CAPITOLO 3 – RISULTATI E DISCUSSIONE
3.1 Caratterizzazione di PCL-POE-PCL
3.1.1 Spettroscopia di assorbimento infrarosso
Di seguito sono riportati gli spettri IR del copolimero PCL-POE-PCL prima e dopo purificazione; i campioni utilizzati per la realizzazione degli spettri sono stati ricavati da film ottenuti per casting, ovvero per evaporazione controllata del solvente da soluzioni al 10% del copolimero in cloroformio.
Figura 3.1.1.1: PCL-POE-PCL non purificato
4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 650.0 59.2 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 99.8 cm-1 %T 2944.61 2866.08 1470.83 1418.98 1397.14 1366.02 1294.05 1240.14 1175.51 1105.69 1045.56 961.33 841.94 731.86
Figura 3.1.1.2: PCL-POE-PCL purificato in acetone/etere dietilico
Figura 3.1.1.3: PCL-POE-PCL purificato in DMSO
4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 650.0 30.0 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100.3 cm-1 %T 2944.1 2866.0 1721.5 1470.7 1419.2 1397.1 1366.2 1294.1 1240.9 1187.3 1106.0 1064.8 1045.8 961.2 934.0 841.7 731.8 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 650.0 50.8 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100.1 cm-1 %T 2865.47 1722.53 1467.36 1419.34 1397.15 1360.85 1342.73 1294.24 1280.12 1240.36 1188.92 1149.18 1061.14 1045.60 961.50 841.92 731.94
Dagli spettri è possibile individuare le bande caratteristiche del copolimero: • 2844, 2866 cm-1: stretching dei gruppi metilenici;
• 1470 cm-1: scissoring dei gruppi metilenici; • 731 cm-1: rocking dei gruppi metilenici; • 1721 cm-1: stretching del gruppo carbonilico;
• 1106 cm-1: stretching asimmetrico del gruppo C-O-C;
Le bande identificative del copolimero sono presenti in tutti gli spettri, segno della corretta riuscita dei processi di sintesi e purificazione del materiale;il confronto tra lo spettro del materiale purificato e quelli ottenuti dopo le procedure di purificazione non mostra differenze significative, il materiale sintetizzato presenta quindi un buon grado di purezza.
Nella Figura 3.1.3 inoltre è possibile evidenziare la presenza di umidità residua nel materiale, come dimostra la banda slargata relativa allo stretching dell’OH al di sopra di 3000 cm-1.
3.1.2 Cromatografia di permeazione su gel
Questa tecnica cromatografica è stata utilizzata per determinare alcuni parametri relativi al polimero, quali il suo peso molecolare medio ponderale e numerale e il suo indice di polidispersione.
Figura 3.1.2.1: Cromatogramma relativo ad una soluzione in cloroformio (0,1%) di PCL-POE-PCL non purificato
Materiale Tr (min) Mw (Da) Mn (Da) IP
PCL-POE-PCL
non puro
Figura 3.1.2.2: Cromatogramma relativo ad una soluzione in cloroformio (0,1%) di PCL-POE-PCL purificato in acetone/etere dietilico
Dai risultati ottenuti si evidenziano tempi di ritenzione, e quindi pesi molecolari, molto simili tra loro; la copolimerizzazione ha dato come prodotto un materiale ad elevato peso molecolare con un ottimo indice di polidispersione: il copolimero è monodisperso, dunque è costituito da catene che presentano la medesima lunghezza.
Materiale Tr (min) Mw (Da) Mn (Da) IP
PCL-POE-PCL
puro
3.1.3 Calorimetria a scansione differenziale
L’analisi al DSC ha permesso di indagare il comportamento del polimero quando questo viene sottoposto ad un graduale incremento di temperatura, e quindi di determinarne le transizioni termiche caratteristiche.
