I polimeri in medicina Teach article

Tradotto dalla classe 5 A LSSA I.I.S. Badoni A.S. 2017/18. La trattazione dell’argomento dei polimeri è spesso limitata alle lezioni di chimica. L’Establish project offre delle attività pratiche per studiare questi materiali e alcune delle loro applicazioni mediche.

I polimeri sono usati nei
prodotti di uso quotidiano
come lo shampoo

Immagine gentilmente
concessa da Kerry Lannert;
fonte dell’immagine: Flickr

Noi usiamo i polimeri tutti i giorni, per esempio sotto forma di plastiche, rivestimenti e carta, e in prodotti come pannolini e shampoo. I polimeri sono costituiti da grandi molecole formate da unità strutturali ripetenti.

Le attività che seguono sono state sviluppate per aiutare gli studenti ad effettuare collegamenti tra il mondo macroscopico dei materiali che noi possiamo osservare e il mondo sub-microscopico delle particelle (atomi e molecole) che noi non possiamo vedere, utilizzando applicazioni reali. Essi utilizzano l’approccio dell’apprendimento basato sull’indagine (inquiry-based learning), per cui gli studenti sono incoraggiati a sviluppare delle loro idee basate sulle loro osservazioni delle attività pratiche e quindi a testarle in contesti nuovi.          

Un paziente sottoposto a
dialisi.

Immagine gentilmente
concessa da quecojones; fonte
dell’immagine; Flickr

Nella prima attività, studenti di età compresa tra i 13 e i 15 anni studiano la diffusione dei liquidi attraverso differenti tipi di membrane polimeriche (Foglio di lavoro 1). Successivamente essi passano a delle considerazioni sulle membrane in medicina: come lavora il rene umano e come le sue funzioni possano essere svolte da una macchina per dialisi (Foglio di lavoro 2). L’obiettivo principale è capire perché alcune molecole vengano rimosse dal sangue durante la dialisi mentre altre no. Gli studenti dovrebbero anche prevedere cosa accadrebbe se il liquido della dialisi fosse l’acqua, portandoli così alla comprensione del fenomeno dell’osmosi.

Nella seconda attività, studenti di età compresa tra i 15 e i 17 anni produrranno membrane di cloruro di polivinile (PVC) e ne studieranno i comportamenti fisici e chimici. Quindi realizzeranno e testeranno una membrana PVC antibatterica (Foglio di lavoro 3). Come ampliamento di questa attività, gli studenti possono studiare membrane prodotte con diversi plastificanti, o determinare l’efficacia come antibatterici di membrane contenenti metalli diversi o diverse quantità di metalli.

Tutti e tre i fogli di lavoro possono essere scaricati in formato Word o PDF dal sito internetw8 di Science in School.  

Membrane con fori invisibili

In questa attività, viene richiesto agli studenti di pensare al mondo invisibile di atomi e di molecole e, attraverso la loro comprensione dell’attività, di sviluppare un’idea riguardo alla natura particellare della materia. Queste attività possono essere utilizzate per mostrare sia che le molecole esistono, sia che hanno dimensioni diverse. Gli studenti esamineranno la diffusione delle particelle attraverso diversi tipi di membrane, quindi applicheranno ciò che hanno appreso per fare delle considerazioni sul rene e sulla dialisiw1.

Per gentile concessione di Peter
Asquith; fonte dell’immagine: Flickr

Gli studenti avranno già esperienza dell’uso di setacci per separare miscele e la necessità di utilizzare setacci con fori di misura appropriata. L’insegnante può sfruttare l’esempio dell’imballaggio degli alimenti per introdurre le membrane di plastica, dopodiché gli studenti potranno svolgere l’indagine successiva con diverse membrane. L’insegnante dovrebbe incoraggiare una discussione riguardo le possibili spiegazioni dei risultati. Se necessario, dovrebbe stimolare lo sviluppo della consapevolezza che esistono particelle di diverse misure e membrane con fori di dimensioni differenti.

L’idea è quella di usare una varietà di pellicole / membrane, ad esempio sacchetti di carta economici, involucri o sacchetti per alimenti, per studiare il movimento delle particelle di iodio attraverso diverse membrane. Gli studenti dovrebbero impostare alcuni esperimenti, come suggerito nella Tabella 1. L’insegnante dovrebbe provarli in anticipo per assicurarsi che diano risultati sufficientemente diversi.

