Riciclo di Polimeri Polimeri Biodegradabili Biomateriali polimerici Progetto Lauree Scientifiche Febbraio 2011 Prof. Gaetano Guerra Dipartimento di Chimica e Biologia Università di Salerno

Monomeri e Polimeri polistirene stirene Il termine “polimero (dal greco poly, molte e meros, parte) vuol dire una molecola fatta di molte parti.               monomero                                  polimero       etilene                    polietilene     PE H2C=CH2  polistirene stirene

Polimeri lineari, ramificati e reticolati Polimero reticolato Polimero lineare Insolubili ed infusibili (Generalmente non riciclabili) Polimero ramificato

Classificazione dei polimeri (sulla base delle proprietà generali) Termoplastici (rammolliscono ad alta temperatura) polimeri lineari Fibre polimeri lineari cristallini altamente orientati Termoindurenti (si irrigidiscono ad alta temperatura) polimeri reticolati rigidi Elastomeri (Gomme) polimeri reticolati flessibili

1839 Charles Goodyear scoprì la vulcanizzazione, La reticolazione dei polimeri è stata inventata agli inizi del XIX secolo 1839 Charles Goodyear scoprì la vulcanizzazione, di resine ottenute da incisione di piante di caucciù mediante zolfo ottenendo per la prima volta la tenacità e la elasticità della cosiddetta gomma naturale (1,4-cis-polyisoprene)

Composizione media dei rifiuti solidi urbani

Glossario Ri-utilizzo Meccanico Riciclo Chimico Energetico

Sterilizzazione e ri-utilizzo anche nel caso del vetro di contenitori usati Soluzione non gradita dal mercato italiano anche nel caso del vetro

Riciclo plastiche per imballaggio in Italia Fonte: COREPLA (Consorzio Nazionale per la Raccolta e il Recupero dei Rifiuti di imballaggi in Plastica) Dati 2007 in migliaia di tonnellate Immessi al consumo: 2161 Recuperati 1252 (58%) Avviati al riciclo meccanico 607 (28%) Avviati a recupero energetico 645 (30%)

Riciclo meccanico Il riciclo meccanico prevede la ri-lavorazione termica dei rifiutiplastici. Se i materiali sono termoplastici, si ri-ottengono granuli idonei a produrre altri manufatti Se sono termoindurenti, vengono macinati per essere impiegati come cariche inerti nei polimeri termoplastici vergini.

Riciclo meccanico di PET da bottiglie

Produzione di scaglie di PET da bottiglie

Preparazione di FIBRE, FIOCCO, Tessuto-non-tessuto Estrusione di Fibre Fiocco NON-TESSUTO

Uno degli utilizzi più rilevanti del PET di riciclo da bottiglie Guaine per Impermeabilizzazione Costituite da Tessuto non-tessuto di PET + bitume

il riciclo meccanico della Plastica La principale difficoltà nel riciclo meccanico di materiali plastici è la loro eterogeneità i prodotti ottenuti con materiale da riciclo eterogeneo hanno caratteristiche molto peggiori rispetto ai materiali vergine

Riciclo energetico (ideale per polimeri di basso costo) Petrolio (miscela di idrocarburi) CO2 + H2O + Energia Monomeri: Etilene Propilene Dieni Polimeri Polietilene Polipropilene Gomme etilene-propilene Calore di combustione dei polimeri paragonabile a quello dei monomeri idrocarburici da cui derivano

Polimeri biodegradabili: Mercato in espansione Capacità produttiva mondiale nel 2003: plastiche 230Mton/anno Bioplastiche 254 Kton/anno Il volume di vendita delle di polimeri biodegradabili è circa un millesimo di quello dei polimeri non biodegradabili

Proprietà generali delle dei polimeri biodegradabili Costo molto alto (i prezzi variano da 1,50- 4 €/kg) Es. PLA 1,50 €/Kg - PHA 11,5 €/Kg Proprietà meccaniche peggiori Rapida degradazione

Applicazioni polimeri biodegradabili di largo consumo e basso costo, per: sacchetti per la raccolta dell’umido teli biodegradabili per pacciamatura vasi compostabili per florovivaistica polimeri biodegradabili di elevate prestazioni e costi (campo biomedico) impianti ortopedici e dispositivi dentali sistemi per il rilascio controllato di farmaci supporti per guidare la crescita dei tessuti (scaffold)

per la raccolta dell’umido Polimeri biodegradabili di basso costo Shoppers e sacchetti per la raccolta dell’umido Teli biodegradabili per pacciamatura

