docpolimero - Consiglio Nazionale delle Ricerche
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polimero - Consiglio Nazionale delle Ricerche
Prof. Luigi Nicolais Consiglio Nazionale delle Ricerche L’evoluzione biologica La selezione naturale agisce attraverso una procedura molto lenta ma estremamente efficiente che consiste nel sottoporre continuamente le strutture a verifiche basate sull’approccio ‘trial and error’ allo scopo di sviluppare i materiali migliori per ogni prestazione funzionale L’EVOLUZIONE PROSEGUE modifica modifica di successo stadio evolutivo n modifica errata ESTINZIONE Haversian channel Collagen fibre Concentric lamellae (3-7 m) Apatite crystals (20-40 nm) stadio evolutivo n+1 Materiali Compositi per applicazioni industriali Fine ‘800 “Macro” compositi Metà ‘900 “Micro” compositi Fine ‘900 “Nano” compositi Cemento armato dimensione fibra ~ 1 cm Resina rinforzata dimensione fibra ~ 10 m Matrice polimerica nanocaricata dimensione carica ~ 10 nm LE CORBUSIER MAISON DE LA CULTURE DI FERMINY-VERT (Loira) Metà ‘900 “Micro” compositi Resina rinforzata dimensione fibra ~ 10 m Acciaio Leghe alluminio Vetro Vetro-Epoxy Carbonio-Epoxy Modulo [Gpa] Resistenza a trazione [GPa] Peso specifico [g/cm³] Modulo specifico [GPa·cm³/g] Resistenza specifica [GPa·cm³/g] 210 70 70 60 * 140 * 0.34 - 2.1 0.14 - 0.62 0.7 - 2.1 1.8 * 2.0 * 7.8 2.7 2.5 2.1 1.55 26.9 25.9 28 28.57 90.32 0.04 - 0.27 0.05 - 0.23 0.28 - 0.84 0.86 1.29 * lungo la direzione del rinforzo Materiali Compositi - Anisotropia Materiali Compositi - Fibre Condotto S filatura La spidroina viene secreta nella ghiandola ampullare La seta prodotta dai ragni è incredibilmente tenace, è elastica come il nylon ed è cinque volte più resistente dell’acciaio Nucleo della fibra Membrana interna Nanofibrille Matrice amorfa di catene proteiche Nanofibrille Nanocristalli proteici Cosa sono i polimeri? Il polimero è una molecola costituita da un gran numero di unità ripetitive unite "a catena" monomeri polimero Polimeri sintetici – materie plastiche polimerizzazione Polimero naturale - DNA Caratteristiche distintive della polimerizzazione a catena e a stadi Polimerizzazione a Catena Poliesteri Polimerizzazione a Stadi Epossidiche Problemi di processo - chemoreologia Parametri operativi nel processo dei termoindurenti 5 Temperatura 10 4 160 1000 100 120 10 80 1 Pressione 40 Gelificazione 0,1 0 50 100 Tempo [min] 150 200 Temperatura [°C] 200 Viscosità Viscosità [Poise] 10 Evoluzione dei compositi nell’industria aeronautica Concorde 787 Sopwith Camel B-2B DC-3 Legno (compositi naturali) Leghe metalliche leggere Compositi avanzati MILITARE CIVILE fibra matrice vetro boro grafite polimerica ceramica metallica Compositi nell’industria aeronautica 1981 materiali convenzionali materiali compositi Boeing 767 Compositi nell’industria aeronautica 2009 Compositi come materiale strutturale primario Boeing 787 Carbon laminate Carbon sandwich Other composites Other Steel 5% 10% Titanium 15% Aluminum Titanium Titanium/steel/aluminum Aluminum 20% Composites 50% Compositi nell’industria aeronautica – Modello Globale Compositi nell’industria aeronautica – Modello Globale Compositi nell’industria aeronautica Stabilimento di Grottaglie Progettazione e produzione di compositi avanzati Problemi di Processo • chemoreologia • modelli modulari Problemi di invecchiamento • acqua libera • acqua legata Problemi di design • tolleranza del danno Altri problemi • rumore • infiammabilità • … Compositi avanzati nel settore automobilistico Ferrari F150 Lamborghini Murcielago Dodge ESX3 Porsche Carrera GT Ferrari 599 Mercedes SLC Aston Martin One-77 BMW M3 Audi R8 GT Compositi avanzati nel settore navale HMS Shoreham Materiali - Composito con fibre di vetro Tecnologia di produzione - Resin infusion Produttore - Vosper Thornycroft Visby Corvette Materiali - Fibre di carbonio in resina vinil ester Tecnologia di produzione - Vacuum assisted sandwich infusion Produttore - Kockums AB Tecnologia e teaming Caratterizzazione specializzazione