Figura 3.1.3.1: Termogramma di PCL-POE-PCL non purificato
Il termogramma riportato in figura è stato ottenuto sottoponendo il polimero, in forma di film per casting, ad un progressivo riscaldamento (v = 10°C/min), in un intervallo di temperature compreso tra -30°C e 150°C; esso evidenzia la presenza di un importante evento endotermico con un massimo a 62°C relativo alla fusione delle zone cristalline del copolimero, ciò a conferma dei dati riportati in letteratura, che collocano il passaggio di stato della fusione per il copolimero PCL-POE-PCL intorno ai 60°C. Nel termogramma non è possibile evidenziare la presenza di un flesso, ovvero di un innalzamento “a scalino” della linea di base attribuibile al raggiungimento della temperatura di transizione vetroso-gommoso (Tg), in corrispondenza della quale le catene polimeriche immobilizzate in una struttura rigida ma fragile acquistano una maggiore mobilità, conferendo al materiale una consistenza gommosa. Ciò potrebbero essere dovuto al fatto che la temperatura di
transizione vetrosa del materiale si trova ad un valore al di sotto dell’intervallo di temperature esaminato.
Dal termogramma è inoltre evidente la buona stabilità termica del copolimero che risulta capace di resistere alle alte temperature senza andare incontro a fenomeni degradativi.
3.1.4 Analisi dinamico-meccanica
In figura 3.1.4.1 è riportato il grafico relativo ad una prova di trazione in multifrequenza effettuata con il DMA 8000 su un film a base di PCL-POE-PCL ottenuto per casting; all’interno della fornace le due estremità del provino di forma rettangolare sono state afferrate dai due morsetti, superiore e inferiore, ed il campione è stato sottoposto ad una deformazione costante (0,05 mm), variando le frequenze di oscillazione applicate ad ogni istante (1, 3 e 5 Hz). Sull’asse delle ordinate sono riportati i valori del modulo di Young (MPa) mentre sull’asse delle ascisse sono riportati i tempi dell’analisi: ad ogni istante corrispondono tre punti relativi ai valori del modulo registrati alle tre frequenze prescelte.
Le dimensioni del campione utilizzato in questo esperimento sono:
• Lunghezza: 30 mm • Larghezza: 5 mm • Spessore: 0,06 mm
Al termine della prova sono state ricavate le medie dei valori del modulo relativi a ciascuna frequenza:
Frequenza (Hz) Modulo di Young (MPa)
1 2,47
3 2,50
Dynamic Properties vs Time 2,400E+08 2,450E+08 2,500E+08 2,550E+08 2,600E+08 2,650E+08 2,700E+08 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Figura 3.1.4.1: Grafico relativo alla prova di trazione in multifrequenza effettuata su un film di PCL-POE-PCL ottenuto per casting
Dall’analisi è possibile osservare che i valori di modulo ottenuti alle varie frequenze non mostrano differenze significative, dunque la frequenza di oscillazione non influisce sull’elasticità del materiale.