Numero della provetta Membrana
Tabella 1: Membrane utilizzabili per lo studio dei ‘fori’
1 Nessuna membrana
2 Coperchio della marmellata
3 Sacchetto di plastica o pellicola trasparente
4 Guanto di lattice

Gli studenti dovrebbero imparare a:

  • Trarre conclusion dalle osservazioni
  • Spiegare il fenomeno con l’esistenza di buchi invisibili e il movimento delle particelle
  • Riconoscere spiegazioni alternative e discuterne coi compagni.

Foglio di lavoro per studenti 1: membrane con fori invisibili

Materiali

  • Soluzione di iodio (approssimativamente 0.05 M)
  • Soluzione di amido (approssimativamente 0.12% m/v)
  • Un assortimento di diverse pellicole di plastica

Procedimento

Studiare il movimento delle particelle di iodio attraverso diverse membrane. Fare un sacchetto con ogni membrana e metterlo una provetta con la soluzione di amido, come mostrato nella Figura 1. Versare alcune gocce della soluzione di iodio in ogni sacchetto e osservare ciò che accade.

Impostazione sperimentale
Immagine gentilmente concessa dalla Establish project
 
  1. Registrate le vostre osservazioni nella Tabella 2.
Tabella 2: Risultati del vostro esperimento
    1 2 3 4
Colore iniziale Nel sacchetto        
In provetta        
Colore finale Nel sacchetto        
In provetta        
  1. Potete spiegare cosa sta accadendo?
  2. Potete abbinare ciascuna delle vostre provette (1-4) con uno dei diagrammi (A-D) nella Figura 2?
Figura 2: Quale situazione corrisponde a ciascuna delle vostre provette?
Immagine gentilmente concessa dalla Establish project
 
  1. Cosa accadrebbe in ogni provetta se le soluzioni fossero invertite: se all’inizio la soluzione di molecole più piccole fosse nella provetta e la soluzione di molecole più grandi fosse nella membrana (Figura 3)? Inserite le vostre previsioni nella Tabella 3..
Figura 3: Cosa accadrebbe se le soluzioni fossero invertite?
Immagine gentilmente concessa dalla Establish project
 

Tabella 3: Le vostre previsioni se le soluzioni fossero invertite

    1 2 3 4

Colore iniziale

Nel sacchetto

       

el sacchetto

       

Colore finale

Nel sacchetto

       

In provetta

       


Foglio di lavoro per studenti 2: reni e dialisi

Il rene umano è un organo stupefacente, con due funzioni essenziali: il mantenimento dell’equilibrio idrico del corpo, e l’eliminazione di urea, sali e acqua. Ogni giorno, i reni filtrano 180 litri di fluidi dal sangue – la maggior parte di questi, insieme a tutti i nutrienti di cui il corpo necessita ancora, come glucosio e amminoacidi, vengono riassorbiti. Dai 180 litri di fluido che filtrano, i reni producono circa 2 litri di urina contenente sostanze di scarto come l’urea, che è tossica per l’organismo. L’urina viene quindi raccolta nella vescica prima di essere espulsa.

Come lavora il rene. Cliccare per espandere l’immagine. Per visualizzarla più in grande, cliccare qui.
a) Panoramica di un rene. La filtrazione avviene in 3 milioni di nefroni, dove il sangue arriva nei capillari sotto pressione.

Immagine gentilmente concessa da Piotr Michał Jaworski; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

b) Struttura dettagliata di un nefrone. L’acqua e molecole di piccole dimensioni vengono filtrate dal sangue attraverso i fori presenti sulla parete della capsula di Bowman. Nelle parti successive del nefrone, vengono riassorbite molecole di cui il corpo ha bisogno.
Immagine gentilmente concessa da
http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com
 

  1. Perché pensate che normalmente non ci siano proteine plasmatiche nelle urine nonostante esse siano presenti nel plasma sanguigno? 
  2. Come conseguenza di alcune lesioni o malattie sono state trovate cellule ematiche nell’urina. Cosa potrebbe essere successo per causare ciò?

