CHIMICA FISICA DEI SISTEMI BIOLOGICI E DELLE BIOINTERFACCE

12 CFU - 1° semestre

Docenti titolari dell'insegnamento

ANTONIO RAUDINO - Modulo MODELLI MATEMATICI (Modulo 1) - CHIM/02 - 6 CFU
CRISTINA SATRIANO - Modulo TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2) - CHIM/02 - 6 CFU

Obiettivi formativi

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
fornire una visione non meramente descrittiva dei fenomeni chimici e biologici, ma cercare di individuare le principali forze che stanno alla loro base e determinano la loro esistenza e manifestazione.
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
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, soprattutto all’interfaccia solido-liquido, e delle (nano)biointefacce. 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, sensing, imaging, teranostica), 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:
- Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): arrivare alla conoscenza delle caratteristiche essenziali delle biointerfacce ed essere in grado di risolvere in maniera qualitativa e quantitativa semplici problemi relativi all’interfaccia biomolecola-materiale.
- Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): applicazione delle conoscenze teoriche aquisite 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.
- Autonomia di giudizio (making judgements): raccogliere ed interpretare i dati rilevanti, capacità di ragionamento critico, capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
- Abilità comunicative (communication skills): capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
- Capacità di apprendere (learning skills): aver sviluppato le competenze necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni in aula; attività di laboratorio.

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.

Prerequisiti richiesti

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
solide conoscenze scolastiche, acquisite (teoricamente) anche in un normale Liceo Scientifico, di matematica, fisica e chimica.
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
Matematica di base, fisica di base, chimica generale, biochimica

Frequenza lezioni

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
consigliata
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

Contenuti del corso

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
vedi la sezione ARGOMENTI
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
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

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
1- Appunti delle lezioni

2- P. W. Atkins, J. De Paula, Elementi di Chimica Fisica, Zanichelli
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
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

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
non fornito dal docente
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
http://studium.unict.it/dokeos/2018/

Programmazione del corso

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
	Argomenti	Riferimenti testi
1	richiami sulla conservazione dell'energia e sul primo principio della termodinamica	appunti del docente
2	introduzione al concetto di entropia e sul secondo principio della termodinamica	appunti del docente
3	applicazioni del concetto di entropia in biologia	appunti del docente
4	concetto di energia libera e sua minimizzazione	appunti del docente
5	applicazione del concetto di energia libera per il calcolo della pressione osmotica	appunti del docente
6	pressione osmotica in biologia e fenomeni ad essa collegati (ad es. forze di deplezione)	appunti del docente
7	approccio termodinamico alla ripartizione tra fasi e loro applicazione in biologia (ad es. ripartizione acqua-membrana)	appunti del docente
8	applicazione del concetto di energia libera per lo studio delle soluzioni elettrolitiche	appunti del docente
9	elettroliti, polielettroliti e membrane cariche, concetti comuni	appunti del docente
10	applicazioni dell'elettrostatica ai sistemi biologici	appunti del docente
11	micelle, emulsioni e doppi strati lipidici	appunti del docente
12	nucleazione e crescita	appunti del docente
13	cinetica chimica formale: classificazione ed ordine delle reazioni chimiche e corrispettive equazioni	appunti del docente
14	cinetica chimica: fenomeni controllati dalla diffusione e fenomeni governati dall'energia di attivazione	appunti del docente
15	cinetiche chimiche più complesse con applicazioni (ad es. sistema preda-predatore)	appunti del docente
16	cenni di teoria della stabilità con esempi in campo biologico	appunti del docente
17	cenni ai fenomeni cooperativi con esempi in campo biologico	appunti del docente
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
	Argomenti	Riferimenti testi
1	Chimica fisica delle interfacce.
2	Aspetti teorici e applicativi delle biointerfacce.
3	Forze intermolecolari e processi di ‘self assembling’
4	Biomateriali.
5	Microfabbricazione e nanofabbricazione applicati alle biointerfacce.
6	Esempi di caratterizzazione di superfici ed interfacce biologiche.
7	Biointerfacce su scala nanometrica.
8	Esercitazioni 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

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
esclusivamente orale
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
Prova orale. Consegna delle relazioni scritte relative alle esercitazioni svolte in laboratorio.

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

Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.

ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

MODELLI MATEMATICI (Modulo 1)
non fornite
TERANOSTICA E NANOMEDICINA (Modulo 2)
- 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

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