3.2 Caratterizzazione delle membrane
3.2.1 Preparazione di membrane a base di PCL-POE-PCL
L’ottimizzazione del processo di preparazione di membrane porose a base di PCL-POE-PCL per inversione di fase ha richiesto numerose prove nelle quali sono stati variati i seguenti parametri:
Concentrazione della soluzione di copolimero; Scelta del solvente più appropriato;
Individuazione di componenti naturali da miscelare con il copolimero sintetico al fine di migliorare le caratteristiche di biocompatibilità e biodegradabilità;
Nella seguente tabella sono riportati i parametri utilizzati per le prove che hanno, alla fine, permesso di individuare il protocollo più idoneo per la preparazione di membrane porose a base di PCL-POE-PCL:
N° prova Solvente Concentrazione
(W/V)
1° bagno di coagulo 2° bagno di coagulo
1 CHCl3 10% (CH3)2CO H2O 2 CHCl3 20% (CH3)2CO H2O 3 CHCl3 30% (CH3)2CO H2O 4 CHCl3 40% (CH3)2CO H2O 5 CHCl3 28% H2O H2O 6 CHCl3 30% CH3(CH2)2OH H2O 7 C5H5O 15% H2O H2O 8 C5H5O 25% H2O H2O 9 C5H5O 25% CH3(CH2)2OH H2O 10 C5H5O 25% H2O/ C5H5O (50:50) H2O 11 C5H5O 25% H2O/ CH3(CH2)2OH (50:50) H2O 12 (CH3)2SO 15% H2O H2O 13 (CH3)2SO 25% H2O H2O 14 (CH3)2SO 25% CH3CH2 CH2OH H2O 15 (CH3)2SO 25% H2O/(CH3)2SO (50:50) H2O 16 (CH3)2SO 25% H2O/ CH3(CH2)2OH (50:50) H2O
RISULTATI OTTENUTI
Prove 1-4:
Le soluzioni a concentrazione crescente del polimero in cloroformio sono state stratificate su vetrino, lasciate sotto cappa per 15 minuti per consentire una parziale evaporazione del solvente ed immerse nel primo bagno di coagulo per 1 ora, per poi essere trasferite nel secondo bagno per una notte.
Nelle prove 1 e 2 si è assistito allo sbiancamento delle soluzioni stratificate sui vetrini (segno dell’avvenuta inversione di fase) con contemporanea frammentazione delle membrane appena formatesi.
Da ciò si è dedotto che le concentrazioni utilizzate non erano sufficientemente elevate per garantire la formazione di una struttura compatta, dunque si è proceduto con le prove 3 e 4, ottenendo delle membrane che si sono dimostrate fragili e di aspetto non uniforme.
Prove 5-6:
Nella prova 5 la soluzione su vetrino è stata immersa direttamente in acqua, per valutare l’effetto di un controsolvente estremamente “forte” sul processo di inversione del polimero; tuttavia in questo caso non è stato riscontrato alcun risultato, in quanto non è avvenuto il caratteristico cambiamento di colore della soluzione e la membrana non si è formata.
Nella prova 6 è stato testato un nuovo controsolvente, il propanolo, caratterizzato da un minor potere invertente: in questo caso la membrane si è formata ma ancora una volta non ha raggiunto l’aspetto e la consistenza volute.
Prove 7-11:
Volendo valutare l’effetto di un nuovo solvente sul processo di inversione del polimero, è stata verificata la sua solubilità in tetraidrofurano (THF, solvente con una migliore miscibilità con acqua e con altri solventi polari): il materiale è stato sciolto nel solvente sotto agitazione meccanica alla temperatura di 60 °C, e la completa solubilizzazione è avvenuta in breve tempo. Sono quindi state preparate due
soluzioni del polimero nel nuovo solvente, le cui concentrazioni, 15% e 25% , sono state scelte in base ai risultati delle prove precedenti; per quanto riguarda la scelta del non solvente, sono stati preparati diversi bagni di coagulo, con diverso potere di inversione: acqua > acqua/THF > acqua/propanolo > propanolo.
I risultati ottenuti possono essere così schematizzati:
• Prova 7: formazione di una membrana bianca con piccole venature superficiali e piuttosto fragile;
• Prove 8 e 9: formazione di membrane caratterizzate da una maggiore compattezza e stabilità;
• Prove 10 e 11: si ottengono buoni risultati; le membrane ottenute appaiono bianche, compatte e si staccano spontaneamente dal vetrino dopo pochi minuti dall’immersione nel bagno di coagulo;
Prove 12-16:
Come in precedenza, si è provveduto alla verifica della solubilità del materiale in un nuovo solvente, il dimetilsolfossido (DMSO): la solubilizzazione avviene con estrema rapidità, in condizioni di agitazione meccanica e di riscaldamento della soluzione (70 °C). Sono state preparate soluzioni con concentrazioni analoghe alle precedenti e sono stati scelti i seguenti non solventi: acqua > acqua/DMSO > acqua/propanolo > propanolo.
