Alginati

Gli alginati sono biomateriali che ha trovato numerose applicazioni nella scienza e nell’ingegneria biomedica grazie alle loro proprietà tra cui la biocompatibilità, la bassa tossicità, il costo relativamente basso e la facilità di gelificazione.

Gli alginati sono polimeri anionici presenti in natura, tipicamente ottenuti dalle alghe brune, tra cui Laminaria hyperborea, Laminaria digitata , Laminaria japonica, Ascophyllum nodosum e Macrocystis pyrifera mediante trattamento con soluzioni acquose alcaline.

L’estratto viene filtrato e al filtrato viene aggiunto cloruro di sodio o di calcio per far precipitare gli alginati. Questi sali  possono essere trasformati in acido alginico mediante trattamento con acido cloridrico diluito. Dopo ulteriore purificazione e conversione, viene prodotto l’alginato di sodio solubile in acqua che è uno dei membri più noti del gruppo degli idrogel.

I polimeri a base di alginati formano gel, cioè reticoli ionici in presenza di vari cationi bivalenti, come, ad esempio lo ione calcio e magnesio reticolando i gruppi carbossilato sullo scheletro polimerico.

Struttura degli alginati

Gli alginati sono polisaccaridi appartenenti alla famiglia dei copolimeri lineari la cui struttura è costituita da due unità monomeriche ovvero l’acido d-mannuronico, monosaccaride dell’acido uronico che può essere derivato dal mannosio  e acido l -guluronico, monosaccaride dell’acido uronico che può essere derivato dal gulosio, epimero C-3 dell’acido l- galatturonico.

struttura
struttura

La caratterizzazione degli alginati, ottenuta tramite NMR, mostra che il polimero ha una struttura a blocchi omopolimerici e che il contenuto di acido guluronico (G) è superiore a quello dell’acido mannuronico (M).  La disposizione dei blocchi G e M negli alginati, a seconda della loro fonte naturale, può essere sequenziale (unità ripetitive di blocchi GGGG o MMMM), alternata (GMGMGMGM) o random.

Gli  alginati sono caratterizzati dalla loro massa molecolare, indice di polidispersità, parametri come viscosità intrinseca, concentrazione critica, dal loro rapporto M/G e dal numero e dalla lunghezza della monade (G e M), diade (GG, MM, MG o GM) e triade (MMG, GGM , MGM), che forniscono informazioni strutturali correlabili con le loro proprietà reologiche ovvero gelificazione e/o addensamento in soluzione o in presenza di ioni monovalenti come K+ e Na+  e bivalenti  come Ca2+ e Mg2+.

Gli alginati contengono molti gruppi idrossilici (-OH) e  gruppi carbossilici (-COOH) liberi che consentono loro di formare legami a idrogeno intramolecolari. Gli oligosaccaridi alginati (AOS) sono oligomeri contenenti da due a 25 monomeri che possono essere ottenuti mediante idrolisi di legami glicosidici, sintesi organica o biosintesi.

Solubilità

Gli alginati hanno una diversa solubilità a causa dei loro diversi pesi molecolari. Contenendo uno ione carbossilato terminale questo può legarsi a cationi bivalenti o trivalenti e si ottengono alginati poco solubili. Sono, tuttavia, in grado di assorbire una quantità di acqua pari a 200-300 volte il loro peso, gonfiandosi così fino a formare un idrogel di consistenza pastosa.

Gli alginati in cui sono presenti cationi monovalenti come Na+, K+ e NH4+ sono solubili in acqua calda e fredda. La solubilità degli alginati è influenzata da parametri quali pH e forza ionica. La viscosità degli alginati non viene influenzata a valori di pH al di sopra di 5, mentre in soluzioni con un valore di pH  minore di 5, il gruppo carbossilato viene protonato in –COOH.

