4green RICERCA / I POLIMERI BIODEGRADABILI
TABELLA 1
IL PROCESSO DI BIODEGRADAZIONE
Ambiente Aerobico + Ossigeno
+ + Biomassa
POLIMERO + Microorganismi Aerobico
CO 2
+ H 2 O
Ambiente Anaerobico No Ossigeno
+ + Biomassa
POLIMERO + Microorganismi Anaerobico
CO 2
+ CH 4 menti di polimero da parte di microrganismi e la loro mineralizzazione . La biodegradabilità di un polimero non dipende dall ’ origine dei suoi costituenti ma dalla sua struttura chimica e dalle condizioni ambientali in cui si trova . Le proprietà meccaniche dei materiali biodegradabili dipendono oltre che dalla loro composizione chimica , dal processo di produzione e lavorazione , dall ’ invecchiamento e dalle condizioni di utilizzo . Il processo di biodegradazione può seguire principalmente due percorsi : in ambiente aerobico o in ambiente anaerobico . Se è presente l ’ ossigeno viene prodotta anidride carbonica , in assenza di ossigeno viene prodotto metano .
Polimeri biodegradabili
Per essere biodegradabili , i polimeri devono contenere sulla loro catena principale uno o più punti sensibili alla rottura esempio gruppi idrolizzabili ( estereo , ammidico , uretanico ...). Nella tabella 1 vediamo una panoramica dei polimeri biodegradabili sia sintetici che di origine naturale . I polimeri biodegradabili disponibili sul mercato , per usi industriali , sono solo una piccola parte di questa tabella e fanno , nella quasi totalità , riferimento a prodotti che hanno sulla catena principale un gruppo estereo .
Poliidrossialcanoati
I poliidrossialcanoati sono polimeri termoplastici sintetizzati da vari generi di batteri ( Bacillus , Rhodococcus , Pseudomonas , ecc .) per fermentazione di zuccheri o lipidi . Questi polimeri rappresentano una riserva carboniosa per i batteri che specie in particolari condizioni di coltura , quale assenza di determinati nutrienti ( azoto , fosforo , zolfo ...) ne producono elevate concentrazioni . Essi sono accumulati sotto forma di granuli all ’ interno dello stesso batterio , fino al 90 % del peso secco della massa batterica . Questi prodotti sono ovviamente biodegradabili , ed ottenuti da fonti rinnovabili al 100 %. Data la grande variabilità delle catene laterali ( -R ) e della lunghezza della catena principale ( m ) i poliidrossialcanoati hanno proprietà fisico chimiche molto variabili . Punti di fusione tra i 40 e 180 ° C e proprietà fisico-chimiche che variano da quelle tipiche dei polimeri termoplastici fino a quelle tipiche delle gomme ( elastomeri ). Vediamone alcuni :
• se R = H e m = 1 si ha il Poli 3 idrossipropionato ,
• se R = CH3 e m = 1 si ha il Poli 3 idrossibutirrato ,
• Se R = CH2CH3 e m = 1 si ha il Poli 3 idrossivalerato ,
• se R = H e m = 2 si ha il Poli 4 idrossibutirrato .
Copolimeri :
• PHBV Enumat Y100P TianAm Biopolimer
• PHBH Aonilex Kaneka
Ci sono alcuni casi particolari di polimeri noti riferibili sempre alla formula generale dei polidrossialcanoati :
• se R = H e m = 0 si ha il Poliacidoglicolico PGA ,
• se R = H e m = 4 si ha il Policaprolattone PCL ,
• se R = CH3 e m = 0 si ha l ’ Acido polilattico PLA .
PGA ( acido poliglicolico )
Il PGA è il più semplice poliestere alifatico lineare . Si prepara per polimerizzazione con l ’ apertura dell ’ anello di un lattone ciclico , il glicolide . Il PGA è noto sin dal 1954 come un polimero capace di formare fibre molto resistenti , tuttavia a causa della sua instabilità idrolitica paragonata ad altri poliesteri il suo uso iniziale fu molto limitato . Il PGA possiede una temperatura di transizione vetrosa compresa fra i 35-40 ° C ed una temperatura di fusione individuabile fra i 225-230 ° C . Questo polimero è anche caratterizzato da un elevato grado di cristallinità ( attorno al 45-55 %), che gli conferisce una certa resistenza all ’ idrolisi . Il processo di degradazione è erosivo e sembra seguire due passaggi , durante i quali il polimero viene riconvertito ad acido glicolico . Nella prima fase l ’ acqua si insinua nelle regioni amorfe non cristalline del materiale , scindendo i legami esterei presenti ; la seconda fase inizia quando la regione amorfa è stata erosa lasciando esposta all ’ azione dell ’ acqua
la porzione cristallina del polimero . Quando la struttura cristallina collassa , la catena polimerica si dissolve . Quando esposto a condizioni fisiologiche il PGA degrada oltre che ad opera di processi di idrolisi , anche ad opera di alcune classi di enzimi , in particolare quelli appartenenti alla famiglia delle esterasi . Il prodotto di degradazione , l ’ acido glicolico , non è tossico e può entrare nel Ciclo di Krebs , al termine del quale viene espulso in forma di acqua e anidride carbonica . Una parte dell ’ acido glicolico viene anche eliminata in forma di urina . Gli studi condotti su suture realizzate in PGA hanno mostrato come il materiale perda la metà della sua resistenza in circa due settimane ed il 100 % in un mese . Il polimero viene poi completamente riassorbito dall ’ organismo in una finestra temporale di 4-6 mesi . Quest ’ ultima proprietà è alla base del suo sviluppo industriale , infatti nel 1962 il PGA è stato utilizzato per sviluppare la prima sutura sintetica riassorbibile , brevettata da Davis & Geck ( filiale della American Cyanamid co ) 1963 ( US 3297033 ) e venduta con il nome commerciale “ Dexon “. Queste suture resistenti ed in grado di degradare fino a monomeri idrosolubili , riscossero un notevole successo nel campo della chirurgia , in particolare per il vantaggio di non dover eseguire successive operazioni per la rimozione dei punti . Oltre all ’ uso del solo PGA , con lo scopo di ottenere un materiale con caratteristiche specifiche , sono stati successivamente preparati diversi copolimeri dell ’ acido poliglicolico usando altri monomeri quali ad esempio il copolimero acido poliglicolico / alcol dodecanolo noto commercialmente come Vicril . Lo stesso PGA ricoperto con policaprolattone co-glicolide prende il nome commerciale di Dexon II . I copolimeri presentano caratteristiche intermedie in termini di velocità di degradazione e solubilità a seconda del rapporto fra i vari monomeri usati nella sintesi e della natura stessa di tali monomeri .
PCL ( policaprolactone )
Il Policaprolattone ( PCL ) è un poliestere biode-
26 I GIUGNO 2022 I PLAST4GREEN