Bioingegneria chimica (biomateriali)

Polimeri e configurazioni

B|B|– A – A – A –Se l’atomo che si ripete è sempre lo stesso parlerò di omopolimeri.Configurazione: possiamo avere una sequenza lineare, ramificata o reticolata (quella alla base degli idrogeli). Può essere sempre la stessa unità ripetitiva ma inbase a come la dispongo ho configurazioni differenti.Posso avere diversi tipi di materiali polimerici tra cui:- Termoplastici, ovvero quei materiali che tramite il calore riesco a modellare- Termoindurenti, quei materiali che non posso modellare tramite l’utilizzo del calore,si tratta di polimeri reticolatiIn base poi alla disposizione posso avere anche differenti stereoisomeri per uno stessomateriale, ovvero ho la stessa struttura chimica ma una disposizione spazialedifferente da parte dei singoli atomi.Un esempio è il polipropilenePeso molecolare: posso avere molecole diverse a seconda della lunghezza delle catene. Lo calcolo come somma del peso degli atomi dei

gruppi ripetenti moltiplicato poi per gli n monomeri. N però non è definito, nello stesso oggetto ho una distribuzione di pesi molecolari che ha un massimo che può spostarsi. In generale quindi si usa il peso medio ponderale Mw che permette di descrivere le distribuzioni. Il rapporto tra peso medio ponderale e numerale prende il nome di polidispersità e si calcola come:

Mw / Mn = DPM

In genere Mw è diverso da Mn, non c'è un polimero in cui le catene hanno lo stesso peso molecolare ma vi è sempre una certa diversità. Se un polimero ha un DPM di 2 piuttosto che di 4 le proprietà di quest'ultimo cambiano moltissimo, più il valore è alto più saranno presenti catene piccole.

Conformazione: sono tutti quei passaggi per cui basta fornire un po' di energia (scaldando). La molecola è continuamente in movimento e può assumere diverse conformazioni nello spazio, di tutte queste possibili

di vista industriale, tra cui la polimerizzazione in massa, la polimerizzazione per sospensione, la polimerizzazione per emulsione e la polimerizzazione in soluzione. Ognuna di queste metodologie ha vantaggi e svantaggi e viene utilizzata a seconda delle caratteristiche desiderate del materiale polimerico finale. La polimerizzazione in massa è il metodo più semplice ed economico, ma può portare a prodotti con bassa qualità e con una distribuzione non uniforme delle catene polimeriche. La polimerizzazione per sospensione prevede la dispersione di monomeri in una fase liquida continua, generalmente acqua, con l'aggiunta di un agente tensioattivo. Questo metodo permette di ottenere polimeri con una migliore distribuzione delle catene polimeriche e una maggiore uniformità delle dimensioni delle particelle. La polimerizzazione per emulsione è simile alla polimerizzazione per sospensione, ma prevede l'utilizzo di un emulsionante per stabilizzare le particelle di monomero nella fase liquida continua. Questo metodo permette di ottenere polimeri con una maggiore stabilità e una migliore distribuzione delle dimensioni delle particelle. Infine, la polimerizzazione in soluzione prevede la dissoluzione del monomero in un solvente organico, seguita dalla polimerizzazione. Questo metodo permette di ottenere polimeri con una maggiore purezza e una migliore controllo delle dimensioni delle catene polimeriche. In conclusione, la scelta della metodologia di polimerizzazione dipende dalle caratteristiche desiderate del materiale polimerico finale e dalle esigenze del processo produttivo.Le catene che si formano possono essere lineari o ramificate. Da questa tipologia di polimerizzazione si ottengono i polimeri vinilici. - A stadi usata per i monomeri bifunzionali che possono reagire con altri monomeri. Da queste reazioni si originano gli esteri (si parla di condensazione), ma anche poliammidi, poliuretani e siliconi. Proprietà meccaniche dei polimeri: - Oltre che dalla geometria e dalle sollecitazioni dipendono anche dal tempo e dalla temperatura. Le temperature di transizione sono spesso appena al di sopra della temperatura ambiente. I polimeri sono spesso viscoelastici e la relazione sforzo/deformazione varia nel tempo. Questo avviene perché il movimento delle catene richiede un certo tempo che varia a seconda della presenza di entanglement, reticolazioni, presenza di strutture cristalline o a seconda dello stato vetroso/gommoso. Nelle deformazioni viscoelastiche ho in parte un effetto elastico di allungamento dei gomitoli e un effetto di scorrimento.viscoso. Fenomeni tipici dei materiali viscoelastici sono il creep (se mantengo lo sforzo costante la deformazione aumenta nel tempo) e il rilassamento (se mantengo costante la deformazione lo sforzo necessario diminuisce nel tempo). La rigidezza del materiale dipende dalla velocità d'applicazione del carico, se si applica una sollecitazione ciclica si ha il fenomeno dell'isteresi che porta a dissipazione d'energia meccanica sotto forma di calore. Tanto maggiore è l'area più alta è la quantità d'energia dissipata. Nei viscoelastici la deformazione può essere permanente. L'elasticità entalpica è tipica dei materiali ceramici e dei metalli, quella dei polimeri invece è detta elasticità entropica ed è dovuta al passaggio da una situazione di aggrovigliamento a una più ordinata (elasticità entropica grandi deformazioni). I materiali elastomerici permettono un ritorno alla forma.iniziale grazie ai legami trale molecole. Le macromolecole si allineano nella direzione di sforzo. Nei polimeri loscorrimento viscoso delle catene rende i materiali molto deformabili.A parità di polimero posso avere svariate curvesforzo-deformazione al variare della velocità dideformazione. Qualsiasi essa sia definisco unaparte elastica, un punto di snervamento, unazona lineare e un punto di frattura.I tempi di recupero variano a seconda delmaterialeLe zone cristalline rendono un polimero rigido, le zone amorfe se gommoserendono un materiale tenace e flessibile se vetrose rendono un materiale rigido efragile. Dunque, un’elevata cristallizzazione fornisce resistenza al creep, diminuisceil coefficiente d’attrito e aumenta la resistenza all’usura. La cristallinità può esserepromossa dalla sollecitazione meccanica stessa, se applico una trazione le fibre sistirano e si orientano secondo la direzione d’applicazione del carico.Un materiale

