Course Syllabus
Obiettivi
ll corso è diviso in due parti:
La prima parte è incentrata sui concetti fondamentali della progettazione e preparazione di materiali nanostrutturati e nanoparticelle e sull'effetto dei fattori dimensionali e di forma sulle proprietà dei materiali. Verranno utilizzate strategie di autoassemblaggio e templataggio e lo sfruttamento delle interazioni per la creazione di materiali con funzioni specifiche, a partire da elementi costruttivi su scala molecolare fino a strutture complesse con organizzazione gerarchica su diverse scale di dimensione. Inoltre, il programma mira ad applicare gli approcci nanotecnologici che hanno un impatto sui processi per produrre materiali con proprietà migliorate.
La seconda parte è incentrata sull'applicazione di materiali nanostrutturati e nanoparticelle nel campo della nanomedicina. Il corso illustrerà l'impatto che i nanomateriali hanno nel progresso della medicina e dell'assistenza sanitaria, compreso il loro ruolo nella fornitura di terapie, ingegneria tissutale e tecniche di biosensing/diagnosi. Verranno presentate diverse classi di nanomateriali organici e inorganici e strategie di funzionalizzazione chimica di superficie per ottenere proprietà stealth e per indurre il targeting attivo e selettivo della cellula malata. Verranno inoltre discusse applicazioni biomediche innovative delle nanoparticelle (ad es. ipertermia, terapia fotodinamica, uso della radiazione Cerenkov).
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce i principali metodi di preparazione e caratterizzazione dei nanomateriali, delle nanomacchine e dei materiali porosi. Inoltre le principali tecniche analitiche, specialmente la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare in soluzione e allo stato solido, la Spettroscopia Infrarossa, la Spettroscopia UV-vis, i metodi calorimetrici e termogravimetrici, e la diffrazione di raggi-X da cristallo singolo e da polveri policristalline.
Conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze su:
• principali metodi di sintesi convenzionali
• strategie sintetiche di ultima generazione per la produzione di nanomateriali innovativi
• relazioni proprietà-struttura nei nanomateriali
Applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente sarà in grado di descrivere i principali approcci sintetici e i metodi di caratterizzazione più idonei
per modulare le proprietà dei nanomateriali per usi scientifici e applicativi.
Autonomia di giudizio
Lo studente sarà in grado di orientarsi nel campo dei nanomateriali sia in termini di struttura chimica, metodi di sintesi convenzionali
e innovativi, sia in termini di proprietà dei nanomateriali.
Competenze comunicative
Lo studente sarà in grado di esprimere gli argomenti trattati durante il corso con competenze linguistiche adeguate alle nanoscienze.
Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite durante il corso per comprendere gli argomenti trattati nella
letteratura scientifica e brevettuale nel campo dei nanomateriali innovativi.
Contenuti sintetici
Il corso si focalizza sui concetti fondamentali per la fabbricazione di nanostrutture e come vengono applicati alle diverse classi di materiali. Include i metodi per controllare la dimensione, la forma e la struttura dei sistemi nanostrutturati, nonché l'effetto di questi parametri sulle proprietà dei materiali.
Il corso illustra i concetti fondamentali della nanomedicina e come le proprietà dei nanomateriali possono essere sfruttate nelle applicazioni biomediche. Esso comprende come la funzionalizzazione chimica di superficie può aggiungere nuove funzioni al nanodispositivo e gli usi innovativi dei nanomateriali in campo biomedico.
Programma esteso
Principi costruttivi dei materiali nanostrutturati, assemblaggio gerarchico e metodi per guidare l'autoassemblaggio
Progettazione e sintesi di elementi molecolari con dimensioni e forma predeterminate, composizione e funzionalità per la fabbricazione di materiali nanostrutturati e per la costruzione di materiali molecolari e ibridi
Metodi per la preparazione di nanoparticelle, nanotubi, nanotubi e nanofili
Sintesi di modelli per la fabbricazione di materiali nanostrutturati, modulazione dell'interfaccia e costruzione di materiali ibridi
Nanomacchine artificiali e nanointerrurrori allo stato solido e legame meccanico
Approcci specifici per caratterizzare sistemi nanometrici
Principali applicazioni dei materiali nanostrutturati nel campo dell'energia, dell'elettronica, dell'automotive, del sensing per riconoscimento molecolare ecc
Materiali nanoporosi: micro e ultra-micro porosità, elevata area superficiale, elevata capacità, funzionalizzazione, assorbimento selettivo
- Cristalli Molecolari, Strutture metallo-organiche, Strutture organiche covalenti
- Principi di fabbricazione
- Confinamento molecolare e reazioni chimiche nei nanospazi
- Applicazioni ambientali: cattura gas, purificazione e sequestro gas (CO2), stoccaggio gas (H2 e CH4)
- Cattura dell'acqua e di inquinanti
- Vettori di farmaci
Nanotecnologia nell'industria petrolifera e del gas: separazione e recupero sostenibili di petrolio e gas.
