- Area di Scienze
- Corso di Laurea Magistrale
- Scienze e Tecnologie Chimiche [F5401Q]
- Insegnamenti
- A.A. 2020-2021
- 2° anno
- Chimica per le Nanotecnologie
- Introduzione
Syllabus del corso
Obiettivi
Nel periodo di emergenza Covid-19 le lezioni si svolgeranno completamente da remoto asincrono con alcuni eventi in presenza fisica.
Lo studente dovrà acquisire i fondamenti teorici, concettuali e metodologici su preparazione, caratterizzazione e applicazioni della materia inorganica e organica in scala nanometrica. Il corso prevede una parte più orientata alle applicazioni in campo chimico e di scienza dei materiali, e una parte più orientata al campo biomedicale e biotecnologico.Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conoscerà:
- i principi fondamentali che determinano il comportamento della materia alla scala nanoscopica;
- i metodi per preparare nanoparticelle, nanostrutture, nanofilm, nanopolimeri, biopolimeri, ecc;
- i metodi per caratterizzare sistemi nanodimensionati, sia con metodi spettroscopici che con microscopie specifiche;
- le principali applicazioni dei nanomateriali nel campo dell’energia, dell’elettronica, dell’automotive, delle applicazioni all’industria dei tessuti, dei sensori, alla decontaminazione, ecc.
- le nanoparticelle per uso terapeutico e diagnostico. Problematiche biologiche da affrontare: i principi fondamentali del sistema immunitario, le barriere biologiche e le proteine corona, gli organi e tessuti di rifermento.
- le strategie per il rilascio controllato di farmaci, come indirizzare le nanoparticelle su specifici tessuti e cellule. Il riconoscimento molecolare.
- i metodi di funzionalizzazione di nanomateriali con farmaci, diagnostici e molecole preposte al riconoscimento molecolare. I metodi chemoselettivi di coniugazione.
- le principali applicazioni di nanoparticelle per uso biomedicale.
- la natura, la realizzazione e le applicazioni di biomateriali nanostrutturati in grado di mimare tessuti e organi.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- riconoscere il valore aggiunto della nanostrutturazione di un materiale, l’importanza della chimica supramolecolare per la creazione di nuovi aggregati con funzioni specifiche, scegliere le tecniche di caratterizzazione più adatte, individuare campi applicativi delle sostanze preparate su scala nanometrica;
- Valutare l’applicabilità di polimeri di differente natura per finalità biomediche; scegliere le opportune metodologie sintetiche utili allo sviluppo di nanosistemi (nanoparticelle o biomateriali) per fini diagnostici e/o terapeutici, individuare le metodologie di formulazione più idonee sulla base del sistema biologico target.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- Riconoscere le potenzialità di una data nanotecnologia per applicazioni pratiche immediate nell’industria chimica, microelettronica, manifatturiera;
- Il potenziale innovativo di ricerche in campo bio-nanotecnologico e in ambito biomedicale;
- Le potenziali ricadute a lungo termine di nanoscienza e nanotecnologia.
Abilità comunicative
- Al termine del corso lo studente ha appreso come descrivere in una relazione tecnica i principali avanzamenti in un dato settore e ad esporre in modo chiaro e sintetico con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti chimici delle nanotecnologie.
Contenuti sintetici
1° Modulo. Nanomateriali per catalisi e fotocatalisi. Introduzione storica: nascita e definizione di nanotecnologie. Catalisi: la prima nanotecnologia. Caratterizzazione di un catalizzatore (TEM, STM, AFM, XPS); proprietà chimico-fisiche; reattività chimica. Natura del supporto: difetti, siti superficiali, reattività superficiale. Supporti nanostrutturati. Materiali nanoporosi.
Nanotecnologie per energia e ambiente. Fotocatalisi, effetto auto-pulente, conversione di energia solare.
2° Modulo. Nanoparticelle per uso terapeutico e diagnostico, loro natura, funzionalizzazione e applicazioni. Biomateriali nanostrutturati per la medicina rigenerativa, natura, proprietà, funzioni e applicazioni.
