Polimeri a impronta molecolare

I polimeri a impronta molecolare (MIP acronimo di Molecularly Imprinted Polymers) detti anticorpi plastici, sono recettori artificiali con siti di legame ad alta affinità per una particolare molecola o composto. L’idea di una tecnica di imprinting molecolare è stata acquisita fin dalle prime teorie sulle attività di interazione enzimi-substrato e antigene–anticorpi. Il sito attivo di un enzima si lega selettivamente a una specifica molecola di substrato in modo simile alla combinazione chiave-serratura.

I polimeri a impronta molecolare, infatti, sono materiali recettoriali progettati su misura spesso con metodi computazionali, caratterizzati dalla loro affinità e selettività intrinseche per molecole target specifiche, che esibiscono proprietà di legame paragonabili a quelle biologiche naturali come anticorpi, enzimi o recettori ormonali.

I polimeri a impronta molecolare sono composti da componenti stabiliti e il ruolo principale del monomero comporta due funzioni fondamentali ovvero quella di fornire gruppi funzionali che consentono la formazione di complessi e quella di generare vuoti precisi su misura per la molecola target. La scelta delle molecole modello per l’imprinting molecolare si basa su vari fattori, a seconda che il modello sia stabile, costoso, solubile, potenzialmente tossico e che i gruppi funzionali siano in grado di interagire con i monomeri.

I polimeri a impronta molecolare, grazie alla loro natura sintetica, mostrano buone caratteristiche meccaniche, un’elevata resistenza a temperature e pressioni elevate e inerzia verso acidi, basi, ioni metallici e solventi organici e una tolleranza migliore anche in condizioni ambientali avverse, rispetto alle loro controparti biologiche.

Queste caratteristiche notevoli hanno permesso ai polimeri a impronta molecolare di essere applicati in un’ampia gamma di campi, tra cui chimica analitica, sensori chimici, separazione cromatografica, preparazione di campioni applicata alla sicurezza alimentare, analisi ambientale, sicurezza e difesa o controllo di processi industriali.

Sintesi di polimeri a impronta molecolare

In generale, i polimeri a impronta molecolare vengono sintetizzati tramite reazioni chimiche note come le reazioni di copolimerizzazione tramite accoppiamento, reticolazione o innesto, utilizzando monomeri funzionali e reticolanti in presenza di molecole stampo.

La sintesi di polimeri altamente reticolati capaci di riconoscimento molecolare selettivo avviene tramite la polimerizzazione di un monomero in presenza della molecola bersaglio (template) che è incorporata nella matrice polimerica.

Per generare polimeri a impronta molecolare viene intrapreso un processo per creare una matrice polimerica con cavità incorporate che possiedono siti funzionali. Ciò viene realizzato combinando il modello con il monomero mentre è presente un solvente porogeno che non partecipa alle reazioni chimiche.

Il processo di formazione dei polimeri a impronta molecolare inizia con la dissoluzione della molecola bersaglio, del monomero funzionale, dell’agente reticolante e dell’iniziatore in un solvente opportuno. I solventi più comuni utilizzati per la sintesi di polimeri a impronta molecolare sono toluene, cloroformio, diclorometano o acetonitrile.

Il solvente serve a portare tutti i componenti in una fase nella polimerizzazione ed è responsabile della creazione dei pori nei polimeri macroporosi.

I monomeri funzionali sono scelti per interagire con la molecola bersaglio in quanto la formazione di un complesso molecola bersaglio-monomero stabile è fondamentale per il successo del riconoscimento molecolare.

I monomeri sono posizionati spazialmente attorno alla molecola bersaglio e la posizione è fissata dalla copolimerizzazione con monomeri reticolanti. Il polimero ottenuto è una matrice macroporosa che possiede microcavità con una struttura tridimensionale complementare a quella del template.

Pertanto, la rimozione delle molecole template dal polimero, tramite lavaggio con solvente, lascia siti di legame che sono complementari nella forma al template. Di conseguenza, il polimero risultante riconosce e si lega selettivamente alle molecole bersaglio.

Il metodo più comune utilizzato per ottenere polimeri a impronta molecolare è la polimerizzazione radicalica libera. Generalmente, la procedura di sintesi viene eseguita in condizioni di reazione blande come, ad esempio, temperatura inferiore a 80 °C e pressione atmosferica, in massa o in soluzione.

La reazione di polimerizzazione è normalmente molto rapida ed è avviata da un azocomposto, comunemente azobisisobutirronitrile (AIBN) tramite iniziazione termica o fotochimica. Nella sintesi dei polimeri a impronta molecolare, la scelta dei reagenti chimici è di primaria importanza per ottenere polimeri funzionali efficienti. Si sono rivelate molecole modello efficienti farmaci, amminoacidi, carboidrati, proteine, basi nucleotidiche, ormoni, pesticidi e coenzimi.

