FISICA/MENTE

 

 

L’OSMOSI

(dalla chimico-fisica alla farmacologia)

 

Adolfo  Pastore, Angela Nanni

 

 

         L’osmosi e’ quel fenomeno fisico-chimico in cui se due soluzioni di concentrazione diversa sono poste l’una accanto all’altra, separate  da una membrana semipermeabile, le molecole di solvente della soluzione a concentrazione più bassa  passano attraverso la membrana e migrano verso la soluzione a concentrazione più alta. Questo avviene in quanto le due soluzioni tendono a raggiungere la stessa concentrazione, per cui le molecole di acqua contenute nella soluzione di concentrazione minore tendono a passare nella soluzione di concentrazione maggiore  del soluto. La membrana funge in prima approssimazione interpretativa come una sorta di setaccio a maglie molto piccole ma sufficienti per consentire il passaggio delle molecole d’acqua e non di soluto che hanno dimensioni maggiori. Secondo questo modello meccanico, per la verità approssimativo ma immediato nella comprensione,la membrana può essere vista come una superficie che separa le due soluzioni in cui sono presenti tanti piccolissimi fori di dimensioni sufficienti per consentire il passaggio delle molecole d’acqua ma non  di soluto che sono più grosse. In realtà il fenomeno fisico andrebbe spiegato in maniera corretta rifacendoci allo studio del fenomeno della diffusione, studiato da  Fick e sintetizzato in due equazioni (la prima e la seconda equazione di Fick ), secondo tale modello interpretativo tale fenomeno di passaggio di molecole diverse attraverso una membrana è legato al diverso coefficiente di diffusione delle specie considerate.

 

        L’osmosi è un fenomeno molto importante anche in biologia, basti pensare che la membrana cellulare può essere vista come un esempio tipico di membrana semipermeabile, gli stessi reni funzionano grazie all’osmosi, le piante assorbono acqua utilizzando lo stesso fenomeno. Inoltre ci sono applicazioni industriali notevoli relative alla purificazione e potabilizzazione delle acque, oppure all’aumento della concentrazione di una soluzione mediante osmosi. Per quanto riguarda le membrane possiamo dire che la tecnologia si è molto evoluta e gli americani ed i giapponesi progettano, realizzano e commercializzano membrane detenendo la leadership nel settore. Una tipica membrana abbastanza conosciuta è realizzata utilizzando del  ferrocianuro di rame depositato su un supporto poroso di ceramica.  In modo immediato possiamo anche usare come materiale  a buon mercato, che può andare bene come membrana semipermeabile e che possiamo trovare in giro con molta facilità,  il cellophane con cui si confezionano in casa gli alimenti da porre nel frigorifero. Infatti il cellophane è una discreta membrana e può essere utilizzata, ad esempio, per studiare l’osmosi dell’alcool etilico in soluzione acquosa. L’unica accortezza che bisogna usare è togliere quella sottile pellicola idrofuga alla nitrocellulosa di cui tale materiale in genere è ricoperto che impedirebbe il passaggio di acqua; per cui è necessario immergere tale cellophane per alcuni minuti in un solvente per vernici alla nitro per eliminare tale pellicola. La porosità del cellophane è tale da consentire il passaggio delle molecole di acqua ma non di alcool etilico che sono più grosse e non riescono a passare attraverso i microfori del materiale sintetico. Si può facilmente realizzare qualitativamente ed empiricamente l’osmosi dell’alcool etilico, disponendo di un grosso bicchiere di vetro in cui versiamo dell’alcool etilico in soluzione acquosa debolmente concentrata ed immergendo per una parte  un tubo di vetro svasato alla base (una specie di imbuto a collo molto lungo) su cui è stato messo del cellophane a tenuta, nella base. Si versa un po’ di alcool etilico più concentrato nel tubo a forma di imbuto rovesciato, lasciando almeno l’altra  metà  in aria libera. Dopo un po’ di tempo, un’ora e più, si riscontra che il livello dell’alcool etilico contenuto nel tubo è salito rispetto a prima. Il riscontro sperimentale lo si può fare mettendo una tacca sul livello del liquido versato nel tubo e riscontrando, dopo il tempo necessario, che tale livello è salito. La spiegazione di tale fenomeno è riconducibile  all’osmosi. La membrana  di cellophane ha consentito alle molecole di acqua contenute nella soluzione di alcool etilico meno concentrata, posta nel bicchiere, di passare attraverso di essa e di raggiungere la soluzione più concentrata di alcool etilico. C’è stato un trasporto di massa dì acqua, per cui il livello della soluzione di alcool etilico più concentrata, contenuta nel tubo a forma di imbuto capovolto, e’ salito. E’ successo, quindi, che la soluzione acquosa di alcool etilico contenuta nel tubo sarà meno concentrata rispetto a prima, in quanto ha ricevuto dell’acqua, invece  quella contenuta nel bicchiere , avendo perso acqua, ha acquisito una maggiore concentrazione di alcool etilico.