processo Scaling Comprensione cliente produzione • eterogeneo • anisotropo • viscoelastico Teaming Utilizzo • eterogeneo • globale • co-operativo Integrazione di concetti processo prestazione scienza costi capitali specializzazione design economia prodotto competenze struttura termo dinamica costi operativi produzione processo principi Concetti di teaming Concetti di scaling cinetica scienza proprietà innovazione comunicazione normative valore cliente psicosocializzazione Dimensione Materiali nanostrutturati Regime mesoscopico 1nm 10nm 100nm Atomi e molecole Solidi massivi Dimensione 4 3 1 2 Tavola periodica degli elementi in tre dimensioni Esempi di nuove proprietà: 1. Super-paramagnetismo; 2. Risonanza di plasma di superfice; 3. Effetto super-catalitico; 4. Semiconduttività nei metalli; Risonanza di plasma di cluster d’oro inglobati in vetro. Materiali nanostrutturati Le proprietà di un materiale possono essere progettate ”su misura” manipolando la sua struttura a diverse scale dimensionali, da quella atomico-molecolare fino a giungere alla scala macroscopica Livello macrostrutturale Livello microstrutturale Livello molecolare Livello atomico 10-1-1 mm 10-3-10-1 mm Micro attuatore 10-6-10-4 mm 10-7-10-6 mm particelle colloidali Materiali nanostrutturati Dispositivi ottici realizzati da leghe metallo-polimeriche Filtri Ottici Materiali termocromici Plastiche Magnetiche 0,6 0,6 3% Materiali Radio-opachi 5% wt 5% 0,4 10% wt 0,4 10 % 15% wt 15 % 0,2 20 % Moment [emu/g] Moment [emu/g] 0,2 30 % 0,0 -0,2 0,0 -0,2 -0,4 -4000 -0,4 Fe/PS -0,6 -2000 0 2000 Fe/PS 4000 Magnetic Field [Oe] -0,6 -1000 0 1000 Magnetic Field [Oe] 300 14,0 Schermi Termici Visible 13,8 UV (364nm) 250 200 Intensity [a.u.] Reflectance (%) 13,6 Fluorescenza 13,4 13,2 150 100 13,0 50 12,8 0 550 12,6 400 500 600 Wavelenght (nm) 700 800 600 650 Wawelength [nm] 700 CARBON COMPOUNDS AND ALLOTROPIC FORMS Organic chemistry Graphene is a carbon allotrope, whose structure is one-atom-thick planar sheet of sp2-bonded carbon atoms, densely packed in a honeycomb crystal lattice. Materiali nanostrutturati TRANSPARENT-CONDUCTIVE NANOCOMPOSITE FILMS Electrically conductive PVP-ITO nanocomposite Electrical conductivity of PVP-ITO nanocomposite film Transparent LD-PE film coated by a continuous layer of graphene Transparent and electrically conductive LDPE-graphene film GRAPHENE-BASED DEFORMATION SENSORS Polyethylene (LD-PE) films coated by a continuous layer of graphene can be used to fabricate deformation sensors. The film has been sealed with two aluminum electrodes into an elastic plastic (PET) case which allows reversible deformations. Idrogeli superassorbenti -Assorbimento di 2 l di acqua per grammo di hydrogel -Derivato da cellulosa (biodegradabile) The Concept • SAPs concepts • Structure/Prope rties • Applications Caratteristiche dei tessuti naturali Il processo di evoulzione ha conferito ai tessuti biologici proprietà uniche: - Eterogeneità - Anisotropia - Viscoelasticità Eterogeneità pelle I tessuti sono costituiti da: •Fase liquida •Fase solida cornea •Fase cellulare tendine Microscopia ottica Microscopia elettronica Eterogeneità: legno Nanofibre di cellulosa ~28nm www.ita.doc.gov/td/forestprod/ jupiter.phys.ttu.edu/corner/1999/dec99.pdf Anisotropia: tessuto osseo Ramo 45° E=17GPa 135° E=11GPa Mandibola anteriore 0° E=21GPa 90° E=12GPa Femore Elongitudinale= 20GPa Eradiale = 12GPa nuovi materiali che prendono esempio dalla natura spongioso Lamina composita compatto Schiuma caschi ed elmetti di protezione Viscoelasticità forza t=Ee Solido Elastico deformazione forza f . t=he Liquido viscoso velocità di deformazione Viscoelasticità velocità deformazione t= sforzo Componente elastica + Componente viscosa Viscoelasticità muscolo osso sinovia capsula menisco cartilagine tendine legamento osso liquido sinoviale I fluidi biologici sono costituiti da macromolecole ad alto peso molecolare (HA, glicosamminoglicani) Viscoelasticità Hyalgan Mw= 0.5-0.7MDa 1 10 G” w 0 Liquido Sinoviale Patologico + Hyalgan G' 