Per ottenere cavità altamente specifiche progettate per la molecola modello sono utilizzati tipici monomeri funzionali e, nello specifico acidi carbossilici come l’acido acrilico, l’acido metacrilico, e l’acido vinilbenzoico, acidi solfonici basi derivanti da eterocicli aromatici come vinilpiridina e vinilimidazolo.

Metodi di polimerizzazione

Il metodo di imprinting molecolare è ampiamente utilizzato nella scienza dei polimeri per la sintesi di polimeri a impronta molecolare. A seconda della loro applicazione finale la polimerizzazione può essere eseguita tramite metodi diversi come elettricità, polimerizzazione termica e polimerizzazione con luce U.V.

L’approccio convenzionale è quello di sintetizzare i polimeri a impronta molecolare in massa, quindi macinare il polimero risultante e setacciare successivamente le particelle negli intervalli di dimensioni desiderati in base all’applicazione specifica.

Questo metodo è il più diffuso perché è semplice sebbene la frantumazione, la macinazione e la setacciatura per ottenere le dimensioni appropriate delle particelle richiede molto tempo e spesso produce particelle di dimensioni e forma irregolari.

Per superare questi problemi, negli ultimi anni si sono sviluppati metodi alternativi per preparare nuovi formati di MIP, come membrane, monoliti preparati in situ, stampaggio superficiale, monostrati a impronta molecolare utilizzando altri metodi come la polimerizzazione per precipitazione.

La polimerizzazione per precipitazione è un metodo relativamente semplice in un unico passaggio per la formazione di microsfere o sub-microsfere polimeriche in condizioni appropriate. La differenza principale tra questo metodo e la polimerizzazione in massa è il grande volume di solvente di polimerizzazione nel caso del metodo di precipitazione.

Partendo da una soluzione monomerica omogenea diluita, le perle polimeriche in crescita precipitano dalla soluzione, a causa della loro bassa solubilità nel solvente. La polimerizzazione in sospensione è uno dei metodi promettenti per la produzione di perle uniformi a causa dell’uso di monomeri che sono insolubili o parzialmente solubili in acqua. Pertanto, il metodo è effettivamente eseguito attraverso le goccioline del monomero sospeso nella fase acquosa.

La polimerizzazione in emulsione prevede l’emulsione di agenti reticolanti, stampo e monomeri funzionali in una soluzione acquosa. Gli stabilizzanti vengono aggiunti alla fase non acquosa per ottenere piccole goccioline di emulsione stabilizzate e di dimensioni omogenee.

L’iniziatore redox solubile in acqua è comunemente utilizzato nella polimerizzazione in emulsione. L’iniziatore si decompone in condizioni di illuminazione o riscaldamento per generare radicali liberi. I monomeri funzionali e le molecole stampo vengono prima prepolimerizzati e il tempo di prepolimerizzazione è generalmente di 12 ore.

Per migliorare l’effetto di prepolimerizzazione, è possibile utilizzare l’assistenza ultrasonica. Quindi, sono aggiunti agenti di reticolazione e iniziatori per eseguire una reazione di polimerizzazione in condizioni idonee. Infine, i polimeri ottenuti sono eluiti in condizioni appropriate per eluire le molecole stampo.

Questo metodo forma particelle di dimensioni omogenee ma presenta molti svantaggi, come la necessità di condizioni complicate, che lo rendono difficile e costoso, la bassa prestazione del prodotto e la presenza di una fase acquosa nel sistema, che potrebbe avere un effetto negativo sulla prestazione dei polimeri risultanti che dovrebbero essere basati su un legame idrogeno favorevole al modello piuttosto che sulla presenza di acqua nel processo di sintesi.

Nel questo metodo a impronta superficiale, il modello e i monomeri funzionali sono miscelati per formare complessi di prepolimerizzazione e quindi, la polimerizzazione è condotta sulla superficie del substrato solido come, ad esempio, silice, chitosano e magnetite in presenza di iniziatori e agenti di reticolazione per formare lo strato impresso. L’estrazione dei modelli dallo strato polimerico mediante metodi fisici o chimici determina la formazione di cavità tridimensionali sulla superficie del substrato solido.

Questo metodo ha molti vantaggi, ovvero è facile da preparare, ampiamente applicabile, controllato in termini di dimensioni e forma, offre un’ampia area superficiale con siti di legame altamente selettivi ed è replicabile e sensibile rispetto ad altri metodi.

La tecnologia di nanoimprinting prevede la preparazione di polimeri a impronta molecolare con dimensioni nanometriche. Questi nano-MIP eliminano la necessità di ulteriore elaborazione e mostrano un’elevata resistenza meccanica, garantendo la durata delle loro posizioni di riconoscimento.

