Premessa
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Tutto questo che ora sembra essere solo un sogno, per le difficoltà applicative di
tali sistemi, potrebbe realizzarsi un giorno.
Da tempo esistono in commercio sistemi terapeutici che possono essere
considerati come i capostipiti di nuove forme di dosaggio: da inserti oculari (Ocurset®),
a sistemi transdermici (Nitroderm®), a pompe osmotiche per via orale (Oros®).
Ultimamente anche le membrane vengono studiate con attenzione per poterle
utilizzare come forme farmaceutiche per il rilascio controllato non solo di farmaci ma
anche di fragranze e profumi.
Una membrana è una barriera selettiva tra due fasi, può essere considerata
un’interfaccia capace di controllare il trasporto di specie chimiche (gas, liquidi, specie
cariche e neutre) promuovendone selettivamente anche la loro separazione.
I processi a membrana hanno avuto a partire dal 1960 un così rapido e continuo
sviluppo da trovare svariate applicazioni in molteplici campi. La dissalazione delle
acque marine via osmosi inversa, la produzione di azoto puro dall’aria tramite
membrane selettive per l’ossigeno, il trattamento dei sieri con l’ultrafiltrazione sono
solo pochi esempi realizzati su larga scala a livello industriale.
Per membrana artificiale o sintetica deve più propriamente intendersi una fase
(solida, liquida o gassosa), caratterizzata normalmente da un elevato rapporto
superficie/spessore, capace, sotto adatte forze spingenti, di lasciarsi attraversare
selettivamente da materia o energia. Questa definizione chiarisce anche la differenza
esistente tra membrane biologiche e membrane sintetiche. Mentre queste ultime sono
fasi, in genere, solide, caratterizzate da una ben definita struttura, quelle biologiche sono
fasi non ben definite con specie diverse in continuo movimento, somigliando più ad una
fase liquida che ad una solida. La complessità, inoltre, delle loro funzioni è ben
maggiore di quella delle membrane artificiali.
L’obiettivo di questa tesi è quello di osservare e descrivere il rilascio di
antibiotici da matrici polimeriche. Nel presente lavoro saranno prese in considerazione
i metodi più comunemente utilizzati per la preparazione delle membrane, prestando
particolare riguardo a quelli più adatti per il raggiungimento del nostro scopo.
Successivamente sarà effettuata una caratterizzazione delle matrici polimeriche
impiegate osservandone la loro morfologia e la loro permeabilità ai gas. Si
IX
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Rilascio controllato di antibiotici da membrane polimeriche
Premessa
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analizzeranno le tecniche di formazione delle membrane farmaco-caricate dopo aver
accuratamente scelto le migliori facendo riferimento alla loro caratterizzazione.
Maggiore attenzione sarà poi riservata allo studio, all’osservazione del rilascio ed
al proponimento di sistemi validi, descrivendo i metodi analitici più opportuni.
A completamento del lavoro svolto e per avere maggiori riscontri, sarà discusso il
risultato di test in vitro basati sull’inibizione di culture batteriche con le membrane
aventi un profilo di rilascio maggiormente favorevole.
Albino Rinaldi
X
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Rilascio controllato di antibiotici da membrane polimeriche
CAPITOLO 1
Principi di base
1.1 Introduzione
La membranologia può essere definita come la scienza che si occupa dello studio
e della caratterizzazione delle membrane [1]. Nel vasto scenario delle nanotecnologie
questa occupa un posto a se e, attraverso l’analisi delle proprietà chimiche, fisiche e dei
meccanismi di rilascio e separazione, giorno dopo giorno trova la sua applicazione in
differenti campi.
Una prima classificazione delle membrane si basa sulla differenza tra quelle
biologiche e quelle sintetiche, diverse per struttura e funzionalità. Queste ultime
vengono poi classificate in base alle loro proprietà chimiche e fisiche in membrane
inorganiche ed organiche o polimeriche. Le prime generalmente possiedono una
superiore stabilità chimica e termica rispetto alle seconde. Nonostante queste
caratteristiche, il loro utilizzo è tuttavia molto limitato. Per la loro preparazione
vengono utilizzati differenti materiali inorganici da permettere un’ulteriore
classificazione in
1) membrane ceramiche;
2) membrane vetrose ;
3) ed in membrane metalliche.
Le membrane polimeriche, al contrario, hanno trovato un maggior utilizzo tanto
da essere impiegate in svariati campi.
Fondamentalmente tutti i polimeri possono essere utilizzati come materiali per le
membrane, ma le differenti proprietà chimico-fisiche ne limitano il loro uso pratico [2].
