Queste immagini al microscopio elettronico a scansione mostrano microcapsule rivestite di seta contenenti vitamina C, a diverse scale di dettaglio. A sinistra, e in alto al centro, campioni realizzati mediante spray drying, metodo già ampiamente utilizzato nell’industria. A destra e in basso al centro, campioni realizzati mediante liofilizzazione spray ad ultrasuoni, un metodo utilizzato dai ricercatori per rivelare maggiori dettagli del processo coinvolto. Credito: Muchun Liu, a cura di MIT News

Le microplastiche, minuscole particelle di plastica che ora si trovano in tutto il mondo nell’aria, nell’acqua e nel suolo, sono sempre più riconosciute come una grave minaccia di inquinamento e sono state trovate nel flusso sanguigno di animali e persone in tutto il mondo.

Alcune di queste microplastiche vengono aggiunte intenzionalmente a una varietà di prodotti, inclusi prodotti chimici per l’agricoltura, vernici, cosmetici e detergenti, per un totale stimato di 50.000 tonnellate all’anno nella sola Unione Europea, secondo l’Agenzia europea per le sostanze chimiche. L’UE ha già dichiarato che queste microplastiche aggiunte e non biodegradabili devono essere eliminate entro il 2025, quindi è aperta la ricerca di sostituti adeguati, che al momento non esistono.

Ora, un team di scienziati del MIT e altrove ha sviluppato un sistema basato sulla seta che potrebbe fornire un sostituto economico e di facile fabbricazione. Il nuovo processo è descritto in un articolo nel diario Piccoloscritto da MIT postdoc Muchun Liu, MIT professore di ingegneria civile e ambientale Benedetto Marelli e altri cinque presso l’azienda chimica BASF in Germania e negli Stati Uniti

Le microplastiche ampiamente utilizzate nei prodotti industriali generalmente proteggono uno o più ingredienti attivi specifici dalla degradazione dell’esposizione all’aria o all’umidità, fino al momento in cui sono necessari. Forniscono un rilascio lento del principio attivo per un periodo di tempo mirato e riducono al minimo gli effetti negativi sull’ambiente circostante. Ad esempio, le vitamine vengono spesso fornite sotto forma di microcapsule confezionate in una pillola o capsula e i pesticidi e gli erbicidi sono avvolti in modo simile. Ma i materiali utilizzati oggi per tale microincapsulamento sono plastiche che persistono nell’ambiente per lungo tempo. Finora, non è stato disponibile alcun sostituto pratico ed economico che si biodegraderebbe naturalmente.

Gran parte del carico delle microplastiche ambientali deriva da altre fonti, come il degrado nel tempo di oggetti di plastica più grandi come bottiglie e imballaggi e dall’usura degli pneumatici delle auto. Ognuna di queste fonti potrebbe richiedere il proprio tipo di soluzioni per ridurne la diffusione, afferma Marelli. L’Agenzia chimica europea ha stimato che le microplastiche aggiunte intenzionalmente rappresentano circa il 10-15% della quantità totale nell’ambiente, ma questa fonte potrebbe essere relativamente facile da affrontare utilizzando questo sostituto biodegradabile basato sulla natura, afferma.

“Non possiamo risolvere l’intero problema delle microplastiche con un’unica soluzione adatta a tutte”, afferma. “Il dieci percento di un grande numero è ancora un numero grande… Risolveremo il cambiamento climatico e l’inquinamento del mondo un percento alla volta”.

A differenza dei fili di seta di alta qualità utilizzati per i tessuti pregiati, la proteina della seta utilizzata nel nuovo materiale alternativo è ampiamente disponibile e meno costosa, afferma Liu. Mentre i bozzoli di bachi da seta devono essere svolti con cura per produrre i fili sottili necessari per il tessuto, per questo uso possono essere utilizzati bozzoli di qualità non tessile e le fibre di seta possono essere semplicemente disciolte utilizzando un processo scalabile a base d’acqua. L’elaborazione è così semplice e sintonizzabile che il materiale risultante può essere adattato per funzionare su apparecchiature di produzione esistenti, fornendo potenzialmente una semplice soluzione “drop in” utilizzando le fabbriche esistenti.

