CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI E DELLE BIOINTERFACCE

Modulo Teranostica e nanomedicina (Modulo 2)

Descrizione del Corso

Il corso fornisce approfondimenti chimico-fisici avanzati sui concetti, principi e proprietà delle superfici, con particolare attenzione all’interfaccia solido-liquido e alle nano-biointerfacce.

Obiettivi formativi:

• Comprensione delle interazioni chimico-fisiche alle nano-biointerfacce (cellule, tessuti, materiali naturali o artificiali).
  
• Approfondimenti sul ruolo dell’acqua, dei sistemi biomimetici e bioispirati (bistrati lipidici supportati, nanozimi) nella modulazione delle proprietà superficiali e della funzione biologica.
  
• Analisi di proprietà meccaniche (viscoelasticità), magnetiche (magnetoidrodinamica), fisiche (topografia, rugosità) e chimiche (energia libera di superficie, struttura chimica superficiale) che influenzano processi cellulari (adesione, proliferazione, differenziazione).
  
• Progettazione di nanosistemi intelligenti, reattivi a stimoli chimici, fisici e biologici, per applicazioni in ambito salute (nanomedicina e teranostica) ma anche traslabili agli ambiti ambiente ed energia.
  
• Applicazione tecniche di sintesi chimica e caratterizzazione fisico-chimica di sistemi colloidali per drug delivery, imaging e biosensori.
  

In riferimento ai Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

D1- Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding)

a) Al termine del corso lo studente sarà in grado di risolvere problemi relativi all’applicazione delle conoscenze teoriche acquisite, confrontando i risultati sperimentali con quelli di calcolo in casi studio di biointerfacce tra cellule e matrice extracellulare (ECM) e tra cellule, ECM e dispositivi medicali.
b) Lo studente sarà in grado di utilizzare strumentazioni complesse per la misura e l’analisi delle nano-biointerfacce.
c) Lo studente sarà in grado di applicare le competenze operative acquisite alle diverse esigenze professionali e di ricerca nei settori pertinenti (approcci bioispirati e superfici multifunzionali per biointerfacce in ambito salute, ambiente, energia).  

D2-Autonomia di giudizio (making judgements)

a) Lo studente sarà in grado di scegliere le tecniche di indagine più adeguate in relazione al tipo di problema sperimentale da affrontare (nano-bio-interfacce) e di valutarne i limiti.
b) Lo studente sarà in grado di trasferire criticamente le competenze metodologiche acquisite (sintesi e caratterizzazione chimico-fisiche e biofisiche) a differenti contesti operativi e tematiche di ricerca, individuando gli approcci più idonei in relazione alla specificità del problema (nanomedicina e teranostica).
c) Lo studente sarà in grado di progettare attività sperimentali, valutandone tempi e modalità, e di giudicare in modo autonomo i risultati ottenuti, anche quantitativamente.
d) Durante le attività di laboratorio e/o le esercitazioni lo studente svilupperà la capacità di lavorare in gruppo.
e) Lo studente sarà in grado di reperire analizzare informazioni provenienti da database open access, letteratura scientifica, etc.
f) Lo studente sarà in grado di formulare riflessioni critiche su questioni scientifiche ed etiche relative a sicurezza, sostenibilità ambientale, impatto economico, salute.

D3-Abilità comunicative (communication skills)

a) Al termine del corso lo studente sarà in grado di argomentare e sostenere questioni scientifiche relative alla chimica bioinspirata, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, illustrandone motivazioni e risultati, in contesti sia specialistici che divulgativi. 
b) Lo studente acquisirà abilità comunicative utili per partecipare o coordinare progetti e gruppi multidisciplinari nell'ambito della ricerca chimica.
c) Alla fine del corso lo studente sarà in grado di lavorare autonomamente, gestendo tempi, risorse e adattandosi a nuovi contesti.  
d) Lo studente sarà in grado di trasmettere agli studenti delle triennali le conoscenze acquisite sulle proprietà chimico-fisiche delle biointerfacce in ambito teorico e/o sperimentale.
e) Durante l’attività di laboratorio, lo studente imparerà ad interagire con i colleghi, pianificare e gestire i tempi necessari per realizzare l’esperienza di laboratorio, lavorare in gruppo e in autonomia adattandosi ai diversi contesti.