10 G'' -1 G', G'' [Pa] 10 -2 10 -3 10 G’=0.001Pa Liquido Sinoviale Patologico -4 10 G’’= 0.05 Pa -5 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 Frequency [Hz ] Iniezioni di Hyalgan promuovono la sintesi di HMw HA nuovi materiali che prendono esempio dalla natura biomeccanica della cartilagine sistema di distribuzione dei carichi per scarpe L’evoluzione dei dispositivi protesici Hyaff scaffold IVD menisco BIOMATERIALI 1983 legamenti 2003 2005 salt leaching phase inversion disc hip tooth restorative 2015 cage mandible 2008 filament winding molecular imprintig CaP scaffold SCAFFOLD Scaffold customizzati electrospinning Protesi composite Mandibola Disco intervertebrale Tendini e legamenti Anca Ingegneria dei Tessuti effetto del materiale sulla risposta cellulare LASERSKIN® membrana di HYAFF7 Cellule stabilizzate di intestino CaCo2 38 giorni di coltura su Laserskin villi funzionali 38 giorni di coltura su poliuretano villi non funzionali Ingegneria dei Tessuti Rigenerazione della pelle pelle normale epidermide in vitro: cheratinociti su scaffold in Hyaff11 pelle in vitro: Co-coltura di cheratinociti e fibroblasti in scaffold di collagene e glicosamminoglicani pelle ingegnerizzata innesto autologo Ingegneria dei Tessuti Rigenerazione del tessuto osseo Impianto in vivo Scaffold poroso in PCL / PLA C Formazione di tessuto osseo ed assenza di capsula fibrotica NB S 4x C 1.25x NB S Ingegnerizzazione di Scaffold Innovativi Bioplotting macro-scala meso-scala cm mm micro-scala 400 µm 3D Bioplotting & solvent casting/ phase inversion nano-scala 30 µm Fibre porose Ingegnerizzazione di Scaffold Innovativi Scaffolds per difetti osteocondrali Gradiente nell’architettura e nella distribuzione di nanoparticelle di idrossiapatite e/o fosfati di calcio per la rigenerazione “guidata” del tessuto osseo e cartilagineo 100-200 m 200-300 m Infiltrazione con Collagene e Collagene/HA Regione per la rigenerazione cartilaginea (PCL) Regione per la rigenerazione ossea (PCL rinforzato con nanoparticelle di idrossiapatite e/o fosfati di calcio, con eventuale presenza di fattori di crescita (BMP-2) Ingegnerizzazione di Scaffold Innovativi Cell-material interaction A route toward the development of 3D magnetic scaffolds with tailored mechanical and morphological properties for hard tissue regeneration: preliminary study. R. De Santis, A. Gloria, T. Russo, U. D’Amora et al. Virtual and Physical Prototyping, 6(4), 189-195 Ingegneria dei Tessuti – Rigenerazione del Nervo Peripheral nerve regeneration proximal Tubular and porous scaffold, made of collagen and glycosaminoglycan distal Freeze dried scaffold Radial and open porosity materiali bioattivi – ricognizione biologica Soluble factors ECM molecules Focal adhesion Le cellule comunicano con i materiali usando un linguaggio molecolare basato su segnali biochimici (ricognizione biologica) materiali bioattivi – ricognizione biologica La comprensione del linguaggio cellulare apre nuove frontiere per l’ingegnerizzazione di piattaforme bioattive per il controllo dell’attività cellulare micro-patterning con laminina per il controllo dell’adesione e migrazione cellulare Strisce di laminina fibroblasti materiali bioattivi – ricognizione biologica Adesione su substrati di PEG funzionalizzati – effetto del gradiente del tripeptide RGD Sviluppo di modelli sperimentali per controllare e guidare la risposta cellulare in scaffold bioattivi controllo Traiettorie cellulari Aumento della pendenza del gradiente di segnale Tessuti come scaffold - Decellularizzazione Coltura di cardiomiociti da cuore decellularizzato Prof. D.Taylor – University of Minnesota biomimetica molecolare Nell’ultimo trentennio il concetto di materiale ha subito una trasformazione notevole passando da materiale quasi inerte a materiale quasi vivente capace di interagire con l’ambiente e reagire in risposta a stimoli futuro dei materiali quasi organici Integrazione di conoscenze Chimica Ingegneria Bioscienze Nanotecnologia Tecnologia dell’informazione Medicina Fisica Bioetica