Le dimensioni nanometriche dei polimeri a impronta molecolare determinano un’ampia area superficiale specifica, consentendo un’estrazione quasi completa del modello e massimizzando le posizioni di legame disponibili, che possono essere trovate in genere sulla superficie o in prossimità della stessa, fornendo notevoli capacità di legame.

Inoltre, l’accessibilità delle molecole modello ai siti con impronta molecolare è migliorata, portando a dinamiche di legame rapide. Pertanto, la tecnologia di nanoimprinting ha un grande potenziale per una varietà di applicazioni e può contribuire alla stabilità dei sensori con impronta molecolare sintetizzando nanomateriali con migliori proprietà meccaniche.

Applicazioni

Le proprietà peculiari dei polimeri a impronta molecolare li hanno resi uno strumento estremamente interessante per diversi campi di applicazione, tra cui le scienze della separazione e della purificazione, i sensori e i biosensori, la catalisi e la somministrazione di farmaci.

I polimeri a impronta molecolare sono stati utilizzati nella somministrazione di farmaci, separazione e purificazione, sensori e biosensori, applicazioni catalitiche e nel rilevamento di alcune importanti proteine ​​e biomolecole.

Una delle aree applicative più ampiamente studiate dei MIP, è la cromatografia a imprinting molecolare in quanto questi polimeri sono particolarmente adatti per la separazione cromatografica, consentendo la preparazione di supporti su misura con selettività predeterminata.

I polimeri a impronta molecolare possono fungere anche da imitatori di legame artificiali di anticorpi naturali e possono essere utilizzati come elementi di riconoscimento nella tecnica del dosaggio immunologico, test biochimico che misura la presenza o la concentrazione di macromolecole o micromolecole in una soluzione attraverso l’uso di un anticorpo o di un antigene.

Questi polimeri sono stati utilizzati con successo con diversi tipi di trasduttori e sono stati utilizzati diversi metodi per ottenere una stretta integrazione della piattaforma di trasduzione con il polimero. In particolare, l’integrazione dei polimeri a impronta molecolare con i sensori può essere realizzata mediante polimerizzazione in situ, utilizzando un iniziatore fotochimico o termico, o mediante innesto superficiale con iniziazione chimica o UV.

Il vantaggio di quest’ultimo approccio risiede nella possibilità di modifica controllata delle superfici degli elettrodi inerti con film sottili di polimeri specifici. L’elevata selettività e resistenza di questi polimeri li rendono adatti all’uso a temperature e pressioni elevate, in presenza di diversi solventi organici e anche in condizioni di reazione acide e basiche. Per queste ragioni, possono essere impiegati al posto delle biomolecole, come enzimi e anticorpi catalitici naturali che sono altamente vulnerabili a determinate condizioni.

L’uso di MIP per applicazioni catalitiche è molto importante perché i catalizzatori sono in grado di imitare la selettività e la stereospecificità dei domini di legame di anticorpi ed enzimi che sono generalmente utilizzati come catalizzatori in diverse reazioni.

La loro possibilità di legare in modo forte e selettivo molecole bioattive rende questi materiali adatti ad applicazioni in campo biologico. L’elevata capacità di carico e il tempo di rilascio prolungato degli analiti, come i farmaci, fanno sì che i polimeri a impronta molecolare abbiano un enorme potenziale per la creazione di forme di dosaggio adatte.

Negli ultimi tempi, i polimeri a impronta molecolare sono emersi come strumenti preziosi per il recupero di inquinanti ambientali grazie alle loro capacità di adsorbimento e adattabilità a specifici inquinanti target, distinguendoli dai materiali carboniosi.

MIP e inquinamento

Di recente, i MIP hanno attirato l’attenzione nel recupero di inquinanti persistenti nell’ambiente. A differenza dei materiali carboniosi, i polimeri a impronta molecolare fungono da adsorbenti e possiedono la capacità di adattarsi allo specifico inquinante di interesse.

Questa adattabilità significa che questi polimeri possono essere progettati su misura per una particolare molecola di interesse. Il processo di preparazione dei polimeri a impronta molecolare prevede la miscelazione di monomeri con l’inquinante scelto durante la polimerizzazione, seguita dalla rimozione di questa molecola utilizzando un solvente appropriato.

Di conseguenza, si crea un polimero impresso con cavità che imitano la forma e il volume dell’inquinante. Questa affinità consente ai polimeri a impronta molecolare di attrarre selettivamente la molecola target, rendendolo più efficiente nell’adsorbire gli inquinanti persistenti nell’ambiente con maggiore selettività, specificità e la capacità di concentrare grandi volumi di inquinanti utilizzando una quantità minima di MIP.

Gli assorbenti basati sui MIP offrono diversi vantaggi, tra cui la possibilità di essere riutilizzati, l’economicità e l’isolamento efficace dell’analita desiderato dal campione facilitando l’efficiente rimozione della molecola target

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