Se i reni di una persona non funzionano, la morte sopravviene in circa quattro giorni perché l’urea aumenta e l’organismo perde il controllo dell’equilibrio idrico. La vita di questa persona può essere salvata con l’aiuto della dialisi; generalmente questo comporta tre trattamenti ospedalieri a settimana. Durante la dialisi, che dura tra le sei e le otto ore, il sangue viene prelevato dal paziente e, attraverso un tubo, fluisce in una macchina dove scorre accanto a un filtro chiamato membrana dialitica. Una speciale soluzione dializzante scorre dall’altra parte della membrana. La composizione di questa soluzione assicura il passaggio dell’urea dal sangue al fluido di dialisi attraverso il filtro, ma non quello del glucosio e degli amminoacidi. Il sangue, privato dell’urea, ritorna poi nel corpo del paziente.

  1. Perché i globuli rossi e le proteine plasmatiche non sono rimossi dal sangue durante la dialisi?
  2. Urea, glucosio e amminoacidi hanno dimensioni molecolari simili. Perché l’urea passa attraverso la membrana dialitica ma il glucosio e gli amminoacidi no?
  3. Cosa succederebbe se l’acqua fosse usata come fluido di dialisi?
  4. Come si potrebbe utilizzare la dialisi per rimuovere i sali in eccesso?
Membrane in PVC impregnate
d’argento mostrano
differenze nella zona di
inibizione caricata con
l’argento (Ag).

Immagine gentilmente
concessa da James Chapman,
Dublin City University

PVC Antibatterico

In questa attività, gli studenti produrranno delle membrane in PVC e studieranno gli effetti di un plastificante sulle proprietà chimiche e fisiche delle membrane (queste membrane possono essere utilizzate anche nella prima attività). In seguito gli studenti otterranno una membrana in PVC contenente particelle d’argento, e ne testeranno le proprietà antibatteriche incubandola per la notte.

Come indagine più avanzata, gli studenti potrebbero comprendere meglio le proprietà antimicrobiche delle membrane inserendo diverse concentrazioni di argento nelle membrane ed esaminando gli effetti della concentrazione nelle zone di inibizione che stanno osservando. Esempi tipici sono mostrati a destra.

Si possono ottenere Escherichia coli non patogeni dalla American Tissue Culture Collection (ATCC)w2. BAA 1427 in particolare è un ceppo surrogato non patogeno adatto per l’uso in questo esperimento

 

Foglio di lavoro per studenti 3: sintetizzare e studiare il PVC antibatterico

Il polimero polivinilcloruro (PVC) è una plastica economica e durevole utilizzata per tubature, insegne e abbigliamento. Spesso gli vengono aggiunti plastificanti per renderlo più flessibile e facile da manipolare. In questa attività, produrrete una membrana di PVC con e senza plastificante, quindi confronterete le loro proprietà chimiche e fisiche.

Le membrane antimicrobiche sono utilizzate in molte tecnologie mediche, e sono prodotte incorporando nei polimeri nanoparticelle o microparticelle d’argento o altri metalli. In presenza di ossigeno (dell’aria) e acqua, le particelle elementari dell’argento reagiscono formando ioni d’argento (Ag2+), i quali possono rompere le pareti cellulari, inibire la riproduzione cellulare e disturbare il metabolismo in alcuni batteri, virus, alghe e funghiw3, w4.

Materiali

  • Solvente : ossolano (tetraidrofurano, (CH2)4O)
  • Polvere di PVC
  • Sebacato di dibutile o altri plastificanti
  • Nitrato d’argento (AgNO3)
  • Citrato trisodico (Na3C6H5O)
  • Agar nutriente
  • Coltura batterica (ad esempio E. coli in un terreno nutritivo)
  • Una piastra riscaldante
  • Un agitatore magnetico
  • Beakers da 75 ml
  • Una superficie di vetro (ad esempio un beaker, un vetro d’orologio o un vetrino)
  • Un cilindro graduato
  • Una pipetta Pasteur
  • Una spatola
  • Piastre di Petri
  • Anelli di inoculazione

Procedimento

Note di sicurezza: tutti i passaggi devono essere effettuati sotto cappa. Il tetraidrofurano è un liquido ed un vapore altamente infiammabile che può provocare serie irritazioni oculari. Maneggiare con cura sempre sotto cappa e utilizzando i guanti

