Design and development of eco-sustainable biomaterials for healthcare applications

Abstract

Questo lavoro si è focalizzato sulla progettazione e sviluppo di biomateriali polimerici e ibridi applicabili nel settore sanitario seguendo i principi di ecosostenibilità ed economia circolare. Oggigiorno c’è una crescente necessità di sviluppare dispositivi sanitari composti da risorse rinnovabili che siano economici, ma soprattutto facili da smaltire e che non danneggino l’ambiente, oltre che sicuri ed efficaci per l’uomo. In questo contesto, lo scopo di questo lavoro è stato quello di sfruttare materiali biocompatibili e biodegradabili provenienti da fonti naturali e processi biomimetici green per sviluppare nuovi biomateriali multifunzionali in grado di rispondere a specifiche esigenze sanitarie. Nello specifico sono stati sviluppati due biomateriali ecosostenibili, uno completamente polimerico e l'altro di composizione ibrida, che hanno evidenziato notevoli potenzialità nei campi della ventilazione meccanica e della cosmesi a basso impatto ambientale. Il primo materiale è un aerogel polimerico composto da gelatina e chitosano, sviluppato attraverso un processo di chimica green e ottimizzato per ottenere un dispositivo medico ecosostenibile in grado di garantire, durante la terapia intensiva o l'anestesia, i normali livelli di umidità, calore e filtrazione dell'aria quando le vie aeree superiori del paziente vengono bypassate. Nel dettaglio, sono state selezionate materie prime derivate da scarti alimentari per realizzare un filtro monouso biodegradabile a ridotto impatto ambientale e a basso costo. Inoltre, i processi di liofilizzazione e reticolazione sono stati ottimizzati per sviluppare un materiale 3D stabile con un’elevata efficienza di filtrazione scalabile per l’industrializzazione. Il secondo materiale è un composto ibrido costituito da una fase minerale di idrossiapatite drogata con ioni titanio e nucleata su una matrice biopolimerica di alginato attraverso un processo di biomineralizzazione ispirato alla natura, con proprietà riflettenti adatte alla formulazione di filtri solari ecosostenibili. In particolare, oltre a proteggere adeguatamente la pelle dalle radiazioni UV ed eliminare gli effetti indesiderati causati dai componenti tipici dei filtri solari commerciali (effetto fotocatalitico, irritazione, penetrazione di nanoparticelle, ecc.), ci siamo concentrati sullo sviluppo di un filtro UV biocompatibile, che una volta formulato in crema e applicato sulla pelle, non rilascia sostanze dannose per l’ecosistema marino e per l'uomo. Infine, è stata effettuata una caratterizzazione a tutto tondo degli aspetti chiave di ciascun materiale, evidenziando i principali risultati e ostacoli, nonché i principali aspetti complessivi che potrebbero essere migliorati.

This work has been focused on the design and development of polymeric and hybrid biomaterials applicable in the healthcare sector following the principles of eco-sustainability and circular economy. Nowadays there is a growing need to develop healthcare devices composed of renewable resources that are inexpensive, but above all easy to dispose of and which do not harm the environment, as well as being safe and effective for humans. In this context, the aim of this work was to exploit biocompatible and biodegradable materials from natural sources and green biomimetic processes to develop new multifunctional biomaterials capable of responding to specific healthcare needs. Specifically, two eco-sustainable biomaterials have been developed, one fully polymeric and the other of hybrid composition, which have highlighted considerable potential in the fields of mechanical ventilation and of cosmetics with low environmental impact. The first material is a polymeric aerogel made of gelatin and chitosan, developed through a green-chemistry process optimized to obtain an eco-sustainable medical device capable of guaranteeing, during intensive care or anesthesia, the normal levels of humidity, heat and filtration of the trachea, when the patient's upper airways are by-passed. In detail, raw materials derived from food waste were selected to create a biodegradable disposable filter with reduced environmental impact and low cost. Furthermore, the freeze-drying and cross linking processes were optimized to develop a stable 3D material with high filtration efficiency that is scalable for industrialization. The second material is a hybrid compound consisting of a mineral phase, a hydroxyapatite doped with titanium ions, nucleated on a biopolymeric matrix of alginate through a nature inspired biomineralization process, demonstrating reflecting properties adapt for the formulation of eco-sustainable sunscreens. In particular, in addition to adequately protecting the skin from UV radiation and eliminating the undesirable effects caused by the typical components of commercial sunscreens (photocatalytic effect, irritation, penetration of nanoparticles, etc.), we focused on the development of a biocompatible UV filter which once formulated into a cream and applied to the skin, does not release substances harmful for marine ecosystems or humans. Finally, an all-round characterization of the key aspects of each material was carried out, highlighting the main achievements and obstacles, as well as the main overall aspects that could be improved.