Con questo articolo voglio proporvi brevemente alcuni dei tratti essenziali di un argomento studiato ai corsi che mi ha molto affascinato, per quanto riguarda i suoi aspetti intrinseci e le sue applicazioni "pratiche": trattasi dei materiali polimerici.
Il termine polimero deriva dal greco e vuol dire " che ha molte parti ". Ed in effetti i materiali polimerici sono materiali che possiamo intendere come composti da molte parti legate tra loro chimicamente e collegate al fine di formare un solido.
Tra le categorie di materiali polimerici rileviamo le materie plastiche e gli elastomeri.
Le materie plastiche sono materiali sintetici trasformati tramite stampaggio in forme e formatura. Esempi di materie plastiche sono nylon e polietilene.

Busta in polietilene

Le materie plastiche si dividono in due tipologie: materiali termoplastici ed indurenti.
Gli elastomeri possono essere sottoposti a deformazione elasticamente anche in misura notevole grazie all'applicazione di una forza e ritornare poi quando la forza smette di essere applicata.

Esempio di elastomero poliuretanico a due componenti da colata (immagine tratta da http://www.prochima.it/pages/elastomeri%20poliuretanici.htm)

I termoplastici vengono sintetizzati grazie ad un processo detto polimerizzazione per crescita a catena. In esso molte molecole piccole, dette monomeri (dal greco " che ha una sola parte "), sono legate tramite legami covalenti a formare catene molecolari più lunghe, dette per l'appunto polimeri.
Ma partiamo dall'inizio.

Le reazioni di polimerizzazione

Prendiamo la molecola di etiliene, C₂H₄. E' costituita da un doppio legame covalente tra gli atomi di carbonio e da quattro legami covalenti tra gli atomi di carbonio e quelli di idrogeno.

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Viene detta molecola insatura, in quanto contiene uno o più doppi legami carbonio-carbonio. Quella di etilene è quindi una molecola insatura contenente carbonio.
Quando il doppio legame carbonio-carbonio viene "aperto" la molecola si dice che è stata attivata e, in questo caso, il doppio legame covalente esistente viene sostituito da un legame covalente singolo.

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Risulta che ogni atomo di carbonio della molecola di etilene originaria ha un elettrone libero per poter formare un legame covalente con un altro elettrone libero appartenente ad un'altra molecola. Successivamente vedremo come avviene la polimerizzazione a catena prima citata che a partire da unità monomeriche di etilene permette di formare il polimero "finale": il polietilene.

Reazione generale per la polimerizzazione del polietilene

Essa si presenta nel modo che segue.

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La singola unità ripetitiva è detta unità monomerica. L'unità monomerica del polietilene è . L'n presente è detto grado di polimerizzazione ed è uguale al numero delle singole unità monomeriche all'interno della catena costitutente il polimero. Per il polietilene n è compreso tra 3500 e 25000.

Stadi della polimerizzazione a catena

Sono 3 gli stadi:

• iniziazione;
• propagazione;
• terminazione.

INIZIAZIONE

Vengono utilizzati uno o più catalizzatori. Consideriamo l'utilizzo dei perossidi organici che determinano la formazione dei radicali liberi. Questi ultimi sono gruppi di atomi aventi elettroni liberi che si legano covalentemente con elettroni liberi di un'altra molecola.
Prendiamo il perossido di idrogeno H₂O₂. Esso si può decomporre in due radicali liberi, come segue:

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In riferimento alla polimerizzazione a catena dell'etilene, un perossido organico si decompone nei due radicali liberi in maniera simile al perossido d'idrogeno.

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I trattini sono stati utilizzati per indicare i legami covalenti e R indica un gruppo chimico.
Uno dei radicali liberi che si ottengono è in grado dir eagire con una molecola di etilene per formare un nuovo radicale libero a catena più lunga, che agisce a sua volta da catalizzatore di iniziazione per la polimerizzazione dell'etilene.

