I polielettroliti per una vita più sostenibile e naturale

I polielettroliti sono polimeri con unità ripetitive ionizzabili di polianioni o policationi in solventi polari come l’acqua. Si tratta di macromolecole che presentano un elevato numero di gruppi funzionali carichi nelle loro unità monomeriche ripetitive, o che si caricano in specifiche condizioni.

Questi polimeri possono essere omogenei se presentano soltanto polianioni o policationi, oppure polianfoliti se comprendono entrambi i gruppi.  Inoltre, possono essere classificati in forte (con una densità di carica non influenzata dal pH) o debole (con una densità di carica dipendente dal pH).

Sono utilizzati in molti settori ,grazie alle loro proprietà , come saponi, lozioni per il corpo, dispositivi elettrocromici, sistemi di elettrodi di riferimento a stato solido, membrane di scambio per celle a combustibile, trattamento dell’acqua, trattamento dei rifiuti, produzione di carta, protezione dalla corrosione, celle a combustibile, elettrodialisi, lenti a contatto, somministrazione di farmaci e in campo genetico.

Polielettroliti naturali

I polimeri presenti in natura possono essere ottenuti da fonti naturali rinnovabili come animali, piante o funghi. I polielettroliti  presenti in natura sono biopolimeri lineari o ramificati in cui una parte sostanziale delle unità costituenti sono gruppi ionizzabili o ionici. Tra i polisaccaridi naturali di rilevanza industriale, il chitosano è l’unico biopolielettrolita cationico ad alto peso molecolare.

struttura chitosano
struttura chitosano

Il chitosano è un polisaccaride lineare composto da D -glucosammina e N -acetil- D -glucosammina legate in modo casuale tramite legami  β-(1→4) glicosidici. Il chitosano è il prodotto alcalino deacetilato della chitina, derivato dall’esoscheletro di crostacei, insetti e pareti cellulari fungine.

È un biopolimero funzionalmente versatile per la presenza di gruppi amminici responsabili delle varie proprietà del polimero. Sebbene sia stato utilizzato per varie applicazioni industriali, quello più recente è come materiale di imballaggio alimentare antimicrobico biodegradabile che compete con i tradizionali materiali a base di plastica non biodegradabile.

Tra i polielettroliti naturali di tipo anionico vi è l’alginato, biopolimero polisaccaridico non ramificato composto da acido β-D-mannuronico e acido α-L-guluronico  legati (1 → 4), che hanno un pKa di 3.65 e 3.35, rispettivamente ed è quindi caricato negativamente in un ampio intervallo di pH.

Polielettroliti sintetici

La possibilità di controllare la natura della carica, la densità della carica stessa e il peso molecolare consente di progettare polimeri per fornire un’ampia varietà di funzioni, essenziali in molti processi industriali sebbene abbiano un profilo di biocompatibilità e di un’attività biologica inferiori rispetto a quelli naturali.

carbossimetilcellulosa
carbossimetilcellulosa

Esempi di tipici polielettroliti sintetici sono acido poliacrilico, polistirene solfonato, poliallilammina, carbossimetilcellulosa e sali correlati. Tra i polielettroliti cationici vi è il poli[(4-vinilbenzil) trimetilammonio cloruro] che contiene un sale di ammonio come gruppo funzionale ed è ottenuto dal cloruro di 4-(vinilbenzil)trimetilammonio quale monomero e il  persolfato di ammonio quale iniziatore della polimerizzazione radicalica

acido poliacrilico
acido poliacrilico

Tra i polielettroliti di origine sintetica vi è l’acido poliacrilico derivato dalla polimerizzazione dell’acido acrilico che in soluzione acquosa a pH neutro si presenta come un polimero anionico. I poliacrilati parzialmente o totalmente deprotonati sono polielettroliti, con la capacità di assorbire e trattenere l’acqua espandendosi fino a raggiungere molte volte il loro volume originale.

Per la sua assenza di tossicità, biocompatibilità e biodegradabilità è utilizzato come agente di rivestimento. Varie superfici contenenti ossidi metallici, nanoparticelle d’oro, struttura metallo-organica, silice e materiali a base di carbonio come nanotubi di carbonio e grafene sono state rivestite utilizzando questo polimero.

Usi

I polielettroliti hanno molte applicazioni nei campi più svariati, come, ad esempio, nel trattamento delle acque come agenti flocculanti, nei fanghi ceramici come agenti disperdenti e nelle miscele di calcestruzzo come superfluidificanti.

Alcuni polielettroliti vengono aggiunti anche ai prodotti alimentari, ad esempio come rivestimenti alimentari e agenti distaccanti. In tempi recenti, l’utilizzo di multistrati prodotti dall’assemblamento di polielettroliti con carica opposta è stato sviluppato come un metodo sorprendente e adattabile per progettare strati superficiali per la biofunzionalizzazione e il trasporto di farmaci.

I gel polielettrolitici sono un’importante classe di gel polimerici che presentano reti polimeriche cariche con gruppi ionizzabili stabilizzati da diverse interazioni, tra cui l’interazione elettrostatica, le forze di van der Waals, le interazioni ioniche, il legame a idrogeno e la reticolazione chimica.

Recentemente hanno attirato l’attenzione come classe di materiali intelligenti e hanno dimostrato il potenziale per una varietà di applicazioni come l’immagazzinamento e rilascio di biomolecole, nell’ingegneria dei tessuti e applicazioni ortopediche

Polielettroliti naturali e sintetici

I polielettroliti naturali sono ottenuti da fonti rinnovabili come animali, piante o funghi. Un esempio rilevante è il chitosano, un polisaccaride ottenuto dall’esoscheletro di crostacei, insetti e pareti cellulari fungine.

Questo biopolimero cationico ad alto peso molecolare è funzionalmente versatile grazie alla presenza di gruppi amminici, ed è impiegato in applicazioni come l’imballaggio alimentare antimicrobico biodegradabile.

Tra i polielettroliti naturali anionici vi è l’alginato, un biopolimero non ramificato composto da acido β-D-mannuronico e acido α-L-guluronico. I polielettroliti sintetici, come l’acido poliacrilico e la carbossimetilcellulosa, offrono la possibilità di progettare polimeri con una vasta gamma di funzionalità, essenziali in molti processi industriali.

Applicazioni e usi

I polielettroliti trovano impiego nel trattamento delle acque come agenti flocculanti, nei fanghi ceramici come agenti disperdenti, e nelle miscele di calcestruzzo come superfluidificanti.  Possono anche essere utilizzati come rivestimenti alimentari, agenti distaccanti e materiali per la biofunzionalizzazione e il trasporto di farmaci.

In particolare, i gel polielettrolitici hanno dimostrato il potenziale per diverse applicazioni come l’immagazzinamento e rilascio di biomolecole, l’ingegneria dei tessuti e applicazioni ortopediche.

Fonte

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