Gli alginati, i biomateriali, hanno trovato notevoli applicazioni nella scienza e nell’ingegneria biomedica dovute alle loro proprietà come biocompatibilità, bassa tossicità, costo relativamente basso e facilità di gelificazione.
Origini naturali
Gli alginati sono polimeri anionici naturali, che vengono tipicamente estratti da varie specie di alghe brune come Laminaria hyperborea, Laminaria digitata, Laminaria japonica, Ascophyllum nodosum e Macrocystis pyrifera tramite un processo che implica un trattamento con soluzioni acquose alcaline.
Processo di estrazione
L’estratto ottenuto è filtrato e al filtrato viene aggiunto cloruro di sodio o di calcio per far precipitare gli alginati. Questi sali possono essere trasformati in acido alginico mediante un trattamento con acido cloridrico diluito. Una ulteriore purificazione e conversione produce l’alginato di sodio solubile in acqua, uno dei membri più noti del gruppo degli idrogel.
Formazione di gel
I polimeri a base di alginati formano gel, cioè reticoli ionici, in presenza di vari cationi bivalenti, come ad esempio lo ione calcio e magnesio, che reticolano i gruppi carbossilato sullo scheletro polimerico.
Struttura degli alginati
Gli alginati sono polisaccaridi appartenenti alla famiglia dei copolimeri lineari. La struttura si compone di due unità monomeriche: l’acido d-mannuronico, un monosaccaride dell’acido uronico derivato dal mannosio, e l’acido l-guluronico, un altro monosaccaride dell’acido uronico che può essere derivato dal gulosio, un epimero C-3 dell’acido l-galatturonico.
La struttura degli alginati può essere ulteriormente analizzata tramite Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Questo metodo ha rivelato che il polimero ha una struttura a blocchi omopolimerici e che il contenuto di acido guluronico (G) è superiore a quello dell’acido mannuronico (M). La disposizione di questi blocchi G e M negli alginati può variare a seconda della loro fonte naturale, e può essere sequenziale, alternata o casuale.
Caratteristiche degli alginati
Gli alginati sono caratterizzati da vari parametri che includono la loro massa molecolare, indice di polidispersità, viscosità intrinseca, concentrazione critica, rapporto M/G e il numero e la lunghezza della monade (G e M), diade (GG, MM, MG o GM) e triade (MMG, GGM, MGM). Queste informazioni strutturali sono correlabili con le loro proprietà reologiche, ovvero la gelificazione e/o addensamento in soluzione o in presenza di ioni monovalenti come K+ e Na+ e bivalenti come Ca2+ e Mg2+.
Solubilità
Gli alginati hanno diversi livelli di solubilità dovuti ai loro diversi pesi molecolari. Poiché contengono un ione carbossilato terminale, possono legarsi a cationi bi- o trivalenti per formare alginati poco solubili. Tuttavia, sono in grado di assorbire acqua pari a 200-300 volte il loro peso, gonfiandosi fino a formare un idrogel di consistenza pastosa.
Formazione di gel
Rispetto ad altri polisaccaridi come la gelatina o l’agar, gli alginati possono formare gel indipendentemente dalle variazioni di temperatura. Quando in soluzione, gli alginati formano liquidi pseudoplastici, la cui viscosità varia in base allo sforzo di taglio applicato. È stato osservato che, a temperature e concentrazioni costanti, le proprietà addensanti di diversi alginati, indipendentemente dalla loro origine, sono correlate solo alla loro massa molecolare.
La formazione di gel di alginato dipende da vari fattori, tra cui il tipo di alginato utilizzato, il grado di conversione in alginato di calcio, la fonte degli ioni calcio e i suoi metodi di preparazione. In presenza di cationi bivalenti come il calcio, si verifica una forte interazione tra ioni e gruppi carbossilato di acidi guluronici di catene diverse, creando un reticolo tridimensionale insolubile in acqua e termicamente irreversibile.
Applicazioni
Gli alginati, grazie alle loro numerose proprietà come la biodegradabilità e non tossicità, trovano larga applicazione in vari settori, tra cui quelli dell’industria alimentare, farmaceutica, cosmetica, tessile, della saldatura e dell’alimentazione animale.
Ad esempio, nell’industria alimentare, gli alginati sono comunemente utilizzati per modificare alcune caratteristiche degli alimenti come addensanti, agenti di legame per l’acqua e formatori di film. Nella produzione di gelato, l’uso di alginato di glicole propilenico a basse concentrazioni contribuisce a una minore formazione di cristalli di ghiaccio, conferendo una sensazione gradevole al palato.
In campo medico, la capacità degli alginati di formare gel in presenza di cationi polivalenti, unita alla biocompatibilità e biodegradabilità, ha reso questo polimero un materiale molto interessante per diverse applicazioni, tra cui l’ingegneria tissutale, il trapianto di cellule e la sostituzione di organi. Inoltre, utilizzati in una varietà di cosmetici, grazie alla loro capacità di formare una rete di gel, gli alginati aiutano a trattenere, ad esempio, il colore del rossetto sulle labbra e aumentano l’effettività delle creme per il viso e delle lozioni idratanti per il corpo.