• Prova 12: formazione di una membrana molto fragile, che si frammenta dopo pochi minuti;
• Prove 13 e 16 : si ottengono risultati ottimali; le membrane appaiono compatte, resistenti ed hanno una superficie liscia ed omogenea;
• Prove 14 e 15: ancora una volta si ottengono buoni risultati, analoghi alle prove 10 e 11;
A fronte dei risultati ottenuti sono state selezionate le seguenti membrane sulle quali effettuare l’analisi morfologica:
Le membrane selezionate sono state essiccate tramite un processo di liofilizzazione che può essere schematizzato nel modo seguente:
1. Fase di congelamento: le membrane sono state congelate impostando sullo strumento una temperatura iniziale di -30 °C;
2. Fase di essiccamento : impostazione di un ∆T = 25C° e accensione della pompa a vuoto.
Il processo di liofilizzazione ha avuto una durata di 12 ore.
3.2.2 Preparazione di membrane a base di PCL-POE-PCL/gelatina
Al fine di aumentare la biocompatibilità e la biodegradabilità delle membrane ottenute tramite la tecnica dell’inversione di fase, si è pensato di miscelare il copolimero sintetico con un componente di origine naturale, la gelatina.Lo scopo delle prove effettuate e di seguito elencate è quello di preparare membrane in cui il rapporto in peso tra componente sintetico e naturale sia 1:1.
Gelatina : Copolimero = 1:1
N° prova Solvente Concentrazione (P/V)
1° bagno di coagulo 2° bagno di coagulo 8 C5H5O 25% H2O H2O 11 C5H5O 25% H2O/ CH3(CH2)2OH (50:50) H2O 13 (CH3)2SO 25% H2O H2O 15 (CH3)2SO 25% H2O/(CH3)2SO (50:50) H2O 16 (CH3)2SO 25% H2O/ CH3(CH2)2OH (50:50) H2O
Metodo 1
Ad una soluzione di PCL-POE-PCL al 25% in DMSO si aggiunge una egual quantità in peso di gelatina (sotto agitazione meccanica, alla temperatura di circa 70 °C), in modo da ottenere un rapporto 1:1 tra i due componenti; si forma un gel denso e compatto, la cui consistenza non cambia in seguito all’aggiunta di altri 2 ml di solvente; con difficoltà la soluzione gelificata viene stratificata su due vetrini, che vengono poi immersi l’uno in un bagno di acqua, l’altro in propanolo.
L’inversione di fase avviene molto lentamente e le membrane formatesi hanno una superficie disomogenea, caratterizzata dalla presenza di grumi di gelatina non solubilizzata.
Metodo 2
Gli scarsi risultati ottenuti con il metodo 1 hanno portato al tentativo di preparare la miscela polimero-gelatina miscelando due soluzioni dei due singoli componenti nel solvente prescelto, il DMSO.
A 2 ml della soluzione del materiale al 25% in DMSO viene aggiunto un volume di soluzione di gelatina al 5% tale per cui il rapporto tra i due componenti sia 1:1 (10 ml); si ottiene una soluzione omogenea e poco viscosa, segno dell’avvenuta diluizione della soluzione del copolimero nel solvente; questa infatti è passata dal 25% iniziale ad un 4,16% finale. Questa concentrazione darebbe luogo ad una struttura poco compatta e resistente: si procede quindi con l’aggiunta diretta di polimero solido alla miscela, fino a portare la sua concentrazione al 12,5%.
Dunque il rapporto tra i due componenti è stato modificato:
Gelatina : Copolimero = 1 : 3
Una volta ottenuta una miscela omogenea dei due componenti, vengono preparati due vetrini su ciascuno dei quali viene stratificato 1 ml di soluzione. Quindi si procede con la tecnica dell’inversione di fase:
• Vetrino1:
PROPANOLO (1ora)
ACQUA
( 3 lavaggi di 5 minuti per evitare la solubilizzazione della gelatina)
• Vetrino 2: ACQUA (1 ora)
Le membrane ottenute sono state liofilizzate e selezionate per le caratterizzazioni chimico-fisiche.
