Capitolo Tre
3.1 Idrogel a base di ILs morfologicamente sensibile
al pH
Gli idrogel sono polimeri reticolati, tridimensionali, idrofili e capaci di incorporare, rigonfiandosi, grandi quantità di acqua o di fluidi biologici. I reticoli, all’interno di questo tipo di idrogel, sono composti da omopolimeri, insolubili in acqua a causa dei legami presenti tra essi.
Secondo un parere abbastanza diffuso, gli idrogel assomigliano ai tessuti viventi naturali più di ogni altra classe di biomateriali sintetici. Il loro contenuto acquoso, la consistenza soffice, molto simile al tessuto naturale, ha attratto l’interesse del mondo tecnologico farmaceutico, che li applica in particolare nella realizzazione di materiali biocompatibili, come ad esempio, in ambito ottico, le lenti a contatto.
Questi possono essere neutri o ionici in base alla natura dei loro gruppi funzionali presenti nei gelificanti e possono essere distinti inoltre in:
● amorfi
● semi-cristallini
● con strutture a legami ad idrogeno ● con strutture supramolecolari ● aggregati idrocollidali
I fattori che influenzano questi tipi di morfologie sono:
Temperatura
Radiazioni elettromagnetiche
pH
Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Tsinghua University di Pechino ha sviluppato un sistema di idrogel a base di idrossipiridina e acido trimesico (acido1,3,5-benzenetricarbossilico).28
Nell’articolo si fa cenno in particolare a inediti idrogel sovramolecolari con temperatura di transizione sol-gel (Tgel) di 95,8° C, ottenuti utilizzando agenti gelificanti formati da acido trimesico e 4-idrossipiridina o 3-idrossipiridina. Questo tipo di composti, avendo un sale interno di natura prettamente organica, rientra nella classe dei liquidi ionici.
La struttura cristallina del complesso formato dall’acido trimesico e la para idrossipiridina indica che le molecole si assemblano sia in sovrastruttura mediante legami a idrogeno, sia grazie all’ interazione π -π (stacking π -π) dei due gruppi
aromatici.
Questa serie di gelificanti si basano su gruppi carbossilici e piridinici complementari, come ad esempio 4-idrossipiridina e acido piromellitico (Acido 1,2,4,5-Benzenetetracarbossillico secondo la nomenclatura IUPAC).
La maggior parte dei gel ha dimostrato una bassa stabilità, con temperature di transizione sol-gel (Tgel) inferiori a 90° C, rivelando così un importante problema per il loro uso pratico a livello industriale.
Gelificanti contenenti policarbossilbenzene e vari isomeri dell’idrossipiridina hanno, invece, buone performance di gelificazione in grado di formare idrogel altamente stabili.
Figura 1. Grafico delle temperature di Transizione Sol/Gel a varie concentrazioni di gelificante
Il gelificante definito nel grafico come G1 è stato preparato con acido trimesico e 4-idrossipiridina in rapporto molare di 1:3. Secondo il grafico, la creazione dell’idrogel riporta una transizione sol-gel a temperature direttamente proporzionali all’aumentare della concentrazione di gelificante.
Figura 2. Spettroscopia elettronica del G1
Inoltre, attraverso degli studi di spettroscopia elettronica, è stato rilevato che sulla superficie della fibra vi sono atomi di ossigeno ma nessun atomo di azoto (Figura 2), il che conferma la caratteristica anfifilica della molecola. Con questo tipo
di fibre intrecciate in modo da assomigliare a delle reti, le molecole di acqua possono essere intrappolate efficacemente.
L’attuale progetto di tesi si è concentrato sullo studio ed analisi di questo particolare tipo di gelificante, indagando come potesse variare la morfologia macroscopica di questi colloidi, modificando il pH in cui si trova la soluzione da gelificare, e analizzando il tipo di rigonfiamento che questi idrogel assumono a seconda dello stato di protonazione dei gruppi funzionali, definito in un intervallo da 4 a 10.
Figura 3. Gelificanti utilizzati: p-idrossipiridinio trimesicato e p-idrossipiridinio piromelliticato
A questo scopo sono stati sintetizzati due tipi di gelificanti (Figura 3):
p-idrossipiridinio trimesicato - un liquido ionico cristallino in cui il rapporto molare tra il catione e l’anione è di 3/1.
p-idrossipiridinio piromelliticato - un liquido ionico cristallino in cui il rapporto molare tra il catione e l’anione è di 4/1.
