The study evaluated the possibility of obtaining microfibers starting from commercial maltodextrins cross-linked with citric acid and possibly functionalized or mixed with other biodegradable polymers (for example, PVA). Maltodextrins were chosen because they are characterized by a low cost, are soluble in aqueous solvents and therefore, represent a potential "green" alternative to fibers or supports obtained from synthetic polymers. A maltodextrin with DE (dextrose equivalent) equal to 2 (Glucidex 2®) was used, already the subject of previous studies that confirmed its good solubility in aqueous solvents and its excellent ability to form fibers by electrospinning. In this context, citric acid was used as a cross-linker in order to obtain cross-linked polymers insoluble in aqueous solution; for this purpose, thermogravimetric analysis (TGA) and infrared spectroscopy (FTIR-ATR) were used to confirm the role of citric acid as a crosslinker in post electrospinning heat treatment. In detail, cationic microfibers have been obtained, retaining and subsequently releasing cationic microelements or macroelements (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+) and anionic microfibers releasing anionic microelements (MoO42-, BO33-). Then, the release rates of the nutrients in different solutions were evaluated, capable of simulating the real conditions of ionic exchange and complexing power of the soil. The elements were analyzed by emission spectroscopy using a Perkin Elmer Optima 7000 DV ICP-OES. In detail, the first step was to evaluate the release kinetics of cationic micronutrients and understand the extent of the interaction between citric (cationic) microfibers and cations (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+). A good interaction between cations and citric microfibers was verified while, for anionic microelements, the weak interaction between anion and substrate gave them a rapid release in aqueous solution. The encouraging slow release results obtained with cationic compounds led to the development of a potential slow release fertilizer also for anionic microelements (MoO42-, BO33-); the goal was to functionalize the maltodextrins with positive charges and subsequently verify the interaction with the molybdate and borate ion. The main reported strategy for the introduction of positive charges involves the functionalization of the polysaccharide skeleton with specific molecules carrying quaternary ammonium groups, for example betaine chloride. The results indicated that betaine-functionalized microfibrose structures conferred a slow release for the molybdate ion while a weak interaction and therefore rapid dissolution in water for the borate ion. The last step was to develop a polymer based on Glucidex 2® and PVA (Mw 89,000-98,000, 99 +% hydrolyzed) and first verify its boron retention capacity and then its release. It is concluded that these microfiber structures obtained by electrospinning have the potential to be used as a slow-release carrier of micro- and macroelements, representing an effective, low-cost and environmentally friendly alternative to less environmentally friendly synthetic products.
Lo studio ha valutato la possibilità di ottenere microfibre a partire da maltodestrine commerciali reticolate con acido citrico ed eventualmente funzionalizzate o miscelate con altri polimeri biodegradabili (ad esempio, PVA). Le maltodestrine sono state scelte in quanto sono caratterizzate da un basso un costo, sono solubili in solventi acquosi e quindi, rappresentano una potenziale alternativa “green” alle fibre o supporti ottenuti da polimeri di sintesi. È stata utilizzata una maltodestrina con DE (destrosio equivalente) pari a 2 (Glucidex 2®), già oggetto di studi precedenti che ne hanno confermato la buona solubilità in solventi acquosi e l’ottima capacità formare fibre per electrospinning. In questo contesto l’acido citrico è stato utilizzato come reticolante al fine di ottenere polimeri reticolati insolubili in soluzione acquosa; a tale scopo, l’analisi termogravimetrica (TGA) e la spettroscopia infrarossa (FTIR-ATR) sono state impiegate per confermare il ruolo dell’acido citrico come reticolante nel trattamento termico post electrospinng. Nel dettaglio, si sono ottenute microfibre cationiche, ovvero in grado di trattenere ed in seguito cedere microelementi o macroelementi cationici (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+) e, microfibre anioniche in grado di cedere microelementi anionici (MoO42-, BO33-). Quindi, si sono valutate le velocità di rilascio degli elementi nutritivi in diverse soluzioni in grado di simulare le condizioni reali di scambio ionico e potere complessante del terreno. Gli elementi sono stati analizzati mediante spettroscopia di emissione utilizzando un ICP-OES Optima 7000 DV della Perkin Elmer. Nel dettaglio, il primo step è stato quello di valutare le cinetiche di rilascio dei micronutrienti cationici e comprendere l’entità dell’interazione tra le microfibre citriche (cationiche) e i cationi (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+). È stata verificata una buona interazione tra i cationi e le microfibre citriche mentre, per i microelementi anionici, la debole interazione tra anione e substrato conferiva loro un rapido rilascio in soluzione acquosa. Gli incoraggianti risultati di lenta cessione ottenuti con i composti cationici hanno spinto a sviluppare un potenziale fertilizzante a lenta cessione anche per microelementi anionici (MoO42-, BO33-); l’obbiettivo è stato quello di funzionalizzare le maltodestrine con delle cariche positive e successivamente verificare l’interazione con lo ione molibdato e borato. La principale strategia riportata per l'introduzione di cariche positive prevede la funzionalizzazione dello scheletro polisaccaridico con molecole specifiche che trasportano gruppi ammonio quaternario, ad esempio betaina cloruro. I risultati hanno indicato che le strutture microfibrose funzionalizzate con betaina conferivano un lento rilascio per lo ione molibdato mentre, una debole interazione e quindi una rapida dissoluzione in acqua, per lo ione borato. L’ultimo step è stato quello di sviluppare un polimero a base di Glucidex 2® e PVA (Mw 89,000-98,000, 99+% hydrolyzed) e verificarne prima la capacità di trattenimento del boro e successivamente il rilascio. Si conclude che queste strutture microfibrose ottenute mediante electrospinning hanno il potenziale per essere utilizzate come carrier a lento rilascio di microelementi e macroelementi, rappresentando un'alternativa efficace, a basso costo e rispettosa dell'ambiente ai prodotti di sintesi meno ecocompatibili.
