CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI E DELLE BIOINTERFACCE

Modulo Teranostica e nanomedicina (Modulo 2)

Descrizione del Corso. Il corso tratta i principi chimico-fisici che governano le interazioni tra superfici, nanomateriali e sistemi biologici, con particolare riferimento alle biointerfacce e nano-biointerfacce. Sono approfonditi il ruolo delle interazioni intermolecolari e dell’acqua, la chimica e la struttura delle superfici, i fenomeni di adsorbimento e riconoscimento molecolare e le interazioni con biomolecole e cellule. Il corso affronta inoltre biomateriali, sistemi biomimetici e bioispirati, nanoparticelle e nanozimi, con applicazioni in nanomedicina, teranostica, biosensing e imaging. Le attività didattiche integrano lezioni teoriche, esercitazioni quantitative e attività sperimentali dedicate alla sintesi, caratterizzazione e valutazione funzionale di nanomateriali e sistemi nano-bioibridi.

Obiettivi formativi. Il corso fornisce conoscenze avanzate sui fondamenti chimico-fisici delle biointerfacce e sviluppa la capacità di correlare interazioni molecolari, proprietà superficiali, struttura dei nanomateriali e risposta biologica. In particolare, lo studente acquisirà competenze relative a:

•    principi che governano le interazioni tra materiali, biomolecole e cellule, con particolare attenzione al ruolo dell’acqua e delle interazioni non covalenti;

•    relazione tra chimica superficiale, carica, bagnabilità, topografia e proprietà meccaniche e comportamento delle biointerfacce;

•    principi di biomimetica, bioispirazione, self-assembly e nano-biointerfacce;

•    progettazione e applicazioni di nanomateriali e nanosistemi funzionali per drug delivery, biosensing, imaging e teranostica;

•    principali approcci alla caratterizzazione chimico-fisica di superfici, biointerfacce e nanomateriali;

•    principi di sintesi green di nanoparticelle metalliche e ossidi metallici, loro caratterizzazione e valutazione delle proprietà funzionali;

•    progettazione e interpretazione di semplici esperimenti su sistemi modello;

•    correlazione tra sintesi, struttura, proprietà superficiali e funzione dei nanomateriali;

•    applicazioni delle biointerfacce e dei nanomateriali in ambito biomedico, ambientale ed energetico, considerando anche aspetti di sostenibilità e sicurezza.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA. Gli studenti con disabilità e/o DSA possono usufruire delle misure di supporto previste dalla normativa vigente e dai servizi di Ateneo, secondo le proprie esigenze e le modalità concordate con le strutture competenti.

Risultati di apprendimento attesi

D1 – Conoscenza e capacità di comprensione. Lo studente conoscerà i principali principi e modelli chimico-fisici delle biointerfacce, comprendendo il ruolo delle interazioni intermolecolari, dell’acqua, dell'organizzazione molecolare e delle proprietà superficiali nelle interazioni tra materiali e sistemi biologici. Conoscerà inoltre i principi di biomateriali, sistemi biomimetici e bioispirati, nanomateriali funzionali e nano-biointerfacce, con particolare riferimento alle applicazioni biomediche. 

D2 – Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Lo studente sarà in grado di applicare principi e modelli chimico-fisici all’interpretazione di fenomeni interfacciali e di correlare struttura e proprietà dei nanomateriali con la loro funzione. Sarà inoltre in grado di applicare semplici strategie di sintesi, caratterizzazione e valutazione funzionale di nanomateriali e di interpretare dati sperimentali relativi a sistemi di sensing, drug delivery e catalisi. 

D3 – Autonomia di giudizio. Lo studente sarà in grado di selezionare approcci sperimentali e tecniche di caratterizzazione adeguati allo studio di biointerfacce e nanomateriali, valutando criticamente risultati, limiti e principali fonti di incertezza. Sarà inoltre in grado di considerare sostenibilità, sicurezza e potenziale applicativo dei sistemi studiati. 

D4 – Abilità comunicative. Lo studente sarà in grado di descrivere e discutere fenomeni chimico-fisici, procedure sperimentali e risultati relativi a biointerfacce e nanomateriali, utilizzando una terminologia scientifica appropriata anche in contesti interdisciplinari.

L'insegnamento comprende lezioni frontali, esercitazioni numeriche e attività di laboratorio. Le lezioni e le esercitazioni si svolgono in aula con l'ausilio di proiettore e lavagna; le attività di laboratorio sono svolte presso le strutture didattico-sperimentali del Dipartimento.

Gli studenti delle università partner EUNICE, diversi da UNICT, che partecipano all'EUNICE Excellence Programme – Bioinspired Chemistry possono seguire il corso a distanza tramite Moodle e Microsoft Teams. Qualora l'insegnamento si svolga in modalità mista, potranno essere apportate le necessarie modifiche organizzative, nel rispetto dei contenuti e degli obiettivi formativi previsti dal syllabus.