3.2.3 Microscopia a scansione elettronica (SEM)
Di seguito sono riportati i risultati della caratterizzazione morfologica delle membrane ottenute per inversione di fase.
Figura 3.2.3.2: PCL-POE-PCL 25% DMSO, INVERSIONE IN ACQUA (x500, sezione)
Figura 3.2.3.3: PCL-POE-PCL 25% DMSO, INVERSIONE IN ACQUA/DMSO 50:50 (x500, superficie)
Figura 3.2.3.4: PCL-POE-PCL 25% DMSO, INVERSIONE IN ACQUA/DMSO 50:50 (x500, sezione)
Figura 3.2.3.5: PCL-POE-PCL 25% DMSO, INVERSIONE IN ACQUA/PROPANOLO 50:50 (x500, superficie)
Figura 3.2.3.6: PCL-POE-PCL 25% DMSO, INVERSIONE IN ACQUA/PROPANOLO 50:50 (x500, sezione)
Figura 3.2.3.8: PCL-POE-PCL 25% THF, INVERSIONE IN ACQUA (x500, sezione)
Figura 3.2.3.9: PCL-POE-PCL 25% THF, INVERSIONE IN ACQUA/PROPANOLO 50:50 (x100, superficie)
Figura 3.2.3.10: PCL-POE-PCL 25% THF, INVERSIONE IN ACQUA/PROPANOLO 50:50 (x100, sezione)
Figura 3.2.3.12: PCL-POE-PCL + GELATINA, INVERSIONE IN ACQUA (x100, sezione)
Figura 3.2.3.14: PCL-POE-PCL + GELATINA, INVERSIONE IN PROPANOLO (x500, superficie)
Figura 3.2.3.16: PCL-POE-PCL + GELATINA, INVERSIONE IN PROPANOLO (x300, sezione)
Osservando le immagini è possibile valutare qualitativamente la porosità delle membrane ottenute per inversione di fase;
• Figure 3.2.3.1 e 3.2.3.2: la superficie della membrana ottenuta a partire dalla soluzione del polimero in DMSO è caratterizzata dalla presenza di “isole” uniformemente distribuite e collegate tra loro da numerosi filamenti sottili; dalla sezione possiamo vedere che le pareti dei pori sono tappezzate da microparticelle similglobulari di copolimero, visibili anche in superficie, che derivano probabilmente da fenomeni di segregazione.
• Figure 3.2.3.3 e 3.2.3.4: in questo caso la superficie appare più compatta ed è caratterizzata da un minor numero di isole, che risultano quindi meno evidenti; la sezione mostra ancora una volta le strutture globulari aderenti alla parete.
• Figure 3.2.3.5 e 3.2.3.6: la superficie è simile a quella vista in figura 3.2.3.3, ma con un grado di porosità superiore; la sezione è più compatta e irregolare rispetto a quelle viste in precedenza e i globuli di copolimero sono più piccoli e meno evidenti.
• Figure 3.2.3.7 e 3.2.3.8: le membrane ottenute a partire dalla soluzione del polimero in THF hanno una struttura densa e compatta; osservando la
superficie e la sezione infatti possiamo notare l’assenza dei pori e dei globuli di copolimero.
• Figure 3.2.3.9 e 3.2.3.10: in questo caso la superficie appare meno densa della precedente, in quanto è possibile evidenziare la presenza di alcuni pori; la sezione invece è costituita da uno strato denso (skin) al di sotto del quale le microparticelle similglobulari di copolimero formano degli aggregati che prendono contatto tra di loro, conferendo alla membrana una elevata porosità. • Figure 3.2.3.11 e 3.2.3.12: le membrane ottenute miscelando il copolimero con la gelatina presentano una superficie caratterizzata dalla presenza di isole con forma più regolare rispetto a quelle viste finora e con i classici filamenti sottili che le congiungono tra di loro; la sezione, anche se irregolare, presenta una buona porosità e sono visibili, ancora una volta, i globuli di copolimero e i filamenti sottili.
