Descrizione del modulo "Analisi sulla nanoscala di biomateriali e biosistemi (MD.P06.006.002)"

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  • Descrizione del modulo "Analisi sulla nanoscala di biomateriali e biosistemi (MD.P06.006.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Tra le specifiche attività programmate ci sono vari studi collegati a contesti biomedici e quindi correlati alla tutela della salute. Tra questi, oltre al già citato progetto (ricerca finalizzata) per lo sviluppo di nuovi materiali per l'osseo-integrazione che rendano più rapido ed efficace l'uptake di protesi dentarie o ossee, vanno citati gli studi sulla trasduzione, meccanica e chimica, di stress ambientali da parte dei sistemi biologici che sono alla base di alcuni meccanismi elementari che conducono all'insorgenza di patologie. Alcuni esempi sono l'insorgenza di squilibri se non addirittura di patologie del sangue dovute a disfunzioni dei meccanismi di controllo dell'invecchiamento degli eritrociti, oppure patologie dovute all'accumulo di materiali nanostrutturati in specifici compartimenti dell'organismo (nano-tossicità). Vanno infine ricordati gli studi sull'interazione di sistemi cellulari con materiali biocompatibili come i polimeri del pirrolo funzionalizzati che sono interessanti candidati per lo sviluppo di tessuti (epidermidi) artificiali e sono anch'essi di chiaro interesse biomedico. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Nel contesto generale descritto nell'abstract sono condotti studi a vari livelli gerarchici. Ad esempio vengono investigate le relazioni tra morfologia, proprietà meccaniche sulla nanoscala e funzionalità biologica di eritrociti in condizioni di stress (farmacologico, patologico o da invecchiamento). Vengono anche analizzati gli effetti dell'interazione con superfici nanostrutturate funzionalizzate con vari metodi: si usano funzionalizzazioni di superfici d'oro o vetro per studiare l'immobilizzazione e l'adesione cellulare oppure per deposizione di film a base di titanio o di polipirrolo che presentano, rispettivamente, un effetto stimolativo o modulativo delle proprietà funzionali di osteoblasti o fibroblasti. Sono studiate anche le modulazioni di proprietà fisiche dei substrati (es. durezza) ed il loro effetto sul sensing ambientale delle cellule. Infine, per valutare gli effetti dell'integrazione della stimolazione al livello gerarchico superiore si analizzano biosistemi (es. tessuti estratti da organismi marini) esposti ad inquinanti nanostrutturati, per lo più metallici, per correlare la localizzazione degli inquinanti con morfologia, proprietà nanomeccaniche e funzionalità. (literal)
Competenze
  • Caratterizzazione mediante tecniche di microscopia AFM e SNOM, microscopia SEM, spettroscopie XPS ed Auger e spettroscopie ottiche convenzionali (FTIR ed UV-vis) di materia biologica. Misure, mediante microscopia AFM e SNOM in soluzione acquosa ed in aria di superfici native o funzionalizzate e biosistemi vivi e fissati. Acquisizione ed analisi di curve di forza su macromolecole e produzione di mappe di curve di forza su sistemi cellulari per ottenere dati di varie proprietà meccaniche con risoluzione spaziale sulla scala nanometrica. Metodologie di produzione di biomateriali e materiali biocompatibili a base di composti del titanio o di polimeri del pirrolo sintetizzati per via elettrochimica. Tecniche di preparazione, separazione e fissazione di sistemi biologici. Preparazione e funzionalizzazione di substrati e punte per AFM e SNOM. Analisi morfometrica di sistemi cellulari e sviluppo di metodi di analisi dati per dedurre lo stato funzionale dei biosistemi mediante una elaborazione statistica di parametri morfologici di interesse. Metodologie biochimiche per la misura di grandezze funzionali e metaboliche di biosistemi in condizioni native e di stress ambientale o patologico. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Tra gli studi proposti, le attività legate alla caratterizzazione di substrati funzionalizzati mediante ricoprimento con film nanostrutturati di composti del titanio fa parte di un progetto finanziato finalizzato all'ottimizzazione dell'efficienza integrativa di protesi ossee e dentarie pronte all'impianto. Il potenziale di questo studio in termini di impieghi produttivi è, di per se, ovvio, e tuttavia l'attività ha ulteriori margini di sviluppo in quanto una parte degli studi è finalizzata alla ulteriore ottimizzazione dei processi osseo-integrativi tramite somministrazione di molecole stimolative nel sito dell'impianto. Anche lo studio di trattamenti di caratterizzazione dell'indurimento di substrati metallici per potenziali impieghi, anche, in ambito di biocompatibilità và segnalato come uno studio di potenziale interesse industriale (literal)