Conoscenze di base di matematica, fisica, chimica generale, chimica fisica, chimica organica e biochimica. È inoltre richiesta una conoscenza dei principali concetti di chimica fisica delle superfici e delle interfacce, con particolare riferimento alle interazioni intermolecolari, alle proprietà superficiali e ai fenomeni di adsorbimento. Costituiscono elementi utili, ma non indispensabili, conoscenze di base di scienza dei materiali, nanomateriali e tecniche di caratterizzazione.

La frequenza delle lezioni è disciplinata dal Regolamento didattico del Corso di Studio.

Contenuti del corso

1. Fondamenti chimico-fisici delle biointerfacce. Definizione e classificazione delle biointerfacce. Proprietà termodinamiche e chimico-fisiche delle superfici e delle interfacce. Ruolo dell’acqua e dell’idratazione alle biointerfacce. Interazioni elettrostatiche, van der Waals, idrofobiche e interazioni specifiche. Energia libera interfacciale, bagnabilità e proprietà superficiali. Adsorbimento e organizzazione di biomolecole alle superfici. Protein corona e concetto di biological identity dei nanomateriali.

2. Biomateriali, matrice extracellulare e idrogel. Struttura e proprietà chimico-fisiche della matrice extracellulare (ECM). Interazioni cellula–ECM e cellula–materiale. Biomateriali naturali e sintetici. Idrogel e biomateriali soft: struttura, idratazione, rigonfiamento, proprietà viscoelastiche e interazioni con biomolecole e cellule. Relazione tra composizione, struttura e proprietà dei materiali e risposta biologica. Superfici bioattive, antifouling e biomimetiche.

3. Sistemi biomimetici e bioinspired chemistry. Principi di biomimetica e bioinspired chemistry. Strategie della natura per il riconoscimento molecolare, l’auto-organizzazione, la catalisi e la trasformazione di energia. Principi termodinamici e cinetici del self-assembly. Membrane biologiche e interazioni lipide–superficie. Supported lipid bilayers (SLB) come sistemi modello per lo studio di fenomeni di biointerfaccia. Progettazione di superfici, interfacce e nanomateriali bioispirati.

4. Nano-biointerazioni e destino biologico dei nanomateriali. Interazioni tra nanomateriali, biomolecole e cellule. Ruolo di dimensione, morfologia, composizione, carica e funzionalizzazione superficiale nelle interazioni nano-bio. Adsorbimento e riorganizzazione delle biomolecole sulla superficie dei nanomateriali. Protein corona e rimodellamento dell’interfaccia nano-bio. Meccanismi di internalizzazione cellulare e traffico intracellulare. Elementi di biodistribuzione, biotrasformazione e clearance. Interazioni con il sistema immunitario e con il microambiente biologico.

5. Nanomateriali bioispirati e nanozimi. Principi di progettazione di nanomateriali bioispirati e funzionali. Structure–property–function relationships nei nanomateriali. Nanozimi e catalisi biomimetica: principi, meccanismi e fattori che determinano l’attività catalitica. Ruolo della composizione, struttura, superficie e ambiente interfacciale. Applicazioni dei nanozimi in biosensing, diagnostica e terapia. Nanosistemi stimuli-responsive.

6. Nanomedicina e sistemi per il drug delivery. Principi chimico-fisici della nanomedicina e del drug delivery. Proprietà e principali classi di nanocarrier: sistemi lipidici, polimerici, metallici, inorganici e ibridi. Interazioni farmaco–nanocarrier e processi di incapsulamento, adsorbimento e coniugazione. Targeting passivo e attivo. Rilascio controllato e stimuli-responsive delivery. Nanosistemi per il trasporto di piccole molecole, proteine, peptidi e acidi nucleici/RNA. Relazione tra proprietà del nanocarrier, interazioni con l’ambiente biologico e prestazioni di delivery.

7. Nanodiagnostica, biosensing e bioimaging. Principi chimico-fisici del biosensing e bioimaging mediante nanomateriali. Nanoparticelle plasmoniche, fluorescenti e fotoniche. Proprietà ottiche e spettroscopiche dei nanomateriali e loro dipendenza da dimensione, morfologia, aggregazione e ambiente interfacciale. Riconoscimento molecolare e strategie di amplificazione del segnale. Applicazioni a biosensing, imaging e diagnostica molecolare.

8. Teranostica e nanosistemi multifunzionali. Principi di teranostica e integrazione di diagnosi e terapia mediante nanosistemi multifunzionali. Strategie di combinazione di targeting, imaging e trattamento. Nanosistemi stimuli-responsive. Fototermia, fotodinamica e nanocatalisi come approcci terapeutici. Relazione tra proprietà fisico-chimiche dei nanomateriali, interazioni nano-bio e risposta funzionale. Applicazioni in oncologia e medicina di precisione.