La seta è riconosciuta come sicura per il cibo o per uso medico, poiché non è tossica e si degrada naturalmente nel corpo. Nei test di laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale di rivestimento a base di seta potrebbe essere utilizzato nelle apparecchiature di produzione standard a spruzzo esistenti per realizzare un prodotto erbicida microincapsulato solubile in acqua standard, che è stato poi testato in una serra su un raccolto di mais. Il test ha dimostrato che funzionava anche meglio di un prodotto commerciale esistente, infliggendo meno danni alle piante, afferma Liu.

Mentre altri gruppi hanno proposto materiali di incapsulamento degradabili che potrebbero funzionare su piccola scala di laboratorio, afferma Marelli, “c’è una forte necessità di ottenere l’incapsulamento di principi attivi ad alto contenuto per aprire la porta all’uso commerciale. L’unico modo per avere un impatto è dove possiamo non solo sostituire un polimero sintetico con un omologo biodegradabile, ma anche ottenere prestazioni uguali, se non migliori”.

Il segreto per rendere il materiale compatibile con le apparecchiature esistenti, spiega Liu, sta nella sintonizzabilità del materiale in seta. Regolando con precisione la disposizione delle catene polimeriche dei materiali in seta e aggiungendo un tensioattivo, è possibile mettere a punto le proprietà dei rivestimenti risultanti una volta che si asciugano e si induriscono. Il materiale può essere idrofobo (idrorepellente) anche se è realizzato e lavorato in una soluzione acquosa, oppure può essere idrofilo (attraente l’acqua), o in qualsiasi altra via di mezzo, e per una data applicazione può essere realizzato per adattarsi al caratteristiche del materiale che viene utilizzato per sostituire.

Per arrivare a una soluzione pratica, Liu ha dovuto sviluppare un modo per congelare le goccioline di formazione dei materiali incapsulati mentre si stavano formando, per studiare in dettaglio il processo di formazione. Lo ha fatto utilizzando uno speciale sistema di congelamento spray ed è stata in grado di osservare esattamente come funziona l’incapsulamento per controllarlo meglio. Alcuni dei materiali “carico utile” incapsulati, siano essi pesticidi o nutrienti o enzimi, sono solubili in acqua e altri no, e interagiscono in modi diversi con il materiale di rivestimento.

“Per incapsulare materiali diversi, dobbiamo studiare come interagiscono le catene polimeriche e se sono compatibili con diversi materiali attivi in ​​sospensione”, afferma. Il materiale di carico utile e il materiale di rivestimento vengono miscelati insieme in una soluzione e quindi spruzzati. Quando si formano le goccioline, il carico utile tende a essere incorporato in un guscio del materiale di rivestimento, sia che si tratti della plastica sintetica originale o del nuovo materiale di seta.

Il nuovo metodo può fare uso di seta di bassa qualità che è inutilizzabile per i tessuti e grandi quantità di cui sono attualmente scartate perché non hanno usi significativi, dice Liu. Può anche utilizzare tessuto di seta usato e scartato, deviando quel materiale dall’essere smaltito nelle discariche.

Attualmente, il 90% della produzione mondiale di seta avviene in Cina, afferma Marelli, ma ciò è in gran parte dovuto al fatto che la Cina ha perfezionato la produzione dei fili di seta di alta qualità necessari per i tessuti. Ma poiché questo processo utilizza seta sfusa e non ha bisogno di quel livello di qualità, la produzione potrebbe essere facilmente aumentata in altre parti del mondo per soddisfare la domanda locale se questo processo diventasse ampiamente utilizzato, afferma.

“Questo studio elegante e intelligente descrive un sostituto sostenibile e biodegradabile a base di seta per gli incapsulanti microplastici, che rappresentano una sfida ambientale urgente”, afferma Alon Gorodetsky, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso l’Università della California a Irvine, che non era associati a questa ricerca. “La modularità dei materiali descritti e la scalabilità dei processi di produzione sono vantaggi chiave che fanno presagire bene per la traduzione in applicazioni del mondo reale”.

Questo processo “rappresenta un progresso potenzialmente molto significativo nella fornitura di ingredienti attivi per una vasta gamma di settori, in particolare l’agricoltura”, afferma Jason White, direttore della Connecticut Agricultural Experiment Station, che non è stato associato a questo lavoro. “Date le sfide attuali e future legate all’insicurezza alimentare, alla produzione agricola e al cambiamento climatico, sono assolutamente necessarie nuove strategie come questa”.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l’innovazione e l’insegnamento del MIT.