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: nano- e biomateriali innovativi da impiegare in teranostica e sensoristica, bio-inchiostri per la stampa 3D di tessuti biologici, dispositivi per il trattamento di problematiche di interesse medico e biologico. Verranno trattati i differenti approcci chimici per sintetizzare e caratterizzare nanomateriali mediante l'impiego di polimeri sintetici, naturali e ibridi.
Al termine del corso, in linea con i descrittori di Dublino, lo studente avrà acquisito:
- Conoscenza e capacità di comprensione: padroneggiare le caratteristiche di materiali nanostrutturati sintetici e naturali utili per applicazioni biomediche.
- Capacità di applicare conoscenza: scegliere le opportune metodologie sintetiche, di formulazione e manufacturing utili allo sviluppo di nanosistemi (nanoparticelle o biomateriali) per fini diagnostici e/o terapeutici.
- Autonomia di giudizio: valutare l'applicabilità di polimeri e materiali di varia natura per finalità biomediche differenti. Rilevare le differenti performances di biomateriali in base alle proprietà chimiche, strutturali e biologiche. 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. Valutare la rilevanza applicativa utile alla progettazione razionale di bio- e nanomateriali.
- Abilità comunicative: saper presentare oralmente e analizzare in modo critico un articolo scientifico originale, partecipando attivamente al contraddittorio e alla discussione aperta sui temi delle nanotecnologie.
- Capacità di apprendimento: Sviluppare un'autonomia di analisi che permetta di individuare avanzamenti particolarmente promettenti nel settore nanotecnologico e aggiornarsi sulle nuove piattaforme (es. Intelligenza Artificiale) impiegate nel campo
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 automazione 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 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. In dettaglio, 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 organospecifici 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....
- saranno inoltre descritte 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.
- nuovi metodi e piattaforme basate su intelligenza artificiale impiegate nella predizione, nella sintesi e nella formulazione automatizzate di bio- e nanomateriali per applicazioni biomediche
Prerequisiti
Chimica Organica I
Modalità didattica
48 ore totali, interamente erogate in presenza (LEL). Le attività sono così suddivise:
Didattica Erogativa (DE): 44 ore svolte in presenza (LEL), strutturate in 22 lezioni frontali da 2 ore.
Didattica Interattiva (DI): 4 ore svolte in presenza (LEL), strutturate in 2 seminari/moduli interattivi da 2 ore volti a coinvolgere attivamente gli studenti.
Materiale didattico
Slides (PPT). Video e Articoli Scientifici (Reviews e Articoli originali). Software per progettazione e design, predizione sintesi biomateriali, databanks.
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 a) una presentazione power point su uno specifico articolo originale selezionato tra gli argomenti proposti dal docente; b) domande relative al programma del corso.
La prova di presentazione è di seguito definita:
- La prova consiste in una presentazione orale supportata da ppt sugli argomenti trattati durante il corso, con analisi critica e contributo di ricerca personale. Il docente proporrà differenti tematiche aperte.
- Le presentazioni orali individuali tratteranno di un articolo scientifico originale selezionato dallo studente e sono oggetto di discussione aperta, con domande e contradditorio da parte dei presenti, e permetteranno 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.
- A seguito della presentazione saranno poste domande relative agli argomenti trattati durante il corso.
Il voto finale relativo a presentazione e competenze acquisite durante il corso è espresso in trentesimi con eventuale lode
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
Students will acquire the chemical fundamentals (theoretical, conceptual, and methodological) for the synthesis, characterization, and biomedical applications of advanced nanoscale biomaterials. The course includes a section focused on the development of nanoparticles for diagnostic and therapeutic applications, and a section dedicated to the development of nanostructured biomaterials for regenerative and prosthetic medicine. Chemical strategies for the development of innovative materials for use in theranostics and sensors, bio-inks for 3D printing of biological tissues, and devices for the treatment of medical and biological problems will be described. Different chemical approaches for synthesizing and characterizing nanomaterials using synthetic, natural, and hybrid polymers will be covered.
At the end of the course, in line with the Dublin descriptors, students will acquire:
- Knowledge and understanding: evaluate the characteristics of synthetic and natural nanostructured materials useful for biomedical applications.
- Ability to apply knowledge: select appropriate synthetic, formulation, and manufacturing methodologies for the development of nanosystems (nanoparticles or biomaterials) for diagnostic and/or therapeutic purposes.
- Making independent judgments: evaluate the applicability of various polymers and materials for different biomedical purposes. Determine the different performances of biomaterials based on their chemical, structural, and biological properties. Evaluate the use of innovative technologies (e.g., Artificial Intelligence / Machine Learning / Deep Learning) in the predictive and automatic synthesis of innovative biomaterials and their characterization. Evaluate their applicative relevance for the rational design of bio- and nanomaterials.
