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Nadia Lotti

Professoressa associata confermata

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: CHIM/07 FONDAMENTI CHIMICI DELLE TECNOLOGIE

Temi di ricerca

Parole chiave: Biodegradabilità Poliesteri Sintesi di polimeri Cinetica di cristallizzazione Caratterizzazione di polimeri Materiali polimerici da fonte rinnovabile Nanocompositi Proprietà barriera Studi LCA Sistemi nano per il rilascio controllato di farmaci Modifica chimica di polimeri commerciali Biopolimeri per l'ingegneria tissutale Nuovi poliesteri contenenti ponti disolfuro Studi di compostabilità Studi dinamica molecolare tramite BDS Microscopia forza atomica

- Polimeri Eco-friendly per impieghi nel food packaging, edilizia sostenibile, coating

- Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali polimerici per uso biomedicale.

- Studi di processi di cristallizzazione di polimeri

- Analisi complesse di fenomeni dinamici e della struttura di materiali polimerici.

- Preparazione e caratterizzazione di nanocompositi "Eco-friendly" per applicazioni nel food packaging e nel biomedicale.

- Sintesi e caratterizzazione di nuovi poliesteri contenenti ponti S-S.

- Sintesi e caratterizzazione di poliuree da fonte rinnovabile.

 

Polimeri Eco-friendly per impieghi nel food packaging, edilizia sostenibile, coating

Lo scopo principale di questo filone di ricerca consiste nella sintesi e caratterizzazione di nuovi polimeri e copolimeri che offrano garanzie di completa biodegradabilità  e presentino caratteristiche chimico/fisiche adeguate agli scopi desiderati. L'obiettivo è¨ quello di trovare relazioni proprietà -struttura fondamentali nel design di materiali su misura per una determinata applicazione. Ad esempio, per ciò che riguarda il campo del food-packaging, imballaggi alimentari biodegradabili o green devono possedere diversi requisiti di base; tra essi spiccano le proprietà  barriera, le proprietà  ottiche, buone proprietà  meccaniche, la facilità di smaltimento, le proprietà  antistatiche e tali materiali devono risultare sicuri per gli alimenti con cui vengono a contatto. Molto spesso un omopolimero non riesce a soddisfare tutti i requisiti richiesti per una specifica applicazione; al fine dunque di migliorarne le proprietà  non soddisfacenti senza alterare quelle già  buone, vengono considerate la copolimerizzazione e la miscelazione reattiva e fisica di polimeri commerciali e non. Tali approcci consentono, inoltre, di modulare favorevolmente le proprietà  finali del materiale, agendo sul tipo, quantità  relativa, distribuzione delle unità  comonomeriche presenti lungo la catena polimerica o, in caso di miscele, variando gli omopolimeri di partenza e la composizione della miscela.

I polimeri sintetizzati con le metodologie sopradescritte sono sottoposti ad un'approfondita caratterizzazione sia sfruttando le diverse attrezzature disponibili presso i laboratori del Dipartimento, sia utilizzando apparecchiature collocate presso altre Strutture di Ricerca.

 

Materiali polimerici per uso biomedicale

Il gruppo ha concentrato negli ultimi anni numerosi sforzi nella ricerca di polimeri impiegabili quali biomateriali in campo biomedicale. I prodotti devono rispettare determinati standard, su tutti biocompatibilità  e biodegradabilità.   L'attività  di ricerca si focalizza su due aspetti fondamentali dell'ingegneria biomedicale: 1) ingegneria tissutale, 2) rilascio controllato di farmaci.

Ingegneria tissutale. Gli studi nell'ambito dell'ingegneria tissutale hanno aggiunto agli sforzi per lo sviluppo di una sempre maggiore varietà  di costrutti ingegnerizzati, la considerazione delle qualità  funzionali e meccaniche che questi devono avere per adempiere le funzioni e soddisfare gli intenti perseguiti: primo fra tutti superare i limiti dei trattamenti convenzionali di trapianto d'organo e impianto protesico. In quest'ottica, occorre menzionare, ad esempio, che l'elasticità  della matrice influisce notevolmente sulla differenziazione cellulare.

