Syllabus del corso
Obiettivi
Lo studente dovrà acquisire i fondamenti chimici (teorici, concettuali e metodologici) sulla sintesi, sulla caratterizzazione e sulle applicazioni biomedicali di biomateriali avanzati in scala nanometrica. Il corso prevede una parte orientata allo sviluppo di nanoparticelle per applicazioni diagnostiche e terapeutiche, e una parte dedicata allo sviluppo di biomateriali nanostrutturati per la medicina rigenerativa e protesica. Verranno descritte le strategie chimiche per lo sviluppo di bio-inchiostri per la stampa 3D di tessuti biologici.
Verranno trattati i differenti approcci chimici per sintetizzare nanomateriali mediante l’impiego di polimeri sintetici, naturali e ibridi
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
- Padroneggiare le caratteristiche di materiali nanostrutturati sintetici e naturali utili per applicazioni biomediche.
- Rilevare le differenti performances di biomateriali in base alle proprietà chimiche, strutturali e biologiche.
- Valutare l’applicabilità di polimeri di varia natura per finalità biomediche differenti; scegliere le opportune metodologie sintetiche utili allo sviluppo di nanosistemi (nanoparticelle o biomateriali) per fini diagnostici e/o terapeutici.
- Valutare l’impiego di tecnologie innovative (es. Intelligenza Artificiale) nella sintesi predittiva e automatica di biomateriali innovativi e nella loro caratterizzazione.
Contenuti sintetici
Conoscenze e capacità di comprensione
- i metodi per preparare nanoparticelle, nanostrutture, nanofilm, nanopolimeri, biopolimeri, etc;
- i metodi per caratterizzare sistemi nanodimensionati, sia spettroscopici che con microscopie;
- le nanoparticelle per uso terapeutico e diagnostico e le 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.
- le applicazioni di biomateriali nanostrutturati in grado di mimare tessuti e organi.
- I siti di impianto e di applicazione di dispositivi medici permanenti (non biodegradabili) e non permanenti (biodegradabili)
- i metodi per preparare materiali nanostrutturati nel settore protesico e nella medicina rigenerativa
- i metodi per caratterizzare le proprietà chimico fisico di materiali avanzati per applicazioni di ingegneria tissutale.
- la progettazione e i metodi per sintetizzare materiali naturali, sintetici e ibridi
- i metodi di funzionalizzazione chemoselettive per ottenere materiali bio-responsivi tessuto e organo-specifici
- i metodi di crosslinking per la stabilizzazione covalente di strutture 3D
- i metodi e le strategie di bioattivazione di materiali polimerici con proprietà biologiche avanzate.
- le strategie di sviluppo e di sintesi di materiali in forma di idrogeli iniettabili, scaffolds, bulks e reti impiantabili.
- le strategie e le metodologie di formulazione mediante solvent casting, freeze dry, moulding e layer-by-leyer etc….
- le nuove metodologie di formulazione e le strategie chimiche associate: 3D printing e bioprinting, caratteristiche e classificazione di polimeri printabili
- 3D printing e bioprinting: metodologie sintetiche e di caratterizzazione per lo sviluppo di polimeri printabili e bioprintabili.
- 3D printing e bioprinting: progettazione di modelli 3D protesici e tissutali
- Metodi e piattaforme basate su intelligenza artificiale impiegate nella predizione, nella sintesi e nella formulazione di bio- e nanomateriali per applicazioni biomediche.
Programma esteso
Il corso verterà sulle metodologie chimiche per lo sviluppo di materiali nanostrutturati per applicazioni biomediche. In particolare, verranno presentati approcci chimici per sintetizzare nanomateriali che impiegano polimeri sintetici, naturali e ibridi. Un focus particolare sarà dedicato al potenziale traslazionale di bio- e nano-materiali nello sviluppo di strumenti diagnostici e terapeutici nanostrutturati, dispositivi medici impiantabili e sistemi basati su materiali stampati in 3D e biostampabili in 3D. Saranno inoltre affrontate e presentate le nuove tecnologie utili all'automazione e la preditiività nella sintesi e nella valutazione di bio- e nanomateriali. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- Determinare le caratteristiche di materiali nanostrutturali sintetici e naturali per applicazioni biomediche.
- Rilevare le differenti performances di biomateriali in base alle proprietà chimiche, strutturali e biologiche.
- Valutare l’applicabilità di polimeri di varia natura per finalità biomediche differenti; 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, delle patologie di interesse e dell’impiego del ”medical device” / nanoformulazione.
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.
Prerequisiti
Chimica Organica e interesse nella biomedicina
Modalità didattica
Lezioni Frontali
Materiale didattico
Video Lezioni, PPT slides, video e rassegne bibliografiche, articoli originali
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I Semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L’esame può essere sostenuto a scelta dello studente in lingua italiana o lingua inglese e consiste di una prova di seguito definita:
La prova consiste in una presentazione orale sugli argomenti trattati dal corso, con analisi critica e contributo di ricerca personale.
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 è espresso in trentesimi con eventuale lode.