Questi liquidi ionici opportunamente sintetizzati sono stati utilizzati per la preparazione di idrogel in soluzioni acquose. Per stabilire quale fosse la concentrazione di gelificazione più adatta sono stati effettuati alcuni tentativi, utilizzando sempre bassi rapporti percentuali in p/p tra gelificante e soluzione. Al termine delle prove è stato ritenuto valido un rapporto del 3% p/p tra gelificante e acqua.
In particolare, si è notata una grande difficoltà nello sciogliere il gelificante in acqua deionizzata, che, per solubilizzare completamente, ha avuto bisogno di circa due ore sotto reflusso ad una temperatura di 100°.
Quando i residui del gelificante sono scomparsi, si è proceduto ad abbassare costantemente la temperatura del composto, per evitare shock termici che avrebbero letteralmente frantumato il gel. Per evitare questo inconveniente, si è scelto di utilizzare un bagno di sabbia per la sua capacità di abbattere la temperatura in maniera uniforme.
Una volta affinata la procedura sono stati analizzati i colloidi risultanti. I due gel preparati apparivano di colore biancastro, di aspetto compatto ed uniforme, e di consistenza morbida e gelatinosa.
A questo punto, l’acqua deionizzata è stata sostituita con delle soluzioni tampone a vari pH e si è preferito utilizzare, tra i due, il gelificante contenente acido piromellitico, perché aveva, rispetto a quello contenente l’acido trimesico, un’ulteriore pKa. Al fine di evitare eventuali influenze esterne si è deciso di porre i dieci tamponi inclusi tra il pH 4 e il pH 10 in palloni della stessa dimensione, immersi nel medesimo bagno di sabbia, e di portarli alla stessa temperatura, facendo quindi una prova in parallelo di tutti i campioni.
Sono state realizzate quindi dieci soluzioni al 3 % p/p tra gelificante e tampone e sono state poste in un bagno di sabbia portata a 110° sotto agitazione magnetica. Ogni pallone è stato collegato a un riflusso per evitare che i campioni perdessero l’acqua e quindi si alterasse la loro concentrazione. Una volta solubilizzato del tutto il gelificante, a piastra spenta, si è lasciato che la temperatura si abbattesse lentamente, fino a raggiungimento della temperatura ambiente.
Figura 4. Visione d'insieme dei risultati
Il risultato della solubilizzazione del gelificante con la soluzione tampone a pH 4 è struttura non più liquida e uniforme che si presentava frammentata in cristalli dalla consistenza morbida. Col passare del tempo non sono state osservate modificazioni significative.
Figura 6(a). Dissoluzione completa del solvente Figura 6 (b). Idrocolloide ad aspetto fioccoso
Utilizzando un tampone a pH 5, il gelificante si è completamente solubilizzato, senza la formazione di alcun gel. Dopo 24 h però, il prodotto presentava dei fiocchi filamentosi assomiglianti alle fibre di cotone idrofilo.
Utilizzando il tampone a pH 5.5 si poteva notare una completa dissoluzione del gelificante, senza alcuna formazione di gel. Col passare del tempo si è ottenuto un piccolo precipitato.
Figura 7. Completa dissoluzione del gelificante con tampone a 5.5
Il risultato dell’utilizzo di un tampone a pH 6 è stato una soluzione limpida senza caratteristiche rilevanti.
Il prodotto ottenuto utilizzando come solvente una soluzione con tampone a pH 7 aveva l’aspetto di un idrogel, la consistenza morbida e uniforme del tutto simile a quella ottenuta in acqua deionizzata. Tale colloide è risultato stabile anche a distanza di molto tempo.
Figura 9. Idrogel creato con tampone a pH 7
Figura 10(a). Idrogel con tampone pH 8 Figura 10(b). Idrogel con tampone a pH 9
Utilizzando il tampone a pH 8 si è formato un idrogel con aspetto uniforme, caratteristica che viene a mancare nell’utilizzo del tampone a pH 9. Il rigonfiamento notato utilizzando un tampone a pH 9 aveva un aspetto con delle piccole fratture.
Figura 11. Idrogel ottenuto a pH 10 con particolare delle fratture
Ciò che si ottiene con un tampone a pH 10 è un gel avente un aspetto irregolare con delle fratture che lo rendono poco uniforme.
