Naturalderivative polymeric films containing transition metal complexes in between biomedical and food packaging applications

Abstract

I biopolimeri sono principalmente studiati per la progettazione di nuovi materiali utili per l'imballaggio alimentare e/o applicazioni biomediche. Il confezionamento è una componente essenziale nell'industria alimentare, necessaria per preservare la qualità e la sicurezza degli alimenti. La classica funzione del packaging alimentare, che inizialmente si basava sulla protezione, la comunicazione, la convenienza e il contenimento dei prodotti, è notevolmente migliorata con lo sviluppo di un nuovo concetto di imballaggio alimentare che consiste in sistemi di packaging attivi ed ecosostenibili. Attualmente, i principali materiali utilizzati per le applicazioni di confezionamento alimentare sono polimeri plastici prodotti da combustibili fossili, grazie al loro basso costo ed alla loro versatilità d'uso, entrambi fattori che hanno contribuito al loro rapido sviluppo nell’industria dell’imballaggio alimentare. Tuttavia, questi materiali non sono rinnovabili e non sono biodegradabili; il loro riciclaggio non è sempre possibile o economicamente vantaggioso, con conseguenti problemi indotti sull’ambiente. Lo sviluppo di materiali da fonti rinnovabili, in particolare con proprietà biodegradabili, contribuirebbe positivamente a un uso più sostenibile ed ecologico della plastica. Per questo motivo, l'uso di biopolimeri nelle applicazioni di confezionamento alimentare rappresenta una tendenza in rapida crescita. I biopolimeri possono essere ottenuti direttamente dai processi di polisaccaridi naturali o sintetizzati dalle reazioni di polimerizzazione chimica classica a partire dai corrispondenti monomeri rinnovabili. In questa prospettiva, la ricerca si sta concentrando sulla progettazione di materiali innovativi a base di polimeri naturali con prestazioni competitive ed economicamente convenienti rispetto ai materiali convenzionali derivati dal petrolio. I biopolimeri sono utilizzati principalmente nell'industria alimentare come materiali per imballaggio primario e secondario, film flessibili e rivestimenti commestibili. Grazie alle loro eccellenti caratteristiche biocompatibili e non tossiche, i biopolimeri trovano anche ampie applicazioni in campo medico come sistemi di rilascio di farmaci, dispositivi impiantabili, prodotti per la guarigione delle ferite e scaffold per l'ingegneria dei tessuti. Uno dei biopolimeri più abbondanti in natura è la cellulosa, essa è la componente strutturale della parete cellulare primaria delle piante verdi. I derivati della cellulosa sono ben noti in quanto possono essere ottenuti attraverso diverse reazioni come ossidazione, esterificazione ed eterificazione della cellulosa. I derivati della cellulosa come la carbossimetilcellulosa (CMC), la metilcellulosa (MC) e l'etilcellulosa (EC), hanno trovato molte applicazioni nell'industria alimentare e biomedica. Lo scopo generale di questa tesi di dottorato è la progettazione di processi eco-compatibili ed economicamente sostenibili per la preparazione di film polimerici antimicrobici. Nell'ambito di questo progetto di ricerca, l'interesse è stato focalizzato verso l’EC per i suoi numerosi vantaggi rispetto agli altri. L’EC è, infatti, solubile in vari solventi e può essere facilmente processata come film resistenti con una buona stabilità termica e lavorabilità. L'obiettivo principale di questo lavoro di ricerca è la preparazione di nuovi film polimerici di EC e successiva caratterizzazione. Inoltre l'attività ricercata svolta consiste nel conferire proprietà antimicrobiche ai film polimerici di EC incorporando specifici complessi di metalli di transizione. Come additivi antimicrobici sono stati utilizzati, date le loro note proprietà antimicrobiche, vari complessi di Ag(I) neutri e ionici. In particolare, i complessi acilpirazolonato di Ag(I) neutri sono stati scelti per la loro azione antibatterica esibita contro numerose famiglie batteriche. Inoltre, questi complessi che presentano una varietà di gruppi funzionali e di conseguenza caratteristiche strutturali diverse hanno permesso di studiare le diverse modalità di interazione con la matrice polimerica. Tutti i film EC sono stati preparati con il metodo "solvent casting”, le soluzioni di “casting” sono state ottenute miscelando in diversi rapporti in peso degli additivi Ag(I) rispetto all’EC in soluzione o allo stato solido. In entrambi i casi, dopo l'evaporazione del solvente, i film trasparenti sono stati isolati semplicemente rimuovendoli dal supporto di deposito con acqua calda. Le caratterizzazioni chimico-fisiche dei nuovi film di EC-Ag(I) sono state eseguite attraverso la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), l'analisi termogravimetrica (TGA), la calorimetria a scansione differenziale (DSC), diffrazione dei raggi X su polveri (PXRD) e misura dell'angolo di contatto con l'acqua (WCA). Da un punto di vista applicativo, lo scopo di questa tesi di dottorato è stato quello di preparare nuovi materiali antimicrobici da utilizzare come imballaggi alimentari e nel campo biomedico. A tale scopo, era di fondamentale importanza testare l'attività antibatterica ed eseguire i test di rilascio d'argento dei film ottenuti. Tutti i film preparati EC-Ag(I) sono stati testati per la valutazione della loro attività antimicrobica contro l'Escherichia coli, come modello di ceppi Gram-negativi, in accordo con la normativa standard ISO 22196: 2011. Inoltre, per tutti i film sono eseguiti i test di rilascio della migrazione specifica di ioni Ag(I), secondo la legislazione dell'UE; molti film hanno mostrato valori di rilascio inferiori al limite della legislazione dell'UE. Grazie alle proprietà antimicrobiche dei film ottenuti e del loro limitato rilascio di Ag(I), i film ottenuti rappresentano nuovi materiali molto promettenti per i campi di applicazione sopra riportati. Il lavoro di ricerca svolto ha dimostrato come il diverso tipo d’interazione che s’instaura tra i complessi metallici Ag(I) e la matrice polimerica svolge un ruolo chiave nelle proprietà complessive mostrate dai film preparati. Tale conoscenza è fondamentale per lo sviluppo di materiali e dispositivi con prestazioni migliorate rispetto a quelli derivanti dall’utilizzo delle singole componenti utilizzate per la preparazione dei film polimerici. Questo lavoro di ricerca è stato svolto nei laboratori MAT-InLAB del Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria in collaborazione con l’azienda TiFQLab “Centro di Sperimentazione, Ricerca e Analisi Applicata alle Tecnologie Alimentari e dell'Acqua Potabile”.