Orario di ricevimento
Qualsiasi giorno lavorativo previo appuntamento e disponibilità del docente.
Sustainable Development Goals
Aims
The student will have to acquire the chemical foundations (theoretical, conceptual and methodological) on the synthesis, characterization and biomedical applications of advanced biomaterials on the nanometric scale. The course includes a part aimed at the development of nanoparticles for diagnostic and therapeutic applications, and a part dedicated to the development of nanostructured biomaterials for regenerative and prosthetic medicine. Chemical strategies for the development of bio-inks for 3D printing of biological tissues will be described.
The different chemical approaches to synthesize nanomaterials through the use of synthetic, natural and hybrid polymers will be covered
At the end of the course, the student will be able to:
- Master the characteristics of synthetic and natural nanostructured materials useful for biomedical applications.
- Detect the different performances of biomaterials based on their chemical, structural and biological properties.
- Evaluate the applicability of various types of polymers for different biomedical purposes; choose the appropriate synthetic methodologies useful for the development of nanosystems (nanoparticles or biomaterials) for diagnostic and/or therapeutic purposes.
- Evaluate the use of innovative technologies (e.g. Artificial Intelligence) in the predictive and automatic synthesis of innovative biomaterials and in their characterization.
Contents
Checking knowledge and understanding
- methods for preparing nanoparticles, nanostructures, nanofilms, nanopolymers, biopolymers, etc.;
- methods for characterizing nanosized systems, both spectroscopically and with microscopies;
- nanoparticles for therapeutic and diagnostic use and the biological problems to be addressed: the fundamental principles of the immune system, biological barriers and corona proteins, reference organs and tissues.
- strategies for the controlled release of drugs, such as directing nanoparticles to specific tissues and cells. Molecular recognition.
- methods of functionalization of nanomaterials with drugs, diagnostics and molecules responsible for molecular recognition. Chemoselective conjugation methods.
- the main applications of nanoparticles for biomedical use.
- the applications of nanostructured biomaterials capable of mimicking tissues and organs.
- The implantation and application sites of permanent (non-biodegradable) and non-permanent (biodegradable) medical devices
- methods for preparing nanostructured materials in the prosthetic sector and in regenerative medicine
- methods to characterize the chemical-physical properties of advanced materials for tissue engineering applications.
- the design and methods for synthesizing natural, synthetic and hybrid materials
- chemoselective functionalization methods to obtain tissue- and organ-specific bio-responsive materials
- crosslinking methods for the covalent stabilization of 3D structures
- methods and strategies for the bioactivation of polymeric materials with advanced biological properties.
- development and synthesis strategies of materials in the form of injectable hydrogels, scaffolds, bulks and implantable networks.
- formulation strategies and methodologies using solvent casting, freeze dry, molding and layer-by-layer etc….
- new formulation methodologies and associated chemical strategies: 3D printing and bioprinting, characteristics and classification of printable polymers
- 3D printing and bioprinting: synthetic and characterization methodologies for the development of printable and bioprintable polymers.
- 3D printing and bioprinting: design of 3D prosthetic and tissue models
- Artificial intelligence-based methods and platforms used in the prediction, synthesis and formulation of bio- and nanomaterials for biomedical applications.
Detailed program
The course will focus on chemical methodologies for the development of nanostructured materials for biomedical applications. In particular, chemical approaches to synthesize nanomaterials using synthetic, natural and hybrid polymers will be presented. A particular focus will be dedicated to the translational potential of bio- and nanomaterials in the development of nanostructured diagnostic and therapeutic tools, implantable medical devices and systems based on 3D printed and 3D bioprintable materials. New technollogies and platform based on Artifical Intelligence will be also considered to explore new frontiers in predictive and automated synthesis of bio- and nanomaterials for medical applications. At the end of the course, the student will be able to
At the end of the course the student is able to:
- Determine the characteristics of synthetic and natural nanostructured materials for biomedical applications.
- Detect the different performances of biomaterials based on their chemical, structural and biological properties.
- Evaluate the applicability of various types of polymers for different 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, the pathologies of interest and the use of the "medical device" / nanoformulation.
Autonomy of judgment
At the end of the course the student is able to:
- Recognize the potential of a given nanotechnology for the development of medical devices or diagnostic /therapeutic nanostructured devices.
- 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.
Prerequisites
Chimica Organica e interesse nella biomedicina
Teaching form
Frontal Lessons
Textbook and teaching resource
Video Lessons, PPT slides, Video and electronic resources (Rewiews and articles), original articles
Semester
I Semester
Assessment method
The exam can be taken at the student's choice in Italian or English and consists of a test defined below: The test consists of an oral presentation on the topics covered by the course, with critical analysis and personal research contribution. Individual oral presentations are the subject of open discussion, with questions and cross-examination by those present, and allow us to verify the level of knowledge acquired, the autonomy of analysis and judgement, the student's presentation skills, the ability to identify particularly promising advances in a given nanotechnology sector. The final grade is expressed in thirtieths with possible honors.
Office hours
Any working day by appointment and availability of the teacher.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Laura Russo