Capitolo 1 Principi di base
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Le membrane organiche possono essere classificate secondo diversi criteri, come
la natura del materiale polimerico (naturale o sintetico), la struttura (simmetrica,
asimmetrica, porosa, densa, ecc.), la configurazione piana o tubolare, il meccanismo
attraverso il quale avviene la separazione (carica, dimensione e forma delle specie
permeanti) o le loro proprietà chimico-fisiche. In particolare le proprietà di una
membrana sono legate alla natura chimica del polimero costituente ed alla sua struttura.
Per quelle porose ha meno importanza la scelta del materiale polimerico poiché le
caratteristiche di separazione dipendono dalla dimensione e dalla distribuzione dei pori.
Al contrario, per quelle dense la scelta del polimero è determinante per l’ottenimento di
specifiche proprietà termiche e chimiche ed influenza molto la performance (selettività
e flusso) delle matrici [2].
Figura 1.1: Schematica rappresentazione delle sezioni di membrana (riprodotto da M. Mulder:
1991, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Dordecht / Boston /
London).
Tra le membrane utilizzate per gli scopi descritti sopra, è possibile distinguere
quelle simmetriche o isotropiche da quelle asimmetriche o anisotropiche. Sono
usualmente definite simmetriche le membrane che presentano una struttura interna
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Capitolo 1 Principi di base
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omogenea in tutte le sue parti che si ripete lungo lo spessore della membrana stessa. Un
esempio di questa struttura è dato dalle membrane utilizzate per la dialisi o per la
microfitrazione. In questo caso la loro selettività dipende dal diametro medio dei pori.
Le membrane asimmetriche sono, invece, formate da uno strato più denso e più
sottile (0,1-2,0 µm) supportato da una parte porosa che può essere spessa anche 200 µm
(Figura 1.2). Lo strato sottile rappresenta la vera membrana le cui proprietà sono
determinate dalla natura del polimero e dalle condizioni di preparazione. Il trasporto di
materia è inversamente proporzionale allo spessore di tale strato. Il sottostrato poroso ha
principalmente funzione di sostegno meccanico per la sottile barriera polimerica ed
influenza poco o per nulla la selettività della membrana ed il trasporto di materia.
Figura 1.2: rappresentazione di due membrane asimmetriche. A destra è rappresentata una
membrana con uno skin poroso, a sinistra una membrana con uno skin denso (figura J. C. Jansen).
1.2 Principali tecniche di preparazione delle membrane
polimeriche
La struttura di una membrana è fortemente legata alle sue modalità di
preparazione. Sono, infatti, numerose le tecniche utilizzate per la preparazione di
membrane sintetiche che vengono qui di seguito descritte.
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Capitolo 1 Principi di base
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1.2.1 Estrusione
L’estrusione è la tecnica più semplice e veloce per preparare membrane
polimeriche dense. Il polimero viene riscaldato in un estrusore e poi ad alta pressione
estruso in forma di un film piano (attraverso una scanalatura sottile) o di una fibra cava
(attraverso un’apertura anulare).
Lo spessore dello strato polimerico dipende dalla configurazione della testa di
estrusione e dalla reologia ma può essere modificato tramite la velocità di raccolta.
Nel caso delle fibre cave l’immissione di aria impedisce il collasso o aumenta il
diametro delle fibre.
Non è facile ottenere film con uno spessore inferiore a qualche decina di micron.
Membrana
piana
Figura 1.3: rappresentazione schematica dell’estrusione di un polimero attraverso una scanalatura
rettangolare ed un’apertura anulare. Influenza della velocità di raccolta della membrana sullo
spessore (figura J. C. Jansen).
Durante l’estrusione si può verificare una notevole orientazione delle catene
polimeriche a causa della forte elongational shear (Figura 1.4). In membrane amorfe
questa orientazione generalmente aumenta la selettività delle membrane. In membrane
semicristalline l’effetto viene offuscato dalla cristallizzazione.
v
v
Fibra
cava
Velocità:
fino a >>1000 m/min
Confronto:
‘wet’spinning qualche m/min)
Il tubo centrale può essere
con o senza apertura per
immettere aria (soffiaggio)
v
1
velocità di
estrusione
v
2
: velocità di raccolta
Polimero
Polimero
zona di
raffreddamento
Polimero
Polimero
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Elongational shear
v
2
v
1
velocità
velocità di
di raccolta
estrusione
Figura 1.4: orientazione delle catene polimeriche durante il processo di estrusione (figura J. C.
