BIOlab (Laboratorio di Materiali Polimerici Bioattivi per Applicazioni Biomediche ed Ambientali)

Gli obiettivi del BIOlab

Il Centro è costituito da cinque UdR afferenti alle Università di Pisa, Piemonte Orientale, Milano e Siena, che operano nel campo dei materiali polimerici biodegradabili e biocompatibili con competenze diversificate.

L’UdR di Pisa

Si avvale di un insieme di competenze maturate negli anni le cui radici risalgono alla fine degli anni cinquanta con la chiamata a Pisa del Prof. Piero Pino, a ricoprire la cattedra di Chimica Industriale. Partendo da studi di carattere fondamentale sulla polimerizzazione stereospecifica di monomeri vinilici chirali mediante processi di polimerizzazione ionica e ionica-coordinata e lo studio delle proprietà conformazionali dei polimeri preparati, l'attività negli anni si è concentrata sulle problematiche legate alla sintesi, caratterizzazione, trasformazione e lavorazione prototipale di sistemi macromolecolari ottenibili attraverso i vari processi di polimerizzazione, sia del tipo a catena che a stadi e con meccanismi cationici, anionici, radicalici ed ionici coordinati.

Dalla metà degli anni settanta, si sono abbracciate problematiche di interesse industriale sviluppando pertanto una base culturale di tipo tecnico-scientifico fortemente orientata alla risoluzione di problemi di ordine pratico in settori che vanno dall’alimentare, al biomedico, farmaceutico, cosmetico, agricolo, fino alle applicazioni elettroottiche e di nanoscrittura fotoindotta.

L'impostazione tecnico-pratica che è stata continuamente associata allo sviluppo di ricerche fondamentali ha permesso di costruire un modus operandi ed una rete di interfacce con ambienti industriali diversi (piccole-medie imprese nazionali ed internazionali) che hanno contribuito ad introdurre i presupposti di competitività nelle attività di ricerca sviluppate.

Questa particolare attitudine alla ricerca e alla sperimentazione si è rivelata vincente e di estrema utilità nella preparazione e partecipazione a progetti di ricerca e sviluppo nel settore della scienza e tecnologia dei materiali sia di base che finalizzati con fondi da istituzioni nazionali (CNR, MIUR, MAP), istituzioni internazionali in cui sono coinvolte industrie con attività imprenditoriali diversificate (Progetti CEE: CRAFT, RTN, Brite-Euram, Concerted Actions, FAIR, LIFE, GROWTH, NoE), industrie nazionali ed internazionali (grazie a commesse su convenzione).

La ricerca che si intende sviluppare a breve-medio termine fa capo alle seguenti linee:

  • Materiali polimerici da fonti rinnovabili e materiali ibridi (miscele e compositi) ecocompatibili per applicazioni nel settore dell'imballaggio, dei materiali di consumo ed in campo agro-industriale
  • Materiali polimerici per la produzione di formulati a bassa energia superficiale e basso modulo per applicazioni come antivegetativi marini ecocompatibili di nuova concezione esenti da metalli pesanti e come componenti antagonisti di biofilm in processi a membrana
  • Nanocompositi a matrice polimerica per imballaggi e prodotti di consumo con migliorate proprietà barriera, di resistenza meccanica ed antifiamma
  • Nanocompositi a matrice polimerica biostabile per applicazioni nel settore dell'auto
  • Materiali polimerici bioattivi bioerodibili/biodegradabili per applicazioni biomediche-farmaceutiche, alimentari e cosmetiche nei settori del rilascio mirato di farmaci peptidici/proteici (ad es. antivirali e antimicrobici), del rilascio controllato e mirato di chemioterapici o di nanoparticelle ibride con core magnetici per applicazioni nella medicina teranostica, della produzione di supporti nano-, micro- e mesostrutturati per l’ingegneria tissutale, dello sviluppo di micro/nanostrutture polimeriche tridimensionali come modelli per la crescita in vitro cellule tumorali umane e di micro/nanoformulati a base di matrici polimeriche ottenibili da fonti rinnovabili e sostenibili per il caricarimento ed il rilascio controllato di aromi alimentari o essenze per uso cosmetico
  • Poliolefine funzionalizzate mediante catalisi innovativa con migliorate proprietà superficiali quali adesività e bagnabilità per usi come compatibilizzanti polimerici in miscele e compositi
  • Modellazione molecolare assistita da tecniche computazionali d'avanguardia per la progettazione di materiali e principi attivi come supporto fondamentale alle problematiche spiegate nei punti precedenti
  • Impiego di tecniche spettroscopiche NMR ad alto campo per la caratterizzazione di sistemi polimerici in fase condensata
  • Impiego di tecniche di microscopia a forza atomica e confocale per lo studio delle proprietà di superfici micro e nano-strutturati
  • Sviluppo di tecniche di manifattura additiva per la preparazione di supporti polimerici tridimensionali micro/nanostrutturati a geometria predefinita per applicazioni in medicina rigenerativa