amorfo-cristallino avrà un salto molto alto, un materiale semi-cristallino ha una variazione di rigidità minima. Nei materiali reticolati il passaggio vetro-gomma c'è ma non può fondere perché le molecole sono vincolate da una reticolazione. In un polimero ci sono tante strutture copresenti e l'effetto della temperatura è complesso. Anche il peso molecolare influisce sulle proprietà meccaniche, all'aumentare di questo infatti aumenta la temperatura di fusione, la resistenza al creep, a fatica e all'impatto. Questo perché le catene sono più lunghe, più aggrovigliate e quindi serve più energia. Gli additivi vanno anch'essi ad influenzare le proprietà meccaniche dei materiali polimerici, ad esempio aggiungendo a un polimero un additivo plastificante si ottiene un materiale plastico. Altri tipi di additivi sono quelli che invece portano alla formazione di polimeri non plastificati (rigidi) o semi-rigidi.

anche gli agenti alterano le proprietà e in particolare possono essere aggiunti agenti additivi radiopacizzanti, lubrificanti, stabilizzanti ad alte temperature e antimicrobici. Idrogeli: Sono dei polimeri che rigonfiano se posti in acqua, si tratta di molecole idrofile in cui l'acqua entra legandosi alle catene polimeriche che non si sciolgono poiché sono tra loro collegate. Infatti, definiamo un idrogelo come una molecola idrofilica e reticolata. Le catene possono essere tenute insieme da legami covalenti oppure da zone idrofobiche che si aggregano tra loro internamente. Per avere un idrogelo che rigonfia ma non si scioglie devo bilanciare la solubilità e l'insolubilità. La reticolazione può essere più o meno fitta ed è importante la distanza tra i nodi di reticolazione. Mc è la distanza tra due nodi di reticolazione e posso così calcolare il peso delle catene tra quei due nodi. I metodi per produrre gli idrogeli sono molti, si

Può lavorare sulla struttura chimica. Posso intrecciare una seconda rete su quella già esistente, questo doppio reticolo rende la struttura più resistente a compressione. Quando il gel viene a contatto con l'acqua il reticolo si espande, questo rigonfiamento è controbilanciato da una forza di ritrazione della struttura reticolata. Il grado di rigonfiamento può essere riportato come (Wd/Ws)*100. Questo va a determinare la diffusione dei soluti attraverso il gel, le proprietà di superficie e la mobilità superficiale, le proprietà ottiche e le proprietà meccaniche. Gli idrogeli sono impiegati principalmente nelle lenti a contatto, nella pelle artificiale ecc. Tutti i nostri tessuti molli hanno caratteristiche simili a quelle degli idrogeli e proprio per questo in alcuni casi possono essere sostituiti dagli idrogeli per favorirne la rigenerazione. Inoltre, favorendo l'emocompatibilità evitano

laformazione di coaguli e il deposito di proteine. Un altro utilizzo è quello riguardante le terapie farmacologiche dove gli idrogeli sono usati per mascherare le sostanze immunogeniche, per rilasciare in modo controllato nel tempo i farmaci, per rilasciare in un sito specifico i farmaci e per fornire protezione dalle sostanze labili. Vengono infine usati nella medicina riparativa per le lenti a contatto, per i bendaggi per la cura di ustioni e ferite e per creare membrane per i biosensori. Polimeri vinilici - Polietilene: è un polimero termoplastico non reticolato che si ottiene da polimerizzazione radicalica. Si tratta di un polimero semicristallino che fonde a 130°C. Esso ha numerose configurazioni con diverso peso molecolare e anche conformazioni diverse. Il più famoso è quello lineare ma esiste anche quello ramificato che ha proprietà differenti poiché