9. Caratterizzazione chimico-fisica e attività sperimentali. Principi e applicazioni di tecniche per la caratterizzazione chimico-fisica, spettroscopica, superficiale, colloidale e morfologica di biointerfacce e nanomateriali. Analisi e interpretazione dei dati sperimentali. Particolare attenzione alla correlazione tra composizione, struttura, proprietà superficiali, interazioni con il sistema biologico e funzione. Le attività sperimentali comprendono le seguenti esperienze:

Esperienza di laboratorio 1. Studio della solubilizzazione della curcumina mediante sistemi micellari e determinazione sperimentale della concentrazione micellare critica (CMC). Analisi del ruolo delle interazioni idrofobiche, dell’idratazione e dell’organizzazione supramolecolare nei processi di solubilizzazione e nelle strategie di drug delivery.

Esperienza di laboratorio 2. Sintesi di nanoparticelle di silice (SiO₂ NPs) contenenti fluoresceina isotiocianato (FITC) e rodamina B (RhB). Studio delle proprietà ottiche e superficiali dei nanosistemi e analisi dell’influenza della struttura e della funzionalizzazione sulle proprietà di fluorescenza, con riferimento alle potenziali applicazioni nell’imaging e nel drug delivery.

Esperienza di laboratorio 3.  Sintesi di nanoparticelle d’oro (AuNPs) e nanoparticelle d’argento (AgNPs) e studio delle loro proprietà ottiche e plasmoniche. Analisi dell’influenza della dimensione, dello stato di aggregazione e dell’ambiente interfacciale sulle proprietà ottiche e applicazione dei nanosistemi nel sensing colorimetrico.

Esperienza di laboratorio 4. Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle di magnetite (Fe₃O₄ NPs) e studio della loro attività nanozimatica, con particolare riferimento alle proprietà catalitiche. Caratterizzazione mediante spettroscopia UV–Vis, spettroscopia ATR-FTIR, misure di angolo di contatto e microscopia laser confocale (LSM). Analisi delle relazioni tra composizione, struttura e proprietà superficiali e attività funzionale dei nanosistemi.

Le attività sperimentali sono finalizzate allo sviluppo della capacità di progettare e condurre semplici esperimenti, acquisire e analizzare dati, valutare criticamente i risultati sperimentali e correlare struttura, proprietà e funzionedei sistemi studiati.

Testi fondamentali

• P. Atkins, J. de Paula, Physical Chemistry for the Life Sciences, Oxford University Press, 2011.

• H. Ohshima, Biophysical Chemistry of Biointerfaces, John Wiley & Sons, Inc., 2010.

• B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemons, Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine, 4th ed., Academic Press/Elsevier, 2020.

Materiale didattico. 

• Slide e materiale didattico predisposti dal docente, disponibili attraverso la piattaforma del corso. Il materiale integra e approfondisce gli argomenti trattati a lezione, con particolare riferimento a biointerfacce, bioinspired chemistry, nano-biointerazioni, nanozimi, nanomedicina, drug delivery, biosensing, bioimaging e teranostica, nonchè alle attività sperimentali.

Materiale di approfondimento. 

• Articoli scientifici e review recenti selezionati dal docente su biointerfaces, bioinspired chemistry, nano-bio interfaces, protein corona, nanozymes, nanomedicine, drug delivery, biosensing, bioimaging e theranostics.

• Manuali, protocolli sperimentali e articoli scientifici selezionati per le attività di laboratorio.

La verifica consiste in una prova orale individuale, volta ad accertare l’acquisizione delle conoscenze e delle competenze previste dal corso.

Durante la prova saranno discussi gli argomenti trattati a lezione e saranno richieste la risoluzione e discussione di esercizi numerici, analoghi per tipologia a quelli svolti durante le esercitazioni in aula.

La prova comprenderà inoltre la discussione delle attività di laboratorio, attraverso le relazioni scritte e/o la presentazione dei risultati sperimentali, con particolare attenzione all’interpretazione dei dati e alla correlazione tra proprietà chimico-fisiche e funzione.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere, secondo le modalità stabilite dall’Ateneo.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti:

•        Calcolo del ricoprimento superficiale di una nanoparticella da parte di una proteina in configurazione side-on.

•        Tensione superficiale, energia libera superficiale e bagnabilità di un biomateriale antifouling.

•        Determinazione della concentrazione micellare critica e analisi della solubilizzazione di un composto idrofobico.

•        Interpretazione delle proprietà ottiche e plasmoniche di nanoparticelle metalliche mediante dati UV–Vis.

•        Analisi della cinetica di una reazione catalizzata da un nanozima.

•        Scelta e interpretazione di tecniche per la caratterizzazione di biointerfacce e nanomateriali.

•        Principi di biosensing mediante tecniche ottiche e/o acustiche.

•        Interpretazione di dati sperimentali ottenuti durante le attività di laboratorio.