Descrizione del modulo "PM.P07.015.004 Biocompositi e biomateriali polimerici per applicazioni ingegneristiche, biomedicali e di interesse nei beni culturali (PM.P07.016.001)"

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  • Descrizione del modulo "PM.P07.015.004 Biocompositi e biomateriali polimerici per applicazioni ingegneristiche, biomedicali e di interesse nei beni culturali (PM.P07.016.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Per lo sviluppo di nuovi materiali per il settore dei Beni culturali, è fondamentale la possibilità di aggiungere sostanze con proprietà funzionali - quali quelle connesse alla protezione dalla luce UV o dallo sviluppo di funghi e microrganismi - che possono contribuire a migliorare l'efficienza degli interventi e quindi preservare in modo efficace il patrimonio culturale. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Sviluppo di nuovi materiali compositi polimerici, caratterizzati da un basso impatto ambientale e/o a base di componenti biodegradabili, con specifiche proprietà fisico/meccaniche, riciclabilità e ridotti costi di produzione rispetto ai materiali tradizionali. In tale contesto sarà sviluppato lo studio di sistemi nano-compositi e ibridi (contenenti cariche organiche e/o inorganiche) - opportunamente modificati- per la preparazione di materiali con struttura programmata ed elevata resistenza termica e meccanica. Inoltre, saranno sviluppati materiali e tecnologie innovative per il consolidamento e la ristrutturazione di Beni Culturali. Nel campo dei materiali per usi biomedici, la ricerca è rivolta all'ingegnerizzazione di strutture di supporto (scaffolds) in materiali polimerici e bioattivi per il controllo del differenziamento di cellule staminali verso fenotipi di tessuti maturi, ed in particolare il tessuto cardiaco, vascolare, valvolare e osseo. Inoltre saranno sviluppati nuovi sistemi nanoparticellari funzionalizzati per il rilascio controllato e mirato di farmaci o principi attivi con attività antineoplastica verso specifici tessuti. (literal)
Competenze
  • L'UOS-Pisa dell'IPCB svolge da lungo tempo un'intensa atività di ricerca e formazione nel campo della chimica e fisica dei sistemi macromolecolari, con particolare attenzione alla modifica funzionale, alla processabilità e alle relazioni struttura-proprietà di materiali polimerici termoplastici di vario tipo, e loro miscele o compositi, di ampio interesse applicativo nei settori dell'imballaggio, della componentistica, del restauro, dell'ingegneria tissutale e biomedica. L'UOS-Pisa è attrezzata con laboratori, strumentazioni analitiche e apparati di vario tipo per la preparazione, la processabilità e la caratterizzazione strutturale, morfologica, chimica, fisica e reologica di materiali organici e inorganici di varia natura (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Sistemi compositi costituiti da matrici polimeriche e fibre vegetali (presenti come fase micro- e/o nano-dispersa) offrono l'opportunità di sviluppare materiali ecocompatibili ed economicamente vantaggiosi, con ampie potenzialità di impiego in diversi settori tecnologici (imballaggio, trasporti, edilizia, biomedicale, beni culturali, etc.). In questo contesto, la possibilità di sviluppare nuovi sistemi ibridi (contenenti nano-componenti organici ed inorganici) - controllando la morfologia delle fasi, le caratteristiche interfacciali, la compatibilità e i processi di miscelazione – costituisce un importante vantaggio per la formulazione di materiali con struttura e proprietà programmabili. Inoltre, il possibile ri-utilizzo di materiali plastici di riciclo per la produzione di bio-compositi (rinforzati con fibre naturali di vario tipo e dimensione) costituisce anche un sicuro vantaggio sullo sviluppo dei processi di raccolta e recupero dei materiali. (literal)
Tecnologie
