Mono and dicarboxylic acids from renewable sources: a comparative study of their chitosan salts

The necessity to mitigate global warming and address the imminent depletion of fossil resources has driven recent research towards the production of chemicals and materials derived from renewable sources. Chitin, sourced from the exoskeletons of crustaceans and shrimp, is a by-product of the food industry. Its derivative, chitosan, has applications across various fields, including the food industry and medical devices, primarily in aqueous solution form. Chitosan can be dissolved in water through salification with various organic and inorganic acids, each conferring distinct properties to the resultant materials. This thesis investigates the properties of chitosan salts obtained by salification with mono- and dicarboxylic polyhydroxylated acids, aiming to rationalize the relationship between the acid structures and the resulting material properties. Ensuring a green approach, dihydroxyadipic acid (DHAA) and the isoserinol mono-amide of mucic acid (Am-M), not commercially available, were synthesized from natural precursors with environmentally compatible methods. The chitosan-based materials produced were characterized in solution using Dynamic Light Scattering (DLS) analysis and as solid films through tensile measurements, as sponges using Scanning Electron Microscopy (SEM). Results indicate a clear relationship between the acids' chemical structures and the material properties. Solution behaviour revealed variable colloidal stability over time, dependent on the acid used, significant for potential drug carrier applications. Mechanically, the materials exhibited elastic moduli comparable to several common industrial polymers, though all tested acids showed low strain at break values, consistent with their structural properties. These characteristics render the materials suitable for applications where elasticity is not critical, such as coatings, food preservation, and medical devices.

La necessità di mitigare il riscaldamento globale e affrontare l'imminente esaurimento delle risorse fossili ha spinto la ricerca recente verso la produzione di sostanze chimiche e materiali derivati da fonti rinnovabili. La chitina, ottenuta dagli esoscheletri di crostacei e gamberi, è un sottoprodotto dell'industria alimentare. Il suo derivato, il chitosano, ha applicazioni in vari campi, inclusi l'industria alimentare e i dispositivi medici, principalmente in forma di soluzione acquosa. Il chitosano può essere disciolto in acqua mediante salificazione con vari acidi organici e inorganici, ciascuno dei quali conferisce proprietà distinte ai materiali risultanti. Questa tesi investiga le proprietà dei sali di chitosano ottenuti mediante salificazione con acidi mono- e dicarbossilici polidrossilati, con l'obiettivo di razionalizzare la relazione tra la struttura degli acidi e le proprietà dei materiali risultanti. Garantendo un approccio ecologico, l'acido diidroassadipico (DHAA) e la mono-amide di isoserinolo dell'acido mucico (Am-M), non disponibili commercialmente, sono stati sintetizzati da precursori naturali con metodi compatibili con l'ambiente. I materiali a base di chitosano prodotti sono stati caratterizzati in soluzione mediante analisi di Dynamic Light Scattering (DLS) e come film solidi mediante misurazioni di trazione, e come spugne mediante Scanning Electron Microscopy (SEM). I risultati indicano una chiara relazione tra la struttura chimica degli acidi e le proprietà dei materiali. Il comportamento in soluzione ha rivelato una stabilità colloidale variabile nel tempo, dipendente dall'acido utilizzato, significativo per potenziali applicazioni come vettori di farmaci. Dal punto di vista meccanico, i materiali hanno mostrato moduli elastici comparabili a diversi polimeri industriali comuni, sebbene tutti gli acidi testati abbiano mostrato valori di allungamento a rottura bassi, coerenti con le loro proprietà strutturali. Queste caratteristiche rendono i materiali adatti per applicazioni in cui l'elasticità non è critica, come rivestimenti, conservazione degli alimenti e dispositivi medici.