Descrizione della commessa "Membrane in organi artificiali e biotecnologie. (PM.P02.008)"

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  • Descrizione della commessa "Membrane in organi artificiali e biotecnologie. (PM.P02.008)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Le tecnologie a membrana proposte sono riconosciute quali Best Available Technologies nell'ambito di direttive della Commissione Europea rispondendo alle esigenze collettive di impiego di tecnologie avanzate in grado di produrre con efficienza prodotti ad elevata qualità, minimizzando la produzione di scarti e l'utilizzo di energia ed acqua. I reattori biocatalitici a membrana permettono di produrre molecole bioattive mediante bioprocessi alternativi alla sintesi chimica, con elevato grado di purezza e minimizzando la formazione di sottoprodotti. Anche gli emulsificatori a membrana si configurano come strategie innovative per la produzione di nano- e micro-particolati. Sistemi bioartificiali a membrana adoperanti cellule umane potranno essere utilizzati nella rigenerazione tissutale e come sistemi-modello in alternativa alla sperimentazione animale per lo screening di farmaci, per studiare terapie, disordini metabolici e malattie. La purificazione di correnti acquose attraverso lo sviluppo di una nuova generazione di membrane per i reattori biologici a membrana avrà effetti positivi sia in termini di impatto ambientale che di salvaguardia della salute pubblica. (literal)
Strumentazione
  • I dispositivi e le apparecchiature o gli impianti utilizzati per lo svolgimento delle attività sono: Microscopio laser confocale, Microscopio ottico a fase inversa, Microscopio a scansione elettronica, microscopio a forza atomica, microscopio a trasmissione elettronica, cappa a flusso laminare sterile, incubatori O2/CO2; elettroforesi; sistema di dosaggio immunoenzimatico Elisa, centrifuga refrigerata, congelatore -80°C, spettrofotometro UV/visibile, misuratore di angolo di contatto CAM 200, cromatografia ad alta prestazione (HPLC), sistema di monitoraggio con microelettrodi della concentrazione di O2 in mezzo fluido, congelatore -20°C, micropompe peristaltiche, celle a flusso tangenziale, sistemi per misure della permeabilità di membrana a liquidi e gas, impianti per la preparazione di membrane piane e capillari, impianti di ultrafiltrazione/nanofiltrazione, sistemi bifasici a membrana in configurazione tubolare e piana, reattori a membrana, emulsificatori a membrana; Light-scattering, DSC, viscosimetro, analizzatore di umidità, rifrattometro, ICP, perporometro, Zetasizer, NMR. (literal)
Tematiche di ricerca
  • - Sistemi bioartificiali a membrana (e.g., neuronale, epatico, epiteliale, epidermico e osseo) da adoperare nel campo dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa ed in vitro come sistemi-modello per lo studio di malattie, farmaci e terapie. - Realizzazione di bioreattori a membrana per l'espansione e la differenziazione di cellule staminali. - Emulsificazione a membrana per la microfabbricazione di emulsioni semplici e multiple con proprietà strutturali e funzionali target. - Reattori biocatalitici a membrana, con membrane \"esterne\" o \"immerse\" per sistemi di conversione e separazione integrati ed intensificati. - Bioseparazioni a membrana basati su meccanismi di setacciamento molecolare, interazioni elettrochimiche ed affinità chimico-fisiche e biochimiche. - Cristallizzazione a membrana per la formulazione di cristalli target di molecole bioattive. - Preparazione e caratterizzazione di membrane con specifiche proprietà per bio-reattori a membrana per la rimozione di inquinanti dalle acque. - Sintesi di nuovi \"fillers\" per la preparazione e funzionalizzazione di membrane con proprietà e attività antimicrobiche per bioreattori per il trattamento delle acque di scarico (literal)
Competenze
  • I partecipanti alle attività di ricerca possiedono backgrounds in: scienze biologiche, tecnologie chimiche e nuovi materiali, scienza dei materiali, chimica, matematica, ingegneria chimica, farmacia, chimica e tecnologie farmaceutiche. Le competenze dei partecipanti comprendono: sviluppo di reattori biocatalitici a membrana, immobilizzazione di enzimi e proteine, cinetica enzimatica, analisi di funzionalità biologica di proteine adsorbite su membrane, emulsificatori a membrana, preparazione e caratterizzazione di membrane; operazioni a membrana, cristallizzatori a membrana, studio delle cinetiche metaboliche, caratterizzazione fluidodinamica di bioreattori, isolamento e coltura di cellule umane ed animali, immunostaining cellulare, studio delle reazioni metaboliche in sistemi bioibridi a membrana, analisi di metaboliti prodotti dalle cellule, processi di biotrasformazione in cellule epatiche e linfociti, chimica e scienza dei materiali per la definizione ed ottimizzazione del protocollo di preparazione e caratterizzazione delle nuove membrane, sintesi di composti organici (tensioattivi polimerizzabili) e/o antimicrobici da usarsi come \"filler\" nella preparazione delle membrane. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • - Sistemi bioartificiali a membrana adoperanti cellule umane (e.g., epatociti, linfociti, neuroni, cheratinociti) potranno essere utilizzati come sistemi di screening nella fase preliminare di sviluppo di farmaci e per test tossicologici di sostanze xenobiotiche e nell'ingegneria tissutale. - Emulsioni, capsule, cristalli possono fungere da veicolo per sostanze bioattive e consentire la loro somministrazione sito e concentrazione specifica aumentando l'efficacia della formulazione, riducendo gli effetti collaterali, permettendone un migliore assorbimento, prolungandone l'azione, ecc. - I sistemi a membrana saranno di particolare interesse per le aziende rivolte coinvolte nel trattamento delle acque e nella produzione di membrane polimeriche. L'impiego di materiali polimerici innovativi nella preparazione delle membrane (ad esempio resistenti a solventi organici) può aprire nuove possibilità di utilizzo delle stesse membrane in nuovi settori industriali in cui le membrane non erano di solito impiegate. (literal)
Tecnologie
  • - Modelli matematici per simulare e predire il trasporto di materia e i profili di concentrazione di molecole nei compartimenti cellulare ed extracellulare di un bioreattore a membrana - Modelli di cinetiche metaboliche in sistemi bioartificiali in condizioni statiche e dinamiche. - Modellazioni molecolari per predire il comportamento di biomolecole in presenza di interfaccia di emulsioni e membrane microporose. - Modelli matematici per simulare e predire il funzionamento di reattori biocatalitici a membrana e la formazione di particelle in processi di emulsificazione a membrana. - Metodo quanto-meccanico relativo alle interazioni tra i gruppi funzionali delle membrane da nano filtrazione prodotte e/o nano particelle (fillers) e i composti organici responsabili dei fenomeni di sporcamento delle membrane stesse. (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo generale è quello di sviluppare sistemi bioibridi avanzati risultanti dalla combinazione delle proprietà selettive di componenti biologiche con le proprietà strutturali e modulari di sistemi a membrana artificiali. Tra gli obiettivi principali vi sono lo sviluppo e/o ottimizzazione di: a) Organi bioartificiali e tessuti ingegnerizzati b) membrane biocompatibili c) bioreattori a membrana per lo screening di farmaci e test tossicologici di sostanze xenobiotiche; d) reattori biocatalitici con membrane esterne e immerse e realizzazione di prototipi; e) emulsificazione a membrana promuovendo avanzamenti tecnologici, applicativo e di processo; f) bioseparazioni a membrana basata su interazioni di tipo biomolecolare ed elettrostatico. g) processi di cristallizzazione a membrana per molecole ad attività farmaceutica e biocatalitica h) sviluppo di membrane funzionalizzate e di membrane, contenenti \"nano-fillers\"per ridurre lo sporcamento dei bioreattori nel trattamento delle acque. i) Mantenimento/amplificazione dell'attività antibatterica dei materiali iniziali, una volta integrati nei materiali compositi/ibridi finali. (literal)
Stato dell'arte
  • Lo sviluppo di biomateriali capaci di attivare risposte cellulari specifiche, di fornire gli stimoli adeguati alla rigenerazione del tessuto è una delle sfide più importanti nel campo dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa. I progressi ottenuti nella preparazione di membrane e nella comprensione e controllo delle loro proprietà selettive, hanno reso possibile lo sviluppo di nuovi sistemi a membrana per la realizzazione di organi bioartificiali e costrutti tissutali ingegnerizzati. Le metodologie a membrana rappresentano oggi delle tecnologie altamente efficienti e a basso impatto energetico ed ambientale. Il processo di emulsificazione a membrana permette la produzione di sistemi dispersi attraverso l'utilizzo di materiali con diverse proprietà. Il processo di cristallizzazione a membrana permette la produzione/recupero di molecole funzionali in forma di cristalli di elevata qualità strutturale. I reattori biocatalitici a membrana costituiscono un'efficiente alternativa ai metodi chimici di sintesi/separazione di molecole di interesse. Inoltre, l'applicazione della tecnologia dei bioreattori a membrana è considerata un elemento chiave nel trattamento delle acque. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le tecniche di indagine delle attività di ricerca comprendono: tecniche di preparazione di membrane con proprietà specifiche e di caratterizzazione delle loro proprietà morfologiche e chimico-fisiche, tecniche di isolamento di cellule da organi isolati, tecniche immunoenzimatiche, tecniche di immunostaining e fluorescenza, tecniche di tracciamento di caratterizzazione fluidodinamica, tecniche di colture cellulari su membrane e su collagene, tecniche di separazione elettroforetica. Misura dell'attività biologica di macromolecole bioattive in fase libera ed immobilizzata con reagenti diversi in alcuni gruppi funzionali per comprendere la variazione di selettività delle macromolecole immobilizzate ed estrapolare variazioni conformazionali in funzione di specifiche interazioni molecolari Interazioni antigene/anticorpo per immunolocalizzazioni adattate a sistemi biologici eterogeneizzati in membrane artificiali. (literal)
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