        Se aspettassimo ancora altro tempo ci accorgeremmo che il livello del liquido, contenuto nel tubo di vetro, per una determinata temperatura, non sale più e si ferma ad un dato valore. La differenza di livello di  liquido prima dell’inizio dell’osmosi e dopo che il fenomeno ha raggiunto l’equilibrio, è denominata pressione osmotica. Lo studio analitico dell’osmosi per soluzioni debolmente concentrate è stato fatto da Van’t Hoff, il quale trovò la formula che riproduceva il fenomeno, conosciuta come equazione di Van’t Hoff. Tale equazione è formalmente analoga alla equazione di stato dei gas

    

P . V= n . R .T,    

 

in cui P è la pressione del gas contenuto in un recipiente a tenuta, V è il volume occupato dal gas, R  è la costante dei gas, T e’ la temperatura assoluta e n indica il numero di moli. L’equazione di Van’t Hoff e’ la seguente

     

Π . V = c . R . T

 

dove Π  e’ la pressione osmotica,V è il volume  della soluzione, c è la concentrazione della soluzione, R la costante dei gas, T  è la temperatura assoluta a cui si trova la soluzione.

 

        Il fenomeno dell’osmosi può essere anche reversibile, nel senso che se si esercita dal lato della soluzione più concentrata una pressione maggiore della pressione osmotica, si consente alle molecole del solvente, che riescono ad attraversare la membrana, di passare verso la soluzione meno concentrata .Tale fenomeno ottenuto artificialmente, nel senso che bisogna fornire dall’esterno, mediante una pompa, la pressione necessaria a controbilanciare la pressione osmotica, è conosciuto con il nome di osmosi inversa. Grazie a tale fenomeno, in natura alcune piante che crescono vicino all’acqua del mare riescono ad estrarre dal mare l’acqua pura necessaria alla loro sopravvivenza.

L’osmosi inversa viene utilizzata anche nei processi di purificazione o dissalazione delle acque oppure per la concentrazione a freddo di soluzioni acquose.

 

        Per quanto riguarda i problemi di natura meccanica, legati alle  membrane, possiamo dire che essi sono connessi al loro utilizzo, al loro spessore, al tipo di soluto e alla pressione a cui sono sottoposte. Aspetti legati quindi alla resistenza meccanica della membrana compatibilmente con la tecnologia con cui si realizzano, si riscontrano tra l’altro anche nel mondo biologico. Infatti se un campione di cellule la cui membrana cellulare consente l’osmosi, viene posto in una soluzione salina, le cellule si restringono e la membrana si corruga. In relazione alla cellula la soluzione può essere isotonica, ipotonica, osmotica o ipertonica.

