoati (PHA) sono biopolimeri termoplastici
sintetizzati da alcune specie di batteri attraverso processi di
fermentazione, che in natura vengono immagazzinati dall cellule a
scopo di riserva energetica, come fonte di carbonio. Ne
esistono di diverse strutture macromolecolari, che per le proprietà
chimico-fisiche e termo-meccaniche, prestandosi quindi ad un ampio
spettro di applicazioni tipicamente dedicate alle plastiche
tradizionali, provenienti da fonte petrolchimica. I vantaggi
principali di questo tipo di biopolimeri sono rappresentati dalla
possibilità di produrli mediante chimica a basso impatto ambientale
partendo da scarti delle lavorazioni agricole, senza quindi
competizione con le catene alimentari, la loro completa
biodegradabilità in siti di compostaggio ed in acque non
batteriologicamente pure (come fiumi e mari), ed infine la
possibilità di trasformarli e processarli come le tradizionali
matrici plastiche provenienti da fonte petrolchimica. Dall'anno
2010, primi in ambito nazionale, è stato articolato un intensivo
programma di ricerca dedicato alla valutazione delle potenzialità
applicative di queste bioplastiche in settori di largo impatto (ad
es. packaging) ed in ambiti tecnologicamente avanzati (biomedicale,
sensoristica, fotovoltaico, automotive, etc.) al fine di
comprenderne le peculiarità sia di prodotto sia di processo e
poterne quindi supportare la diffusione a livello industriale. A
tal fine è stato creato un gruppo di lavoro sui PHA che, coordinato
dalla Dr.ssa Paola Fabbri, riunisce dottorandi, assegnisti di
ricerca e ricercatori accademici ed afferenti ad Aziende del
territorio impegnate nella produzione e trasformazione di PHA, che
conduce sistematicamente attività di ricerca nei suddetti settori e
si occupa di seguire gli sviluppi tecnologici relativi a tali
materiali innovativi. Questa tematica di ricerca ha permesso il
coinvolgimento nel progetto europeo SEAFRONT - FP7-OCEAN-2013,
Collaborative Project, KBBE - Food, Agriculture and Fischeries and
Biotechnology, intitolato "Innovative antifouling materials for
maritime applications" finanziato per 48 mesi, in cui si è
Responsabile del subcontract dedicato allo sviluppo di formulazioni
antifouling a base di poliidrossialcanoati con solubilità
programmata in ambiente marino.
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SVILUPPO DI
SCAFFOLD BIOCOMPATIBILI A MATRICE POLIMERICA PER APPLICAZIONI IN
INGEGNERIA TISSUTALE
L'enorme progresso segnato negli ultimi decenni dalle
biotecnologie, in termini di sviluppo di nuove tecniche di
rigenerazione e ricostruzione sia in-vitro che in-vivo di tessuti
biologici, è stato fortemente influenzato dall'avanzamento della
scienza biomedica dell'ingegneria tissutale, ovvero di quel settore
dell'ingegneria che si occupa della progettazione di materiali
biocompatibili adatti ad agire da supporto e da guida nei processi
di proliferazione cellulare mediante coltura. A questo scopo i
materiali polimerici sono risultati particolarmente adatti, grazie
all'ampia modulabilità delle loro caratteristiche chimiche,
meccaniche e fisiche, ed alla possibilità di fungere da matrici in
compositi che inglobano componenti inorganiche bio-induttive dei
processi di rigenerazione di tessuti biologici. L'ingegneria
tissutale permette quindi la progettazione e la realizzazione di
strutture tridimensionali adatte ad agire come scaffold, secondo
strategie che tengono conto non solo delle caratteristiche
chimico-fisico-meccaniche del supporto stesso, bensì anche dei
fattori biochimici e molecolari della crescita e del
differenziamento delle cellule e dei tessuti che sullo scaffold
dovranno proliferare in maniera guidata.
In questa ottica è stata intrapresa una ricerca mirata alla
progettazione di diversi scaffold per la rigenerazione di tessuto
osseo, a matrice polimerica bioriassorbibile (policaprolattone),
contenenti una fase dispersa di natura inorganica a carattere
osteo-induttivo (idrossiapatite HA o biovetro). Nel caso del
rinforzo con HA, è stata ottimizzata una tecnica di sintesi in-situ
di un reticolo poroso di HA direttamente all'interno di una
soluzione polimerica, morfolgia che dovrebbe favorirne un migliore
inglobamento nel tessuto osseo rigenerato. Nel caso del biovetro
invece, la tecnica preparativa prevede solamente la dispersione
della fase inorganica preformata in una matrice polimerica. Gli
scaffold vengono ottenuti in morfologia altamente porosa, con
cavità interconnesse, mediante applicazione della tecnica del
salt-leaching, e la loro citotossicità è già stata dimostrata
nulla.