  • L'impiego dei materiali polimerici nel settore del consolidamento e del restauro dei beni culturali rende possibile lo sviluppo di metodologie di intervento sempre più sofisticate. I materiali polimerici, con o senza fasi di rinforzo, offrono una molteplicità di caratteristiche estremamente utili per la conservazione, il consolidamento ed il restauro di manufatti lignei e lapidei. In particolare i manufatti lignei possono essere consolidati e protetti mediante materiali polimerici termoplastici o termoindurenti, che coniugano ottime proprietà meccaniche, termiche e di adesione al substrato. (literal)
Obiettivi
  • Nel campo dei nuovi materiali, l'attività è finalizzata allo sviluppo di compositi e nano-compositi polimerici a matrice termoplastica e/o termoindurente contenente cariche di diverso tipo e dimensione (fibre vegetali, nano-cellulosa, nano-particelle inorganiche) opportunamente modificate, ottenuti mediante processi di miscelazione in soluzione e/o nel fuso, in grado di migliorare la dispersione dei componenti e garantire un effettivo controllo sulle proprietà finali dei materiali. L'attività nel campo dei materiali per usi biomedici riguarda l'ingegnerizzazione di strutture di supporto (scaffolds) in materiale polimerico ed ambienti bioattivi per il controllo del differenziamento di cellule staminali verso fenotipi di tessuti maturi ed in particolare il tessuto cardiaco, vascolare, valvolare e osseo. Il contenuto innovativo del progetto consiste nel realizzare scaffolds multifunzionali in grado di guidare i complessi processi di adesione, proliferazione e differenziamento cellulare, di fondamentale importanza nella rigenerazione guidata di tessuti. (literal)
Stato dell'arte
  • In accordo alle nuove normative europee ed internazionali che richiedono l'impiego di materiali dotati di un'elevata sostenibilità ambientale e ciclo di vita controllato, sistemi compositi e nanocompositi costituiti da matrici polimeriche biodegradabili e fibre naturali (vegetali, cellulosiche e derivati) presenti come fase dispersa, offrono l'opportunità di sviluppare materiali ecocompatibili da fonti rinnovabili ed economicamente vantaggiosi, con ampie potenzialità di impiego in svariati settori (imballaggio, trasporti, edilizia, biomedicale, beni culturali). Nel campo biomedicale, lo sviluppo di biomateriali per l'ingegnerizzazione del tessuto cardiovascolare si è rivolto ai materiali biomimetici, sia tridimensionali sia iniettabili, progettati per stimolare specifiche risposte cellulari e guidare la fomazione di nuovo tessuto. Per le malattie tumorali, che rappresentano la seconda causa di morte in Europa, c'è una forte esigenza di ottimizzare le terapie farmacologiche con l'obiettivo di migliorarne l'efficacia e aumentarne la specificità riducendo gli effetti collaterali delle terapie convenzionali. (literal)
Tecniche di indagine
  • Lo studio e lo sviluppo dei materiali e relativi processi di lavorazione viene condotto mediante l'utilizzo di varie apparecchiature scientiche e metodologie analitiche, riguardanti prevalentemente: l'analisi termica (DSC, MDSC), la termogravimetria (TGA), l'analisi diffrattometrica (RX, EDS) e spettroscopica (FTIR, UV), l'analisi morfologica mediante microscopia ottica (POM), elettronica (SEM, TEM) e a forza atomica (AFM), l'analisi meccanica, reologica e dinamico-meccanica (DMA). Lo studio e lo sviluppo dei biomateriali viene eseguito mediante l'impiego di strumentazione all'avanguardia per la caratterizzazione biologica, chimico-fisica e morfologica, nonché strumentazioni per la prototipazione rapida di scaffold per l'ingegneria dei tessuti e tecniche software per la progettazione, ricostruzione virtuale 3D e simulazione di protesi e scaffolds,la modellazione viene anche eseguita mediante codici di calcolo Ansys specifici. In particolare, vengono impiegate tecnologie avanzate per la prototipazione rapida di scaffolds che riproducono le architetture della matrice extracellulare; tecniche avanzate per la sintesi di biopolimeri e nanocompositi per applicazioni biomediche. (literal)
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