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Caratterizzazione del processo di compressione di materiali farmaceutici: approcci empirici e reologici

Sommario Le compresse, la forma farmaceutica più diffusa, sono preparate mediante il processo di compressione, tramite il quale due punzoni esercitano una pressione su miscele di polveri o granuli caricati all’interno di uno spazio confinato. Nonostante l’apparente semplicità del processo, esso non è esente da problematiche che in alcuni casi lo rendono di difficile applicazione. In particolare, la buona riuscita […]

I globuli rossi influenzano il trasporto dei drug carrier nella microcircolazione

Sommario Nonostante i numerosi studi nel campo delle nanotecnologie per la progettazione di nano-terapeutici, le barriere biologiche al trasporto di farmaci incontrate nella circolazione sanguigna rappresentano un grande problema, impedendo l’efficiente trasporto del farmaco ai tessuti/organi danneggiati. Uno degli step fondamentali del viaggio della microparticella verso il target è il trasporto nella microcircolazione sanguigna, dove avviene l’interazione con le cellule […]

Polisaccaridi funzionalizzati con porzioni alchiliche: sintesi, caratterizzazione reologica ed applicazioni biomediche

Sommario L’introduzione di catene idrofobiche sul backbone polimerico di alcuni polisaccaridi è stata utilizzata al fine di migliorare o modulare, le proprietà viscoelastiche, la resistenza idrolitica e le performance meccaniche. L’acido ialuronico (HA) ed il gellan gum (GG) sono due polisaccaridi che trovano applicazione in campo farmaceutico e biomedico. L’HA è un polisaccaride lineare costituito da unità ripetitive di acido D-Glucuronico […]

Uso combinato della reologia e dell’NMR a basso campo per la caratterizzazione di matrici polimeriche

Sommario, Molte matrici polimeriche hanno una struttura reticolare tridimensionale formata dalle catene che non possono essere singolarmente disciolte in quanto vincolate tra loro da legami chimici o fisici. In generale, sia le proprietà macroscopiche che quelle micro- e nanoscopiche delle matrici polimeriche possono giocare un ruolo importante per le applicazioni biomediche. Ad esempio, è stato recentemente osservato che, nel caso […]

Idrogeli intelligenti e sistemi autoassemblanti per applicazioni nel rilascio controllato e nella medicina rigenerativa

Sommario Gli idrogeli sono sistemi costituiti da una rete tridimensionale di catene di polimeri che possono rigonfiare in presenza di acqua o fluidi fisiologici. Grazie alle loro peculiari proprietà, come il loro alto contenuto di acqua e il possibile controllo sulla cinetica di rigonfiamento, gli idrogeli hanno attirato grande interesse per diverse applicazioni biomediche (Borzacchiello et al., Biomaterials from nature […]

Studi reologici come strumento di valutazione delle proprietà macroscopiche dei sistemi vescicolari e del loro effetto sulla pelle

Sommario I liposomi sono vescicole lamellari nanometriche di forma sferica che si ottengono a partire dai fosfolipidi che, in ambiente acquoso, si organizzano in doppi strati chiusi su sé stessi così da limitare il contatto delle porzioni idrofobiche con il mezzo esterno. Possono essere formate da uno o più doppi strati e sono in grado di incorporare e trasportare molecole […]

Idrogel polisaccaridici per applicazioni biomediche: proprietà e caratterizzazione reologica

Sommario Gli idrogel polisaccaridici rappresentano una importante classe di materiali fra quelli utilizzati nel mondo della salute poiché, grazie alla loro preponderante componente acquosa e ad una generale biocompatibilità della componente polimerica, sono in grado di interagire in modo positivo con i sistemi cellulari. Inoltre, essendo in grado di mimare la componente extracellulare meglio di molti altri sistemi sintetici, tali […]

Proprietà reologiche di idrogel polimerici contenenti nanoparticelle

Sommario Da lungo tempo gli idrogel polimerici sono stati oggetto di studio scientifico e hanno trovato largo impiego in campo biomedico e farmaceutico, mentre solo in tempi recenti si è sviluppato un crescente interesse per le possibili applicazioni di nanoparticelle di tipo diagnostico e terapeutico. Negli ultimi 10 anni, anche al fine di superare i limiti o i problemi legati […]