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PROPAGAZIONE

Consiste nell'estendere la catena polimerica aggiungendo successivamente le varie unità monomeriche.
Il doppio legame presente all'estremità di un monomero di etilene può essere aperto dal radicale libero a lunga catena legato covalentemente ad esso. Così facendo si allunga la catena polimerica:

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Le catene polimeiche si accrescono spontaneamente perchè l'energia del sistema viene abbassata dal processo di polimerizzazione a catena Cioè la somma delle energie dei polimeri ottenuti è minore di quella delle unità monomeriche adoperata per la loro formazine. Il grado di polimerizzazione dei polimeri ottenuti dalla polimerizzazione a catena varia all'interno del materiale polimerico e varia da materiala a materiale.

TERMINAZIONE

Avviene grazie all'aggiunta di un radicale libero o grazie alla combinazione di due catene o, altra eventualità, grazie a tracce di impurità che possono terminare la catena polimerica stessa.

Funzionalità di un monomero

Affinchè un monomero possa polimerizzare deve avere almeno due funzioni reattive. Nel caso in cui abbia più di due funzioni reattive la polimerizzazione può avvenire in più direzioni e si possono formare molecole con reticolo tridimensionale. Il numero delle fuzioni reattive del monomero è detto funzionalità e si parla quidni a seconda del numero di funzionir eattive di monomero bifunzionale o trifunzionale.

Metodi industriali per la polimerizzazione

Ne citiamo alcuni tra i più noti.

Polimerizzazione in massa

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Monomero e attivatore della reazione sono introdotto insieme in un reattore usato sia per riscaldare che per raffreddare qualora venga richiesto. Tale processo è utilizzato per la polimerizzazione per condensazione, dove uno dei monomeri può essere immerso mentre l'altro va gradualmente aggiunto.

Polimerizzzione in soluzione

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Il monomero viene sciolto in un solvente non reattivo che contiene un catalizzatore. Il solvente assorbe il calore sviluppato dalla reazione che si svolge così più lentamente.

Polimerizzazione in sospensione

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Si miscela il monomero col catalizzatore e viene disperso in acqua come sospensione. L'acqua assorbe il calore sviluppato dalla reazione. A polimerizzazione avvenuta il prodotto viene separato e dopo essiccato. Polimeri come il polivinilcloruro e il polistirene, ad esempio, sono prodotti in questo modo.

Polimerizzazione in emulsione

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E' simile al processo precedente, con la differenza dell'aggiunta di un emulsionante per disperdere il monomero in particelle di dimensioni più piccole. Avviene anch'esso in acqua.

Applicazioni biomediche dei materiali polimerici

I materiali polimerici sono utilizzati in svariati campi medici: hanno applicazioni cardiovascolari, oftalomologiche, ortopediche e non solo. Pur avendo resistenza meccanica inferiore ai materiali cermaici e ai metalli, presentano caratteristiche che ben si accordano con il settore biomedico come bassa densità, facilità di trasformazione e possibilità di modificazione per una maggiore biocompatibilità.
Vediamo più in particolare di cosa stiamo parlando.

Applicazioni cardiovascolari

I biopolimeri sono utilizzati nelle valvole cardiache. Le valvole cardiache naturali sono purtroppo soggette a patologie come stenosi ed insufficienza che vanno affrontate mediante la sostituzione della valvola cardiaca con una biologica (animale o proveniente da cadavere) o con una valvola artificiale.
Un esempio di quest'ultima è riportato nella figura che segue, dove è raffigurata una valvola meccanica:

Valvola meccanica (immagine presa da: http://www.cardiochirurgia.org/valvole.html)

In maniera assai schematica essa è come in figura:

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Flangia e foglietti semicircolari possono essere realizzati con biometalli (ad esempio leghe di Titanio o leghe di Co-Cr).
L'anello di sutura è realizzato con biopolimeri come PTFE espanso (Teflon) o PET (Dacron). L'anello di sutura connette la valvola al tessuto cardiaco e tale funzione è permessa solo dai materiali polimerici. I foglietti permettono il flusso ematico, così come mostrati nella posizione della figura di cui sopra, mentre in posizione chiusa bloccano (anche se non completamente) il rigurgito.
Inoltre ai pazienti con valvole cardiache artificiali vengono somministrati anche degli anticoagulanti per prevenire la formulazione di coaguli nel sangue che si vengono a creare quando i globuli rossi interagiscono con la valvola artificiale.