1) Produzione di PVC senza plastificante

  1. Usando la piastra riscaldante e un agitatore magnetico, scaldare 20 ml di solvente.
  2. Aggiungere lentamente 1.5 g di PVC in polvere, mescolando.
  3. Dopo circa 10 minuti, la soluzione dovrebbe risultare più viscosa. Togliere il beaker dalla piastra riscaldante.
  4. Rimuovere l’agitatore magnetico e versare alcuni millilitri della soluzione di PVC finemente e il più uniformemente possibile sul substrato di vetro (all’interno o all’esterno del beaker o sul vetrino o sul vetro d’orologio). Per garantire uno strato sottile, ruotare con attenzione il substrato di vetro mentre la soluzione è ancora calda.
  5. Lasciare il substrato e il PVC sotto   cappa per consentire l’evaporazione del solvente; ciò richiede circa 15 minuti. La membrana in PVC può quindi essere facilmente rimossa dal substrato di vetro.

2) Produzione di PVC con un plastificante

Ripetere i passaggi sopra riportati per ottenere altre quattro membrane di PVC, ognuna con un differente quantitativo di plastificante aggiunto al solvente caldo (vedere la Tabella 4).

Campione n°.

PVC (g)

Solvente (ml)

Dibutil sebacato (ml)

Tabella 4: Produzione di membrane di PVC con differenti quantità di plastificante
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. Confrontate i vostri cinque campioni di membrana di PVC. Quali effetti ha il plastificante sulla plastica?
  2. Cosa pensate che accada alla plastica quando viene aggiunto più plastificante?
  3. Facendo riferimento alle immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) sotto riportate, la vostra risposta alla Domanda 2 era corretta?
  4. Queste membrane possono essere usate nell’attività precedente (‘Membrane con fori invisibili’) per studiare la grandezza relativa dei ‘fori’.
immagini al SEM di PVC: a) non plastificato, b) con 0.5 ml di plastificante e c) con 2 ml di plastificante. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Per gentile concessione di Establish project

3) Produzione di PVC antibatterico

La preparazione del PVC contenente particelle di argento richiede una membrana con fori più larghi, motivo per il quale si utilizza un plastificante. L’argento viene aggiunto sotto forma di nitrato d’argento, il quale viene poi ridotto utilizzando il citrato di sodio.

  1. Utilizzando la piastra riscaldante e l’agitatore magnetico, riscaldare 20 ml di solvente.
  2. Aggiungere 2.5 ml di plastificante, successivamente aggiungere lentamente 1.5 g di polvere di PVC.
  3. Aggiungere 2.5 ml 10 mM di nitrato d’argento e mescolare per 1-2 min.
  4. Ripartire la soluzione in due beaker da 75 ml. Ruotare velocemente entrambi i beaker cosicché l’interno venga ricoperto di soluzione, formando una membrana con la forma del beaker. Assicurarsi che non ci siano spazi vuoti, in modo tale che la membrana possa trattenere l’acqua.
  5. Lasciare i beakers sotto cappa per permettere al solvente di evaporare, quindi rimuovere con cautela le membrane. (Questa operazione è abbastanza difficile; facendone due, si aumentano possibilità di successo.)
  6. Micro e nanoparticelle
    d’argento in una membrana
    di PVC. Cliccare sull’
    immagine per ingrandirla

    Immagine gentilmente
    concessa da Establish
    project    

    Preparare una soluzione di 5 mM di citrato di sodio e versarla con attenzione in una delle membrane a forma di beaker. La soluzione dovrebbe passare attraverso la membrana (tenetela sopra un beaker), reagendo con il nitrato di argento, dando nano- o micro particelle di argento.

  7. Osservare la variazione di colore della membrana.
  8. Lasciare asciugare la membrana sotto cappa. La tipica immagine SEM (a destra) mostra la presenza d’argento elementare disperso in una membrana di PVC.

Successivamente, è possibile esaminare le proprietà antibatteriche delle membrane preparate.