L’analisi reologica nello sviluppo di formulazioni liquide mucoadesive e/o gelificabili in situ

Sommario Con il termine mucoadesione si intende l’adesione di un materiale a una mucosa o ad una superficie rivestita da muco. Le formulazioni mucoadesive, permettendo una prolungata permanenza del farmaco veicolato al sito d’azione o assorbimento, sono in grado di migliorare la disponibilità/bio-disponibilità dello stesso. Il fenomeno della mucoadesione viene conside-rato come il risultato di due fasi: nella prima fase si […]

La caratterizzazione reologica nello sviluppo di un cerotto transdermico

Sommario I cerotti transdermici sono forme farmaceutiche adesive a rilascio prolungato destinate ad essere applicate sulla pelle. Per assicurare il corretto assorbimento del principio attivo devono permetterne il rilascio ed aderire alla pelle per l’intera durata del trattamento. Infatti, se il cerotto si solleva o si stacca parzialmente, l’assorbimento del principio attivo è ridotto e il trattamento può risultare inefficace. […]

Estrusione e stampaggio dei materiali polimerici termoplastici applicati allo sviluppo di nuove forme di dosaggio: reologia e processabilità del materiale

Sommario Negli ultimi anni l’interesse verso l’uso di materiali polimerici termoplastici e delle relative tecnologie di trasformazione per la realizzazione di nuovi sistemi di dosaggio di farmaci è molto cresciuto, in virtù della grande varietà di forma e dimensioni dei prodotti ottenibili. La corretta progettazione di un manufatto in materiale polimerico non può prescindere dall’ottimizzazione del processo di trasformazione coinvolto, […]

Estrusione e stampaggio dei materiali polimerici termoplastici applicati allo sviluppo di nuove forme di dosaggio: sistemi capsulari

Sommario Molti tra i materiali di comune impiego nella formulazione di forme farmaceutiche convenzionali e sistemi di rilascio sono polimeri termoplastici, potenzialmente lavorabili attraverso processi a caldo. L’introduzione in campo farmaceutico di tecniche di fabbricazione ampiamente impiegate per le plastiche, come estrusione a caldo (hot melt extrusion, HME), stampaggio ad iniezione (injection moulding, IM), stampa 3D mediante estrusione (fused deposition […]

Primo Workshop SIR-CRS sul tema “Reologia e sviluppo di medicinali: due mondi a confronto”

Il prossimo 15 dicembre si terrà a Roma, presso la Domus Australia, il primo Workshop SIR-CRS sul tema “Reologia e sviluppo di medicinali: due mondi a confronto”. Come accade per altri settori, anche in campo farmaceutico e biomedico la reologia può svolgere un ruolo importante, aiutando a comprendere fenomeni e compor-tamenti osservati, per affrontare e risolvere pro-blemi di carattere tecnologico/applicativo, […]

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Simona Ceccia
Simona Ceccia Politecnico di Torino Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica C.so Duca degli Abruzzi 24- 10129 Torino simona.ceccia@polito.it

Gli articoli segnalati presentano come oggetto di discussione i materiali nanocompositi partendo da una review che affronta l’argomento in modo generale per poi passare a lavori in cui la reologia è usata come strumento di indagine della morfologia del materiale preparato.

L’articolo di Giannelis et al. è un’ottima introduzione generale ai sistemi nanocompositi. Esso illustra i diversi tipi di morfologia che possono generarsi rinforzando una matrice polimerica con una carica inorganica nanoscopica di forma lamellare. Il tipo di dispersione della fase inorganica dipende dall’interazione tra polimero e argilla, e provoca le proprietà finali del manufatto. Gli autori forniscono un’ampia panoramica delle diverse tecniche sperimentali utilizzate per determinare il tipo di morfologia dell’ibrido.