Seconda parte:
Concetti base di nanomedicina e nanotecnologia
Classi di materiali nanostrutturati e nanoparticelle (es. nanotubi di carbonio, liposomi, nanoparticelle inorganiche, punti quantici, NP polimeriche, ecc.)
Rivestimento per biocompatibilità e proprietà invisibili
Caratterizzazione di nanosistemi in ambiente fisiologico: dynamic light scattering (DLS) e potenziale Zeta
Nanosistemi per la somministrazione di farmaci
Nanosistemi per il bioimaging
Nanosistemi per la terapia
Stimoli sensibili e nanomateriali intelligenti
Targeting passivo: Permeabilità e ritenzione migliorate (EPR)
Targeting attivo: legame ligando/recettore
Terapia fotodinamica (radiazione Cerenkov)
Ipertermia con nanoparticelle d'oro
Nanoparticelle multifunzionali
Tossicità dei nanomateriali
Prerequisiti
• Buona conoscenza della chimica generale.
• Conoscenze di base di termodinamica, parametri fisico-chimici.
• Conoscenza di base dei metodi spettroscopici e di diffrazione.
Modalità didattica
Le lezioni saranno tenute in inglese.
24 lezioni di due ore ciascuna, in presenza, Didattica erogata.
Materiale didattico
- Concepts of Nanochemistry (G. A. Ozin, L. Cademartiri) Wiley
- Nanoporous Materials (K. Kaneko, F. Rodriguez-Reinoso Eds.) Springer 2019
- Crystal Engineering A Textbook (Gautam R Desiraju, J. J. Vittal, A. Ramanan)
- Nanomaterials and Nanotechnology in Medicine (Visakh P.M.) Wiley
- Fundamentals of Nanomedicine (J. F. Leary) Cambridge University Press
- Appunti del docente (presentazioni power point di supporto alla attività didattica)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno, secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame orale consiste nella valutazione delle conoscenze acquisite dallo studente nel campo delle nanoscienze, con particolare attenzione alla sintesi, alla struttura e alle proprietà dei nanomateriali. L'autonomia di analisi e giudizio, nonché la capacità di esposizione saranno valutate secondo i seguenti criteri:
18-20/30: preparazione su un numero limitato di argomenti trattati durante il corso, con limitata capacità di discussione e analisi; capacità di presentazione e lessico non sempre corretti, con limitata capacità di elaborazione critica.
21-23/30: preparazione parziale sugli argomenti trattati durante il corso, limitata capacità di autoanalisi; utilizzo di un lessico corretto ma non del tutto accurato e chiaro; capacità di presentazione incerte.
24-27/30: preparazione su un'ampia gamma di argomenti trattati durante il corso, capacità di autoargomentazione e analisi critica; capacità di applicare le conoscenze generali al contesto specifico della scienza dei polimeri e di collegare gli argomenti studiati a casi concreti; utilizzo di un lessico corretto e competenza nell'uso del linguaggio scientifico.
28-30/30L: preparazione completa ed esaustiva su tutti gli argomenti trattati durante il corso; autonomia di analisi e giudizio critico sugli argomenti trattati a lezione; capacità di collegare gli argomenti studiati a casi concreti e a diversi contesti scientifici; piena padronanza del lessico scientifico e capacità di presentazione rigorosa, chiara e articolata; eccellente capacità di argomentazione e riflessione.
Orario di ricevimento
Martedì dalle 10:30 alle 13:30.
Sustainable Development Goals
Aims
The course is divided in two parts:
The first part is focused on fundamental concepts of the design and preparation of nanostructured materials and nanoparticles and andon the effect of dimension size and shape factors on the properties of materials. Self-assembly and templating strategies, and the exploitation of interactions will be used considered for the creation of materials with specific functions, starting from molecular-scale building blocks to complex structures with hierarchical organization over several length scales. Additionally, the program aims atto applying the nanotechnological approaches which have an impact on products and processes to produce materials with improved properties.
The second part is focused on the application of nanostructured materials and nanoparticles in the field of nanomedicine. The course will illustrate the impact that nanomaterials have in the advance of medicine and healthcare including their role in delivery of therapy, tissue engineering and biosensing/diagnosis techniques. Different classes of organic and inorganic nanomaterials will be presented and as well as strategies of surface chemical functionalization to achieve stealth properties and to induce the active and selective targeting of diseased cell. Innovative biomedical applications of nanoparticles (e.g. hyperthermia, photodynamic therapy, use of Cerenkov radiation) will also be discussed.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have acquired knowledge on:
• main conventional synthesis methods
• latest generation of synthetic strategies for the production of innovative nanomaterials
• property-structure relationships in nanomaterials
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student will be able to describe the main synthetic approaches and the most suitable characterization methods
to modulate the properties of nanomaterials for scientific and applicative uses.
