66293 - STRUTTURA E REATTIVITA' DELLO STATO SOLIDO

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente acquisisce un'ampia conoscenza delle caratteristiche morfologiche e strutturali di materiali e nanomateriali, inorganici e macromolecolari, prodotti dai sistemi biologici o materiali biomimetici di sintesi con importanti applicazioni tecnologiche. Inoltre lo studente ha una conoscenza dei più moderni metodi per ottenere cristalli proteici per lo studio strutturale tramite diffrazione di raggi X.

Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della chimica inorganica e dello stato solido.

Programma:

1) Materiali biogenici. Descrizione della composizione, struttura, morfologia e funzione dei principali materiali inorganici e macromolecolari prodotti dai sistemi biologici, cercando di evidenziare come la Natura sia in grado di produrre una varietà enorme di materiali diversi per struttura , forma e funzione partendo dagli stessi semplici composti chimici contrariamente a quanto si usa fare nelle sintesi tradizionali. Il segreto di questa strategia sintetica dei processi naturali è legata all' aver evidenziato che lo stesso composto chimico, carbonato, fosfato, silice ecc. può esibire caratteristiche chimico fisiche molto diverse a secondo della struttura, cristallinità , morfologia, nanodimensione, disordine strutturale superficiale che modificano fortemente la sua reattività e funzionalità.
2) Materiali biomimetici. Descrizione delle caratteristiche chimico fisiche e dei relativi processi di sintesi che portano alla produzione di materiali che mimano i materiali biogenici per struttura,dimensione, morfologia e reattività. Materiali sintetici tanto simili per caratteristiche chimico-fisiche a quelli naturali da stimolare le cellule nello stesso modo.
3) Sintesi biomimetiche. Descrizione dei processi di sintesi non convenzionali che mimano quelli biologici (sol-gel, templanti macromolecolari, autoassemblaggio...) avvengono in ambiente acquoso con soluzioni diluite senza l' uso di solventi e composti tossici.
4) Nanostrutturazione. Descrizione dell' importanza di ottenere composti di sintesi su scala nanometrica e con superficie nanostrutturata per potenziarne la reattività l' autoassembleggio e l' interazione tra materiali inorganici e matrice macromolecolare.
5) Biomateriali biomimetici dispensatori di farmaci. Descrizione di materiali sintetici biomimetici nanostrutturati in grado di esplicare funzioni di dispensatori di farmaci antitumorali e antidolorifici con cinetica di rilascio controllato attraverso i parametri di sintesi. Oppure rilascio di molecole biologicamente attive mediante risposta a stimoli fisiologici e patologici.
6) Biomateriali biomimetici per l' implantologia ortopedica, odontoiatrica e maxillofacciale.Descrizione di materiali inorganici, macromolecolari e ibridi che mimando il tessuto osseo per composizione struttura, morfologia e porosità sono particolarmente adatti per l' implantologia ossea stimolando le cellule ossee alla formazione di nuovo osso.
7) Nanotubi inorganici . Descrizione della sintesi e caratteristiche chimico fisiche di nanotubi di crisotilo geomimetico per applicazioni tecnologiche in campo elettronico.
8) Amianto. Descrizione delle caratteristiche chimico-fisiche delle fibre di amianto e del loro rischio per la salute umana. Problematiche ambientali legate ai materiali contenenti amianto. Metodiche di monitoraggio, isolamento, rimozione e trasformazione.
9) Ceramici. Materiali ceramici strutturali e materiali ceramici innovativi per applicazioni tecnologiche. Ceramici con proprietà antibatteriche ed autopulenti.
10) Biossido di Titanio. Sintesi e caratterizzazione chimico-fisica di biossido di titanio con proprietà fotocatalitiche per applicazioni tecnologiche per l' abbattimento dell' inquinamento ambientale.
11) Origine della Vita. Valutazione del ruolo esercitato dai minerali nello svolgere una funzione templante indispensabile per l' assemblaggio di amminoacidi , per la formazione delle proteine e del DNA.
12) Composti intercalati. Descrizione dei vari metodi di sintesi e delle caratteristiche dei principali composti intercalati e loro applicazioni pratiche. Argille, grafite.

Contenuti della seconda unità didattica : verranno trattati in dettaglio tutti i passaggi sperimentali e le problematiche per la risoluzione della struttura tridimensionale di una macromolecola biologica. Inoltre saranno illustrati teoricamente e in laboratorio i seguenti metodi di cristallizzazione: diffusione di vapore con goccia pendente e con goccia seduta, dialisi e batch. 

Testi/Bibliografia

Fondamentale sarà l'utilizzo di materiale distribuito dal docente reso disponibile in rete e degli appunti di lezione.

Per ulteriori approfondimenti si consigliano:

-        Mann S. Biomimetic materials chemistry.Weinheim: Wiley-VCH; 1997

-        Kendall JB, editor. Biomaterials Research Advances. New York, NY:Nova Science

      Publishers; 2010:93–143.

-        Dee KC, Puleo DA, Bizios R. An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions. Hoboken: Wiley-Liss; 2003.

-        J.D. Guthrie and B.T. Mossman Health Effects of Mineral Dusts, edited by J.D. Guthrie and B.T. Mossman (Rev. Miner. 28, Chelsea, MI, 1993),

-        Bergfors, T., Editor. Protein Crystallization: Second Edition. 2009. International
University Line, La Jolla, California.

-        McPherson, A. Preparation and analysis of protein crystals, Krieger.

-        Ducan E. Mc Ree, Practical Protein Crystallography,  Second Edition.

Metodi didattici

Il corso si suddivide in due unità didattiche: la prima, teorica, è costituita da lezioni frontali in cui verranno introdotte le caratteristiche di materiali biogenici, biomimetici, nanostrutturati e loro applicazioni. La seconda unità didattica prevede lezioni frontali per un'introduzione alla cristallografia di macromolecole biologiche ed attività di laboratorio per illustrare i più utilizzati sistemi di cristallizzazione di proteine. Questa seconda unità didattica è tenuta dalla Dr. Simona Fermani.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame orale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze attese. La durata della prova orale è mediamente di 30-45 minuti.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna luminosa, PC, videoproiettore , esemplari di biomateriali biogenici e biomimetici

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Giuseppe Falini

Consulta il sito web di Simona Fermani