Programma esteso
1st Modulo. Nanomateriali per catalisi e fotocatalisi. Introduzione storica: nascita e definizione di nanotecnologie. Dai cluster alle nanoparticelle ai colloidi: evoluzione delle proprietà della materia con le dimensioni; I clusters: aggregate le cui proprietà variano in modo non monotono (effetti quantisitici della dimensione); nanoparticelle: aggregate le cui proprietà variano in modo regolare con le dimensioni, caratterizzate da alta area superficiale; colloidi: sintesi, stabilizzazione, proprietà ottiche; eccitazioni collettive (plasmoni). Catalisi: la prima nanotecnologia. Catalisi da particelle supportate: definizione di catalisi; catalisi ambientale e industriale; ruolo della nanostrutturazione (esempio, oro in catalisi, catalisi da atomi singoli); fattori che influenzano l’attività di un nanocatalizzatore; sistemi modello; preparazione di catalizzatori: controllo della dimensione (sintesi per via umida, nanolitografia, auto-assemblaggio, particelle selezionate in massa, ecc.); caratterizzazione di un catalizzatore (TEM, STM, AFM, XPS); proprietà chimico-fisiche; reattività chimica. Natura del support: controllo a livello atomico; superfici di ossidi e loro morfologia; composizione superficiale e difetti; identificazione di siti superficiali per ancoraggio di nanoparticelle; esempi di reattività superficiale (case study: CO su MgO). Supporti nanostrutturati: ridurre le dimensioni del supporto: film bi-dimensionali; nanoparticelle, nanotube, nanofilm (carbonio, solfuri, ossidi); controllo della carica e della struttura elettronica di un catalizzatore supportato. Materiali nanoporosi: materiali per stoccaggio di gas; zeolite e altre strutture nanoporose; reticoli metallo-organici (MOF).
Nanotecnologie per energia e ambiente. Fotocatalisi con nanoparticelle: ossidi semiconduttori; nanoparticelle di ossidi per effetto auto-pulente; nanoparticelle di ossidi in conversione di energia solare; problema di cattura di energia solare; drogaggio, nanostrutturazione, etero-giunzioni; processi di ricombinazione, efficienza; applicazioni di nanoparticelle di ossidi in vari ambienti.
Rischi associate all’uso di nanoparticelle. Rischi e benefici. Nanotossicologia, citotossicità.2° Modulo. Recenti sviluppi delle nanoparticelle per uso terepeutico e diagnostico. Natura e dimensione delle nanoparticelle. Farmacocinetica, ostacoli da superate e soluzioni: il sistema immunitario e le barriere biologiche. Le proteine corona. Requisiti per rendere le nanoparticelle invisibili al sistema immunitario e per attraversare le barriere biologiche. Strategie per il rilascio controllato del farmaco. Strategie per il targeting, recettori e loro ligandi. Decorazione delle nanoparticelle con ligandi e metodi chemoselettivi di coniugazione. Nanoparticelle per usi diagnostici.
Biomateriali nanostrutturati per la medicina rigenerativa. Natura dei biomateriali: polimeri sintetici; polimeri naturali; materiali ibridi e compositi; materiali a base di peptidi autoassemblanti amfifilici (PA); nanotubi di carbonio. Strategie di funzionalizzazione dei biomateriali; biomolecole e recettori biomateriali intelligenti; funzionalizzatione di biomateriali con proteine della matrice extracellulare, con sequenze peptidiche con carboidratei. Applicazioni alla medicina personalizzata.
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica molecolare, di fisica dei solidi, e di spettroscopie.
Modalità didattica
Lezioni frontali con preparazione e discussione di un elaborato
Materiale didattico
Testi consigliati: http://www.docbrown.info/page03/nanochem02.htm
Slides di presentazione
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Nel periodo di emergenza Covid-19
gli esami orali saranno solo telematici. Verranno svolti utilizzando la
piattaforma WebEx e nella pagina e-learning dell'insegnamento verrà riportato
un link pubblico per l'accesso all'esame di possibili spettatori virtuali.
L’esame può essere sostenuto a scelta dello studente in lingua italiana o lingua inglese e consiste di due prove.
