Page 78 - PITTURE E VERNICI EUROPEAN COATINGS FORMULATIONS:Issue 3/May-June 2016

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ETH ZURICH, Peter Ruegg
A novel polymer for coating materials developed by ETH Zurich
Un nuovo polimero per materiali di rivestimento sviluppato da ETH Zurich
■ Scientists at ETH Zurich and an ETH spin-off have developed a novel polymer for coating materials, in order to prevent biofilms from forming on their surfaces. Thanks to the technological platform developed, it is now possible to coat durably a variety of different materials using the same polymeric molecule. Internal and external qualities are two different things – the same holds true in materials science. For example, in many cases a specific material would, in principle, be ideal for a technical application were it not for the fact that its surface is unsuitable. Materials scientists solve this problem by coating the material. Coatings can be used to make a surface lubricious, for example, or – in underwater applications or the biomedical sector – to prevent algae, proteins or bacteria from fouling the surface over time.
For example, hydrophilic polymers are often used to protect metals from fouling; water molecules accumulate on this polymer layer, which protects the metal against the adhesion of unwanted molecules or organisms. However, many coatings currently in use are not very resistant to environmental factors, since they are often connected to the material by only a weak electrostatic bond. Other existing, more resistant coatings are expensive to use and sometimes require toxic solvents.
STRONG BONDS TO A WIDE RANGE OF MATERIALS
Scientists led by Nicholas Spencer, Professor of Surface Science and Technology, and researchers at the ETH spin-off Susos thus searched for a simple solution to binding coating molecules to surfaces with a strong chemical bond, known as a covalent bond. They also wanted to find a solution that could be used to coat a range of surfaces and devices composed of several different materials. "We wanted a polymer coating that is as versatile as a Swiss army knife," says Spencer. And that is just what the scientists succeeded in developing. The molecule has a long backbone from which hydrophilic side chains branch out and impart the non-fouling properties. The polymer also has two types of side chains for covalent bonding to metals – one for binding to silicon and glass, the other for binding to oxides of what are known as transition metals, which include titanium and iron.
DIP AND RINSE
"Coatings with our new polymer are very simple. It's just dip and rinse", says Spencer. "And the coating withstands even harsh conditions such as acids, alkalis, high salt concentrations and detergents."
The ETH spin-off Susos has submitted a patent application for the polymer. The scientists see possible applications mainly in biomedical diagnostics and medical technology, such as in biosensors, implants and future implantable drug-delivery systems. Other applications could include biofouling prevention in water treatment, ship transport, and fishing, as well as the food industry, for example in packaging.
■ I ricercatori di ETH Zurich e la nuova società ETH hanno sviluppato un polimero innovativo per materiali di rivestimento per prevenire la for- mazione di biofilm sulle loro superfici. Grazie alla piattaforma tecnologica che è stata creata, è ormai possibile rivestire in modo duraturo una varietà di materiali diversi fra loro usando la stessa molecola polimerica. Le qualità interna ed esterna sono due aspetti differenti, una realtà di fatto nella scienza dei materiali. Ad esempio, in molti casi un materiale specifico sa- rebbe ideale, teoricamente, per un’ap- plicazione tecnica se non per il fatto che la sua superficie è inutilizzabile. Gli esperti di materiali risolvono questo problema rivestendo il materiale. Ad esempio, i rivestimenti possono esse- re impiegati per creare una superficie scivolosa oppure per applicazioni in immersione o ancora nel settore bio- medico per evitare che alghe, proteine o batteri contaminino la superficie con il passare del tempo.
Ad esempio, i polimeri idrofili sono uti- lizzati spesso per proteggere i metalli dalla contaminazione batterica; le mo- lecole dell’acqua si accumulano infatti sulla superficie del polimero proteg- gendo il metallo dall’insediamento di molecole o di organismi indesiderati; tuttavia, molti rivestimenti attualmente in uso non sono molto resistenti ai fat- tori ambientali in quanto sono spesso legati al materiale soltanto grazie a un legame elettrostatico debole. Altri rivestimenti esistenti, più resistenti, sono dispendiosi e a volte richiedono l’uso di solventi tossici.
FORTI LEGAMI AD UN’AMPIA SERIE DI MATERIALI
I ricercatori diretti da Nicholas Spen- cer, Professore di Scienze e Tecnologie Superficiali insieme agli esperti di
ETH Susos hanno quindi compiuto studi su una semplice soluzione per legare le molecole del rivestimento a superfici con un forte legame chimico, noto con il nome di legame covalente. Essi hanno inoltre voluto trovare una soluzione che potesse essere usata per rivestire una serie di superfici e di dispositivi costituiti da diversi materiali. “Volevamo un rivestimento polimerico che fosse versatile come il coltellino svizzero usato dai militari”, ha affer- mato Spencer.
E questo è quanto infine i ricercatori sono riusciti a sviluppare. La molecola ha una catena lunga da cui si ramifi- cano le catene laterali idrofile fornendo le proprietà antimicrobiche. Il polimero presenta inoltre due tipologie di cate- ne laterali per il legame covalente ai metalli, una per il legame con il silicio e il vetro e l’altra per il legame con gli ossidi, noti in relazione ai cosiddetti metalli di transizione, inclusi il titanio e il ferro.
IMMERSIONE E RISCIACQUO
“I rivestimenti a base del nuovo polimero sono molto facili da usare, basta l’immersione e il risciacquo”, ha aggiunto Spencer. “E il rivestimento resiste anche a condizioni molto severe come nel caso di acidi, alcali, di alte concentrazioni saline e detergenti.” ETH Susos ha presentato un brevetto applicativo per il polimero e i ricercatori ipotizzano possibili applicazioni princi- palmente nel campo della diagnostica biomedicale e nelle tecnologie in cam- po sanitario, per biosensori, impianti e sistemi di consegna dei farmaci del futuro. Altre applicazioni potrebbero includere la prevenzione della prolifera- zione di microorganismi nel trattamen- to delle acque, il trasporto via nave e la pesca oltre all’industria alimentare, ad esempio nell’imballaggio.
76 Pitture e Vernici - European Coatings - Formulation 3 / 2016