  1. Preparare una piastra di agar con una colonia batterica: in una piastra di Petri contenente agar nutrizionale, depositare circa 100 µl della coltura batterica (es. E.Coli in un brodo nutriente) e usare un’ansa di inoculazione per spargerli uniformemente sulla piastra.
  2. Posizionare approssimativamente 1 cm2 della membrana di PVC impregnata di argento sulla piastra.
    Alternatively, to provide a comparison, place three pieces of PVC membrane on the plate, one of which is untreated with silver.
  3. Incubare la piastra per una notte a 37 °C, poi misurare la zona di inibizione attorno ad ogni pezzo di membrana.

Nota di sicurezza: come per tutti gli studi microbici, bisognerebbe sempre utilizzare attrezzatura sterilizzata (anche sterilizzata in un’autoclave o in una pentola a pressione, o immersa in etanolo e poi passata su fiamma). Questo include le forbici utilizzate per tagliare la membrana. Per prevenire una contaminazione incrociata, effettuare un lavaggio antibatterico delle anse di inoculazione prima di utilizzarle.

Le proprietà antibatteriche di queste membrane le rendono utili per trattare ferite e bruciature, e anche infezioni batteriche come, ad esempio, quelle da Staphylococcus aureus meticillino-resistente (MRSA) e da E.coli.

  1. Perché le membrane antibatteriche di PVC sono particolarmente utili per il trattamento delle infezioni MRSA?
  2. Quali altre applicazioni delle membrane antibatteriche in PVC potreste trovare?

L’Establish project

Queste attività fanno parte delle unità didattiche sviluppate dall’ Establish, project, un progetto finanziato dall’UE con lo scopo di incoraggiare la diffusione dell’insegnamento scientifico basato sulle indagini sperimentali per gli studenti delle scuole secondarie (dai 12 ai 18 anni). Un gruppo di più di 60 collaboratori provenienti da 11 paesi europei stanno lavorando insieme con il fine di sviluppare e adattare unità didattiche per l’uso nelle classi di tutta Europa.

Le attività proposte in questo articolo sono tratte dall’unità didattica intitolata “Exploring holes”. Al momento di andare in stampa, sono state rese disponibili anche unità sul suono e sulla disabilità, e sono previste ulteriori unità su cosmetici, chitosano, scienze forensi, fotochimica, energie rinnovabili ed imaging medico. Per saperne di più e scaricare le unità complete, visitate il sito web Establishw5.

Nanoparticelle in medicina

L’utilizzo delle nanoparticelle nelle nuove applicazioni sanitarie è molto importante. Comprendere quale sia l’impatto delle nanoparticelle su cellule e tessuti è cruciale per la sicurezza, per diagnosi affidabili e per i trattamenti delle malattie. Molte nanoparticelle ad uso medico sono basate su metalli, e le tecniche che utilizzano i raggi X al European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)w6 sono ottime per monitorare, ad esempio, l’interazione su scala nanometrica tra una singola nanoparticella e una cellula crioconservata (Lewis et al., 2010).

ESRF è un membro dell’EIROforumw7, l’editore di Science in School.

Ringraziamenti

Le attività descritte in questo articolo sono basate sulle informazioni presenti in Wilms et al.(2004; Foglio di lavoro 1), di Alison Graham della Dublin City University, Republic of Ireland (foglio di lavoro 2), e di Laura Barron e James Chapman della Dublin City University (Foglio di lavoro 3).

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References

Web References

Review

Vi siete mai chiesti come lavora una membrana per la dialisi? Le plastiche possono essere usate per filtrare le sostanze indesiderate dal corpo? E riguardo le plastiche antibatteriche? Questo articolo presenta il ruolo dei polimeri nelle macchine per la dialisi usate per la filtrazione del sangue e per il trattamento delle ferite.

Gli esperimenti per gli studenti più piccoli descritti in questo articolo li aiuteranno a capire la scienza dei polimeri e come questi sono utilizzati nella dialisi. Nelle attività per gli studenti più grandi, la classe arriva proprio a realizzare il proprio PVC – uno dei polimeri più comunemente utilizzati al giorno d’oggi – e studiare le sue proprietà antibatteriche.

Le attività sarebbero indicate per le lezioni sia di chimica sia di biologia, facendo riferimento agli argomenti della polimerizzazione, osmosi, diffusione ed escrezione. Potrebbe seguire una discussione sui più vasti impieghi dei polimeri, delle membrane selettivamente permeabili o dell’escrezione.


Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta




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