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SVILUPPO DI
MATERIALI PER DISPOSITIVI OPTOELETTRONICI
Sensori ottici di tipo chimico e biochimico sono al centro di
importanti ricerche e sviluppi per applicazioni industriali,
ambientali e di monitoraggio biomedicale. Il sempre crescente
interesse deriva da svariate proprietà che questi sistemi e queste
tecnologie possono offrire. Questi tipi di sensori infatti basano
le proprie prestazioni su una vasta gamma di tecnologie ottiche già
consolidate per analisi di tipo chimico e biochimico, su una ampia
scelta di materiali e componenti dalle grandi potenzialità
optoelettroniche e dalla flessibilità geometrica, che permette di
ottenere configurazioni che spaziano da dispositivi miniaturizzati
basati su guide d'onda ottiche a sonde ottiche
telecomandate.
L'utilizzo della tecnica sol-gel per produrre materiali per la
sensoristica ottica chimica e biochimica sta attirando notevole
interesse da parte della ricerca scientifica. Questo è dovuto a una
serie di vantaggi, tra cui principalmente la facilità di
fabbricazione e la flessibilità nella progettazione del materiale
propria di questa tecnica. Nella maggior parte delle applicazioni,
i materiali ottenuti con la tecnica sol-gel sono utilizzati per
fornire una matrice microporosa nella quale sono inglobati
componenti reattive (come gli indicatori acido-base) e nella quale
molecole più piccole possono diffondere interagendo con essi.
Questi materiali vengono utilizzati in un vasto campo di
applicazioni sensoristiche (da applicazioni massive a sottili films
depositati su opportune superfici, da fibre ottiche rivestite nella
parte terminale o in quella laterale secondo diverse modalità
sperimentate dai diversi ricercatori), poiché garantiscono tempi di
risposta solitamente più brevi rispetto ai sensori
tradizionali.
In questa ottica sono state intraprese ricerche riguardanti lo
svilupo di materiali ibridi organici/inorganici applicabili su
fibra ottica, prodotti con la tecnica sol-gel, contenenti
indicatori ottici sensibili alla variazione di pH, pO2,
pCO2, per la realizzazione di sensori rapidi,
reversibili ed economici.
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COMPATIBILIZZAZIONE DI
MISCELE POLIMERICHE PER IL REIMPIEGO DI RIFIUTI PLASTICI
MISTI
La legislazione vigente sul recupero ed il riciclo dei materiali in
un'ottica di conservazione delle materie prime, incoraggia
fortemente il riciclo delle materie plastiche, e fra queste
soprattutto le poliolefine ed il PVC. ma anche il PET poiché di
quest'ultimo ne vengono utilizzate enormi quantità nel settore
dell'imballaggio, soprattutto di bottiglie per liquidi, che si
possono in parte recuperare successivamente all'uso grazie alla
raccolta differenziata dei rifiuti.
A causa della incompatibilità termodinamica fra materie plastiche
come PE, PVC e PET però, il loro processo di miscelazione porta
alla formazione di un prodotto di riciclo con proprietà meccaniche
estremamente scadenti. E' chiaro dunque che la ricerca di composti
che abbiano un'effettiva capacità compatibilizzante per miscele
plastiche è di grande interesse tecnologico oltre che scientifico.
E' stato ampiamente dimostrato che l'addizione di copolimeri a
blocchi o aggraffati opportunamente scelti è in grado di migliorare
la situazione di incompatibilità tra due polimeri, riducendo
l'energia interfacciale fra le fasi, creando una più fine
dispersione di queste ed aumentandone la reciproca adesione, dando
quindi luogo alla formazione di una microstruttura multifasica che
può presentare una resistenza meccanica soddisfacente. Per questo
sono stati preparati e caratterizzati copolimeri
etilene-co-vinilalcol (EVOH) e
polietilene-g-policaprolattone (PE-g-PCL) utili nella
compatibilizzazione di miscele PE/PET (sia EVOH che PE-g-PCL), e di
miscele PE/PVC (PE-g-PCL). Le miscele sono state preparate in
diversi rapporti ponderali e con diverse quantità di
compatibilizzante, sia da soluzione che mediante un mescolatore
interno di tipo Haake Rheomix, e dei prodotti risultanti sono state
determinate sia la morfologia (mediante SEM) che le proprietà
meccaniche (prove a trazione e impatto). Nel caso di blends PE/PET
è stato inoltre preso in considerazione l'effetto dovuto alla
presenza dei catalizzatori di transesterificazione residui nel PET
sul processo di compatibilizzazione. I risultati hanno mostrato
notevole diminuzione della separazione fra le fasi per le miscele
compatibilizzate, dimostrando la possibilità di riciclare senza
separazione preventiva miscele di PE, PVC e PET ottenendo materiali
con soddisfacenti proprietà meccaniche.