Da un punto di vista strutturale due tipi di nanocompositi lamellari sono possibili: la struttura intercalata in cui poche catene polimeriche sono inserite nelle gallerie tra le lamelle; la struttura esfoliata in cui le lamelle sono ben disperse nella matrice polimerica e non possono interagire tra loro. Giannelis et al. hanno evidenziato quanto sia complesso definire il tipo di morfologia dell’ibrido attraverso una singola metodica sperimentale. Generalmente, uno studio approfondito richiede la convergenza di risultati sperimentali ottenuti con tecniche diverse.

Tra queste l’analisi ai raggi X e al microscopio elettronico sono metodi diretti per definire se il materiale preparato sia esfoliato o semplicemente intercalato. Questi strumenti, seppur utili, non possono fornire risposte sicure sulla morfologia, pertanto ad essi si può associare un metodo di indagine indiretto, come la reologia, che valuta il comportamento del materiale a livello macroscopico.

L’ultima sezione della review è dedicata alle caratteristiche reologiche del nanocomposito evidenziate da esperimenti in oscillatorio e in transitorio. Credo sia importante sottolineare la differenza prodotta sulla reologia del sistema da lamelle di silicati interagenti o non-interagenti.

Quando il filler non è caratterizzato da forti interazioni tra particelle e particelle-polimero il comportamento reologico del materiale è dominato dalle proprietà del polimero, con un aumento di viscosità provocato dall’aggiunta delle particelle solide. Quando le interazioni tra particelle e particelle-polimero non sono trascurabili compare il fenomeno di yield stress associato al comportamento non-terminale dei due moduli dinamici. Il significato di una risposta simile-solido alle basse frequenze di oscillazione è approfondita dai lavori riportati nel seguito.

Ren et al. prendono in considerazione un materiale nanocomposito ricavato dalla dispersione di silicati lamellari in una matrice copolimerica a blocchi. Lo spettro di diffrazione ai raggi X mette in luce una struttura dell’ibrido intercalata. I fattori di shift della frequenza e dei moduli ricavati dai dati di viscoelasticità lineare risultano essere indipendenti dalla frazione di silicati suggerendo un meccanismo di rilassamento del sistema indipendente dalle lamelle. Il modulo di rilassamento calcolato dalla risposta viscoelastica dinamica è in ottimo accordo con il modulo misurato, e diventa indipendente dal tempo all’aumentare della frazione di componente inorganico pur trattandosi di una struttura non esfoliata.

Considerando la natura anisotropa degli strati di silicato, Ren et al. considerano il sistema formato da pile di dischi ordinati che al disopra di una frazione volumetrica critica si ostacolano vicendevolmente impedendo il completo rilassamento del materiale. Attraverso la teoria della percolazione è possibile quantificare le dimensioni medie degli agglomerati di lamelle, ed il dato così ricavato è in accordo con valori ricavati da altre metodiche sperimentali. Un sistema così fortemente anisotropo ha la tendenza ad assumere un orientamento lungo una direzione preferenziale quando si applica una deformazione di grande ampiezza. In una situazione di questo tipo gli effetti idrodinamici, dovuti alla presenza di particelle, determinano un minor incremento dei moduli dinamici.

Il comportamento del materiale a tempi lunghi è stato attribuito all’esistenza di una struttura delle pile di lamelle a network percolato incapace di rilassare completamente.
Il contributo principale di Solomon et al. è dovuto all’utilizzazione di tecniche reologiche per caratterizzare la dinamica di formazione e rottura del network di silicati. Al pari di Ren et al., la struttura del nanocomposito rivelata dai raggi X risulta intercalata piuttosto che esfoliata. Invertendo dopo una pausa il verso del flusso di shear cui si sottopone l’ibrido, si assiste ad un’evoluzione della risposta reologica collegabile alla dinamica della morfologia, che dipende dall’intervallo di riposo che precede l’inversione.

