TOWARD NEXT GENERATION OF BIOSENSING PLATFORMS: INTEGRATING MOLECULAR RECOGNITION AND NANOSTRUCTURED ARCHITECTURES WITHIN OPTO-ELECTRONIC DEVICES

L’insegnamento ricade tra le attività formative integrative dei corsi di Dottorato in “Scienze e Technologie dei Bio- e Nano-materiali” ed in “Chimica”. Obiettivo primario è quello di estendere le competenze degli studenti integrando ed ampliando le conoscenze nei campi della chimica-fisica/bioanalitica e della scienza dei materiali ibridi che stanno alla base dello sviluppo delle piattaforme biosensoristiche. Il corso ha la finalità di fornire agli studenti i concetti che sottendono lo sviluppo dei biosensori, con enfatizzando i recenti avanzamenti tecnologici nel settore. In particolare, la diagnostica ed il monitoraggio terapeutico in prospettiva degli sviluppi in medicina di precisione rappresenteranno l’applicazione principale. Particolare attenzione sarà data alle problematiche inerenti le odierne piattaforme biosensoristiche ed alle ricerche volte a risolverle con l’utilizzo di specifici (nano-)materiali, architetture nanostrutturate e specifiche metodologie. Recettori molecolari di nuova generazione e sistemi di “labelling” saranno discussi approfonditamente. Metodologie di tipo elettrochimico ed ottico saranno considerate in prospettiva di uno sviluppo di dispositivi di nuova generazione in grado di acquisire due segnali indipendenti o simultanei.

1. Conoscenza e comprensione
i) Acquisire la conoscenza in merito allo sviluppo delle piattaforme biosensoristiche e delle problematiche ad esse correlate in merito a specifiche applicazioni.
ii) Acquisire la conoscenza delle basi dei metodi elettrochimici ed ottici e delle tecniche bioanalitiche impiegate.
iii) Capire il ruolo innovativo che le nanotecnologie e i nanomateriali stanno giocando nel campo dello sviluppo dei biosensori.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
i) Capire quali metodologie vanno impiegate per ottimizzare l’uso di molecole biologiche come reagenti analitici al fine di creare un biosensore affidabile.
ii) Saper impiegare i concetti appresi per prevedere quale metodo bioanalitico è il più adatto a risolvere uno specifico problema bio-analitico, quale il riconoscimento e la determinazione quantitativa di molecole di interesse biologico e medico.

3. Capacità di giudizio (compatibilmente al grado di approfondimento della materia durante il corso)
i) Saper valutare comparativamente l’efficacia di diverse strategie nello sviluppo di una piattaforma biosensoristica e quali metodologie analitiche siano più adatte per l’analisi qualitativa e quantitativa di biomolecole o molecole di interesse biologico e medico.
ii) Sviluppare capacità critica nella valutazione delle prestazioni analitiche di metodi basati su (o dedicati a) molecole di interesse biologico, biotecnologico e medico.

4. Abilità comunicative
i) Imparare ad utilizzare correttamente la terminologia scientifica appropriata del settore chimico fisico/ bioanalitico.
ii) Perfezionare le capacità di comunicazione orale discutendo (5-10 min) con gli altri studenti e con il docente un articolo scientifico scelto nell’ambito del programma attraverso le fonti bibliografiche (punto 5).

5. Capacità di apprendimento
i) Dimostrare di aver acquisito gli elementi base sugli argomenti trattati dal docente a lezione completando l’apprendimento attraverso la consultazione di fonti bibliografiche ed informatiche.

Non ci sono prerequisiti specifici richiesti, se non conoscenze base di chimica fisica (termodinamica/cinetica) e biochimica. Ad ogni modo il corso è sviluppato in modo tale da fornire agli studenti gli strumenti necessari alla comprensione degli argomenti trattati

Parte I
- Biosensori in brve: campi di applicazione (con particolare enfasi riguardo la medicina di precisione, considerando diagnostica e monitoraggio terapeutico), analiti, recettori e trasduttori.
- Recettori: enzimi, anticorpi, “nanobodies”, aptameri, peptidi.
- Sistemi di “labeling” (quando necessari): sonde redox e fluorescenti.
- Metodi electrochimici: richiami delle principali tecniche (in particolare amperometria e voltammetria).
- Introduzione alla chemiluminescenza elettrogenerata (ECL).
- Metodi ottici: risonanza plasmonica di superficie (SPR), fluorescenza.
- Materiali utilizzati come trasduttori o sistemi di “labeling”: (nano)film d’oro, nanoparticelle, nanomaterials a base di carbonio (e.g. grafene, nanotubi, “carbon dots”), nanofili di silicio, vetro conduttivo.

Parte II
- Ingegnerizzare un dispositivo: “array” di sensori (quantificazione analitica: singolo componente o multicomponente?), volume del campione e pre-trattamento del campione (es. sangue intero), microfluidica.
- “Array” di sensori via fotolitografia o litografia a fascio elettronico.
- Elettrodi stampati (“screen-printed electrodes”, SPE).
- Transistori ad effetto di campo (“field-effect transistors”, FET).
- Tecniche accoppiate: possono sistemi ottici ed elettrochimici lavorare assieme, magari simultaneamente?
- Conclusioni e prospettive future: qual è il prossimo passo?

J. Janata. Principles of Chemical Sensors. 2nd ed., Dordrecht: Springer, 2009.
A. J. Bard, L. R. Faulkner. Electrochemical Methods. Fundamentals and Applications. 2nd ed. New York City: Wiley, 2000.
A. J. Bard. Electrogenerated Chemiluminescence. New York City: Marcel Dekker, 2004.
N. Sojic. Analytical Electrogenerated Chemiluminescence. London: Royal Society of Chemistry, 2020
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger – Principles of Biochemistry. 7th ed., New York City: Macmillan Education, 2017.

Appunti di lezione.

Esame orale. La prova orale consiste in una serie di domande alle quali lo studente deve rispondere dimostrando di conoscere e saper esporre gli argomenti trattati dal corso.
La prova orale ha generalmente durata di ca. 30 minuti, in ragione anche della chiarezza e coerenza delle risposte ai quesiti posti.

L’insegnamento è organizzato in lezioni frontali.

LA STRUTTURA E I CONTENUTI DELL'INSEGNAMENTO POTRANNO SUBIRE VARIAZIONI IN CONSEGUENZA DELL'EPIDEMIA DI COVID-19.

1. Sostenibilità.
L’uso di biosensori a fini analitici è sicuramente più sostenibile rispetto ai metodi di analisi classica in quanto consente la drastica riduzione dell’uso di reagenti tossici ed inquinanti, la riduzione dei volumi sia dei campioni che dei reagenti (e quindi dei costi e dei problemi di smaltimento), l’uso di condizioni operative blande (pressione atmosferica e temperatura ambiente o prossima all’ambiente). L’uso di strumentazione a basso costo rende tali metodologie applicabili al controllo della salute in un'ottica di point-of-care anche nei paesi in via di sviluppo.

2. Accessibilità, Disabilità e Inclusione.
Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento: Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.

orale