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1
Bioplastiche-biopolimeri-biomateriali
Sono tutti realmente
?
Antonietta Pepe Laboratorio di Materiali Bioispirati
Dipartimento di Scienze
Università degli Studi della Basilicata
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Il problema della plastica
Nella parte settentrionale dell’ Oceano Pacifico, con un’area di estensione pari a due volte il Texas per 10 metri di profondità , si è formata negli ultimi anni un’isola di plastica, creata da 4 milioni di tonnellate di rifiuti in mare che si addensano in quella zona, per una particolare combinazione di correnti!
Pacific Trash Vortex
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E il Mediterraneo?
Il Mare Nostrum e le sue spiagge sono una delle zone più critiche al mondo per quanta riguarda la spazzatura marina di plastica. Il problema principale sono le microplastiche, frammenti di meno di 5 millimetri che attraverso i pesci arrivano nei nostri piatti.
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LABIM Plastica= Polimero
I polimeri sono composti chimici ad alto peso molecolare costituiti da unità chimiche ripetute e si classificano in :
Sintetici
Naturali
I polimeri sintetici sono ottenuti mediante reazioni di polimerizzazione a partire da materiale derivati dal petrolio.
monomeri polimero
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Polimeri sintetici
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Polimeri sintetici
I differenti tipi di plastica differiscono tra loro per:
la composizione chimica, le proprietà chimico-fisiche e la destinazione d'uso.
Le materie plastiche più diffuse sul mercato dei prodotti di consumo sono:
• il PE (polietilene)
• il PP (polipropilene):
• il PVC (cloruro di polivinile)
• il PET (polietilentereftalato)
• il PU (poliuretano)
• il PS (polistirene)
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Polimeri sintetici
La maggior parte dei polimeri sintetici non sono biodegradabili
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Perchè siamo interessati ad plastiche alternative?
Motivi economici:
I combustibili fossili sono destinati ad esaurirsi percui sono necessarie fonti di materie prime rinnovabili.
Motivi ecologici
La maggior parte dei polimeri sintetici non sono biodegradabili
Le recenti strategie di ricerca focalizzano la loro attenzione sulla chimica verde, che anche nel campo dei polimeri ha il compito di trasformare prodotti /rifiuti agricoli in prodotti biodegradabili ad alto valore aggiunto.
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Bioplastiche
Secondo la definizione data dalla European Bioplastics, la BIOPLASTICA è un tipo di plastica riciclabile che :
1) deriva da materie prime rinnovabili (materiali di origine naturali)
oppure
2) è biodegradabile (di origine sintetica ma che si degrada in tempi ragionevoli)
oppure
3) ha entrambe le proprietà (di origine naturale che si degrada in tempi ragionevoli).
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Bioplastiche
Materiale biodegradabile
da fonti petrolchimici
Materiale non degradabile da fonti rinnovabili
Materiale biodegradabile
da fonti rinnovabili
Materiale non degradabile da
fonti petrolchimici
Biodegradabilità
Non degradabilità
Fonti naturali Fonti petrolchimici
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Plastiche verdi al 30%
Materiale non degradabile da
fonti rinnovabili
Stesse proprietà
Da canna da zucchero Dal petrolio
PET verde (polietilentereftalato)
100 % riciclabile (come plastica) 0% compostabile !!!!
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PET 100% da fonti rinnovabili
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Bottiglia verde
Esistono in commercio delle bottiglie di plastica prodotte da fonti rinnovabili completamente biodegradabili
E’ prodotta con PLA (acido polilattico) totalmente BIO: un particolare polimero che si ricava dalla fermentazione degli zuccheri contenuti nelle piante, senza neanche una goccia di petrolio o suoi derivati.
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Sviluppo Sostenibile
Con sviluppo sostenibile si intende uno sviluppo in grado di assicurare «il soddisfacimento dei bisogni della generazione presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di realizzare i propri».
World Commission on Environment and Development
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La chimica verde
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Ruolo centrale nellos viluppo sostenibile svolge la
chimica verde, che anche nel campo dei polimeri
ha il compito di trasformare prodotti /rifiuti agricoli in
prodotti biodegradabili ad alto valore aggiunto da
utilizzare come materie prime
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Polimeri naturali= biopolimeri
I materiali polimerici naturali sono stati ampiamente utilizzati nella storia dell’uomo per ottenere vestiti, cibo, attrezzi, armi, etc.
Esempi di polimeri naturali= biopolimeri: Amido, Cellulosa (legno), Chitina, alginati
Proteine (dai capelli, seta, corna, ossa , insetti, etc)
I polimeri naturali sono biodegradabili : posti in un ambiente favorevole si degradano per idrolisi o per reazioni enzimatiche in sostanze naturali più semplici.
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Esempi di Biopolimeri
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Biopolimeri
I Biopolimeri si possono ottenere per estrazione o per polimerizzazione industriale di materie prime naturali.