D4- Capacità di apprendere (learning skills)

a) Lo studente sarà in grado di individuare e consultare in modo efficace la letteratura scientifica, le banche dati specializzate e le risorse online per ottenere informazioni in merito alla nanomedicina e teranostica.
b) Lo studente sarà in grado di affrontare nuovi studi, tematiche scientifiche emergenti e problematiche professionali in diversi contesti lavorativi (salute, ambiente, energia).
c) Lo studente sarà in grado gestire problematiche complesse anche di natura interdisciplinare (chimica, biofisica, ingegneria tessutale, biochimica).
d) Lo studente sarà in grado di reperire e valutare informazioni per formulare e argomentare soluzioni in ambiti specialistici e divulgativi. 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze individuali. --> --> --> -->

Lezioni frontali (3 CFU) ed esercitazioni numeriche (2 CFU) svolte con proiettore e alla lavagna in aula; attività di laboratorio (1 CFU).

Gli studenti delle università partner EUNICE partecipanti al programma internazionale 'EUNICE Excellence Programme -Bioinspired Chemistry' che scegliessero di seguire il corso potranno seguire a distanza attraverso le piattaforme Moodle e Microsoft Teams.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Matematica di base, fisica di base, chimica generale, biochimica, chimica fisica 

Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

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• Chimica fisica delle nano-biointerfacce. 
  
• Introduzione e definizione di biointerfaccia, proprietà di superficie (aria/acqua).
  
• Biomateriali: preparazione, protesi biomedicali, reazione del corpo e incapsulamento. Biosensori, bioelettronica, ingegneria tissutale, nanomedicina e teranostica.
  
• Biointerfacce su scala nanometrica: interazioni cellula-cellula, cellula-ECM, proteina-superficie.
  
• Ruolo dell’acqua nell’adsorbimento superficiale e superfici Goldilocks.
  
• Sistemi biomolecolari auto-organizzati: bilayer lipidico supportato (SLB).
  
• Nanozimi e piattaforme multimodali.
  
• Proprietà magneto-idrodinamiche del sangue e dei fluidi biologici e il loro ruolo in nanomedicina e diagnostica avanzata
  
• Tecniche di caratterizzazione delle biointerfacce: acustiche (QCM-D), ottiche (SPR, OWLS), microscopiche (AFM, LSM).
  
• Esercitazioni di laboratorio su sistemi modello per drug delivery, biosensori, imaging.
  

Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

1. P. W. Atkins, J. de Paula- Chimica fisica biologica - Zanichelli
   
2. Physical chemistry for the life sciences. 2nd ed. By Atkins, P. W.; De Paula, J.; Ed. W.H. Freeman and Co., Oxford University Press: New York; Oxford, 2011; p xxvi, 590 p.
   
3. W. Pauli - Physical Chemistry in the Service of Medicine - Wiley &Sons
   
4. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology - John Wiley & Sons
   
5. H. Ohshima - Biophysical Chemistry of Biointerfaces - Wiley
6. B.D. Ratner, A.S. Hoffman - BIOMATERIALS SCIENCE: An Introduction to Materials in Medicine - Elsevier
7. NANOMATERIALS INTERFACES IN BIOLOGY - METHODS AND PROTOCOLS, Editors: Bergese, Paolo, Hamad-Schifferli, Kimberly (Eds.) SPRINGER

Prova orale. Consegna delle relazioni scritte relative alle esercitazioni/laboratorio; in opzione, presentazioni PowerPoint.

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

- Calcolo del ricoprimento superficiale di una nanoparticella da parte di una proteina in conformazione ‘side-on’

- Tensione superficiale ed energia libera di superficie di un biomateriale ‘anti-fouling’

- Biosensing di biointerfacce ibride con tecniche acustiche e ottiche