 

        La membrana delle cellule animali o vegetali in soluzione acquosa consente il passaggio di acqua, mentre i soluti polari disciolti nella cellula rimangono imprigionati in essa. Il movimento osmotico di acqua avviene verso le zone a maggiore concentrazione di soluto. Se la soluzione è isotonica rispetto alla cellula, la concentrazione del soluto sarà la stessa in entrambi i lati della membrana cellulare, per cui l’acqua si muoverà in entrambe le direzioni con uguale intensità, in modo uniforme. In una soluzione ipertonica, che ha la caratteristica di possedere una concentrazione maggiore rispetto alla cellula, attraverso la membrana cellulare viene provocato un passaggio di acqua per osmosi, per cui la cellula perde acqua e causa un raggrinzimento. Infine  se la cellula e’ immersa in una soluzione ipotonica, con una concentrazione di soluto inferiore a quella della cellula, avviene  che per osmosi, attraverso la membrana cellulare passa acqua dentro la cellula causando un suo rigonfiamento e quindi la lisi. Anche i farmaci introdotti nel corpo umano a scopo terapeutico, possono essere assunti attraverso un processo di osmosi. Infatti esistono delle forme farmaceutiche a rilascio modificato che utilizzano l’osmosi. I meccanismi possono essere sintetizzati come descritto nel seguito.

 

        Quando si è scoperta una molecola farmacologicamente attiva, la tappa successiva è inglobare il principio attivo in un’adeguata forma farmaceutica; idealmente la forma farmaceutica dovrebbe essere in grado di cedere il farmaco al sito d’azione nella quantità e nel tempo necessario alle esigenze terapeutiche. L’ottenimento della formulazione più corretta consente di controllare la cessione del farmaco al sito d’azione e ottimizzare, quindi, la risposta terapeutica. Si definiscono forme farmaceutiche convenzionali quelle nelle quali il rilascio del principio attivo dipende soprattutto dalle caratteristiche chimico fisiche del principio attivo stesso, mentre le forme farmaceutiche non convenzionali sono quelle nelle quali il rilascio del principio attivo dipende dalle caratteristiche tecnologiche della formulazione. Fra le forme farmaceutiche non convenzionali si distinguono quelle a rilascio modificato, capaci di modificare la velocità e/o il tempo e/o il luogo del rilascio del principio attivo per perseguire scopi terapeutici non raggiungibili con le forme farmaceutiche convenzionali  somministrate attraverso la medesima via di somministrazione, e forme farmaceutiche a rilascio controllato. Con quest’ultima accezione si intendono forme farmaceutiche a rilascio lento, accelerato, prolungato, ritardato, protratto, graduale, continuato, costante, pulsante, programmato, sostenuto, tutte definizioni che indicano una particolare modalità o cessione del farmaco. Le forme farmaceutiche a rilascio modificato sono somministrate per lo più per via orale sfruttando sistemi di rilascio che si avvalgono di fenomeni quali la diffusione, la dissoluzione, l’erosione, lo scambio ionico e l’osmosi. Già nel 1974 Theeuwes ha descritto i sistemi osmotici che si possono schematizzare nel modo seguente:

 

 

        Il nucleo è formato dal farmaco osmoticamente attivo, il rivestimento è costituito da una membrana rigida semipermeabile, fatta solitamente di alcool polivinilico, acetato di cellulosa o cloruro di polivinile, dotata un piccolo orifizio deputato alla cessione del farmaco; perché il farmaco venga rilasciato attraverso quest‘apertura è necessario fornire energia al sistema. Se si immagina questo modello come la sezione trasversale di una compressa è facile intuire come quando la compressa entra in contatto con i liquidi acquosi, si crea una differenza di concentrazione fra interno ed esterno compressa: questo fenomeno induce un flusso d’acqua verso l’interno. La portata del flusso dipende dalla permeabilità, dall’area e dallo spessore di membrana. All’interno della compressa si genera una pressione osmotica che provoca la fuoriuscita del farmaco dal serbatoio attraverso l’apertura: per ogni intervallo di tempo, la quantità di farmaco che fuoriesce dall’orifizio dipende dal volume di acqua in entrata e dalla concentrazione del farmaco in soluzione nel serbatoio. I sistemi osmotici sono poco diffusi perché hanno un costo elevato e richiedono un accurato controllo qualità.

 

 

04 /09/2006

 

Da "Le Scienze Web News" www.lswn.it .


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