Al fine di capire l’influenza che aveva la formazione di questi colloidi sulla conducibilità, sarebbe stato utile il confronto tra i dati ottenuti incrociando il valore della conducibilità dell’idrogel con il valore della conducibilità delle soluzioni tampone utilizzate per la formazione degli stessi. Questo tipo di analisi avrebbe permesso di stabilire con certezza l’influenza del rigonfiamento degli idrogel sull’eventuale cambiamento di valore di conducibilità della soluzione tampone senza gelificante. Tuttavia, non è stato possibile procedere con queste misurazioni, perché una volta inserito l’elettrodo si è notato che gli idrogel, perdendo la loro struttura, fornivano valori fuori scala, compromettendone il risultato.
Per rendere questo tipo di misurazione fattibile, sarebbe necessaria la formazione dell’idrogel sull’elettrodo.
3.2 Tentativo di deposizione su basette senza l’ausilio
di matrici polimeriche
Per alcuni dei sali poliprotici sintetizzati in questa tesi, abbiamo verificato la possibilità di monitorare il cambiamento di conducibilità al variare del pH.
A tale scopo, è stata effettuata una deposizione di questi composti sulla superficie conducente di alcune “basette”, in pratica dei circuiti prestampati in nickel, ricoperti da un sottile strato d’oro, depositati su una matrice di poliestere, creata per rendere possibile il contatto con vari composti.
Figura 13. Basetta utilizzata nella deposizone
Quando le basette vengono connesse ad un trasduttore, sono in grado di rilevare la conduttività del materiale con cui vengono a contatto.
Per rendere la deposizione semplice e riproducibile abbiamo scelto un solvente, il metanolo, facilmente removibile in cui il sale organico fosse solubile.
I sali organici scelti per le prove iniziali sono stati:
il piromellitato di 4-idrossi piridinio
il 1,1'-dimetil-6,6'-esametilenediimidazolio trimesicato
I due sali sono stati scelti perché molto solubili in metanolo ma poco in acqua, una condizione che ci avrebbe verosimilmente assicurato una buona stabilità nelle soluzioni tampone (acquose) con cui le basette sarebbero state poste a contatto. Le soluzioni metanoliche sono state depositate in fasi successive, intervallate da fasi di essiccamento a temperatura ambiente. Ciascuna basetta a fine deposizione, allontanato il metanolo per essiccamento sotto vuoto, è stata pesata per controllare la quantità di sale depositato.
Sulla superficie della “basetta” ricoperta dal sale sono state depositate alcune gocce di soluzione tampone, a pH compreso tra 5 e 7, per misurare la sua conducibilità. Ogni volta lavando la basetta dal tampone precedente.
Sfortunatamente, dopo poche misurazioni il conducimetro indicava una lettura fuori scala, coincidente con la scomparsa dalla superficie della “basetta” dello strato di sale organico, un fenomeno rilevabile ad occhio nudo. La stabilità dello strato di sale organico nelle condizioni di misura, così come effettuate, non è in grado di dare un sistema stabile e riproducibile.
I problemi di dissoluzione di questi composti in acqua potrebbero essere risolti attraverso l’utilizzo di membrane selettive che costringano i liquidi ionici a rimanere a contatto con la basetta, pur mantenendo inalterata la risposta al pH.
A tale scopo potrebbero essere utilizzate anche membrane ioniche29-31, che si possono preparare facilmente a partire da liquidi ionici polimerizzabili.
N N X N N X N N O X O n
Figura 14. Monomeri di tipo ionico utilizzabili per la formazione di membrane
In alternativa, i sali poliprotici organici sintetizzati potrebbero essere dispersi in matrici polimeriche in grado di dare iongel32-34. Questo tipo di materiale potrebbe essere non solo sensibile al pH ma anche mostrare variazioni di conducibilità in funzione della concentrazione idrogenionica.
Infine, un'altra possibile strategia potrebbe essere quella di sintetizzare dei ILs polimerizzabili che presentino funzionalizzazioni sensibili al pH; a tale scopo potrebbero essere utilizzati dei derivati della DABCO o di N-ossido opportunamente sostituiti. Nel caso degli N-ossidi la formazione dell’N-ossido dovrebbe essere effettuata dopo polimerizzazione.