Rilascio controllato di farmaci. L'uso di sistemi polimerici consente la distribuzione del farmaco in siti precisi di attività  all'interno del corpo. Dato l'alto numero di variabili in gioco, tra cui la tipologia del farmaco, la quantità  da somministrare, il sito d'azione, la durata della terapia, la stabilità  delle molecole attive, etc, è necessario che i sistemi di rilascio controllato forniscano un campo di utilizzo molto ampio: ecco che polimeri o copolimeri con proprietà  "ad hoc" risultano ancora una volta la strategia vincente per superare le problematiche connesse con questa specifica tecnologia.

 

Studi di processi di cristallizzazione di polimeri

L'interesse di questi studi risiede nel fatto che, come ben noto da letteratura, la struttura morfologica (forma, perfezione e orientazione dei cristalliti), che si forma per cristallizzazione dallo stato fuso o dallo stato vetroso, influenza marcatamente le proprietà  di un materiale. Ne consegue che lo studio del fenomeno della cristallizzazione rappresenta un campo di ricerca interessante e fondamentale per l'ottimizzazione delle condizioni di processo di lavorazione e per l'ottenimento di un prodotto con determinate proprietà . Per condurre tale studi si utilizano la calorimetria differenziale a scansione (DSC) e la microscopia ottica (MO), disponibili presso i laboratori del Dipartimento. La tecnica MO, oltre a permettere la misura della velocità  di crescita sferulitica, permette di ottenere informazioni sulla morfologia della fase cristallina, che, per molti polimeri, cambia al cambiare del grado di sottoraffreddamento e quindi della temperatura di cristallizzazione. Le ricerche prevedono studi di cinetica di cristallizzazione dal fuso in condizioni sia isoterme che non isoterme. La cinetica di cristallizzazione isoterma  viene studiata utilizzando il trattamento teorico sviluppato da Avrami, mediante il quale è possibile calcolare la costante cinetica globale del processo di cristallizzazione. I dati relativi al processo di cristallizzazione in condizioni non isoterme sono invece analizzati tramite le equazioni Tobin ed Ozawa. Il processo di cristallizzazione è studiato anche utilizzando apparecchiature collocate presso altre Strutture di Ricerca tra cui: diffrattometria a Raggi X (XRD), microscopia a Forza Atomica (AFM), Spettroscopia Dielettrica (DETA).

La velocitè  di cristallizzazione viene in ultima analisi posta in correlazione con la struttura del polimero, in modo da arrivare ad individuare correlazioni proprietà -struttura fondamentali per la progettazione di un materiale con caratteristiche "ad hoc". Nel caso di copolimeri, i parametri del processo di cristallizzazione sono correlati alla composizione (copolimeri statistici) e, all'architettura molecolare, cioè alla lunghezza dei blocchi cristallizzabili (copolimeri a blocchi).

 

Analisi complesse di fenomeni dinamici e della struttura di materiali polimerici.

Come noto, i moti molecolari che hanno luogo nella fase amorfa risentono fortemente del grado di cristallinità del campione dato che per temperature superiori a Tg i segmenti amorfi sono costretti a rilassare tra le regioni cristalline. Tale vincolo influenza notevolmente il meccanismo di dissipazione dell'energia. Conseguentemente, proprietà  fisiche di notevole importanza, come la forza e la stabilità  meccanica risultano dipendenti dalla cristallinità. Scopo di queste ricerche è stato dunque quello di individuare delle correlazioni tra i moti molecolari, studiati mediante la spettroscopia dielettrica, e il grado di ordine presente nel sistema, individuato tramite misure diffrattometriche a raggi X. Tali correlazioni sono infatti di importanza fondamentale per poter ottimizzare le proprietà  fisiche di un materiale. Tali studi sono stati possibili grazie alla collaborazione con il gruppo spagnolo coordinato dal Dr. Ezquerra (CSIC-Madrid).

 

Preparazione e caratterizzazione di nanocompositi "Eco-friendly" per applicazioni nel food packaging e nel biomedicale.