La fonte principale delle materie prime sono gli animali e le piante. Possono anche essere prodotte da microorganismi.
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LABIM Prodotti da biopolimeri biodegradabili?
materiali di imballaggio usa e getta
beni di consumo per uso di routine, quali piatti,
tazze, contenitori
materiali usa e getta per la cura personale, quali fazzoletti, assorbenti, pannolini
rivestimento laminazione
sacchetti per pacciamatura agricola
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Economia circolare
L’Economia Circolare è un’economia progettata per auto-rigenerarsi, in cui
i materiali di origine biologica sono destinati ad essere reintegrati nella
biosfera, e quelli tecnici devono essere progettati per essere rivalorizzati
(riciclati) senza entrare nella biosfera.
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Origine dei biopolimeri
Biopolimeri= da fonti naturali rinnovabili
Cellulosa (da legno/)
Amido (da Mais/patate)
Proteine (da piante/animali)
Poliidrossialcanoati (da microorganismi)
Acido polilattico (da glucosio)
Biodegradazione Compostaggio
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AMIDO
L’amido è estratto principalmente dal mais, ma si puo ricavare anche dalle patate, dal riso, dal frumento, dalla tapioca.
L’amido rappresenta il sistema di stoccaggio del glucosio delle piante.
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L’amido in realtà è costituito da una miscela di polimeri che si differenziano non per il tipo di monomero ma per il tipodi legame tra i monomeri:
amilosio a catena lineare;
Amilopectina a catena ramificata
AMIDO
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Bioplastiche basate sull’amido: Mater-Bi®
Le bioplastiche basate sull’amido sono un prodotto sviluppato in Italia. Il marchio registrato è il
E’ attualmente sviluppato anche da molte altre aziende europee e mondiali: Bioplast, etc
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Amido
~75% dell’amido di mais industriale è usato come adhesivo nell’industria cartaria.
L’Amido assorbe fino a mille volte il suo peso in umidità ed è quindi usato nei pannolini.
La Plastica basata sull’amido è usata essenzialmente negli imballaggi e nelle buste per la spesa.
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LABIM Cellulosa
Il cotone contiene il 90% di cellulosa
Il legno ne contiene il 50%
La cellulosa e I suoi derivati sono utilizzati in numerose applicazioni.
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Derivati della cellulosa
La viscosa è un fibra tessile artificiale di origine naturale che conferisce ai tessuti lucentezza simile alla seta .
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Derivati della cellulosa
Il cellophane
Acetato di cellulosa
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Chitina
La chitina è il componente principale dell’esoscheletro di insetti e crostacei, delle pareti cellulari dei funghi e batteri. E’ un polisacaride naturale costituito da N-acetil glucosamina. Può fornire il derivato, chitosano.
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Chitosano
Il chitosano forma un film biocompatibile resistente, idrofilo e permeabile all’ossigeno percui viene usato come benda .
Chitosano è usato nella cosmesi e come veicolo per farmaci anche antitumorali.
Chitosano avendo cariche positive in soluzioni acquose è usato come agente flocculante per purificare l’acqua e renderla potabile.
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Acido polilattico
L’acido Polilattico è il polimero biodegradabile attualmente più usato.
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Acido polilattico
Si ottiene per polimerizzazione dell’acido lattico, prodotto principalmente per via fermentativa dallo zucchero.
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Acido polilattico
Gli inchiostri per le stampanti 3D sono in genere costituite da PLA
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Polylactic Acid
Copolymers of lactic acid and glycolic acid are used in sutures, controlled drug release, and as prostheses in orthopedic surgery
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Biodegradazione del PLA
Il PLA è stabile a condizioni ambientali standard quali quelle normali di tutti i giorni ( 20°). Il PLA si degrada per idrolisi a temperature superiori a 65° ed umidità superiore al 20%, per cui i tempi di biodegradazione possono variare notevolmente in relazione alle condizioni ambientali. In condizioni di compostaggio ottimali di 65° e 95% umidità , quali quelle dei normali compostatori industriali, i manufatti in PLA si degradano in 50 giorni. I tempi si allungano a 120 giorni in un compostatore domestico alla temperatura di 40°.
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Proteine naturali come biopolimeri
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Collagene
Componente fondamentale della Matrice extracellulare. Conferisce sostegno strutturale agli organi e tessuti. Ha una caratteristica struttura a tripla elica.
Collagene…..è un ottimo biomateriale perchè non-tossico e con minima risposta immunitaria.
Può essere prodotto in diverse forme :
Spugne porose, gel, e film.
Le principali applicazioni:
chirurgia, dispositivi per il rilascio dei farmaci, impianti protesici e nell’ingegneria tissutale.
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Integratore utile?
Non fanno male ma forse è meglio bere un pò di brodo di pollo.
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Gelatina
• Gelatina è la forma idrolizzata del collagene.