Un altro impiego dei materiali polimerici è nelle protesi vascolari o graft. Esse vengono utilizzate nelle operazioni di bypass di arterie coronariche per aggirare le arterie che sono ostruite. I graft possono essere biologici o artificiali. Questi ultimi devono avere resistenza meccanica a trazione e, soprattutto, devono resistere alle occlusioni dell'arteria provocate dalla trombosi. Sia il Teflon che il Dacron, prima citati in occasione delle valvole cardiache, sono adatti a tale scopo ma il Teflon si presta meglio perché minimizza gli sforzi di taglio che agiscono sulle cellule del sangue.

Un altro impiego dei materiali polimerici lo si ritrova nei cuori artificiali e nei dispositivi di assistenza cardiaca. Questi dispositivi consentono di mantenere in vita un paziente finché non riceve un cuore da donatore.

Il cuore artificiale completo provvisorio CardioWest

Applicazioni oftalmologiche

Le correzioni a cui è sottoposto l'occhio vengono apportate mediante lenti da vista, lenti a contatto ed impianti intraoculari che sono realizzati principlamente in materiali polimerici.
Le lenti a contatto morbide sono prodotte in idrogelo o idrogel, che è un materiale polimerico morbido ed idrofilico. Assorbe quindi acqua e rigonfia fino ad un certo livello. Gli idrogeli possono prendere la forma precisa della cornea e permettono l'adattamento confortevole della lente.
La cornea però necessita anche di ossigeno che deve passare attraverso la lente, motivo per cui si ricorre agli idrogeli idratati.
I trattamenti di patologie come la cataratta richiedono la rimozione della lente opaca dell'occhio e la sostituzione con un impianto di lente intraoculare. Quest'ultima è formata da una lente e peduncoli tattili volti a fissare la lente ai legamenti sospensori per mantenere "al suo posto" la lente stessa. Prerogative irrinunciabili per tali lenti sono proprietà ottiche adeguate oltre che biocompatibilità. Sia la porzione ottica che i peduncoli della maggior parte delle lenti intraoculari sono composte di Polimetilmetacrilato, ovvero PMMA.

I sistemi di rilascio controllato dei farmaci

Materiali biodegradabili come PLA e PGA, rispettivamente acido polilattico e acido poliglicolico, sono usati per tali impianti. Il contenitore, di materiale polimerico, contiene il farmaco ed è posto all'interno dell'organismo umano, laddove sia necessario inserirlo. Il farmaco viene rilasciato quando si degrada il polimero.

Applicazioni ortopediche

Due sono gli impieghi rilevanti dei materiali polimerici in questo settore: cemento per ossa e protesi articolari.
Il cemento per ossa riempie lo spazio tra l'impianto e l'osso per assicurare una condizione di carico uniforme. Esso deve avere la caratteristica importante di essere il meno microporoso possibile, una volta indurito. Si ottiene questo risultato con tecniche di centrifugazione e sottovuoto nel momento in cui si prepara il cemento.
Il materiale polimerico più utilizzato per il cemento per ossa è il già citato PMMA che ha ottime proprietà a trazione e a fatica, migliorabili anche con l'aggiunta di additivi.

Per chi volesse approfondire....

Per chi volesse approfondire alcuni importanti argomenti solamente citati in questo articolo si rimanda ai seguenti link:

• La chirurgia delle valvole cardiache ;
• Assobiomedica: Accesso alle nuove tecnologie: lenti intraoculati refrattive (toriche, multifocali, accomodative) ;
• Le forme farmaceutiche a rilascio controllato .

Bibliografia

Scienza e tecnologia dei materiali - Hashemi, Smith.