- Communication skills: ability to orally present and critically analyze an original scientific article, actively participating in cross-examination and open discussion on nanotechnology topics.
- Learning skills: develop analytical autonomy that allows for identifying particularly promising advances in the nanotechnology sector and staying up-to-date on new platforms (e.g., Artificial Intelligence) used in the field.
Contents
The course will cover the chemical methodologies for the development of nanostructured materials for biomedical applications. In particular, chemical approaches to synthesize nanomaterials that employ 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 nanostructured materials for biomedical applications.
- Detect the different performances of biomaterials based on chemical, structural and biological properties.
- Evaluate the applicability of polymers of various nature 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 the applications, useful data and applicability of predictive synthesis systems and robotic automation (AI, ML, DL) in the field of bio and nanomaterials.
Detailed program
The application of conjugation, synthesis and characterization of materials/biomaterials and the use of innovative systems based on Artificial Intelligence for predictive synthesis, synthesis assisted by collaborative robotics and characterization strategies based on artificial intelligence / machine learning/deep learning. In detail, the following objectives will be highlighted:
Specifically, the following will be highlighted:
- methods for preparing nanoparticles, nanostructures, nanofilms, nanopolymers, biopolymers, etc.;
- methods for characterizing nanoscale systems, using both spectroscopic and microscopic techniques;
- nanoparticles for therapeutic and diagnostic use, and the associated biological challenges—specifically, fundamental principles of the immune system, biological barriers, the protein corona, and relevant organs and tissues;
- strategies for controlled drug delivery, including methods for targeting nanoparticles to specific tissues and cells;
- molecular recognition; methods for functionalizing nanomaterials with drugs, diagnostic agents, and molecules designed for molecular recognition; and chemoselective conjugation methods;
- key biomedical applications of nanoparticles;
- applications of nanostructured biomaterials capable of mimicking tissues and organs;
- implantation and application sites for permanent (non-biodegradable) and non-permanent (biodegradable) medical devices, and methods for preparing nanostructured materials for prosthetics and regenerative medicine;
- methods for characterizing the physicochemical properties of advanced materials for tissue engineering applications;
- design and synthesis methods for natural, synthetic, and hybrid materials; chemoselective functionalization methods to obtain tissue- and organ-specific, bio-responsive materials; cross-linking methods for the covalent stabilization of 3D structures; and methods and strategies for bioactivating polymeric materials to impart advanced biological properties;
- development and synthesis strategies for materials in the form of injectable hydrogels, scaffolds, bulk materials, and implantable networks.
- formulation strategies and methodologies (such as solvent casting, freeze-drying, molding, and layer-by-layer assembly) will be covered;
- new formulation methodologies and associated chemical strategies will also be described: 3D printing and bioprinting, including the characteristics and classification of printable polymers; synthetic and characterization methods for developing printable and bioprintable polymers; and the design of 3D models for prosthetics and tissue engineering;
- new methods and artificial intelligence-based platforms used for the automated prediction, synthesis, and formulation of biomaterials and nanomaterials for biomedical applications.
Prerequisites
Organic Chemistry I
Teaching form
A total of 48 hours, delivered entirely in-person (LEL). The activities are divided as follows:
Expository Teaching (DE): 44 hours held in-person (LEL), structured into 22 frontal lectures of 2 hours each.
Interactive Teaching (DI): 4 hours held in-person (LEL), structured into 2 interactive seminars/modules of 2 hours each, aimed at actively engaging the students.
Textbook and teaching resource
Slides (PPT). Videos and Scientific Articles (Reviews and Original Articles). Software for planning and design, biomaterial synthesis prediction, databanks
Semester
I semester
Assessment method
Students may choose to take the exam in either Italian or English; it consists of: a) a PowerPoint presentation on a specific article selected from topics proposed by the instructor; and b) questions regarding the course syllabus.
The presentation component is defined as follows:
- The assessment consists of an oral presentation supported by PowerPoint slides covering topics addressed during the course, incorporating critical analysis and personal research input. The instructor will propose several open-ended themes.
- Individual oral presentations will focus on an original scientific article selected by the student and will be followed by an open discussion (including questions and critical exchange with the audience) to evaluate the student's acquired knowledge, independent analytical and evaluative skills, presentation abilities, and capacity to identify particularly promising advancements within a specific nanotechnology sector.
- Following the presentation, questions regarding topics covered during the course will be asked.
The final grade, based on the presentation and competencies acquired during the course, is awarded on a scale of 30, with the possibility of distinction (cum laude).
Office hours
appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Laura Russo
