CHIMICA FISICA DELLE BIOINTERFACCE

CHIM/02 - 6 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

CRISTINA SATRIANO
Email: csatriano@unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 1/Dipartimento di Scienze Chimiche. Viale Andrea Doria, 6. 95125 Catania.
Telefono: 095 7385136
Orario ricevimento: per appuntamento


Obiettivi formativi

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. Specifici obiettivi formativi del corso sono: 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). 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.

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


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni in aula; attività di laboratorio.


Prerequisiti richiesti

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



Frequenza lezioni

Obbligatoria (almeno 60% di presenze)



Contenuti del corso

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.



Testi di riferimento

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

7. NANOMATERIALS INTERFACES IN BIOLOGY - METHODS AND PROTOCOLS, Editors: Bergese, Paolo, Hamad-Schifferli, Kimberly (Eds.) SPRINGER


Altro materiale didattico

http://studium.unict.it/dokeos/2018/courses/9579/



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Chimica fisica delle interfacce. 
2Aspetti teorici e applicativi delle biointerfacce. 
3Forze intermolecolari e processi di ‘self assembling’ 
4Biomateriali. 
5Microfabbricazione e nanofabbricazione applicati alle biointerfacce. 
6Esempi di caratterizzazione di superfici ed interfacce biologiche. 
7Biointerfacce su scala nanometrica. 
8Esercitazioni in laboratorio su sistemi modello di interesse per le biointerfacce in aspetti relativi al drug delivery, biosensori ed imaging. 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

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


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

- 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’




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