Studio dei Processi di Formazione di Prodotti a Base di Polimeri Biocompatibili. Metodologie, Sperimentazione e Modellazione

Project: Research project

Project Details

Description

Il progetto di ricerca è indirizzato all’ingegnerizzazione di schiume bioassorbibili da utilizzare per la rigenerazione di tessuti molli (derma, organi, cartilagine),ci si propone di esplorare la possibilità di produrre e caratterizzare degli scaffold a matrice polimerica mediante lo studio dei processi di separazione di fase in condizioni controllate da una soluzione ternaria solvente/non-solvente/polimero. La struttura che si intende ottenere deve essere caratterizzata contemporaneamente da pori di grosse dimensioni (con diametri superiori ai 20 mm) efficacemente interconnessi tra loro (porosità di tipo aperto). L’ingegnerizzazione di tale struttura risiede nel tuning del tempo speso dal sistema nella regione metastabile (ove si ottengono strutture a pori chiusi) relativamente a quello speso nella regione spinodale (ove si ottengono strutture interconnesse). É evidente che il tempo speso nella regione metastabile (prima di entrare in quella instabile) è responsabile della creazione di un network di nuclei stabili, i quali poi evolveranno nella fase successiva, cioè non appena inizia la decomposizione spinodale.
La distribuzione delle dimensioni dei pori e la interconnessione delle risultanti schiume sono determinate da fattori termodinamici e cinetici il cui controllo dipende da un delicato bilanciamento di vari parametri, tra i quali la concentrazione del polimero, le modalità di raffreddamento, la composizione solvente/non solvente e la eventuale presenza di additivi.
Allo stato attuale non sono noti ai proponenti studi sistematici sulla termodinamica e sulla cinetica che sovrintendono alla formazione di schiume interconnesse di polimeri bioassorbibili per separazione di fase, mentre è evidente che soltanto questa tipologia di studio può dare luogo ad un vero controllo della produzione di schiume con proprietà mirate a questo tipo di applicazioni.
La modellazione termodinamica e quella cinetica, che si intendono perseguire, insieme ai contributi sperimentali di natura termodinamica e cinetica (misure di torbidità on-line) consentiranno di individuare i solventi appropriati (e le relative proporzioni) e le condizioni operative più favorevoli (profili di temperature e storie termiche) all’ottenimento delle schiume con le caratteristiche volute.

Layman's description

Obiettivi:
L’obiettivo primario è quello di approfondire la conoscenza delle interrelazioni di base fra le condizioni operative adottate nel processo di produzione del materiale polimerico bioassorbibile e la struttura risultante, attraverso una comprensione dei meccanismi responsabili dell’evoluzione della morfologia.
Il secondo obiettivo è l’ottimizzazione e/o finalizzazione della struttura della schiuma polimerica, attraverso la variazione delle condizioni di processo (concentrazione del polimero, composizione solvente/non-solvente, storia termica) perchè essa risulti caratterizzata da buone proprietà meccaniche accoppiate ad una porosità ed una dimensione media dei pori in grado di favorire la migrazione cellulare. Dall’analisi modellistica e dei risultati sperimentali si ritiene infatti di poter pervenire al controllo della struttura attraverso l’approfondimento della termodinamica del sistema e delle cinetiche di formazione delle schiume.

Metodi:
Per realizzare gli obiettivi su indicati si utilizzeranno le seguenti metodologie:
1) Determinazione del diagramma di equilibrio o della parte significativa per il processo che è il primo passo per assicurare la possibilità di controllo e gestione della produzione delle schiume. Per poter controllare la morfologia della schiuma, è infatti opportuno quindi cercare di determinare le curve degli equilibri di fase (binodale e spinodale). Il “monitoraggio” della torbidità a basse velocità di raffreddamento dovrebbe fornire misure prossime all’equilibrio mentre esperimenti a velocità di raffreddamento più alte, adeguatamente modellati possono fornire misure della cinetica dei processi di nucleazione e accrescimento. Il controllo della storia termica che si intende attuare ed in particolare del tempo di permanenza all’interno della zona metastabile è di primaria importanza perché, essendo presumibilmente quello che controlla nucleazione e accrescimento, regola la quantità di interconnessione nella successiva fase di decomposizione spinodale.
2) Sulla scorta delle informazioni ottenute si metterà a punto una procedura di preparazione dello scaffold per separazione di fase e si procederà alla produzione di schiume diversificate con proprietà strutturali di interesse per le applicazioni. A tale scopo si procederà alla preparazione di lastre piane (diametro 25 mm, spessore 1-2 mm) mediante separazione di fase in condizioni controllate di un sistema ternario solvente/non-solvente/polimero. Per consolidare il più possibile i risultati ottenibili nel tempo previsto per il progetto, si pensa di concentrare l’attenzione inizialmente sull’acido poli(L-lattico) PLLA che, fra i materiali di interesse, presenta un promettente quadro di proprietà meccaniche (modulo di Young) e biologiche (biocompatibilità e biodegradabilità). Si inizierà la sperimentazione con la coppia solvente/non-solvente maggiormente impiegata in letteratura ossia diossano e acqua.
3) Caratterizzazione e controllo dei processi e delle schiume ottenute mediante l’uso di una serie di tecniche sperimentali.
- Determinazione delle curva degli equilibri di fase (binodale e spinodale) mediante misure di torbidità, che consentono di distinguere fra il meccanismo di decomposizione spinodale (estremamente rapido) e quello di nucleazione e crescita (generalmente molto lento).
- Determinazione della dimensione media dei pori e dell’interconnessione mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), porosimetria e misure si area superficiale (BET).
- Caratterizzazione morfologica consistente nell’individuazione delle fasi che costituiscono il materiale, sia in termini di tipologia (fase amorfa, cristallina, cristallo-liquida) che nell’ammontare relativo attraverso misure diffrattometriche e calorimetriche (DSC).
4) Ottimizzazione dei parametri di processo (temperatura, composizione etc.) per l’ottenimento delle schiume desiderate.
StatusActive
Effective start/end date1/1/04 → …

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