La prima prova consiste nella presentazione orale, di fronte a tutto il gruppo di studenti, di un argomento selezionato tra quelli proposti inerenti l’utilizzo delle nanotecnologie in ambito di produzione di energia sostenibile, di nuovi materiali innovativi, di sistemi per telecomunicazioni e quantum computing, di applicazioni in sensoristica e ambientale, ecc.
La seconda prova consiste in una presentazione orale con le caratteristiche identiche alla precedente, ma su argomenti relativi a nanoparticelle per uso diagnostico e terapeutico, biomateriali per applicazioni di ingegneria tissutale, biomateriali in campo protesico e biomateriali per lo sviluppo di modelli cellulari in vitro avanzati.
Le presentazioni orali individuali sono oggetto di discussione aperta, con domande e contradditorio da parte dei presenti, e permettono di verificare il livello delle conoscenze acquisite, l’autonomia di analisi e giudizio, le capacità espositive dello studente, la capacità di individuare avanzamenti particolarmente promettenti in un dato settore nanotecnologico.
Il voto finale, espresso in trentesimi con eventuale lode, è dato dalla media delle due prove.
Orario di ricevimento
Qualsiasi giorno lavorativo previo appuntamento e disponibilità del docente.
Aims
The student must acquire the theoretical, conceptual and methodological fundaments on preparation, characterization and applications of the inorganic and organic matter at the nanometric scale. The course includes a module more oriented to the applications in the field of chemistry and materials science, and a module more oriented to the biomedical and biotechnological field
Checking knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- fundamental principles that determine the behavior of matter at the nanoscopic scale;
- methods for preparing nanoparticles, nanostructures, nanofilms, nanopolymers, biopolymers, etc;
- methods for characterizing nanodimensional systems, both with spectroscopic and microscopics methods;
- applications of nanomaterials in the fields of energy, electronics, automotive, applications to the textile industry, sensors, decontamination, etc.
- nanoparticles for therapeutic and diagnostic applications. Biological problems that must be faced:
fundamental principles of the immune system, biological barriers and corona proteins, organs and tissues features.
- strategies to control drug delivery, how to target nanoparticles to specific issues and organs. Molecular recognition.
- methods for functionalization of nanoparticles with drugs, diagnostics and targeting molecules. Chemoselective conjugation methods.
- applications of nanomaterials in the fields of diagnostics, therapeutics, tissue engineering, biotechnologies, and life sciences.
- main applicationa of nanoparticles in biomedicine.
- nature, production and applications of nanostructured biomaterials mimicking tissues and organs.
Knowledge and understanding skills applied
At the end of the course the student will be able to:
- Recognize the added value of the nanostructured materials, the importance of supramolecular chemistry for the creation of new aggregates with specific functions, choose the most suitable characterization techniques, identify the application fields of the substances prepared at the nanometric scale;
- Evaluate the applicability of polymers of different nature for biomedical purposes; choose the appropriate synthetic methodologies useful for the development of nanosystems (nanoparticles or biomaterials) for diagnostic and / or therapeutic purposes, identify the most suitable formulation methodologies based on the target biological system.
Autonomy of judgment
At the end of the course the student is able to:
- Recognize the potential of a given nanotechnology for immediate practical applications in the chemical, microelectronic and manufacturing industries;
- The innovative potential of research in the bio-nanotechnology field and in the biomedical field;
- The potential long-term effects of nanoscience and nanotechnology.
Communication skills
- At the end of the course the student has learned how to describe in a technical report the main advances in a given sector and to clearly and synthetically explain the objectives, the procedure and the results of the elaborations carried out with language properties.
Ability to learn
Being able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the chemical aspects of nanotechnology.Contents
1st Module. Nanomaterials for catalysis and photocatalysis. Historycal introduction: birth and definition of nanotechnologies. Catalysis: the oldest nanotechnology. Catalysis by supported particles. Catalyst characterization (TEM, STM, AFM, XPS). Nature of the support: defects; surface sites, surface reactivity. Nanoporous materials.
Nanotechnologies for energy and environment. Photocatalysis; self-cleaning; conversion of solar light into energy.
