Dagli scarti lignocellulosici a risorse per la salute: nuove applicazioni della lignina e dei suoi derivati

Over the last few years there has been a continuous and growing interest in polymers of plant origin. This interest is due to the possibility of using these polymers as an alternative to synthetic materials derived from fossil fuels and, above all, to their wide variety of applications. Among the main plant polymers there is lignin. Lignin is the primary component of the cell walls of lignocellulosic biomass, where it can be present in a percentage between 15 and 40% depending on the different plant species and the different cell types. Currently, lignin is obtainable in large quantities as a by-product from industries aimed at the production of wood pulp and from biorefineries and especially from the Kraft process, which is one of the main processes for chemically extracting cellulose from wood. Usually, most of the lignin that is produced in industrial processes is burned to obtain the energy necessary for the conversion of lignocellulosic biomass, therefore, with the increase of biorefineries, a greater quantity of lignin will be produced than necessary to feed the installations. Consequently, there is always a greater interest in the enhancement of lignin through conversion into products with high added value. Lignin, like other plant polymers present in great abundance, biodegradable and biocompatible, can be used for a wide range of industrial applications, ranging from biofuels to chemicals and advanced materials. Furthermore, lignin, unlike other plant polymers, also has antimicrobial and antioxidant properties. The phenolic groups contained in its structure can damage the bacterial envelope thus leading to cell lysis and the consequent release of cellular components; furthermore, being functional groups capable of forming hydrogen bonds, they increase the antioxidant activity of lignin. The combination of these factors makes this biopolymer a high potential material, which can be used in the pharmaceutical field and / or for biomedical applications. Research results regarding lignin-based materials, which can be sorted by particle size in hydrogels, granules, microcapsules, microparticles, nano capsules and nanoparticles, have increased over the past six years. The biggest growth is in the number of publications dealing with lignin nanoparticles (LNPs), which have more potential applications, such as the development of drug delivery systems. The main purpose of the thesis is to analyze the biological properties of lignin and its derivatives and the related applications of the biopolymer in the biomedical field (drug delivery) and in the pharmaceutical field.

Nel corso degli ultimi anni si è assistito ad un continuo e crescente interesse nei confronti dei polimeri di origine vegetale. Tale interesse è dovuto alla possibilità di utilizzare tali polimeri in alternativa dei materiali sintetici derivati da combustibili fossili e, soprattutto, alla loro ampia varietà di applicazioni. Fra i principali polimeri vegetali vi è la lignina. La lignina è il componente primario delle pareti cellulari della biomassa lignocellulosica, dove può essere presente in una percentuale compresa fra il 15 ed il 40% a seconda delle diverse specie vegetali ed i differenti tipi cellulari. Attualmente la lignina è ottenibile in grandi quantità come sottoprodotto dalle industrie volte alla produzione di pasta del legno e dalle bioraffinerie e, in particolare, dal processo Kraft, il quale è uno dei processi principali per estrarre chimicamente la cellulosa dal legno. Solitamente, la maggior parte della lignina che viene prodotta nei processi industriali viene bruciata per ottenere l’energia necessaria alla conversione della biomassa lignocellulosica, pertanto, con l’aumento delle bioraffinerie, verrà prodotta una quantità di lignina maggiore rispetto a quella necessaria per alimentare gli impianti. Di conseguenza, vi è sempre un maggiore interesse verso la valorizzazione della lignina tramite conversione in prodotti ad alto valore aggiunto. La lignina, come altri polimeri vegetali presenti in grande abbondanza, biodegradabili e biocompatibili, può essere utilizzata per un’ampia gamma di applicazioni industriali, che vanno dai biocarburanti alle sostanze chimiche e materiali avanzati. Inoltre, la lignina, differentemente dagli altri polimeri vegetali, presenta anche proprietà antimicrobiche ed antiossidanti. I gruppi fenolici contenuti nella sua struttura sono in grado di danneggiare l’involucro batterico portando, quindi, alla lisi cellulare ed al conseguente rilascio dei componenti cellulari; inoltre, essendo gruppi funzionali in grado di formare legami ad idrogeno, aumentano l’attività antiossidante della lignina. L’insieme di questi fattori rende tale biopolimero un materiale ad alto potenziale, il quale può essere utilizzato in campo farmaceutico e/o per applicazioni biomediche. I risultati delle ricerche riguardo ai materiali a base di lignina, che possono essere ordinati in base alla dimensione delle particelle in idrogel, granuli, microcapsule, microparticelle, nanocapsule e nanoparticelle, sono aumentati nel corso degli ultimi sei anni. La crescita più ampia riguarda il numero di pubblicazioni che si occupano di nanoparticelle di lignina (LNP), le quali presentano un numero maggiore di potenziali applicazioni, come ad esempio lo sviluppo di sistemi di somministrazione di farmaci. Lo scopo principale della tesi è quello di analizzare le proprietà biologiche della lignina e dei suoi derivati e le relative applicazioni del biopolimero in ambito biomedicale (drug delivery) ed in ambito farmaceutico.