Tecnologie
  • Tra le tecnologie e metodologie impiegate nelle attività del presente modulo vanno citate sia le tecnologie (Ion Platin Plasma Assisted deposition) impiegate per la ricopertura delle protesi che quelle (elettrochimiche, potenziostatiche) impiegate per la produzione di substrati biocompatibili basati su polimeri del pirrolo funzionalizzati oltre a varie metodologie biochimiche per la misura di ATP, potere riducente cellulare (GSH/GSSH), stress ossidativo etc. Inoltre, sotto l'aspetto dei metodi, verrà impiegato un approccio da noi recentemente sviluppato e che consente di valutare lo stato di integrità strutturale della principale struttura di supporto meccanico cellulare, il citoscheletro, attraverso l'elaborazione di una immagine topografica di microscopia a forza atomica. Infine, verranno utilizzati metodi, brevettati dal nostro gruppo, per l'indurimento e la caratterizzazione di superfici metalliche che possono essere impiegati in contesti di biocompatibilità e di cell-sensing (literal)
Obiettivi
  • Le attività previste propongono obiettivi generali e particolari. Quelli generali consistono nella comprensione dei meccanismi di trasduzione degli stimoli ambientali da parte dei biosistemi, con particolare riferimento alla correlazione della risposta biologica con morfologia e proprietà meccaniche sulla nanoscala. Questo obiettivo generale passa per il perseguimento di vari obiettivi particolari, tra cui la valutazione di: - meccanismi di meccano-trasduzione degli stimoli ambientali studiati in sistemi dall'architettura e dal metabolismo semplificati (es. eritrociti). In particolare interessa il ruolo della stimolazione meccanica nell'alterazione dei pattern di invecchiamento. - relazione tra caratteristiche morfologiche e chimiche di opportuni substrati e la risposta cellulare valutata in termini di osseo-integrazione (osteoblasti) oppure di cell sensing delle proprietà meccaniche (es. durezza superficiale) dei substrati stessi - principali parametri di nanotossicità osservati in sistemi reali (tessuti di organismi marini) esposti ad inquinanti nanodimensionati. In particolare interessa la relazione tra localizzazione del materiale esogeno e struttura dell'organo in studio. (literal)
Stato dell'arte
  • Recentemente si sta manifestando un crescente interesse verso lo studio delle proprietà nanomeccaniche dei biosistemi che si stanno accreditando come indicatori di stati fisiologici, patologici o di specifiche risposte cellulari. In questo contesto una caratterizzazione morfologica ultrastrutturale condotta con microscopie ad alta risoluzione come l'AFM è estremamente appropriata. Inoltre, sta emergendo il concetto che morfologia e proprietà meccaniche cellulari sulla nanoscala siano, non solo correlate, ma anche associate ad attivazione e regolazione di pattern metabolici capaci di attivare una risposta cellulare ad uno stimolo esterno. In questo quadro gli studi sulla nanoscala in presenta di diverse stimolazioni (es. esposizione a stress dovuti ad effettori nanostrutturati, farmacologici, oppure semplicemente a substrati di adesione con diverse caratteristiche chimiche o meccaniche) sono la chiave per analizzare specifiche problematiche di interesse pratico ma anche, sotto un profilo più concettuale, per comprendere i meccanismi elementari attraverso i quali le cellule sentono (sensing) e traducono le stimolazioni ambientali in condizioni di sviluppo normali o patologiche. (literal)
Tecniche di indagine
  • Gli studi previsti richiedono caratterizzazioni morfologiche e nanomeccaniche di vari sistemi biologici, organici ed inorganici. Pertanto le tecniche di studio impiegate saranno diverse a seconda dell'obiettivo specifico: per le investigazioni morfologiche sulla nanoscala saranno usate diverse tecniche di microscopia: ottica convenzionale, elettronica a scansione (SEM) e microscopie a scansione di sonda (es. AFM e SNOM) che sono in grado di descrivere i campioni in termini quantitativi abilitando anche studi morfometrici. Per la caratterizzazione chimica-elementale delle superfici e dei materiali, verranno impiegate le spettroscopie elettroniche XPS ed Auger. Infine, per eseguire le caratterizzazioni dei parametri biochimici e funzionali più rilevanti dei biosistemi per caratterizzarne la risposta biologica nelle varie condizioni studiate, verranno impiegate tecniche spettroscopiche convenzionali come la spettroscopia FTIR ed UV-vis. Di grande interesse è anche l'utilizzo di microscopia IR e di spettroscopia EDX accoppiata al SEM per l'analisi elementale. (literal)
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