Course Syllabus
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/ Machine Learning / Deep Learning) nella sintesi predittiva e automatica di biomateriali innovativi e nella loro caratterizzazione.
Contenuti sintetici
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.
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 (inclusa la stampa e la biostampa 3D)
- Individuare gli applicativi, i dati utili e l'applicabilità di di sistemi di sintesi predittiva e robotica (AI, ML, DL) nel campo di bio e nanomateriali.
Programma esteso
Il corso fornirà una panoramica estesa relativa a biomateriali e nanomateriali per applicazioni biomediche. Saranno inoltre considerati i dispositivi i dispositivi attualmente utilizzati in pratica clinica per applicazioni diagnostiche e terapeutiche. Le applicazioni di coniugazione, sintesi e caratterizzazione dei principali materiali e l'utilizzo di sistemi innovativi basati su Intelligenza Artificiale finalizzati alla sintesi predittiva, alla sintesi assistita da robotica collaborativa e alle strategie di cratatterizzazione basate su machine learning. In dettaglio saranno evidenziati:
- 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.
Prerequisiti
Chimica Organica I
Modalità didattica
44 h Didattica Erogativa
22 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
20 h Didattica Mista
2 seminari/ora in moduli da 2 ore in presenza, Didattica Mista
Materiale didattico
Registrazione Lezioni
Slides (PPT)
Video
Articoli Scientifici (Reviews e 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
Su appuntamento
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
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 nano-materials in the development of nanostructured diagnostic and therapeutic tools, implantable medical devices and systems based on 3D printed and 3D bioprintable materials.
At the end of the course the student is able to:
- Determine the characteristics of synthetic and natural nanostructural 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 (including 3D printing and bioprinting)
- Identify applications, useful data and applicability of predictive synthesis and robotic systems (AI, ML, DL) in the field of bio and nanomaterials.
Detailed program
The course will provide an extensive overview relating to biomaterials and nanomaterials for biomedical applications. Devices currently used in clinical practice for diagnostic and therapeutic applications will also be considered. The applications of conjugation, synthesis and characterization of the main materials and the use of innovative systems based on Artificial Intelligence aimed at predictive synthesis, collaborative robotics-assisted synthesis and machine learning-based characterization strategies. In detail the following will be highlighted:
- 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.
Prerequisites
Organic Chemistry I
Teaching form
44 h two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
20 h Seminars
2 seminars/hour for 2 h modules, Seminars
Textbook and teaching resource
Recording of lessons
Slides (PPT)
Video
Scientific Articles (Reviews and 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
