Innovativi Materiali Per Display e Sensori: Una Rassegna sui Diversi Tipi di Cristalli e le Loro Applicazioni

I cristalli liquidi liotropici (LLCs) sono fasi termodinamicamente stabili a temperature, pressioni e concentrazioni definite che si formano in miscele di molecole anfifiliche comprendenti un gruppo di testa polare ovvero idrofilo legato a una porzione idrofobica e un solvente, generalmente acqua. Quando un mesogeno liotropico si dissolve in un solvente, le mesofasi formate dipendono dalla dimensione del gruppo di testa, dal numero di catene alifatiche presenti nelle molecole anfifilica e dalla polarità del solvente.

cristalli liquidicristalli liquidi

Contrariamente ai cristalli liquidi termotropici che mostrano una transizione di fase dallo stato liquido-cristallino a liquido isotropo quando la temperatura aumenta, i cristalli liquidi liotropici mostrano transizioni di fase in funzione sia della temperatura che della concentrazione delle molecole di cristalli liquidi in un solvente ed hanno quindi un ulteriore grado di libertà che consente loro di indurre una varietà di fasi diverse.

I cristalli liquidi liotropici sono noti da prima della scoperta di quelli termotropici dovuti al chimico e botanico austriaco Friedrich Richard Reinitzer nel 1888 che è considerata la data di nascita della ricerca sui cristalli liquidi.

Diagrammi di fase dei cristalli liquidi liotropici

Spesso il comportamento dei cristalli liquidi liotropici viene osservato in diagrammi di fase in cui si riporta la temperatura in funzione di concentrazione di molecole anfifiliche di tipo anionico, cationico, zwitterionico e non ionico, in acqua o altri solventi.

diagramma di fasediagramma di fase

Al di sotto della concentrazione micellare critica, le molecole anfifiliche sono molecolarmente disperse nel solvente, ma a concentrazioni maggiori formano micelle, che possono essere di forma sferica, a disco o a bastoncino.

A concentrazioni ancora più elevate, queste micelle si aggregano e la miscela può presentare le fasi esagonali, lamellari costituita da molecole anfifiliche disposte in fogli a doppio strato separati da strati di acqua e invertite che sono generalmente formate da molecole anfifiliche che hanno almeno due catene di idrocarburi attaccate a un gruppo principale. Un noto esempio biologico di strutture lamellari liotropiche sono i doppi strati lipidici delle membrane cellulari.

Fattori che influenzano la transizione di fase

I fattori che influenzano la transizione di fase dei cristalli liquidi liotropici possono essere suddivisi in fattori esterni, come temperatura, pressione, luce, concentrazione salina, forza ionica e campo magnetico, e altri fattori come presenza di molecole anfifiliche, contenuto di acqua e additivi.

Il meccanismo delle transizioni strutturali può essere spiegato dal parametro di impaccamento critico (CPP), che si basa sull’impilamento spaziale di molecole anfifiliche per prevedere la struttura del sistema che potrebbe formarsi. Il parametro di impaccamento critico è un numero adimensionale dato dal rapporto: CPP = V/a·l ove V rappresenta il volume della catena idrofobica, a rappresenta l’area della sezione trasversale del gruppo di testa idrofilo e l rappresenta la lunghezza della catena idrofobica allo stato fuso.

CPPCPP

A fasi diverse corrispondono a valori del parametro di impaccamento critico diversi. Quando CPP è meno di 1, si formano fasi normali, il che significa che l’area della sezione trasversale del gruppo di testa idrofila è maggiore di quella delle code idrofobe, come la micella normale, la fase cubica discontinua normale, la fase esagonale normale e la fase cubica bicontinua normale.

Al contrario, fasi invertite come la fase cubica bicontinua invertita, la fase esagonale invertita, la fase cubica discontinua invertita e la fase micellare invertita si formano quando il valore di CCP è maggiore di 1.60. Quando l’area del gruppo polare della testa e della coda sono quasi uguali, si forma la fase lamellare. Le molecole anfifiliche, come i lipidi, essendo disperse in acqua, hanno la capacità di autoassemblarsi in diverse mesofasi, in funzione della concentrazione e della temperatura, formando infine mesofasi liquide cristalline liotropiche.

Le molecole si posizionano in modo tale da minimizzare l’energia libera del sistema, esponendo le regioni idrofile all’ambiente acquoso e compattando strettamente i loro domini idrofobici all’interno nel tentativo di ridurre al minimo l’interfaccia con il solvente esistente. Il tipo di nanostruttura autoassemblata è governata principalmente dalla forma molecolare del tensioattivo che può essere prevista dal parametro di impaccamento critico.

Fattori esterni

Il comportamento di fase dei cristalli liquidi liotropici è sensibile alla temperatura infatti a temperatura ambiente, si forma la fase lamellare e diversi tipi di fasi cubiche bicontinue invertite e quando la temperatura sale a circa 80 °C, avviene la transizione di fase da cubica a esagonale inversa. Il comportamento termico dei cristalli liquidi liotropici può essere ben spiegato dal CPP.

L’aumento della temperatura porta ad una diminuzione dell’idratazione della testa polare del lipide e di conseguenza ad una diminuzione dell’area della sezione trasversale. L’aumento della temperatura ha anche un effetto marcato sulle code idrofobiche, risultando in una coda più corta ma in un volume maggiore pertanto in generale, un aumento della temperatura porta ad un aumento del CPP.

La luce può essere utilizzata per controllare la transizione di fase dei cristalli liquidi liotropici come, ad esempio, incorporando nanotubi d’oro. Le nanoparticelle d’oro possono assorbire l’energia luminosa e convertirla in calore, favorendo la trasformazione strutturale.

Cristalli liquidi liotropici e somministrazione di farmaci

Sono state condotte numerose ricerche sulle nanostrutture cristalline liquide liotropiche e sulle loro vantaggiose applicazioni come veicoli per la somministrazione di farmaci. Tra le diverse mesofasi liquide cristalline liotropiche, quelle non lamellari, costituite da reti ben definite di canali acquosi e membrane a doppio strato lipidico, vale a dire le mesofasi cubica bicontinua ed esagonale inversa, presentano grosse potenzialità.

I nanosistemi cristallini liquidi liotropici non lamellari (LLCN) possono essere utilizzati come nanosistemi per il rilascio di farmaci, proteine, peptidi o acidi nucleici, essendo in grado di ospitare un’ampia varietà di piccole molecole e biomacromolecole idrofile, idrofobe e anfifile. Presentano importanti vantaggi, inclusa la capacità di rilascio controllato, a condizione che sia stata effettuata un’attenta progettazione per manipolare la formazione della loro organizzazione interna.

Possono essere somministrati attraverso varie vie, con conseguente miglioramento della biodisponibilità dei farmaci e dell’efficienza terapeutica. Inoltre, possono essere facilmente funzionalizzati mediante l’incorporazione di biomateriali intelligenti, ad esempio molecole, tensioattivi o polimeri reattivi agli stimoli, verso lo sviluppo di veicoli di rilascio di farmaci.

Alcuni dei vantaggi più importanti che li rendono nanosistemi ideali per la somministrazione di farmaci sono la grande varietà strutturale, la versatilità della nanostruttura, l’alto grado di organizzazione interna e le caratteristiche morfologiche sintonizzabili.

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