Per quanto attiene il lungo periodo si può intravedere uno sviluppo armonizzato delle problematiche ambientali e dei biomateriali e prodotti biomimetici in cui vieppiù si richiedono sistemi ad elevato grado di affidabilità e stretta rispondenza agli usi specifici degli stessi.
Un'integrazione tra la progettazione molecolare su basi computazionali e tecniche di caratterizzazione ad elevata sensibilità su scala molecolare e nanoscopica sarà di notevole aiuto nella realizzazione di nuove strutture macromolecolari multifunzionali e con caratteristiche autoassemblanti (materiali polimerici "intelligenti").

L'ampia varietà di competenze maturate negli anni e trasferite a personale strutturato e non strutturato dell'Unità Operativa del Consorzio INSTM, rende questa UdR flessibile e pronta a fare proprie le nuove tendenze della ricerca e sviluppo nel settore dei materiali, in cui i materiali polimerici trovano già ampi spazi e per i quali è prevedibile un impatto in espansione dovuto allo sviluppo delle economie attualmente più deboli.
L'Unità Operativa è quindi pronta a recepire ed apprezzare i messaggi tecnico-scientifici per i quali sono previste risposte di lungo termine.

L’UdR di Siena

L'attività scientifica del Polo di Colle di val d’Elsa, con sede presso il Centro di Ricerca Interuniversitario Sistemi Medici Avanzati (CRISMA), segue tre principali linee di ricerca: preparazione e caratterizzazione di superfici micro e nanostrutturate; sintesi e caratterizzazione di idrogeli; sintesi e caratterizzazione di idrogeli con nano particelle magnetiche come crosslinker di polisaccaridi, per trasporto e rilascio di farmaci antitumorali. Vediamole nel dettaglio.

Preparazione e caratterizzazione di superfici micro e nanostrutturate. Il controllo superficiale del comportamento cellulare, cioè dell'adesione, migrazione, proliferazione e differenziazione, svolge un ruolo estremamente importante nella formazione di tessuti e organi e nella realizzazione di biomateriali funzionali. La presenza di micro o nanostrutture su una superficie permette il controllo e la manipolazione dell'interazione cellula-biomateriale e dell'interazione cellula-cellula, e quindi di poter creare una struttura di cellule altamente orientate e differenziate.
L'attività di ricerca riguarda lo sviluppo di metodi per la realizzazione di micro e nanostrutture ottenute aggraffando molecole biologicamente attive su supporti polimerici e metallici, e la loro caratterizzazione chimica e morfologica . L'obiettivo principale di questa linea di ricerca è contribuire a risolvere la questione su come il comportamento cellulare possa essere influenzato dalla topografia o dalla chimica delle superfici o da entrambe le proprietà.
Le metodologie impiegate sono: fotoimmobilizzazione di molecole con attività specifica verso le cellule su substrati di vetro o polimerici per la realizzazione di micro e sub-microstrutture con diverse eterogeneità chimiche e/o topografiche; utilizzo di maschere con geometrie e dimensioni definite per la formazione dei domini della biomolecola di dimensioni micro o sub-micro; analisi della morfologia e della chimica delle superfici strutturate mediante AFM, FESEM, ATR FT-IR, e ToF-SIMS.