Jansen).
1.2.2 Polimerizzazione interfacciale
Questo metodo permette di creare uno strato sottile su un supporto poroso. Con
questa tecnica si ottiene di solito una reazione di polimerizzazione tra due monomeri,
particolarmente reattivi, all’interfaccia di due solventi immiscibili. Il supporto poroso
viene prima immerso in una soluzione acquosa, contenente di solito un’ammina, per poi
essere successivamente immerso in un bagno di un solvente immiscibile con l’acqua,
contenente spesso un cloruro acido. I due monomeri reagendo tra di loro formano lo
strato superficiale denso. Si arriva così alla formazione di una membrana composita,
formata dallo strato denso e dal supporto poroso [2]. Il meccanismo di formazione è
schematizzato nella Figura 1.5.
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Capitolo 1 Principi di base
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Figura 1.5: rappresentazione schematica della formazione di una membrana composita con il
meccanismo della polimerizzazione interfacciale (riprodotto da M. Mulder: 1991, Basic Principles
of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Dordecht / Boston / London.
1.2.3 Sinterizzazione
La tecnica di sinterizzazione permette di ottenere membrane porose sia da polveri
organiche che inorganiche. Per quanto concerne la preparazione delle matrici
polimeriche, una polvere del materiale scelto (polietilene, polipropilene, teflon − PTFE
− ecc.) con particelle di adatte dimensioni, viene pressata e sinterizzata ad alta
temperatura. Pertanto questa tecnica consiste nel compattare ad elevate temperature i
granuli costituenti il materiale in modo da saldarli gli uni agli altri formando così la
membrana. Il valore della temperatura varia a secondo del materiale utilizzato. La
porosità è determinata dal diametro delle particelle e dalla distribuzione delle loro
dimensioni. Con questo metodo si ottengono generalmente dei pori delle dimensioni
comprese tra 0,01 e 10 µm [2].
1.2.4 Stiramento
Un metodo semplice per la preparazione di membrane microporose è quello per
stiramento di un film polimerico. Il materiale polimerico viene stirato
perpendicolarmente alla direzione di estrusione, in modo da organizzare le regioni
cristalline parallelamente alla direzione di estrusione. In seguito all’applicazione di una
forza meccanica si ha la formazione di microcavità, caratterizzate da un diametro di
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Capitolo 1 Principi di base
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0,1-0,5 µm a seconda del materiale utilizzato. Questa tecnica permette il
raggiungimento di elevati gradi di porosità (addirittura del 90%) [2].
1.2.5 Track-etching
Il track-etching permette di ottenere membrane con una distribuzione di pori
molto regolare, aventi una forma cilindrica e paralleli tra di loro. Le dimensioni dei pori
sono uniformi e questi attraversano da un lato all’altro l’intero spessore della
membrana. Con questo metodo un film polimerico viene irraggiato con radiazioni
corpuscolari ad alta energia (ad esempio particelle α). Le particelle danneggiano la
matrice polimerica in seguito alla rottura di legami chimici creando delle incisioni. Il
film viene successivamente immerso in un bagno acido o alcalino. Si rimuove così il
materiale polimerico danneggiato e si ha la formazione dei pori cilindrici uniformi con
un diametro compreso tra 0,02-10 µm. Il grado di porosità con questa procedura è
estremamente basso (non superiore al 10%) e viene determinato principalmente dal
tempo di irraggiamento [2].
1.2.6 Coating
Attraverso le membrane dense il trasporto avviene con un flusso molto lento. Per
alcune è necessario ridurre il più possibile il passaggio di sostanze attraverso il loro
spessore. Questo scopo può essere conseguito con la preparazione di matrici composite.
Tali membrane sono formate da due differenti materiali, di cui uno molto selettivo
depositato sulla superficie esterna, mentre l’altro non selettivo viene generalmente
impiegato come supporto poroso. Le membrane preparate con questa tecnica vengono
utilizzate, ad esempio, nell’osmosi inversa, per la separazione dei gas, nella
pervaporazione e per il rilascio controllato.
Nella Figura 1.6 è riportato il procedimento del dip-coating. La membrana viene
prima immersa nella soluzione di coating contenente il polimero, a bassa
concentrazione, di solito intorno all’1-2%. Successivamente viene tenuta nel bagno
polimerico per alcuni secondi per poi essere allontanata. Durante il suo allontanamento
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Capitolo 1 Principi di base
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si ha il drenaggio della soluzione di coating e, inseguito, la successiva evaporazione del
solvente.