Miscela polimerica biodegradabile di basso costo (MATER BI) AMIDO (da vegetali) Costituito soprattutto da polisaccaridi Amilosio 20% 80% Amilopectina Blocchi poli(butilene tereftalato) Lenta biodegradazione POLIESTERE sintetico (copolimero a blocchi alifatici ed aromatici) blocchi poli(butilene adipato) Veloce biodegradazione (PBA) (PBT)

(PLA) e (PGA) L’acido lattico e l’acido glicolico sono composti naturali normalmente presenti nell’organismo e quindi facilmente metabolizzabili

PHA (POLIIDROSSIALCANOATI) I PHA sono polimeri termoplastici prodotti da una grande varietà di batteri (come riserva energetica)

tessuti, organi o funzioni del corpo umano. Biomateriali: Materiali per i quali si realizza un’interfaccia con i sistemi biologici al fine di valutare, trattare, o sostituire tessuti, organi o funzioni del corpo umano.

Classificazione dei biomateriali: Natura Chimica DI DERIVAZIONE BIOLOGICA CERAMICI METALLICI POLIMERICI Effetti sul Materiale BIOSTABILI BIODEGRADABILI Effetti sull’ organismo BIOINERTI BIOTOSSICI BIOATTIVI BIOASSOBIBILI

Biomateriali polimerici: Vantaggi Svantaggi Bassi coefficienti d’attrito Forme complesse e facilità di fabbricazione Ampia gamma di composizioni e proprietà fisiche Possibilità di modificare superfici, per via fisica o chimica Possibile rilascio nell’organismo di impurezze come catalizzatori, monomeri ecc.. Usura meccanica Talvolta difficili da sterilizzare Biodegradazione

Principali campi di applicazione: Cardiologia (PET, PTFE, PVC, gomme siliconiche e vari poliuretani) Ortopedia (UHMWPE, PMMA, PGA , PLA, Kevlar) Odontoiatria (Poliuretani, PMMA, siliconi) Oftalmologia (Idrogeli(PHEMA), siliconi e fluoropolimeri ) Farmacologia: Sistemi a rilascio controllato di farmaci

Protesi d’anca Protesi acustica Protesi oculare Protesi della spalla Ripristino cartilagine Valvola cardiaca Protesi mammarie Protesi del gomito Protesi vascolare Riparazione ernia inguinale Protesi d’anca Tendine artificiale Protesi del ginocchio

Protesi d’anca Polietilene ad altissimo peso molecolare(UHMWPE) Lega Ti-6Al-4V Protesi d’anca UHMWPE Leghe di Co e Ti Acetabolo o cotile UHMWPE PM > 2.000.000 Alta resistenza all’abrasione Basso coefficiente d’attrito superficiale Elevata resistenza all’usura e all’urto Ottima resistenza alla fatica

Sistemi a rilascio controllato di farmaci: Singola dose Sistema polimerico: rilascio del farmaco controllato nel tempo, con una cinetica di rilascio di ordine zero. Sequenza di dosi

Sistemi a rilascio controllato di farmaci: Sistemi a base di farmaci polimerici Sistemi chimicamente controllati Sistemi a rilascio diffusionale

Sistemi a base di farmaci polimerici Legame farmaco-polimero Temporaneo Permanente (biodegradabile) (biostabile)

Sistemi chimicamente controllati: Farmaco disperso nel polimero Sistemi bio-erodibili

Sistemi a rilascio diffusionale: Sistema a matrice o monolitico: distribuzione omogenea del farmaco all’interno della massa polimerica. Sistema cavo o riserva: il farmaco è contenuto in una cavità centrale circondata da una membrana semipermeabile (macro,micro o non porosa) che controlla il rilascio.

Cerotto cardiaco a rilascio transdermico 1 Backing o strato impermeabile in polietilene 2 3 4 Riserva (sospensione): - paraffine - poliisobutilene farmaco (vasodilatatore, nitroglicerina Sistema riserva 3 Membrana microporosa in polipropilene ) Strato adesivo dermofilo: - silicone - Intensificatori (dimetilsolfossido, propilenglicole, dimetilacetammide)

fabbisogno energetico per la produzione e trasformazione di materiali

Copolimeri Si parla di copolimero quando le unità strutturali di un polimero derivano da due o più monomeri differenti Copolimeri statistici Copolimeri a blocchi Copolimeri ad innesto