• Figure 3.2.3.13 – 3.2.3.15: la membrana a base di copolimero/gelatina invertita in propanolo sembra essere la migliore, dal punto di vista morfologico, tra quelle ottenute per inversione di fase; dagli ingrandimenti della superficie e della sezione sono visibili numerosi filamenti che formano dei ponti tra i globuli di copolimero; inoltre la sezione è caratterizzata dalla presenza di uno skin denso situato al di sopra della rete di globuli, la quale conferisce una elevata porosità alla membrana.
Dall’analisi morfologica risulta che il grado di porosità e la struttura delle membrane a base di PCL-POE-PCL puro dipendono essenzialmente dal solvente utilizzato: i manufatti realizzati a partire dalla soluzione del copolimero in DMSO presentano una struttura più regolare, con isole uniformemente distribuite su tutta la superficie che gli conferiscono una adeguata porosità (Figure 3.2.3.1 e 3.2.3.5) ed una sezione caratterizzata dalla presenza di microparticelle similglobulari di copolimero che aderiscono alle pareti dei pori (Figure 3.2.3.2 e 3.2.3.4). Tra queste membrane, quelle migliori dal punto di vista morfologico sono quelle che hanno subito inversione in acqua, che quindi sembra essere il controsolvente più adatto.
L’utilizzo del THF invece, non ha dato buoni risultati, in quanto le membrane ottenute a partire dalla soluzione del copolimero in questo solvente hanno superficie
e sezione compatte, con pori scarsamente presenti o addirittura assenti (Figure 3.2.3.9 e 3.2.3.7).
La miscelazione del copolimero con la gelatina ha portato alla formazione di membrane caratterizzate dalla presenza di isole dalla forma più regolare (Figura 3.2.3.11) e di aggregati di globuli polimerici strettamente connessi tra di loro (Figura 3.2.3.13); entrambe queste strutture conferiscono un elevato grado di porosità a queste membrane (in particolare a quella invertita in propanolo, Figura 3.2.3.13), che quindi potrebbero diventare un buon supporto per la crescita di cellule seminate sulla loro superficie.
3.2.4 Calorimetria a scansione differenziale
Di seguito sono riportati i risultati delle analisi DSC effettuate su campioni di membrane ottenute per inversione di fase.
Figura 3.2.4.1: Termogramma della membrana a base di PCL-POE-PCL puro, invertita in acqua
Il termogramma relativo alla membrana, sopra riportato, evidenzia la transizione caratteristica del copolimero: è evidente infatti l’evento relativo alla fusione a 62°C.
Non si osservano variazione dei dati calorimetrici del materiale in forma di membrana rispetto allo
stesso in forma di film.
Figura 3.2.4.2: Termogramma relativo alla membrana composta da PCL-POE-PCL/gelatina, invertita in propanolo
Nelle Figure 3.2.4.2 e 3.2.4.3 sono riportati i termogrammi relativi alle due scansioni effettuate sulla membrana a base della miscela copolimero/gelatina: nella prima parte è possibile individuare i picchi endotermici relativi alla fusione di PCL-POE-PCL. Man mano che la temperatura aumenta si può notare una variazione della linea base delle due curve, in corrispondenza della temperatura di fusione della gelatina, 193°C (questo è particolarmente evidente nella prima scansione). Questi grafici ci danno conferma dell’effettivo intrappolamento della gelatina all’interno della struttura della membrana: infatti i ripetuti lavaggi in acqua, effettuati allo scopo di allontanare buona parte del controsolvente prima della liofilizzazione, avrebbero potuto sciogliere e allontanare buona parte della gelatina presente nella membrana.
