ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
27-lug-2017
2016/2017
Scopo di questa tesi è la produzione di un polimero con proprietà adatte per applicazioni Lab-on-a-chip, al fine di rilevare contaminazioni batteriche nell’acqua destinata all’alimentazione.
Dal momento che l’analisi di tutti I patogeni è costosa e richiede tempi troppo elevati, si è deciso di considerare solo organismi indicatori della contaminazione sopracitata. L’ Escherichia Coli è un ottimo esempio del più ampio gruppo dei coliformi, presente nelle secrezioni umane e animali, è qui usato come organismo indicatore della contaminazione fecale dell’acqua. Alcuni ceppi dell’ E. Coli possono inoltre causare disturbi intestinali e infezioni. In aggiunta questo batterio è il più studiato e compreso a livello scientifico risultando il più utilizzato nella verifica della potabilità dell’acqua essendo la sua presenza direttamente correlate alla contaminazione fecale.
Tra tutti i metodi di analisi i sensori basati sulla Risonanza Plasmonica di Superficie (SPR) risultano essere gli strumenti migliori per in applicazioni in situ per l’identificazione del batterio E .Coli.
L’utilizzo di polimeri convenzionali nel sensore risulta impraticabile visto che questi persistono molti anni prima della loro degradazione. In aggiunta l’instabilità del prezzo del greggio conduce a strumenti costosi, e vista anche la richiesta di applicazioni in campo clinico e medico vi è una richiesta di sensori biocompatibili.
La nostra ricerca è cosi focalizzata sullo sviluppo di polimeri degradabili e biocompatibili che soddisfino i requisiti di elevate temperature di transizione vetrosa, trasparenza e uniformità dell’indice di rifrazione e lunghi tempi di degradazione per la conservazione e immagazzinamento.
Al fine di ottenere polimeri per usi in campo biomedico e applicazione nel campo dei sensori, sono qui analizzati i Poli(α-idrossiacidi), come l’acido poli lattico o poli mandelico. Generalmente questi possono essere ottenuti tramite ROP dei corrispettivi monomerici ciclici naturali: acido lattico e mandelico. La ROP da origine a prodotti ad alto perso molecolare con una distribuzione dei pesi molecolari più ristretta e consente la preparazione di copolimeri a blocchi rispetto ai metodi di policondensazione classica. Tuttavia, la maggior parte dei polimeri richiede gruppi laterali. È molto difficile introdurre funzionalizzazioni nei polimeri ottenuti dalla ROP dei α-lattoni. In aggiunta vi può essere un numero elevato ri reazioni di trans esterificazione.
Nuove strategie sono state qui analizzate per superare i problemi associati alla reazione.
La sintesi di polimeri partendo dai 1,3-dioxolane-2,4-diones, equivalenti sintetici dei α-lattoni, una classe di composti ad anello a cinque membri, anche chiamati O-carboxyanidridi (OCAs), sembrano essere una valida alternative per la produzione di polimeri ad elevate temperatura di transizione vetrosa (Tg). In aggiunta la loro sintesi richiede condizioni più blande risultando una alternativa competitiva in un ottica di produzione industriale.
Inizialmente abbiamo sviluppato una procedura per la sintesi di 5-metil-1,3-dioxolane-2,4-diones (LacOCA) and 5-fenil-1,3-dioxolane-2,4-diones (ManOCA) rispettivamente da acido lattico e mandelico e successivamente abbiamo eseguito le reazioni di polimerizzazione variando solventi, catalizzatori e quantità.
Abbiamo analizzato i copolimeri e gli effetti che hanno differenti contenuti di monomero sulla Tg e sul grado di polimerizzazione.
Infine abbiamo cercato di sviluppare un nuovo monomero, 5-cicloexil-1,3-dioxolane-2,4-diones (CicloHexOCA), per superare problemi riscontrati nel Poli(ManOCA) dopo l’esposizione alla luce.
The objective of this thesis is to develop a biodegradable polymer for Lab-on-a-chip application in the detection of microbial water pollution. The type of bacteriological contamination we want to study is the faecal contamination.
Since it is expensive and time consuming perform analysis for all pathogens, samples are screened for so called indicator organisms. Escherichia Coli is an example of the larger group of coliforms and it is present in the human and animal faeces. Furthermore some E. Coli strains might cause intestinal diseases and infection as the outbreak. E. Coli is the most studied and well-defined microorganism. It is the most used bacterium for verifying faecal contamination in water because its presence is directly related to the sample contamination.
Among all detection methods Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor are suitable devices for the identification of E. Coli bacteria, also for in situ application. The use of convectional polymer in the sensor is impracticable because they persist many years before their degradation. In addiction the instability of oil price can lead to expensive devices; furthermore, for medical and clinical applications also biocompatibility is required.
Our research is so focused to the development of degradable polymers satisfying the requirement of high glass transition temperature, transparency and refractive index (RI) uniformity and long degradation times for storage.
In order to obtain polymers for sensing application and biomedical use, PAHAs (Poly(α-hydroxy acids), such as poly(lactic acid) (PLA) and similar poly(mandelic acid) (PMA), syntheses are here presented. Generally, these polymers can be obtained by ring-opening polymerization (ROP) of their corresponding natural cyclic monomers: lactic acid (LA) and mandelic acid (MA). ROP gives access to the production of high molecular weight polymers with lower dispersities and it allows the preparation of block copolymers in comparison with polycondensation, and here it has been chosen as reaction route for the polymer production.
However, most of polymers require side group modification in order to reach suitable feature for specific purposes. It is highly challenging to introduce functional groups into PAHAs derived from ROP of α-lactones. In addition, the high sensitivity of promoter can lead to an excessive number of transesterification reactions.
New competitive strategies should be developed to circumvent reaction-associated drawbacks.
Synthesis of polymers starting from 1,3-dioxolane-2,4-diones, the synthetic equivalent of natural α-lactones , a class of five membered ring compounds, also called O-carboxyanhydrides (OCAs), seems to provide a suitable alternative for the production of flexible and high quality polymers, which show an high transition glass temperature (Tg). In addition their synthesis requires milder conditions resulting in an competitive way for and industrial point of view.
We first develop a procedure for synthesis of 5-methyl-1,3-dioxolane-2,4-diones (LacOCA) and 5-phenyl-1,3-dioxolane-2,4-diones (ManOCA) from lactic acid and mandelic acid and then we performed their polymerisation using different catalytic system and solvent.
OCAs block copolymers were also investigated and the effect of monomer content on Tg was investigated at different composition.
In conclusion we try to develop a new monomer to overcome the problem of the aromatic ring in Poly(ManOCA), which result in yellow colour after exposure to light. This new monomer is called 5-cyclohexyl-1,3-dioxolane-2,4-diones (CicloHexOCA), which was synthetized from 2-cyclohexyl-2-hydroxyacetic acid.