Up-Top: un nuovo approccio nella trasformazione dei materiali naturali

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Alessandro Ianiro**

Negli ultimi anni i biopolimeri naturali, tra i quali cellulosa, chitina ed amido, hanno fortemente attirato l’attenzione della comunità scientifica. L’ampia disponibilità a basso costo, la biocompatibilità e le ottime proprietà meccaniche candidano questi materiali a molti tipi di applicazioni e il loro potenziale è ben lontano dall’essere esaurito.

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Calamaro europeo (loligo vulgaris). Al suo interno è presente il gladio, detto anche penna, una struttura composta di chitina, proteine ed altro materiale biologico, avente la forma di una piuma.

Prendiamo ad esempio la chitina. Essa è il secondo biomateriale più abbondante della terra dopo la cellulosa e viene sintetizzata da una grande varietà di organismi, nei quali spesso assume una funzione strutturale. Nelle sue forme naturali è un materiale parzialmente cristallino e forma polimorfi che differiscono per l’orientazione relativa delle catene polimeriche. Quella presente nel guscio dei crostacei, ad esempio, è la forma α, caratterizzata da domini cristallini in cui le macromolecole sono disposte con orientazione antiparallela, mentre quella presente nelle penne di calamaro (forma b) è caratterizzata da una disposizione parallela delle catene polimeriche. Queste differenze strutturali, riflettendosi sulla capacità di formare legami a idrogeno inter-catena, sono in grado di influenzare sensibilmente il comportamento chimico-fisico del materiale.

Pur essendo un materiale dalle molteplici virtù come la resistenza meccanica e chimica, la biocompatibilità, la capacità di rimuovere inquinanti dall’acqua e di accelerare la cicatrizzazione delle lesioni cutanee prevenendo la proliferazione dei batteri, la chitina non trova larga applicazione industriale. L’ostacolo principale risiede nelle difficoltà di lavorazione dovute alla sua natura chimica. Va sottolineato il fatto che la chitina è un prodotto di scarto dell’industria alimentare ittica (quindi una materia prima a basso costo) con un elevato impatto ambientale, il cui riutilizzo potrebbe rappresentare sia un’opportunità economica, sia la soluzione ad un problema ecologico.

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Immagine in birifrangenza* con polarizzatori incrociati di due campioni di penna di calamaro (gladius), costituiti da chitina cristallina.

Uno dei punti di forza dei materiali naturali è la sofisticatissima struttura gerarchica, frutto di una sperimentazione durata milioni di anni: l’evoluzione. Questa organizzazione strutturale intelligente, che parte dalla scala molecolare e arriva fino alla scala macroscopica, conferisce ai biomateriali delle proprietà particolari ed innovative che l’uomo è ben lontano dal saper riprodurre.

Queste idee sono un fertile campo di attività di ricerca e anche presso l’Università di Bologna opera un Gruppo che si occupa di biomineralizzazione e biocristallografia, con l’obiettivo di utilizzare i biomateriali non come materia prima da trasformare, ma come nuovi materiali.

Questo approccio, denominato up-top, rappresenta la convergenza tra i classici approcci bottom-up e top-down, e prevede che la struttura nativa (bottom-up) non replicabile dall’uomo, venga preservata quanto più possibile. Per rendere questi materiali adattabili a differenti campi applicativi, vengono utilizzate tecniche chimiche e fisiche (top-down) per modificarne le proprietà nanometriche e micrometriche.

Così facendo è possibile unire le singolari caratteristiche dei materiali naturali alla modulabilità dei materiali sintetici, aprendo la strada a nuove applicazioni in campo tecnologico, biomedico ed ambientale.

Si ringrazia il Prof. Giuseppe Falini, per l’uso della seconda figura, ottenuta in laboratorio con il sistema dei due polarizzatori incrociati.

Per saperne di più

Fernandez J. G. and Ingber D. E. Bioinspired chitinous material solutions for environmental sustainability and medicine. Advanced Functional Materials, 23(36):4454-4466, 2013.

Fei-Chi Yang,a   Robert D. Peters,a   Hannah Diesa and   Maikel C. Rheinstädter, Hierarchical, self-similar structure in native squid pen, Soft Matter, 10:5541-5549, 2014

Alessandro Ianiro, Matteo Di Giosia, Simona Fermani, Chiara Samorì, Marianna Barbalinardo, Francesco Valle, Graziella Pellegrini, Fabio Biscarini, Francesco Zerbetto, Matteo Calvaresi, Giuseppe Falini, Customizing Properties of β-Chitin in Squid Pen (Gladius) by Chemical Treatments, Marine Drugs; 12(12): 5979–5992, 2014

**Alessandro Ianiro ha conseguito la laurea magistrale in Chimica presso l’Università di Bologna nel 2014.

Attualmente è assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” e i suoi interessi riguardano in maniera specifica la sintesi di nanomateriali ad attività fotocatalitica e la preparazione di materiali compositi derivati da fonti naturali, per applicazioni nel campo della medicina rigenerativa e della water remediation.

*Quando un cristallo birifrangente, sia esso monoassico (come la chitina) o poliassico, viene posto tra due filtri polarizzatori incrociati (aventi i piani di polarizzazione a 90°) in modo tale che l’asse ottico del cristallo non sia parallelo alla direzione di polarizzazione dei due filtri, questo può assumere colorazioni di diversa intensità e tonalità se illuminato da una sorgente posta prima del primo filtro polarizzatore. In questa configurazione infatti si ha che le componenti vettoriali dei due raggi rifratti dal cristallo parallele al secondo filtro polarizzatore non sono nulle e quindi sono in grado di emergere dal filtro. Tali componenti hanno una diversa fase, per cui la loro somma dà luogo ad interferenze di tipo costruttivo e distruttivo, causando la comparsa dei colori.

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