Infatti, l’applicazione iniziale di un flusso sufficientemente forte tende ad allineare le lamelle inorganiche nella direzione del flusso, ma, al cessare del moto imposto, forze di tipo Browniano o interazioni tra particelle spingono il sistema verso una situazione di maggior disordine. Quanto più tempo il sistema rimane in quiete tanto più si perde il grado di allineamento provocato dallo scorrimento precedente. Dagli esperimenti consegue che la struttura a network eventualmente presente all’inizio non è frutto di un equilibrio termodinamico stabile, ma può essere modificata da un flusso forte. Infine, l’evoluzione dello stress durante il transitorio al variare della shear rate sembra dipendere dalla deformazione applicata. Tale evidenza suggerisce che il materiale non possieda una scala caratteristica dei tempi di rilassamento al pari di alcune soluzioni di cristalli liquidi polimerici e sospensioni di bacchette e dischi non-Browniani.

La struttura determinata sperimentalmente risulta essere termodinamicamente instabile e l’evoluzione della stessa per ricostituire un network durante la fase di quiete sembra non derivare da un rilassamento di tipo Browniano, ma da forze attrattive tra lamelle. Zhang e Archer affrontano l’argomento esaminando un sistema esfoliato costituito da nanosfere disperse in modo omogeneo nella matrice polimerica. L’influenza del rinforzo sulle proprietà viscoelastiche è stata indagata al variare della frazione volumetrica e delle proprietà superficiali della fase inorganica e del peso molecolare del polimero. Gli autori calcolano la frazione volumetrica effettiva prendendo in considerazione lo strato di catene polimeriche immobilizzato sulla superficie delle sfere.

La frazione effettiva risulta essere molto più grande della frazione reale, pertanto la soglia di percolazione teorica del sistema si raggiunge con frazioni reali del rinforzo molto basse. A conferma di ciò, gli esperimenti di tipo oscillatorio condotti mostrano l’esistenza di un comportamento del materiale alle basse frequenze di oscillazione simile a quello di un solido.

L’esistenza di un network può spiegare la risposta del materiale che non rilassa alle basse frequenze studiate in oscillatorio. Le dimensioni ridotte delle particelle e le forti interazioni tra matrice polimerica e particelle consentono la formazione di un network anche a basso contenuto di nanosfere. Il modulo di rilassamento ottenuto sperimentalmente mostra la presenza di due regioni distinte di rilassamento attribuite rispettivamente alle catene polimeriche libere e alle catene immobilizzate sulla carica inorganica.

Gli autori di questo lavoro hanno convertito attraverso le trasformate di Fourier il modulo G in modulo elastico e modulo viscoso.

I moduli ottenuti dalla trasformazione concordano con i dati sperimentali dove questi sono disponibili, e permettono inoltre di osservare che a frequenze bassissime (non analizzabili in dinamico) il nanocomposito recupera sempre il comportamento terminale. Questa evidenza mostra il carattere comunque temporaneo del network che si forma quando si supera la concentrazione critica di carica. Il nanocomposito utilizzato in questo lavoro è chiaramente un sistema modello, ma le conclusioni cui pervengono gli autori rappresentano un ottimo spunto anche nell’interpretazione del comportamento di materiali reali qualora ci sia interazione tra particelle e polimero.

Bibliografia

1.    Giannelis EP, Krishnamoorti R, Manias E, (1999), Polymer-Silicate Nanocomposites: Model Systems for Confined Polymers and Polymer Brushes, Advances in Polymer Science, 138, 107-147.
2.    Ren J, Silva AS, Krishnamoorti R, (2000), Linear Viscoelasticity of Disordered Polystyrene-Polyisoprene  Block  Copolymer  Based  Layered-Silicate   Nanocomposites,  Macromolecules,  33,  3739-3746.
3.    Solomon MJ, Almusallam AS, Seefeldt KF, Somwangthanaroj A, Varadan P, (2001), Rheology of Polypropylene/Clay Hybrid Materials, Macromolecules, 34, 1864-1872.
4.    Zhang Q, Archer LA, (2002), Poly(ethylene oxide)/Silica Nanocomposites: Structure and Rheology, Langmuir, 18, 10435-10442.