Filtri intelligenti per gas e liquidi

Responsabili: Monica Sandri, Anna Tampieri
Personale coinvolto: Elisabetta Campodoni, Chiara Artusi

Dispositivi 3D a porosità controllata sono progettati e realizzati per mezzo di processi ispirati dalla natura che, tramite reazioni di mineralizzazione e auto-assemblaggio di strutture polimeriche, sviluppa materiali compositi polimerici ed ibridi intelligenti e multifunzionali.

Analogamente, in laboratorio, grazie a questi processi ed all’attenta scelta e combinazione del tipo di matrice polimerica e fase inorganica, abbiamo potuto realizzare dei dispositivi porosi adatti a diversi ambienti, gassosi, acquosi, solventi organici e dotati di capacità filtranti nei confronti di:

• nano-micro-particelle metalliche e non, per filtri innovativi in respiratori per l’ambito militare (progetto finanziato dalla Difesa Militare)
• particelle e batteri applicazioni ambientali (e.g. purificazione delle acque)
• vapore acqueo, per applicazione in ambito ospedaliero come HMEf per pazienti tracheostomizzati. Dispositivi capaci di creare un equilibrio tra umidità espirata ed inspirata dal paziente, assorbendola in un senso e rilasciandola nel gas, freddo e secco, inspirato nell’altro. Allo stesso tempo dotati anche di potere batteriostatico per una maggiore safety del paziente.

Caratteristica comune di questi dispositivi è l’elevata porosità ottenuta grazie ad un processo di liofilizzazione che, attraverso appropriate rampe di congelamento e sublimazione altamente controllate, permette di decidere la geometria dei cristalli di ghiaccio che si formano e di trasformarli in porosità, con dimensioni e morfologia variabili e controllabili tramite la modulazione dei parametri di processo. Questo processo permette di controllare l’efficienza di cattura dei dispositivi oltre anche alla caduta di pressione del gas o fluido passante.

• filtri HME (heat and moisture exchange) per pazienti tracheostomizzati

Filtri a base di blend polimerici quali gelatina e chitosano reticolati chimicamente per aumentarne la stabilità in ambiente umido. Questi filtri hanno grandi vantaggi grazie alla loro elevata porosità interconnessa caratterizzata da una morfologia a canali allineati che ne determina un’elevata area superficiale ed una bassa caduta di pressione. Ispirandosi alla natura, puntano a ricreare un naso artificiale riproducendo le funzioni principali di questo; infatti al passaggio dell’aria attraverso il dispositivo, questo la umidifica e la riscalda grazie al calore umido che ha precedentemente trattenuto dall’aria espirata da paziente. Queste caratteristiche si riescono ad ottenere grazie a processi “green-chemistry” di assemblaggio di liofilizzazione, inoltre, le materie prime impiegate sono derivanti da materiale di scarto dell’industria alimentare e, quindi, tutto il processo risulta essere complessivamente a basso costo ed allineato alla tendenza “waste recycling”.

• filtri per la cattura di nanoparticelle e batteri

Filtri a base di gelatina mineralizzata con idrossiapatite (HA). Il processo biologicamente inspirato della mineralizzazione, in questo dispositivo, permette di ottenere delle porosità molto interconnesse tra di loro, requisito fondamentale per la creazione di un filtro perché ne influenza la caduta di pressione. Un’elevata efficienza di cattura delle nanoparticelle (incluse quelle inarrestabili nel range 30-100 nm) è raggiunta grazie sia alle dimensioni dei pori, che alle proprietà delle apatiti di interagire con sostanze tossiche e metalli pesanti, che a quelle della componente organica di creare porosità multidimensionali senza determinare eccessive cadute di pressione. Infine i dispositivi filtranti possono essere “personalizzati” addizionando argento colloidale nanodimensionato, per assicurare al dispositivo un’attività batteriostatica dopo cattura/filtrazione di batteri.

Strumenti e processi

La sintesi di dispositivi a porosità complessa avviene tramite tecniche avanzate che prevede lo sfruttamento dei processi bio-ispirati per la sintesi e processi a freddo (e.g. liofilizzazione, salt leaching, tape casting) per ottenere la struttura macro e tridimensionale, necessaria per l’ottenimento di elevate porosità.

Principali collaborazioni

• Pollution Bologna
• CNR ISAC e ISOF Bologna
• Università di Ferrara, microbiologia
• Friedrich-Schiller-University of Jena, Germany

Progetti

• MEDFIL
• SMILEY
• BATNAN

Pubblicazioni e brevetti

• 102017000022625: FILTRO PER LO SCAMBIO DI CALORE E UMIDITÀ PER APPLICAZIONE IN CAMPO MEDICALE E PROCEDIMENTO PER LA SUA PRODUZIONE
  Inventors: Sandri Monica, Sprio Simone, Tampieri Anna
  Registration date: 28/02/2017