• Gelatina è una miscela di peptidi prodotti per parziale idrolisi del collagene stratto dalla pelle, dalle ossa di animali come il suino, il bue, vitello, cavallo e pesce. .
• Gelatina si scioglie molto facilmente in acqua calda ma gelifica con il raffreddamento della soluzione ( effetto brodo di pollo).
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Numerose applicazioni della gelatina
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BIOMATERIALi
“ Materiale concepito per interfacciarsi con i sistemi biologici per valutare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo” (II° International Consensus Conference on Biomaterials, 1991-Chester, U.K.).
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Biomateriali
Titanio: biomateriale o no?
Protesi di ginocchio
Non dipende dal materiale di per sè, ma dipende dalla funzione
NO SI
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Biomateriale
Acido Polilattico (PLA ): biomateriale sì o no?
NO SI
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Biomateriali nella ingegneria tissutale
L’ingegneria dei tessuti nasce come tentativo di costruire tessuti ed organi al di fuori del corpo umano
1. Prelievo di cellule dal paziente
2. Proliferazione cellule
3. Semina delle cellule su un supporto insieme ai fattori di crescita
4. Produzione del tessuto richiesto
5. Impianto nel paziente
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Ingegneria dei tessuti
– - Pelle – - Ossa – - Cartilagine – - Vescica – - Vasi sanguigni
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Esigenze cliniche Pelle
- Ustioni
Apparato scheletrico
– Fratture scomposte
– Degenerazione
osteoarticolari
– Resezione tumorale
Sistema nervoso
– Danno alla spina dorsale
– Malattie degenerative
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Componenti fondamentali dell’INGEGNERIA TISSUTALE
- Cellule
- Matrice o Supporto tridimensionale
- Citochine e fattori di crescita
- Cellule
- Matrice o Supporto tridimensionale
- Citochine e fattori di crescita
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- Cellule staminali adulte:
• Si trovano nel: – Cordone ombelicale
– Cervello, cornea, retina, cuore, tessuto adiposo, midollo osseo, vasi sanguigni, muscoli, ed intestino.
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Cellule staminali Sono cellule multipotenti che hanno la capacità di differenziarsi sia in vivo che in vitro in osteoblasti, condrociti, miociti, e molti altri tipi di cellule.
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Componenti fondamentali dell’INGEGNERIA TISSUTALE
- Cellule
- Matrice o Supporto tridimensionale
- Citochine e fattori di crescita
- Cellule
- Matrice o Supporto tridimensionale
- Citochine e fattori di crescita
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Supporto tridimensionale di sostegno
Sono costituiti da differenti materiali e tessiture
Devono favorire la crescita cellulare
Devono favorire la permeazione di nutrienti
Non devono danneggiare il paziente
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Materiali di orgine naturale:
Biopolimeri Collagene/gelatina
Elastina
Acido polilattico
Alginati/chitosano
Matrice decellularizzata
Ceramiche Hydroxyapatite
Calcium phosphate
Biovetro
Ca10(PO4)6(OH)2
Ca10(PO4)6(OH)2
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Supporto per rigenerazione ossea
Hydroxyapatite
Calcium phosphate
Biovetro
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Biomateriale
La scelta del biomateriale da usare per la produzioni di matrici per
l’ingegneria tissutale dipende dal tessuto che si vuole “costruire”
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Fibre di Collagene:
Acciaio:
• Collagene conferisce resistenza e rigidezza (resistenza alla trazione del collagene 5-500 Mpa; acciaio 325 MPa • L’elastina conferisce elasticità ai tessuti (Può essere allungata fino al 100%)
Collagene ed Elastina
Fibre di elastina:
Elastico
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Esempi di matrici costituite da collagene
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BIOMATERIALI ispirati all’ ELASTINA
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Vasi artificiali
http://popularmechanics.com/popmec
h/sci/tech/9805TUMDOM.html
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Ingegneria Tissutale ossea
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Gelatina (Ge)
Acido Poli-lattico (PDLLA)
Biovetro (RKKP)
PRODUZIONE DI MATRICI per ingegneria ossea in BASILICATA
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PRODUZIONE DI MATRICI per ingegneria ossea in BASILICATA
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PRODUZIONE DI MATRICI
19 000 V
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Analisi SEM: Microscopio Elettronico a Scansione
Ge:PDLLA 1:3
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Analisi SEM
Ge:PDLLA 1:3 +4.8%RKKP
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Matrici per ingegneria tissutale ossea
La presenza del biovetro favorisce la calcificazione della matrice
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Proliferazione cellulare
Cellule staminali
Osteoblasti: favoriscono depositi di calcio
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67
Interessati?
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Grazie
“Trattiamo bene la terra su cui viviamo: essa non ci è stata donata dai nostri padri, ma ci è stata prestata dai nostri figli.” Proverbio Masai