Figura 16. Sintesi di monomeri appartenenti al gruppo degli N- ossidi
3.3 Analisi dei composti solidi
Al fine di caratterizzare i sali organici sintetizzati, sono stati determinati i punti di fusione. Questo tipo di analisi risulta fondamentale per molti campi applicativi.
La termoresistenza di questi composti è molto importante per quanto riguarda la possibilità degli stessi di essere sterilizzati in autoclave, in quanto questa tecnica è la più economica e comune.
Inoltre, la temperatura in cui questi diventano liquidi è fondamentale nel caso in cui questi debbano essere intrappolati in matrice di tipo polimerico.
I composti sintetizzati, contenenti una funzione amminica prevalentemente basica, come i DABCO monoquaternarizzati, hanno punti di fusione di 68° e 89°.
Le temperature di fusione di questi composti sono molto varie. Rientrano, infatti, in un intervallo molto ampio:
Per quanto riguarda i composti con nucleo policarbossilbenzene, essi presentano una situazione maggiormente varia: i sali ottenuti con dicationi hanno punti di fusione molto elevati, tra 210° -273° probabilmente a causa della loro struttura contenente dei network sovramolecolari reticolati tenuti insieme da interazioni elettrostatiche.
I sali ottenuti con i sali cationici di tipo imidazolio, con catene più o meno lunghe, rientrano in intervalli di temperature minori rispetto ai dicationici, andando ad aumentare in base alla lunghezza della catena laterale attaccata all’imidazolio (84°-185°). Di questa classe sono stati anche sintetizzati composti con funzionalizzazioni acide “libere”: in questo caso si è notato come il punto di fusione aumenti in rapporto a queste ultime.
I composti ottenuti con reazioni utilizzando basi quali la DBU e la tetrametilguanidina risultano avere dei punti di fusione abbastanza bassi contenuti in un intervallo tra 68° e 87°. Il caso del piromellitato di tetrametilguanidinio è abbastanza particolare, infatti questo composto ha una struttura vetrosa a 0° che fonde a temperatura ambiente. Anche in questo tipo di composti è facile notare un comportamento analogo nel caso in cui si lascino le funzionalità acide libere.
1,1'-dimetil-6,6'-esametilenediimidazolio trimesicato 210 1,1'-dimetil-6,6'-esametilenediimidazolio piromellitato 241 l 1,1'-dimetil-3,3'-esametilenediimidazolio trimesicato 227 1,1'-dimetil-3,3'-trimetilenediimidazolio piromellitato 212 1,1'-dimetil-6,6'-esametilenedipirrolio trimesicato 247 1,1'-dimetil-6,6'- esametilenedipirrolio piromellitato 273 [1-metil-3-etileneimidazolio] 3 trimesicato 84 [1-metil,3-etileneimidazolio] 2 trimesicato 122 1-metil,3-etileneimidazolio trimesicato 179 [1-metil,3-etileneimidazolio]4 piromellitato 87 [1-metil-3-butilenimidazolio] 3 trimesicato 142 [1-metil,3-butilenimidazolio] 2 trimesicato 174 1-metil,3-butileneimidazolio trimesicato 210 [1-metil,3-ottilimidazolio]3 trimesicato 185 [1-metil,3-ottilimidazolio]4 piromellitato 169 [1,5-diazabiiclo[5.4.0]undec-5-ene]3 trimesicato 68 [1,5-diazabiiclo[5.4.0]undec-5-ene]2 trimesicato 89 1,5-diazabiiclo[5.4.0]undec-5-ene trimesicato 104 [1,5-diazabiiclo[5.4.0]undec-5-ene]4 piromellitato 92 [1,1,3,3- tetrametilguanidinio]3 trimesicato 87 [1,1,3,3- tetrametilguanidinio] 2 trimesicato 111 1,1,3,3- tetrametilguanidinio trimesicato 136
[1,1,3,3- tetrametilguanidinio] 4 piromellitato Liquido a rt
[colinio] 3 trimesicato 249 [colinio] 4 piromellitato 276 [p-idrossipiridinio] 3 trimesicato 250 [p-idrossipiridinio] 4 Piromellitato 261 1-eptil-1,4-diazabiciclo[2.2.2]octan-1-io 84 1-decil-1,4-diazabiciclo[2.2.2]octan-1-io 67
