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FABIO BISCARINI

Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze della Vita sede ex Chimica V.Campi 103

Insegnamento: Nanobiotecnologie

Biotecnologie industriali (D.M. 270/04) (Offerta formativa 2023)

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 2 CFU di laboratorio che dimostrano i concetti illustrati a lezione in maniera coerente.
Il primo modulo, Interfacce e superfici biotecnologiche (referente 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, Biosensori e Bioelettronica (referente Prof. Fabio Biscarini), riguarderà tematiche inerenti alle applicazioni della bioelettronica. Si apprenderanno le tecniche di micro- e nanofabbricazione per modulare le proprietà morfologiche, chimiche 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

Modulo di Interfacce e Superfici Biotecnologiche (Prof. A. Ranieri, 4CFU, 32 ore):

1. Introduzione allo stato colloidale ed alle sue proprietà termodinamiche ottiche e cinetiche (6 ore, 0.75 CFU)
2. Studio delle interfasi di vario tipo (10 ore, 1,25 CFU)
3. L'adsorbimento e le isoterme di adsorbimento (4 ore, 0.5 CFU)
4. Le interfasi elettrificate (2 ore, 0.25 CFU)
5. Il trasferimento elettronico (2 ore, 0.25 CFU)
6. Le interfasi nei sistemi biologici. (2 ore, 0.25 CFU)
7. I sistemi micellari (2 ore, 0.25 CFU)
8. Le membrane e gli elettrodi a membrana. (2 ore, 0.25 CFU)
9. Elementi di Chimica Supramolecolare (2 ore, 0.25 CFU)
Il tempo dedicato allo svolgimento degli argomenti è da considerarsi indicativo poiché soggetto a variazione in base al feedback degli studenti.

Modulo Bioelettronica e Biosensori (Prof. F. Biscarini, 4CFU, 32 ore):

1. Fondamenti delle Nanotecnologie (2 ore, 0.25 CFU)
2. Cosa sono le Nanobiotecnologie (2 ore, 0.25 CFU)
3. Micro e Nanofabbricazione (6 ore, 0.75 CFU)
4. Elettronica organica: fondamenti e dispositivi base (8 ore, 1 CFU)
5. Bioelettronica organica: trasduttori e biosensori (4 ore, 0.5 CFU)
6. Bioelettronica organica: dispositivi impiantabili e neuroelettronica (4 ore, 0.5 CFU)
7. Biosensori elettrochimici, ottici, magnetici (4 ore, 0.5 CFU)
8. Microfluidica e Lab-on-a-chip (2 ore, 0.25 CFU)


Modulo Laboratorio (Prof. A. Ranieri e Dott. M. Berto, 16 ore, 2 CFU)

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. Le lezioni saranno tenute in lingua italiana. La frequenza non è obbligatoria. Il materiale didattico utilizzato dal docente sarà reso disponibile e fruibile da parte degli studenti mediante la piattaforma Moodle.

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.
Tutti i testi sono disponibili nelle bibliotecche di Ateneo
Il Prof. Ranieri fornirà materiale didattico in forma elettronica su argomenti specifici.
Il Prof. Biscarini fornirà il materiale didattico sotto forma di review su argomenti specifici.

Verifica dell'apprendimento

Per il modulo di interfacce e superfici biotecnologiche l’esame è unicamente orale, della durata di 30-40 minuti. Lo studente è invitato a rispondere su domande inerenti agli argomenti affrontati durante le lezioni.
Per il modulo di Biosensori e Bioelettronica 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.
È necessario sostenere l’esame del modulo di Interfacce e Superfici Biotecnologiche prima del modulo di Biosensori e Bioelettronica. Lo studente può iscriversi all’esame mediante l’utilizzo della piattaforma Esse3. Sono previsti almeno sei appelli, equamente distribuiti nel periodo gennaio-febbraio e nel periodo giugno-settembre, non sono previste prove intermedie.

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 l'interfaccia con la materia vivente.
CAPACITÀ 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.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO: Lo studente potrà approfondire le sue conoscenze nell'ambito della chimica fisica, della biofisica, e nell'integrazione in dispositivi biomedicali.