Inoltre i dati calorimetrici relativi all’evento di fusione del copolimero mostrano una riduzione dell’entalpia di fusione: la presenza della gelatina sembra ridurre il grado di cristallinità del copolimero.
3.2.5 FT-IR Chemical Imaging
Le membrane a base di gelatina sono state sottoposte ad indagine FT-IR Chemical Imaging in modalità µATR; tale tecnica permette di indagare la distribuzione superficiale dei componenti della miscela.
La figura 3.2.5.1 riporta la mappa chimica e alcuni spettri acquisiti, relativi alla membrana PCL-POE-PCL/gelatina invertita con acqua.
Figura 3.2.5.1: Mappa chimica della membrana copolimero/gelatina invertita in acqua e relativi spettri
Gli spettri ottenuti presentano le bande caratteristiche del copolimero e soltanto in alcuni casi sono evidenti gli assorbimenti diagnostici della proteina (Ammide I 1640 cm-1 e Ammide II 1560 cm-1). Al fine di identificare la localizzazione della proteina
sulla superficie delle membrana è stata effettuata la mappa differenza ottenuta sottraendo lo spettro del copolimero dalla mappa chimica della miscela; dalla mappa differenza è stato acquisito lo spettro più simile a quello della gelatina e tale spettro è stato correlato con la mappa differenza ottenendo una mappa di correlazione (Figura 3.2.5.2)nella quale le zone rosse e gialle (correlazione prossima a 1) rappresentano le zone dove è presente la proteina.
Figura 3.2.5.2: Mappa differenza ottenuta sottraendo dalla mappa chimica lo spettro del copolimero, correlata con lo spettro differenza
La gelatina risulta presente su buona parte della superficie della membrana anche se in modo non propriamente omogeneo; sussistono infatti zone più ricche di proteina e zone dove la proteina è scarsa o addirittura assente come confermato dalla variabilità dell’intensità delle bande presenti negli spettri acquisiti in varie zone della mappa di correlazione.
Lo stesso tipo di indagine è stata effettuata sulla membrana invertita in propanolo (Figura 3.2.5.4); si osserva in questo caso una migliore distribuzione della componente proteica che risulta presente su buona parte della superficie della membrana (zone rosse e gialle).
Figura 3.2.5.4: Mappa differenza della membrana copolimero/gelatina invertita in propanolo e relativo spettro
Figura 3.2.5.5: Spettri in varie zone della mappa
a b
Figura 3.2.5.6: Spettri in varie zone della mappa; a : membrana invertita in acqua 3D b: membrana invertita in propanolo 3D
Nella Figura 3.2.5.6 a si riporta il confronto tra la mappa di correlazione in 3D della miscela invertita in acqua con quella invertita in propanolo: appare evidente la migliore distribuzione della gelatina sulla membrana invertita in propanolo. E’probabile che l’uso dell’acqua come bagno di inversione determini una parziale solubilizzazione della gelatina e conseguente suo rilascio dalla membrana.
3.2.6 Analisi dinamico-meccanica
Di seguito sono riportati i grafici relativi alle prove di trazione in multifrequenza effettuate sui campioni di membrane a base di PCl-POE-PCL puro e miscelato con gelatina.
Anche in questo caso, ciò che varia di volta in volta sono le frequenze di oscillazione applicate ai campioni, che variano da 1 a 6 Hz, mentre per quanto riguarda i campioni, la loro forma e le loro dimensioni sono analoghe a quelle viste in precedenza, ad eccezione dello spessore, che nel caso delle membrane ottenute per inversione di fase è notevolmente superiore rispetto a quello del film ottenuto per casting.