Si verifica quindi che diminuisce la repulsione elettrostatica tra le catene le quali possono avvicinarsi per formare legami a idrogeno, per cui la viscosità diminuisce. Inoltre la viscosità degli alginati a valori di pH maggiori di 11 è ridotta a causa della depolimerizzazione.

Formazione di gel

Rispetto ad altri polisaccaridi come la gelatina o l’agar, gli alginati sono in grado di formare gel indipendentemente dalle variazioni di temperatura. Gli alginati in soluzione danno liquidi pseudoplastici la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato.

È stato inoltre osservato che, a concentrazioni e temperature costanti, le proprietà addensanti di diversi alginati provenienti da diverse fonti algali, indipendentemente dalla loro origine, sono correlate solo alla loro massa molecolare.

formazione di gel
formazione di gel

La formazione dei gel di alginato dipende da fattori quali il tipo di alginato utilizzato, il grado di conversione in alginato di calcio, la fonte di ioni calcio e i suoi metodi di preparazione. In presenza di cationi bivalenti come il calcio, avviene una forte interazione tra ioni e gruppi carbossilato di acidi guluronici di catene diverse, creando un reticolo tridimensionale insolubile in acqua e termicamente irreversibile. La formazione del gel di alginato dovuta al maggiore grado di barriera alla rotazione attorno al legame glicosidico dipende dalla percentuale di unità G e M.

I gel di alginato sono biomateriali promettenti per l’ingegneria tissutale e il trapianto di cellule, per sostituire organi in pazienti che hanno perso organi o tessuti oppure che questi ultimi abbiano subito un danneggiamento

Applicazioni

Gli alginati sono disponibili in grandi quantità negli oceani e, grazie alle loro diverse proprietà come biodegradabilità,  non tossicità, hanno numerose applicazioni nell’industria alimentare, farmaceutica, cosmetica, tessile, della saldatura e dell’alimentazione animale.

applicazioni
applicazioni

L’alginato è comunemente utilizzato nell‘industria alimentare per modificare alcune caratteristiche degli alimenti e, in particolare quale addensante, la capacità di legare l’acqua e la formazione di film. Nel processo di produzione del gelato, l’uso di alginato di glicole propilenico a basse concentrazioni provoca un basso numero di cristalli di ghiaccio conferendo una sensazione gradevole.

Un’altra applicazione dell’alginato è la stabilizzazione delle bevande alla frutta e della birra. L’alginato è utile nella maionese e nei condimenti per l’insalata costituite da emulsioni di acqua in olio. Le strutture in alginato di calcio sono considerate dall’industria della carne un’alternativa ai budelli naturali degli animali.

La capacità di formare gel di alginato in presenza di cationi polivalenti, la biocompatibilità e la biodegradazione hanno reso questo polimero un materiale molto speciale per applicazioni mediche. Il ruolo convenzionale dell’alginato in campo farmaceutico comprende la funzione di agenti addensanti, gelificanti e stabilizzanti, poiché l’alginato può svolgere un ruolo significativo nei prodotti farmaceutici a rilascio controllato.

I gel di alginato che hanno generalmente dimensioni porose di circa 5 nm, sono usati, infatti, nella somministrazione controllata dei farmaci. I farmaci proteici sono molto richiesti e, grazie ai progressi nella tecnologia del DNA ricombinante, è disponibile una vasta gamma.

Gli alginati sono ideali per la somministrazione di farmaci proteici che possono caricarsi nella matrice di alginato in diverse formulazioni in condizioni relativamente blande e possono evitare la denaturazione e la degradazione.  Gli alginati hanno anche proprietà emostatiche, che li rendono utili nel trattamento delle ferite sanguinanti.

Gli alginati sono noti per la formazione di gel in grado di addensare e mantenere l’umidità e sono utilizzati in una varietà di cosmetici. Formando una rete di gel, l’alginato aiuta a trattenere, ad esempio, il colore del rossetto sulle labbra e sulle creme per il viso e sulle lozioni idratanti per il corpo.

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