Microreologia di fluidi macromolecolari complessi per applicazioni biomedicali
Creators: name: Fusco, Sabato
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2006

description: I polimeri costituiscono la classe di materiali più versatile, in quanto sono largamente applicati in medicina e in ogni sorta di biotecnologie, così come nell’industria alimentare e di cosmetici. Le applicazioni includono apparecchi chirurgici, materiali per impianto e per supporto (ad esempio organi artificiali, protesi, ecc.), sistemi a rilascio controllato, vettori di enzimi e cellule, biosensori, componenti per apparecchiature diagnostiche, bioadesivi, dispositivi oculari e materiali per applicazioni ortopediche. I polimeri utilizzati come biomateriali possono essere sintetizzati per avere caratteristiche chimiche, fisiche, interfacciali e biomimetiche che ne permettono specifiche applicazioni. A confronto con altri tipi di biomateriali, come metalli e ceramici, i polimeri offrono il vantaggio di poter essere preparati in differenti composizioni con ampie varietà di strutture e proprietà.
Gli approcci più recenti alla tecnologia dei biomateriali macromolecolari sono basati sulla combinazione di differenti professionalità per ottenere polimeri con strutture ben definite e proprietà chimiche, fisio-chimiche, meccaniche e biologiche specifiche. Un’altra tendenza nello sviluppo dei biomateriali è l’ingegneria macromolecolare, che comprende la valutazione di procedure ottimizzate e versatili per l’ottenimento di nuove strutture polimeriche a basso costo e per uso commerciale.
L’ottimizzazione delle proprietà rappresenta l’aspetto principale della progettazione di un materiale. L’abilità di produrre determinate strutture macromolecolari e morfologie del materiale per soddisfare un dato set di criteri fisico-chimici e biologici rappresenta il successo più influente nel campo dei biomateriali. Materiali polimerici, già esistenti e utilizzati con successo in applicazioni chimiche, necessitano di miglioramenti al fine di ottenere un definitivo successo in campo biomedico. La biocompatibilitá, per esempio, non é ottimale in molti dispositivi e procedure chirurgiche, soprattutto per quanto riguarda trattamenti di immunorepressione. Fino ad ora, la maggior parte dei polimeri é stata ingegnerizzata per soddisfare i criteri fondamentali per le applicazioni biomediche ed esibiscono reazioni biologiche non specifiche. I bisogni futuri comprendono l’ottimizzazione dell’ingegnerizzazione e della progettazione di processi che permetteranno ai biomateriali con precise architetture di bulk e superficiali di mostrare precisi riconoscimenti biologici e specifiche bioreazioni in vivo. In questa direzione, vari approcci e tecniche (dalla chimica, dalla biologia molecolare, dalla scienza dei materiali, ecc.) sono state applicate per la sintesi e l’analisi di una nuova generazione di biomateriali polimerici ingegnerizzati.
Nuovi biomateriali, con aumentate e specifiche azioni biologiche (ad esempio, la veicolazione di sostanze faramacologiche in siti specifici o il rilascio di agenti fisiologici instabili), sono stati sviluppati utilizzando polimeri sensibili agli stimoli ambientali. Tali polimeri possono essere sintetizzati in modo da poter rispondere a segnali di tipo chimico, fisico o biologico come pH, temperatura, campi elettrici e ottici, metaboliti.
I polimeri termoreversibili sono sintetizzati a partire da polimeri con diversi gradi di idrofilicità. I copolimeri di PEO-PPO, ad esempio subiscono transizioni di fase in dipendenza della concentrazione e della temperatura. Durante la transizione di fase si passa da macromolecole libere in soluzione alla formazione di aggregati (micelle) dovute all’aumento dell’idrofobicità del PPO con la temperatura. 
Parte dello studio di questo lavoro sarà dedicato all’investigazione dei comportamenti di tali tipi di materiali attraverso l’utilizzo di metodi sperimentali che permettono la caratterizzazione microstrutturale dei polimeri considerati: la microreologia con pinzette ottiche e lo studio delle caratteristiche diffusive con tecnica FRAP.
L’obiettivo che ci si pone in questo lavoro di dottorato di ricerca riguarda lo sviluppo di uno studio approfondito di materiali polimerici e colloidali attraverso una scala gerarchica, collegando le nano e micro-interazioni alla microstruttura, alla meccanica, alla dinamica ed infine alle proprietà macroscopiche di tali materiali. La fase iniziale del progetto riguarda la messa a punto del sistema d’indagine: le pinzette ottiche (la cui scelta tra le tecniche d’indagine verrà spiegata nel relativo capitolo) combinate con tecniche di acquisizione delle immagini permetteranno di determinare direttamente le interazioni su scala nano e micrometrica, la microstruttura e i riarrangiamenti delle particelle per arrivare ad una conoscenza approfondita dei meccanismi che regolano l'elasticità ed, in generale, il comportamento meccanico dei materiali. La microreologia permette, infatti, di sondare le eterogeneità nelle strutture e nelle meccaniche che possono essere alla base di comportamenti non lineari dei materiali. La fase successiva prevede l’utilizzo di tale tecnica per la determinazione della viscosità locale e dei moduli viscoelastici di fluidi omogenei e complessi. Questo lavoro potrà fornire importanti informazioni su questioni aperte di grande importanza per la comprensione dei meccanismi di base dei processi diffusivi in fluidi complessi (short e long time diffusion) e per le numerose applicazioni connesse ai nuovi materiali oggi impiegati nel campo dei biomateriali. Ad esempio si potrà meglio comprendere le discrepanze che esistono tra misure di viscosità di bulk (ricavate con i viscosimetri tradizionali) e quella determinata su scala microscopica. In studi di sospensioni colloidali, soluzioni polimeriche e biologia cellulare, ad esempio, è spesso desiderabile ottenere un'osservazione dei cambiamenti nella viscosità locale che interessano le dinamiche di componenti quali le particelle colloidali, le macromolecole e gli organelli cellulari. Più nello specifico, in biologia cellulare lo studio della comunicazione intercellulare sta avanzando velocemente. La funzione tissutale dipende fortemente dalla capacità delle cellule vicine di comunicare. Le cellule comunicano soprattutto mediante la secrezione di citochine, che sono proteine solubili che diffondono attraverso il mezzo ed infine si legano ai ricettori cellulari circostanti trasportando così il segnale. Questi segnali modulano le attività funzionali delle cellule e del tessuto. La diffusione di tali molecole è governata dai gradienti di concentrazione e viscosità nel mezzo intercellulare.  Pertanto, riuscire a tracciare la viscosità in tale mezzo è, quindi, di fondamentale importanza per capire i processi addetti alla comunicazione.
Le proprietà reologiche, inoltre, cambiano spesso di molti ordini di grandezza quando si verifica un cambiamento di fase o quando accadono altri mutamenti strutturali come la transizione sol-gel. Ciò rende la microreologia un candidato ideale non soltanto per la caratterizzazione delle proprietà meccaniche, ma anche per il monitoraggio di altri fenomeni che direttamente sono correlati con la reologia, quali il cambiamento di fase e la gelazione dei materiali.