Riassunto analitico
Negli ultimi sessant’anni i materiali polimerici hanno progressivamente sostituito in molte applicazioni i materiali tradizionali, come legno, vetro, acciaio e ceramica. Questo è dovuto alle loro caratteristiche uniche, che li rendono la migliore tecnologia attualmente disponibile: durabilità, processabilità, proprietà meccaniche modulabili e bassi costi. Sfortunatamente, la durabilità può risultare allo stesso tempo uno svantaggio. Infatti, approssimativamente 1 miliardo di tonnellate di plastica risultano ad oggi depositate nell’ambiente, e persisteranno per un lungo periodo. Per questa ragione, la ricerca si sta focalizzando sull’implementazione dell’efficienza dei processi di riuso e riciclo al fine vita dei prodotti, nonché nello sviluppo delle cosiddette bioplastiche, materiali polimerici che possono essere ottenuti da fonti rinnovabili (bio-based), presentare caratteristiche di biodegradabilità, o entrambe le cose. Le bioplastiche sono ampiamente utilizzate in ambito biomedicale, perché presentano buona biocompatibilità e biodegradazione in condizioni fisiologiche, evitando il bisogno di rimuovere il manufatto una volta terminato l’impiego. Infatti, possono degradare in molecole più piccole che vengono metabolizzate o escrete, senza comportare tossicità per l’organismo ospite. In particolare, i poliesteri alifatici lineari combinano queste proprietà con strategie sintetiche semplici e costi accettabili. La disponibilità di differenti monomeri impiegabili permette di ottenere un ampio numero di materiali differenti, con proprietà e caratteristiche modulate in funzione dell’utilizzo previsto. I poliesteri alifatici maggiormente studiati in questo campo sono l’acido polilattico (PLA), l’acido poliglicolico (PGA), il poli(e-caprolattone) (PCL). Allo stesso modo, negli ultimi anni anche il poli(butilene succinato) (PBS) ha ricevuto crescente attenzione dalla comunità scientifica. Inserendosi in questo contesto, questo lavoro si è focalizzato sulla sintesi di differenti poliesteri alifatici biocompatibili, basati su PBS e PLA copolimerizzati con differenti co-monomeri al fine di migliorarne le proprietà fisico-chimiche e meccaniche, nonché il profilo degradativo. E’ stata studiata una via sintetica innovativa basata sulla reazione di estensione di catena di prepolimeri idrossil-terminati a basso peso. Questa strategia permette di ottenere poli(esteri uretani) ad alto peso molecolare, con migliorate proprietà elastiche e di flessibilità. In aggiunta, è stata studiata una nuova via di sintesi per ottenere copolimeri a blocchi di PLA attraverso la reazione di apertura di anello di L-lattide, condotta, anche in questo caso, con prepolimeri idrossil-terminati. Tutti i materiali ottenuti sono stati caratterizzati attraverso lo studio delle proprietà meccaniche e di degradazione nonché la biocompatibilità, che ne hanno confermato il possibile utilizzo in campo biomedicale. Parallelamente, i materiali sono stati studiati applicando la metodologia del Life Cycle Assessment (LCA), la quale fornisce un’analisi quantitativa dell’impatto ambientale di prodotti e processi durante il loro intero ciclo di vita, permettendo di effettuare migliorie in fase di progettazione per ridurre gli impatti futuri. Sono stati condotti due studi LCA, utilizzando prevalentemente dati primari derivanti dall’attività di laboratorio: realizzazione di un costrutto tridimensionale polimerico per applicazioni in ingegneria tissutale, e studio del processo industriale per la realizzazione di blend biopolimeriche.
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Abstract
In the last sixty years, polymers had replaced traditional materials such as wood, glass, ceramics and steel in many applications. This is due to the unique characteristics of polymeric materials making them the best available technology: durability, processability, modulable mechanical properties and low costs. Unfortunately, durability, critical for many applications, is at the same time a disadvantage. It is in fact estimated that, at the moment approximately 1 billion tons of plastics have been discarded and might persist for significantly long periods. Due to this reason, the research is focused on a better efficiency of recycling and reuse of polymeric materials as well as on so-called bioplastics, polymers which are bio-based, biodegradable, or both in according to the definition of the industry association European Bioplastic.
Bioplastics are wildly used in biomedical field because of their biocompatibility and biodegradation within the human body, avoiding to remove the system when it has finished its purpose. In fact, bioplastic can degrade into smaller, harmless molecules, not dangerous for the hosing organism, that can metabolize or excrete them. In particular, linear aliphatic polyesters are widely employed as they combine interesting properties with easy synthetic strategies and acceptable raw material and production costs. The abundance of different monomers employable for the synthesis allows the preparation of the wide spectrum of polymers processing specific characteristics for the intended application. Poly(lactic acid) (PLA), poly(glycolic acid) (PGA), poly(e-caprolactone) (PCL) and their copolymers are the most investigated aliphatic polyesters for biomedical applications. However, in the last years, also poly(butylene succinate) (PBS) has received increasing attention regarding its possible application in biomedicine.
In this framework, this work was focused on the synthesis of different kind of biocompatible aliphatic polyesters, based on PBS and PLA copolymerized with different co-units to improve the physico/chemical and mechanical properties and the degradation rate. An innovative synthetic route based on chain extension of hydroxyl terminated prepolymers were investigated. This strategy allows to obtain so called poly(ester urethane) (PEU) with high molecular weight and improves elasticity and flexibility in respect of traditional polyesters. In addition, another novel synthetic route was studied for PLA: starting from L-lactide, ring opening polymerization was conduct by hydroxyl terminated prepolymers in order to obtain low weight triblock copolymers, afterwards chain extended as explain previously to high weight polymers, with improve properties.
All the obtained materials were characterized by studying the mechanical properties and degradation, proving their suitability for applications in biomedical field, like polymeric scaffold, sutures and prosthesis.
Besides, the materials were analysed using Life Cycle Assessment methodology (LCA). In fact, LCA provides a comprehensive and quantitative analysis of the environmental impacts of a product or process throughout its entire life cycle, allowing to evaluate possible low impact improvements and material used during process or product life. In this work two different LCA studies were carried out using mainly primary data from laboratory experience or data provided by companies: realization process of three-dimensional supports of PBS for applications in soft tissue engineering and implementation process of polymeric blend between PLA and poly(hydroxyl butyrate) bio-based.
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