Rilascio di micro e macroelementi da polimeri ottenuti mediante electrospinning
MUCCIOLO, GIOVANNI
2020/2021
Abstract
Lo studio ha valutato la possibilità di ottenere microfibre a partire da maltodestrine commerciali reticolate con acido citrico ed eventualmente funzionalizzate o miscelate con altri polimeri biodegradabili (ad esempio, PVA). Le maltodestrine sono state scelte in quanto sono caratterizzate da un basso un costo, sono solubili in solventi acquosi e quindi, rappresentano una potenziale alternativa “green” alle fibre o supporti ottenuti da polimeri di sintesi. È stata utilizzata una maltodestrina con DE (destrosio equivalente) pari a 2 (Glucidex 2®), già oggetto di studi precedenti che ne hanno confermato la buona solubilità in solventi acquosi e l’ottima capacità formare fibre per electrospinning. In questo contesto l’acido citrico è stato utilizzato come reticolante al fine di ottenere polimeri reticolati insolubili in soluzione acquosa; a tale scopo, l’analisi termogravimetrica (TGA) e la spettroscopia infrarossa (FTIR-ATR) sono state impiegate per confermare il ruolo dell’acido citrico come reticolante nel trattamento termico post electrospinng. Nel dettaglio, si sono ottenute microfibre cationiche, ovvero in grado di trattenere ed in seguito cedere microelementi o macroelementi cationici (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+) e, microfibre anioniche in grado di cedere microelementi anionici (MoO42-, BO33-). Quindi, si sono valutate le velocità di rilascio degli elementi nutritivi in diverse soluzioni in grado di simulare le condizioni reali di scambio ionico e potere complessante del terreno. Gli elementi sono stati analizzati mediante spettroscopia di emissione utilizzando un ICP-OES Optima 7000 DV della Perkin Elmer. Nel dettaglio, il primo step è stato quello di valutare le cinetiche di rilascio dei micronutrienti cationici e comprendere l’entità dell’interazione tra le microfibre citriche (cationiche) e i cationi (Cu2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+). È stata verificata una buona interazione tra i cationi e le microfibre citriche mentre, per i microelementi anionici, la debole interazione tra anione e substrato conferiva loro un rapido rilascio in soluzione acquosa. Gli incoraggianti risultati di lenta cessione ottenuti con i composti cationici hanno spinto a sviluppare un potenziale fertilizzante a lenta cessione anche per microelementi anionici (MoO42-, BO33-); l’obbiettivo è stato quello di funzionalizzare le maltodestrine con delle cariche positive e successivamente verificare l’interazione con lo ione molibdato e borato. La principale strategia riportata per l'introduzione di cariche positive prevede la funzionalizzazione dello scheletro polisaccaridico con molecole specifiche che trasportano gruppi ammonio quaternario, ad esempio betaina cloruro. I risultati hanno indicato che le strutture microfibrose funzionalizzate con betaina conferivano un lento rilascio per lo ione molibdato mentre, una debole interazione e quindi una rapida dissoluzione in acqua, per lo ione borato. L’ultimo step è stato quello di sviluppare un polimero a base di Glucidex 2® e PVA (Mw 89,000-98,000, 99+% hydrolyzed) e verificarne prima la capacità di trattenimento del boro e successivamente il rilascio. Si conclude che queste strutture microfibrose ottenute mediante electrospinning hanno il potenziale per essere utilizzate come carrier a lento rilascio di microelementi e macroelementi, rappresentando un'alternativa efficace, a basso costo e rispettosa dell'ambiente ai prodotti di sintesi meno ecocompatibili.| File | Dimensione | Formato | |
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