Principi di self-assembly. Forze intermolecolari. Micelle, liposomi, nanoparticelle inorganiche. Nanosistemi di interesse biotecnologico (es. terapia genica, trasporto di biomolecole e di fitoadiuvanti). Caratterizzazione dei sistemi nanostruttturati con metodi termodinamici e spettroscopici. Tecniche di diffrazione, calorimetria, microscopia elettronica. Sostenibilità delle nanotecnologie.
Nelle esercitazioni di laboratorio verranno preparati e caratterizzati liposomi e nanoparticelle d’oro
- "Fundamentals of Soft Matter Science" di Linda Hirsh, CRC Press, 2012
- "The Colloidal Domain: Where Physics, Chemistry, Biology, and Technology Meet" di D. Fennel Evans e Hakan. Wennerstrom, Wiley VHC, 1999
Obiettivi Formativi
Conoscenze generali: proprietà chimico-fisiche dei sistemi nanostrutturati
Capacità di riconosscere le possibili applicazioni dei nanosistemi in campi di interesse biotecnologico quali trasportatori di farmaci, biosensori, nanomedicina.
Prerequisiti
Conoscenze di base in chimica e in fisica
Metodi Didattici
Lezioni frontali per 4 CFU ed esercitazioni di laboratorio per 2 CFU
Altre Informazioni
Durante il corso verrano concordate (su base volontaria) brevi relazioni degli studenti su articoli che descrivono esperienze innovative in campo biotecnologico.
Modalità di verifica apprendimento
Relazione sulle esperienze di laboratorio e sulle esercitazioni svolte durante il corso.
Esame finale orale. Dopo aver discusso la relazione sulle esercitazioni di labatatorio elaborata dallo studente, verranno poste alcune domande per verificare l'apprendimento delle conoscenze sui sistemi e le tecniche di caratterizzazione presentate a lezione.
Programma del corso
Principi che regolano il self assembly di atomi e di molecole. Forze intermolecolari. La struttura dell’acqua e l’effetto idrofobico. Ruolo dell’entropia e dell’entalpia nel processo di self-assembly, con particolare attenzione agli aggregati di molecole amfifiliche. La nascite delle nanotecnologie. Proprietà fondamentali che distinguono i sistemi con dimensioni nella scala nanometrica dai sistemi massivi. Potenzialità dei nanosistemi per le applicazioni in campo biotecnologico, con particolare riferimento al trasporto di farmaci, di adiuvanti vegetali e di materiale genico.
Carattere idrofobico o idrofilico di superfici. Definizione di angolo di contatto e bagnabilità delle superfici solide. Tensione superficiale e metodi per misurarla.
Classi di tensioattivi. Fenomeni cooperatici e concentrazione critica micellare. Struttura e proprietà chimico-fisiche delle micelle. Applicazioni in campo ambientale e tecnologico.
La struttura delle membrane biologiche e di altri sistemi liotropici. Cenni ai cristalli liquidi. Descrizione dettagliata dei liposomi in termini strutturali e chimico-fisici. Motivi per cui i liposomi sono ampiamente usati come trasportatori di biomolecole. Liposomi “stealth’’ e fenomeni di opsonizzazione in vivo. Liposomi giganti come semplici modelli cellulari. Metodi di preparazione dei liposomi.
Introduzione ai materiali polimerici. Esempi interessanti in campo biotecnologico e biomateriali polimerici. Micelle polimeriche: loro caratteristiche e differenze rispetto alle micelle di tensioattivi. Esempi di nanosistemi polimerici che vengono usati per il trasporto di farmaci. Cenni alla struttura e ai metodi di preparazione dei dendrimeri.
Nanoparticelle metalliche: breve introduzione storica e descrizione dei metodi di preparazione attualmente in uso, con particolare riferimento alle tecniche per il controllo su dimensioni e forma. Nanoparticelle di ossidi e altri composti inorganici. Funzionalizzazione delle nanoparticelle. Agenti riducenti e stabilizzanti. Processi di nucleazione e crescita per le nanoparticelle. Maturazione di Ostwald.
Risonanza plasmonica di superficie, con particolare riferimento alle nanoparticelle di metalli nobili. Dipendenza dell’effetto plasmonico di superficie dalle dimensioni e dalla forma delle nanoparticelle. Nanopaticelle supportate su solidi per la fabbricazione di biosensori.
Nanoparticelle come nanocristalli, cenni alla struttura cristallina e ai reticoli di Bravais. Differenze rispetto ai solidi semicristallini e amorfi. Tecniche di caratterizzazione strutturale dei solidi, con particolare riferimento alla cristallografia di raggi X.
Le tecniche calorimetriche nella caratterizzazione dei nanomateriali. Descrizione della Calorimetria a Scansione Isoterma (ITC) e della calorimetria a scansione differenziale (DSC). Range di applicazione per queste tecniche ed esempi tratti dalla letteratura scientifica recente.
Scattering dinamico della luce (DLS): principi del metodo e impiego nella caratterizzazione di sistemi nanostrutturati in soluzione. Vantaggi e svantaggi di questa tecnica.
Cenni ad alcune tecniche di superficie per la caratterizazzione di sistemi nanostrutturati: microscopia elettronica ad effetto tunnel (STM) e microscopia a forza atomica (AFM). Spettroscopia di massa di ioni secondari(SIMS) e X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Microscopia elettronica in trasmession (TEM): principi e applicabilità di questa tecnica allo studio di nanoparticelle metalliche. Non applicabilità di TEM convenzionale ai sistemi "soft matter". Crio-TEM, descrizione ed esempi di utilizzo.
Principi delle tecniche di Scattering a basso angolo: SAXS (Small Angle Scattering) e SANS (Small Angle Neutron Scattering). Applicabilità di queste metodologie per la caratterizzazione strutturale dei nanosistemi in soluzione. Large scale facilities: principali centri di ricerca in Europa e nel mondo.
Sostenibilità delle nanotecnologie, in particolare relativamente all’estensione su larga scala di processi preparativi per nanosistemi.