CHIMICA FISICA DELLE BIOINTERFACCE

Il corso si propone di fornire gli approfondimenti chimico-fisici di concetti già trattati in altre discipline caratterizzanti il corso di studi, quali la chimica fisica dei sistemi biologici, la chimica organica, la biochimica. I contenuti del corso vertono su principi di base e proprietà delle superfici e dell’interfaccia solido-liquido. Scopo del corso è di fornire gli strumenti necessari alla comprensione dei vari tipi di interazione che avvengono tra cellule e tessuti ed il loro intorno naturale o artificiale, aspetti termodinamici e cinetici dell’interfaccia proteina-biomateriale, con approfondimenti sul ruolo fondamentale dell’acqua alle biointerfacce. Un altro obiettivo formativo del corso è quello di spiegare come processi cellulari quali l’adesione, la differenziazione e la proliferazione possano essere influenzati da proprietà meccaniche (viscoelasticità), fisiche (topografia) e chimiche (energia libera di superficie, composizione e struttura) delle superfici e di come queste possano essere modulate attraverso la loro modifica, anche su scala nanometrica, e/o dalle condizioni ambientali (stimolo chimico, fisico e/o biologico).

Il corso di Chimica Fisica delle Biointerfacce dovrà anche fornire allo studente le conoscenze teoriche per il confronto dei risultati sperimentali con quelli di calcolo, relativamente a casi studio di biointerfacce tra cellule e matrice extracellulare (ECM) e tra cellule, ECM e dispositivi medicali. Lo studente alla fine del corso deve dimostrare di conoscere le caratteristiche essenziali delle biointerfacce ed essere in grado di risolvere in maniera qualitativa e quantitativa semplici problemi relativi all’interfaccia biomolecola-materiale.

Nella parte di laboratorio lo studente prenderà consapevolezza non soltanto del ruolo fondamentale espletato da questa disciplina in diversi ambiti scientifico-tecnologici (trasporto e rilascio di farmaco, sensoristica, imaging), ma anche aquisirà dismestichezza con processi di sintesi chimica di nanoparticelle e caratterizzazione spettroscopica e microscopica delle biointerfacce.

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

Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

Chimica fisica delle interfacce. Introduzione al concetto di biointerfaccia. Definizione e proprietà di superficie. Nano-bio-interfacce.

Aspetti teorici e applicativi delle biointerfacce. Biomateriali. Biosensori. Bioelettronica. Ingegneria tissutale. Nanomedicina e teranostica.

Forze intermolecolari e processi di ‘self assembling’. Aspetti strutturali di superfici asciutte e bagnate (doppio strato), aspetti energetici (energie di interfaccia, superidrofobicità). Carica superficiale e chimica superficiale dei colloidi. Elasticità e viscoelasticità di sistemi biomolecolari. Casi studio di sistemi biomolecolari auto-organizzati.

Biomateriali. Preparazione di biomateriali e protesi biomedicali e caratterizzazione chimico-fisica delle loro proprietà di superficie. La reazione del corpo esterno ed incapsulazione dell’impianto.

Microfabbricazione e nanofabbricazione applicati alle biointerfacce. Strutturazione di superfici; imprinting molecolare; monostrati autoassemblanti; tecniche di sintesi di micro- e nanomateriali. Influenza di topografia, proprietà meccaniche e gruppi funzionali chimici sulla risposta cellulare.

Esempi di caratterizzazione di superfici ed interfacce biologiche. Membrane supportate a doppio strato lipidico (SLB). Confronto tra tecniche acustiche (microbilancia a cristallo di quarzo con monitoraggio della dissipazione, QCM-D), ottiche (risonanza plasmonica di superficie, SPR; spettroscopia ottica a guida d’onda, OWLS) e microscopiche (microscopia a forza atomica, AFM; microscopia confocale a scansione laser, LSM).

Biointerfacce su scala nanometrica. Interazioni cellula-intorno biologico. Interazioni cellula-cellula e cellula-matrice extracellulare (ECM). Adsorbimento di proteine da un mezzo biologico. Interazione proteina-superficie solida. Ruolo dell’acqua nell’adsorbimento di superficie. La superficie di ‘Goldilocks’. Concentrazione di superficie, cinetica, conformazione, effetto sul comportamento cellulare.

Esercitazioni in laboratorio su sistemi modello di interesse per le biointerfacce in aspetti relativi al drug delivery, biosensori ed imaging.

1. Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

2. P. W. Atkins, J. de Paula- Chimica fisica biologica - Zanichelli

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

Prova orale. Consegna delle relazioni scritte relative alle esercitazioni svolte in laboratorio.

- 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’