Figura 1.6: rappresentazione schematica del processo di coating in tutte le sue fasi (figura J. C.
Jansen).
Lo spessore della membrana formatasi dipende da diversi fattori, tra cui:
1) viscosità e concentrazione della soluzione di coating;
2) velocità di prelevamento del supporto (che a sua volta determina il tempo a
disposizione del sol di fluire);
3) velocità di evaporazione del solvente.
Finora sono state viste delle tecniche di preparazione che portano alla formazione
di membrane di un solo tipo: porose con la sinterizzazione, lo stiramento ed il track-
etching e dense in superficie con il dip-coated. Saranno ora osservati i procedimenti
utilizzati nell’inversione di fase che permette di ottenere sia membrane porose che
dense.
1.2.7 Inversione di fase
L’inversione di fase è un processo attraverso il quale il polimero viene trasformato
da una forma liquida ad una forma solida. Il processo di transizione inizia da uno stato
liquido e procede con un equilibrio, tra la precedente fase liquida ed il liquido detto di
smiscelamento, per concludersi con una fase solida: la membrana.
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Capitolo 1 Principi di base
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Questa tecnica permette la preparazione di matrici sia simmetriche che
asimmetriche. Variando, infatti alcuni parametri, come il tipo di polimero e la sua
concentrazione, il solvente e la temperatura di precipitazione, è possibile formare
diverse strutture con differenti proprietà di trasporto.
Per l’ottenimento di membrane asimmetriche, la precipitazione del polimero può
essere indotta con molteplici processi di inversione di fase. I principali parametri che
influenzano la morfologia delle membrane preparate mediante il processo di inversione
di fase sono dettate da:
1) scelta del sistema solvente/non solvente/polimero;
2) composizione della soluzione polimerica;
3) quantità del polimero inserito nella soluzione di casting;
4) composizione del bagno di coagulo (con la tecnica di immersione in un bagno
non solvente);
5) temperatura ed umidità relativa.
Spesso molteplici solventi possono essere utilizzati per un dato polimero,
l’importante è che siano miscibili completamente con il nonsolvente e che il polimero
sia solubile nel solvente ed insolubile nel nonsolvente. Il tipo di polimero utilizzato
limita la scelta dei solventi e dei nonsolventi che dipende dalla sua solubilità, mentre la
sua concentrazione nella soluzione di casting condiziona le proprietà della membrana
ottenuta.
Saranno ora discusse brevemente le differenti tecniche di preparazione delle
membrane con l’inversione di fase.
Evaporazione del solvente
Questa è la tecnica più semplice per la preparazione di membrane tramite
l’inversione di fase [2]. Con questo metodo il polimero viene dissolto in un opportuno
solvente e, dopo l’ottenimento di una soluzione omogenea, questo viene spalmato su un
apposito supporto, come per esempio una lastra di vetro. Il solvente viene poi lasciato
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evaporare in un’atmosfera inerte, tenendo lontana la soluzione spalmata da vapori che
potrebbero indurre la precipitazione del polimero, e si ottiene così una membrana densa
ed omogenea (Figura 1.7).
Evaporazione del solvente
Evaporazione del solvente
Film polimerico solido
Soluzione polimerica
Soluzione polimerica concentrata
Figura 1.7: rappresentazione schematica del processo di inversione di fase per evaporazione del
solvente (figura J. C. Jansen).
Precipitazione indotta da vapore
La soluzione di casting, dopo essere spalmata su un opportuno supporto, viene
messa in un’atmosfera di vapore di un opportuno nonsolvente per il polimero, spesso
l’acqua, e miscibile con il nonsolvente usato.
Evaporazione del solvente
Diffusione
Diffusione
esterna del
Interna del
Figura 1.8: rappresentazione schematica del processo di inversione di fase per precipitazione del
polimero in fase di vapore (figura J. C. Jansen).
Un’elevata concentrazione di solvente nella fase di vapore potrebbe prevenire
l’evaporazione del solvente stesso dalla soluzione spalmata. La membrana si forma
grazie alla penetrazione del nonsolvente nel film polimerico (Figura 1.8). Lo scambio
tra solvente e nonsolvente determina la precipitazione del polimero e la formazione
della membrana [3,4]. Si ottengono così membrane porose simmetriche (Figura 1.8).
Soluzione polimerica
Soluzione concentrata del polimero.
Pellicola porosa del polimero
precipitazione
NS
solvente Nonsolvente Immersione
nella fase
di vapore
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