2ndModule. Nanoparticles for therapeutic and diagnostic use, nature, functionalization and applications. Nanostructured biomaterials for regenerative nmedicine, nature, properties, functions and applications.
Detailed program
1st Module. Nanomaterials for catalysis and photocatalysis. Historycal introduction: birth and definition of nanotechnologies. From clusters to nanoparticles, to colloids: evolution of properties of matter with size; clusters: aggregates with non scalable properties (quantum size); nanoparticles: aggregates with scalable properties, large surface area; colloids: synthesis, stabilization, optical properties; collective excitations (plasmons). Catalysis: the oldest nanotechnology. Catalysis by supported particles: definition of catalysis; environmental and industrial catalysis; role of nanostructuring (e.g. gold in catalysis, single atom catalysts); factors affecting the activity of a nanocatalyst; Model systems; catalyst preparation: size control (wet chemistry, nanolithography, self-assembly, mass selected particles, etc.); catalyst characterization (TEM, STM, AFM, XPS); chemical-physical properties; chemical reactivity. Nature of the support: atomistic control; oxide surfaces and their morphology; surface composition and defects; identification of surface sites for anchoring of nanoparticles; examples of surface reactivity (case study: CO on MgO). Support nanostructures: reducing dimensionality of the support: two dimensional films; nanoparticles, nanotubes, nanofilms (carbons, sulphides, oxides); controlling charge and electronic structure of supported catalyst. Nanoporous materials: materials for gas-storage and sequestration; zeolites and other nanoporous structures; metal-organic frameworks
Nanotechnologies for energy and environment. Photocatalysis by nanoparticles: semiconducting oxides; oxide nanoparticles for self-cleaning; oxide nanoparticles in conversion of solar light into energy; problem of harvesting visible part of solar spectrum; doping, nanostructuring, heterojunctions; recombination processes, efficiency; qpplications of oxide nanoparticles in various environments.
Risks associated to the use of nanoparticles. Risks and benefits. Nanotoxicology, citotoxicity
2nd Module. Recent advances in Nanomaterials for Drug Delivery and Regenerative Medicine. Nature and size of nanoparticles. Pharmacokinetics of the nanoparticles, obstacles to overcome and solutions: immune system and biological barriers. Protein corona. Strategies to generate stealth nanoparticles and to overcome the biological barriers. Strategies for controlled drug release. Strategies for targeting, receptors and ligands. Ligand-decorated nanoparticles, chemoselective approaches of conjugation. Nanoparticles for diagnostic purposes.
Nanostructured Biomaterials for regenerative medicine. The nature of biomaterials: synthetic polymeric materials; natural polymeric materials; hybrid and composite materials; self-assembled peptide amphiphile (PA) based-materials; carbon nanotube. Biomaterials functionalization strategies; biomolecules and receptors for smart biomaterials; functionalization of biomaterials with extracellular matrix proteins, with peptide sequences, with carbohydrates. Applications to personalized medicine.
Prerequisites
Basic knowledge of molecular chemistry, solid state physics, and spectroscopy.
Teaching form
Classroom lectures with preparation and discussion of a scientific report
Textbook and teaching resource
Suggested reading: http://www.docbrown.info/page03/nanochem02.htm
Slides of presentationsSemester
First semester
Assessment method
The exam can be taken at the choice of the student in Italian or English and consists of two tests.
The first test consists of an oral presentation, in front of the whole group of students, of a selected topic among those proposed concerning the use of nanotechnologies in the field of sustainable energy production, new innovative materials, telecommunications systems and quantum computing, sensorial and environmental applications, etc.
The second test consists of an oral presentation, with the same characteristics as the previous one, on topics related to nanoparticles for diagnostic and therapeutic use, biomaterials for tissue engineering applications, biomaterials for prothesis and biomaterials for the development of advanced in vitro cell models.
Individual oral presentations are the subject of open discussion, with questions and contradictions, and the level of knowledge acquired, the autonomy of analysis and judgment, the student's presentation skills, the ability to identify particularly promising advances in a given nanotechnology sector will be checked.
The final grade, expressed in thirtieths with possible “laude”, is the average of the grades two tests.