Le competenze sviluppate dal gruppo di ricerca nell’ambito dello sviluppo di materiali nanocompositi a matrice polimerica sono nate da specifiche esigenze del settore dei materiali polimerici sempre più orientato verso la produzione di materiali ad alte prestazioni, caratterizzati da proprietà altamente specifiche e con basso impatto ambientale. Per quanto riguarda i nanocompositi il gruppo di ricerca si è occupato principalmente di nanofillers di tipo inorganico come i nanotubi di carbonio. Scopo della ricerca è ottenere materiali caratterizzati da proprietà con elevate prestazioni meccaniche, maggiore resistenza termica, ridotta permeabilità ai gas. I parametri fondamentali che vengono ottimizzati al fine di ottenere le migliori prestazioni possibili in tutti i casi sono le caratteristiche chimico fisiche della fase inorganica, il grado di dispersione e l’adesione all’interfaccia con la matrice. La dispersione dei fillers nelle matrici polimeriche è realizzata uitlizzando estrusori bivite co-rotanti. Nell’ambito invece dei materiali nanocompositi "green" la ricerca si è focalizzata sulla preparazione di materiali a base di PBS, poli(butilene succinato), che costituisce uno dei maggiori biopolimeri emergenti. Per migliorare le proprietà meccaniche e barriera del PBS sono stati preparati nanocompositi contenti nanofibre di cellulosa. Ottimi risultati sono stati ottenuti in termini di adesione all’interfaccia, resistenza all’impatto e modulo elastico, senza alterare chimicamente le fibre e sviluppando quindi un materiale completamente “bio”.

 

Sintesi e caratterizzazione di poliuree da fonte rinnovabile

Negli ultimi anni i carbonati organici (OC) hanno attirato un grande interesse, risultando un'importante classe di molecole con un'ampia gamma di applicazioni. Gli OC possono essere impiegati con successo come intermedi chimici, grazie alla loro atossicità e biodegradabilità, ma anche come solventi aprotici “green”, per il loro alto punto di ebollizione e l'elevata solvibilità. Inoltre, gli OC in presenza di una ammina possono reagire portando a uree e poliuree (PU). Questi materiali sono caratterizzati da stabilità chimiche, termiche e meccaniche superiori rispetto ai corrispondenti poliuretani e possono essere lavorati sotto forma di fibre e film per idonee applicazioni nel campo medico e nella conservazione degli alimenti. Nonostante i PU siano conosciuti da anni, recentemente, sulla base delle loro elevate prestazioni, sono allo studio nuove applicazioni (rivestimenti speciali, elastomeri innovativi, produzione di materiali compositi speciali con proprietà uniche). L'inconveniente principale delle PU è legato al loro processo di sintesi che prevede l'aggiunta di composti piuttosto tossici come poliisocianati. Per questo motivo, la possibilità di utilizzare OC per la produzione di PU rappresenta un’interessantissima sfida. Un valore aggiunto è dato anche dal recente sviluppo di diverse ammine bio-based; la butano diammina e la pentaniammina sono state ottenute rispettivamente dalla lisina e dall'ornitina, aprendo nuove prospettive per la sintesi del bio-PU. Tra le diverse vie proposte, la reazione dei carbonati ciclici -come carbonato di propilene o carbonato di difenile, DPC- con diammine o poliammine. è piuttosto promettente. Tuttavia, queste reazioni devono essere condotte a temperature superiori a 90 ° C e richiedono ore per ottenere conversioni elevate; inoltre, per aumentare la velocità e la resa finale, si utilizzano catalizzatori e, per garantire soluzioni omogenee, vengono spesso utilizzati solventi come il tetrametilene solfone o il toluene. Per uperare questi inconvenienti, si è messo a punto un nuovo processo di sintesi in presenza di carbonato di catecolo. Dai lavori pubblicati in letteratura si evince una buona reattività in presenza di alcoli e polioli alifatici, come il glicerolo, per ottenere i corrispondenti carbonati simmetrici e carbonato di glicerolo. Per questo motivo, CC è stato impiegato in un nuovo processo di policondensazione senza né solvente nè catalizzatore in presenza di diverse diammine potenzialmente biobased, come 1,4-butandiammide, 1,5-pentandiammina e 1,6-esandiammina, al fine di ottenere bio-PU .

Il processo "one-pot" per la preparazione della poliurea è stato applicato con successo, portando a PU altamente cristallini. Questa nuova strategia sintetica apre nuove possibilità per la produzione di poliuree evitando l’uso di isocianat.. Inoltre, è di grande rilievo il recupero semplice e quantitativo del catecolo, isolato in cristalli puri per l'85 e il 100%. Se si tiene altresì conto che 1,4-butandiammina, 1,5 -pentandiammina e 1,6-esametilendiammina sono ottenibili da risorsa rinnovabile, il processo messo a punto è nel pieno rispetto dei principi della “green chemistry”. I prodotti sono stati completamente caratterizzati mostrando una stabilità termica davvero elevata che li rende adatti per applicazioni ad alta temperatura.