Dynamic Properties vs Time
1,500E+06 1,600E+06 1,700E+06 1,800E+06 1,900E+06 2,000E+06 2,100E+06 2,200E+06 2,300E+06 2,400E+06 2,500E+06 4,0 9,0 14,0 19,0 24,0 29,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Dynamic Properties vs Time 2,100E+06 2,200E+06 2,300E+06 2,400E+06 2,500E+06 2,600E+06 2,700E+06 2,800E+06 2,900E+06 3,000E+06 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Figura 3.2.6.2: Grafico relativo alla prova di trazione in multifrequenza effettuata su un campione di membrana a base di PCL-POE-PCL invertita in acqua/propanolo (2°prova)
Tabella 3.2.6 a: Medie dei valori dei moduli elastici alle varie frequenze per la membrana invertita in acqua/propanolo
Frequenza (Hz) Modulo di Young (MPa)
1 2,26
2 2,03
3 2,35
Dynamic Properties vs Time 6,000E+05 8,000E+05 1,000E+06 1,200E+06 1,400E+06 1,600E+06 1,800E+06 -1,0 4,0 9,0 14,0 19,0 24,0 29,0 34,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Figura 3.2.6.3: Grafico relativo alla prova di trazione in multifrequenza effettuata su un campione di membrana a base di PCL-POE-PCL invertita in acqua (1°prova)
Dynamic Properties vs Time
1,100E+06 1,200E+06 1,300E+06 1,400E+06 1,500E+06 1,600E+06 1,700E+06 1,800E+06 1,900E+06 -1,0 4,0 9,0 14,0 19,0 24,0 29,0 34,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Frequenza (Hz) Modulo di Young (MPa) 1 1,37 2 1,57 3 1.25 4 1,58 5 1,25 6 1,62
Tabella 3.2.6 b: Medie dei valori dei moduli elastici alle varie frequenze per la membrana invertita in acqua
Dynamic Properties vs Time
1,250E+07 1,300E+07 1,350E+07 1,400E+07 1,450E+07 1,500E+07 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Figura 3.2.6.5: Grafico relativo alla prova di trazione in multifrequenza effettuata su un campione di membrana a base di copolimero/gelatina invertita in acqua (1°prova)
Dynamic Properties vs Time 1,100E+06 1,300E+06 1,500E+06 1,700E+06 1,900E+06 2,100E+06 2,300E+06 1,0 6,0 11,0 16,0 21,0 26,0 31,0 Time /min M o d u lu s / P a Modulus
Figura 3.2.6.6: Grafico relativo alla prova di trazione in multifrequenza effettuata su un campione di membrana a base di copolimero/gelatina invertita in acqua (2°prova)
Frequenza (Hz) Modulo di Young (MPa)
1 1,53 2 1,74 3 1,41 4 1,78 5 1.43 6 1,81
Tabella 3.2.6 c: Medie dei valori dei moduli elastici alle varie frequenze per la membrana a base di copolimero/gelatina
RISULTATI OTTENUTI
Le prove meccaniche effettuate sui campioni di membrane ottenute per inversione di fase hanno permesso di determinare i valori del modulo elastico in corrispondenza delle varie frequenze di oscillazione applicate: questi valori risultano essere molto vicini tra di loro, segno che le diverse frequenze non influiscono in modo significativo sull’elasticità dei materiali. Passando dalle membrane a base di copolimero puro invertite nella miscela acqua/propanolo a quelle invertite in acqua ci accorgiamo che i valori del modulo elastico alle varie frequenze diminuiscono; lo stesso avviene con le membrane contenenti la gelatina. Questa diminuzione potrebbe essere spiegata considerando la maggiore porosità che caratterizza queste membrane: infatti la presenza dei pori va ad aumentare l’area della sezione del campione A0 e quindi diminuisce il valore dello sforzo σ:
0
A
F
=
σ
Poiché secondo la legge di Hooke:
σ
= E·ε
avremo che, al diminuire dello sforzo diminuirà anche il modulo elastico. Inoltre nelle Figure 3.2.6.2 e 3.2.6.6 si notano delle brusche cadute dei valori del modulo: questo potrebbe essere dovuto alla formazione di fratture nei campioni durante le prove.