Making judgments
The student will be able to orient himself in the field of nanomaterials both in terms of chemical structure, conventional
and innovative synthesis methods, and in terms of properties of nanomaterials.
Communication skills
The student will be able to express the topics covered during the course with language skills suitable for nanoscience.
Learning skills
The student will be able to apply the knowledge acquired during the course to understand the topics dealt with in
the scientific and patent literature in the field of innovative nanomaterials.
Contents
The course highlights the fundamental concepts for fabricating nanostructures and how they are applied to different classes of materials. It includes methods for controlling the size, shape and structure of nanostructured systems, as well as the effect of these parameters on material properties.
The course illustrates the fundamental concepts of nanomedicine and how the properties of nanomaterials can be exploited in biomedical applications. It includes how chemical surface functionalisation can add new functions to the nanodevice and innovative uses of nanomaterials in the biomedical field.
Detailed program
Constructive principles of nanostructured materials, hierarchical assembly, and methods for directing self-assembly
Design and synthesis of building blocks with pre-determined size and form, composition and functionalities for fabricating nanostructured materials and for constructing molecular and hybrid materials
Methods for preparing nanoparticles, nanorods, nanotubes and nanowires
Template synthesis for fabricating nanostructured materials, interface modulation and construction of hybrid materials
Artificial nanomachines and nanoswitches in the solid state and mechanical bond
Specific approaches to characterize nanosized systems
Main applications of nanostructured materials in the field of energy, electronics, automotive, sensing by molecular recognition ect
Nanoporous materials: micro and ultra-micro porosity, high surface area, high capacity, functionalization, selective absorption
- Main families: Molecular Crystals, Metal-organic Frameworks, Covalent Organic Frameworks
- Principles of fabrication
- Molecular confinement and chemical reactions in the nanospaces
- Environmental applications: gas capture, gas purification and sequestration (CO2), gas storage (H2 and CH4)
- Water harvesting and polluttant capture
- Drug carriers
Nanotechnology in oil and gas industry: sustainable oil and gas separation and recovery.
Second part:
Basic concept of nanomedicine and nanotechnology
Classes of nanostructured materials and nanoparticles (e.g. carbon nanotubes, liposome, inorganic nanoparticles, quantum dots, polymeric NP, etc.)
Coating for biocompatibility and stealth properties
Nanosystems characterization in physiological environment: dynamic light scattering (DLS) and Zeta potential
Nanosystems for drug delivery
Nanosystems for bioimaging
Nanosystems for therapeutics
Stimuli responsive and intelligent nanomaterials
Passive targeting: Enhanced Permeability and Retention (EPR)
Active targeting: ligand/receptor binding
Photodynamic therapy (Cerenkov radiation)
Hyperthermia with gold nanoparticles
Multifunctional nanoparticles
Toxicity of nanomaterials
Prerequisites
• Good knowledge of general chemistry.
• Basic knowledge of thermodynamics, physico-chemical parameters.
• Basic knowledge of spectroscopic and diffraction methods.
Teaching form
The lessons will be delivered in English.
24 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics.
Textbook and teaching resource
- Concepts of Nanochemistry (G. A. Ozin, L. Cademartiri) Wiley
- Nanoporous Materials (K. Kaneko, F. Rodriguez-Reinoso Eds.) Springer 2019
- Crystal Engineering A Textbook (Gautam R Desiraju, J. J. Vittal, A. Ramanan)
- Nanomaterials and Nanotechnology in Medicine (Visakh P.M.) Wiley
- Fundamentals of Nanomedicine (J. F. Leary) Cambridge University Press
- Lectue notes (power point presentations to support teaching activities)
Semester
1st year, 2nd semester.
Assessment method
Oral exam for the evaluation of the acquired knowledge during the course.
The oral exam consists of the evaluation of the knowledge acquired by the student in the field of nanoscience
with particular attention to the synthesis, structure and properties of nanomaterials. The autonomy of analysis and
judgment, and the ability of exposure will be evaluated using the following criteria:
18-20/30: preparation on a small number of topics covered during the course, with limited capacity for discussion
and analysis; not always correct presentation skills and vocabulary, with limited capacity for critical processing.
21-23/30: partial preparation on the subjects covered during the course, limited ability to self-analysis; use of
correct vocabulary although not entirely accurate and clear; uncertain presentation skills.
24-27/30: preparation on a wide range of topics covered during the course, ability to develop self-argument and
critical analysis; Ability to apply general knowledge to the specific context of polymer science and link topics studied
to concrete cases; use of correct vocabulary and competence in the use of scientific language.
28-30/30L: complete and comprehensive preparation on all the subjects covered during the course; autonomy of
analysis and critical judgment of the topics addressed in class; ability to link the topics studied to concrete cases
and different scientific contexts; Full mastery of scientific vocabulary and rigorous presentation skills, clear and
articulate; excellent ability to argue and reflect.
Office hours
Tuesday from 10:30 to 12:30.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Angiolina Comotti
-
Cristiana Di Valentin
