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FABIO BISCARINI
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze della Vita sede ex Chimica V.Campi 103
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Insegnamento: Nanobiotecnologie
Biotecnologie industriali (Offerta formativa 2020)
Obiettivi formativi
L'insegnamento intende trasmettere i concetti chimici, biochimici e chimico-fisici dei fenomeni che avvengono alla scala nanometrica nella materia soffice, nei (bio)materiali, alle superfici (in particolare tra materiali e materia vivente), nei sistemi dispersi e alle interfasi di interesse biologico e medico. In particolare, l'insegnamento intende trasmettere il controllo delle dimensioni sulla scala nanometrica per raggiungere la modulazione delle proprietà di interesse, soprattutto nell'ambito delle interazioni e dei fenomeni che avvengono all'interfaccia tra materiali, dispositivi e materia vivente. Sono concetti importanti per la formazione di un laureando che intende inserirsi in ambiti industriali di produzione, caratterizzazione e modificazione di (bio)materiali.
L'insegnamento è organizzato in due moduli di 4 CFU ciascuno, e due CFU di laboratorio che dimostrano i concetti illustrati a lezione in maniera coerente.
Il primo modulo, di cui è referente il Prof. Antonio Ranieri, riguarda le superfici e lo studio delle interfasi, con particolare attenzione alle superfici di elettrodi, di membrane, ed alle loro applicazioni.
Il secondo modulo riguarderà biosensori e bioelettronica, ed è tenuto dal Prof. Fabio Biscarini. Si apprenderanno le tecniche di micro- e nanofabbricazione per modulare le proprietà morfologiche, chimche e meccaniche a superfici, film sottili, fasi massive di biomateriali e materia soffice. Si insegneranno le tecniche di patterning convenzionali e non, per integrare tra loro i materiali a formare dispositivi, e conferire nuove proprietà e multifunzionalità ai materiali utilizzati in ambito biomedico. Verranno insegnati quindi i principi con cui si disegna un biosensore, per monitoraggio di segnali chimici, biochimici, e bioelettrici in vitro e/o in vivo, o per monitorare funzionalità di organi e tessuti.
Prerequisiti
Chimica generale, chimica-fisica, fisica e matematica. L'insegnamento utilizza intensamente concetti e tecniche che vengono insegnati nei corsi di Chimica Fisica per Biotecnologie e di Microscopie e Biofisica.
Programma del corso
Introduzione (Prof. F. Biscarini, 4 ore).
1. Fondamenti delle Nanotecnologie (2 ore)
2. Cosa sono le Nanobiotecnologie (2 ore)
Modulo Superfici e interfasi (Prof. A. Ranieri, 32 ore):
1. Introduzione allo stato colloidale ed alle sue proprietà
2. Studio delle interfasi di vario tipo
3. L'adsorbimento e le isoterme di adsorbimento
4. Le interfasi elettrificate.
5. Le interfasi nei sistemi biologici.
6. I sistemi micellari.
7. Elementi di Chimica Supramolecolare
Modulo Bioelettronica e Biosensori (Prof. F. Biscarini, 28 ore):
1. Micro e Nanofabbricazione (6 ore)
2. Elettronica organica: fondamenti e dispositivi base (8 ore).
3. Bioelettronica organica: trasduttori e biosensori (4 ore)
4 Bioelettronica organica: dispositivi impiantabili e neuroelettronica (4 ore)
5. Biosensori elettrochimici, ottici, magnetici (4 ore)
6. Microfluidica e Lab-on-a-chip (2 ore)
Modulo Laboratorio (Prof. A. Ranieri e Prof. C. A. Bortolotti, 16 hrs)
1. Studio dei sistemi micellari con tecniche elettrochimiche
2. Preparazione e studio di superfici elettrodiche modificate per biosensoristica
3. Studio dei processi di trasferimento elettronico di metalloproteine e enzimi redox con tecniche elettrochimiche.
4. Fabbricazione di un biosensore per deposizione di film sottili organici; patterning di un canale semiconduttore organico e di elettrodi, funzionalizzazione come al punto 2.
5. Caratterizzazione di un biosensore con architettura EGOFET o OECT e costruzione della curva di dose di un biomarcatore.
Metodi didattici
Lezione frontale con sistema multimediale integrato dall'uso della lavagna per la soluzione di problemi proposti nel corso della lezione. Laboratorio didattico.
Sara' garantita l'erogazione delle lezioni con modalità sincrona (streaming) o asincrona (registrata) a distanza per tutti. In base alla evoluzione dell'emergenza sanitaria COVID-19 e alle specificita' delle attivita' didattiche verra' valutata l'erogazione in presenza
Testi di riferimento
"Colloids and Interfaces in Life Sciences and Bionanotechnology", W. Norde. CRC Press. Second edition.
"ELECTRICAL PHENOMENA AT INTERFACES AND BIOINTERFACES
Fundamentals and Applications in Nano-, Bio-, and
Environmental Sciences", HIROYUKI OHSHIMA. JOHN WILEY & SONS, INC.
"Chimica Fisica dei Colloidi e delle Interfasi", E. Santacesaria, M. Visca. Edizione a cura del G.I.C.I. Gruppo interdisciplinare dei colloidi e delle interfasi della SCI.
Il Prof. Biscarini fornirà il materiale didattico sotto forma di review su argomenti specifici.
Verifica dell'apprendimento
Modulo di Interfacce Biotecnologiche (Prof. A. Ranieri): L'esame consiste in un colloquio orale, della durata di circa 30 minuti, sugli argomenti affrontati a lezione.
Modulo di Bioelettronica e Biosensori: l'esame si compone di un Journal Club, dove viene illustrato in 15 min un articolo preso dalla letteratura recente nell'ambito delle nanobiotecnologie, seguito poi da un colloquio orale. Lo studente è invitato a rispondere su domande inerenti agli argomenti affrontati durante le lezioni.
Risultati attesi
CONOSCENZA E CAPACITA DI COMPRENSIONE: Attraverso i concetti di chimica generale e di chimica fisica il corso intende fornire allo studente una adeguata descrizione dei fenomeni che avvengono alle superfici di elettrodi, nei sistemi dispersi, alle interfasi e nei sistemi complessi ll'interfaccia con la materia vivente.
CAPACITA DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare in modo autonomo le conoscenze acquisite per integrare biomateriali di interesse tecnologico e dispositivi biosensoristici allo scopo di monitorare la materia vivente. AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Alla fine del corso, lo studente dovrà possedere le capacità necessarie per poter applicare concetti derivanti dal mondo delle nanobiotecnologie ABILITA' COMUNICATIVE: Lo studente dovrebbe essere in grado di presentare in modo formalmente corretto i concetti la tecnologia e le applicazioni derivanti dalle nanobiotecnologie. CAPACITA DI APPRENDIMENTO: Lo studente potrà approfondire le sue conoscenze nell'ambito della chimica fisica, della biofisica, e nell'integrazione in dispositivi biomedicali.