Sintesi e caratterizzazione di idrogeli. Gli idrogeli sono una classe di materiali con caratteristiche chimico-fisiche, meccaniche, morfologiche e biologiche modulabili. Ciò permette il loro utilizzo in diversi ambiti del settore biomedico.
L'attività scientifica in questo campo si articola in diverse fasi:

  • Idrogeli a base di polisaccaridi naturali (acido ialuronico e acido alginico) e semisintetici (carbossilmetilcellulosa) sono ottenuti attraverso la formazione di un ponte alchilico derivante dalla formazione di un legame ammidico tra i gruppi amminici di un agente reticolante (differenti diammine alchiliche) e i gruppi carbossilici della catena polisaccardica. La caratterizzazione chimico-fisica degli idrogeli viene eseguita avvalendosi delle principali tecniche di indagine: Spettroscopia Infrarossa, FESEM, Potenziometria , Reometria, TOF-SIMS, Analisi Calorimetrica
  • Supporti per la crescita cellulare. Gli idrogeli, per la loro alta biocompatibilità, la loro morfologia estremamente simile ai tessuti appaiono come supporti ideali per la proliferazione tissutale
  • Sistemi per il rilascio controllato di farmaci. I parametri che regolano il rilascio del farmaco, da un sistema in grado di rigonfiare in acqua, sono la velocità di rigonfiamento del gel nel solvente e la capacità del farmaco di diffondere nel gel verso la superficie. È la quantità relativa dei due fenomeni a determinare l'effettiva cinetica del rilascio. In generale per i gel di polielettroliti il fattore determinante il grado di rigonfiamento è il livello di rilassamento dei segmenti polimerici, in risposta alla pressione osmotica che si genera per la presenza di cariche fisse, non diffusibili, all'interno del network. Una condizione ideale di rilascio per gli idrogeli è quella in cui la cinetica è di ordine zero (cioè un rilascio costante dipendente esclusivamente dal tempo), ma in realtà si osserva un rilascio iniziale molto rapido del farmaco, seguito da una fase più lenta. Variando alcuni parametri, quali ad esempio il grado di reticolazione del gel, la natura del farmaco, la tecnica di incorporazione nella matrice, è comunque possibile ottenere una cinetica di pseudo ordine zero o di primo ordine, che comunque rappresentano delle buone alternative. Il modo in cui il farmaco è intrappolato nel gel può essere studiato con tecniche FT-IR e TOF-SIMS.

Sintesi e caratterizzazione di idrogeli con nano particelle magnetiche come crosslinker di polisaccaridi, per trasporto e rilascio di farmaci antitumorali. Sono stati sintetizzati nuovi idrogeli che contengono nano particelle magnetiche, sia di cobalto ferrite che di magnetite, legate covalentemente alle catene polisaccaridiche. La caratterizzazione di questi sistemi ibridi avviene attraverso spettroscopia FT-IR, AFM, FESEM oltre che con indagini reometriche per la loro valutazione meccanica. Il sistema ibrido così ottenuto segue un campo magnetico statico esterno e quindi può essere veicolato nel luogo di applicazione. Inoltre avendo le caratteristiche di idrogelo può essere riempito di farmaci, come ad es. antitumorali per osteosarcomi. I risultati indicano che l’idrogelo rilascia una maggiore quantità di farmaco quando è sottoposto ad un campo magnetico alternato, mentre un campo magnetico statico rallenta la fuoriuscita del farmaco. Prove preliminare di citotossicità indicano che il sistema, pur contenendo particelle magnetiche, non è tossico facendo così prevedere una positiva utilizzazione per le prove in vivo, già programmate. Questo progetto è stato finanziato dal MIUR attraverso un bando FIRB e di cui fanno parte anche l’Università di Catania (Prof. Marletta), l’Università di Bologna (Prof. Martelli), l’IOR (Dr. Fini), l’Università di Siena (Prof. Biancalana).

L'UdR del Piemonte Orientale

È la sede del Centro di caratterizzazione reologica e fisico-meccanica di materiali a base polimerica. Le linee di ricerca scientifica del Polo piemontese sono molteplici e riguardano:

  • Comportamento viscoelastico di materiali polimerici quali idrogeli, elastomeri, copolimeri a blocchi, poliesteri, poliacrilati, networks e nanocompositi
  • Preparazione e caratterizzazione di materiali compositi e nanocompositi di natura omogenea o eterogena
  • Preparazione e proprietà fisico-meccaniche di nanocompositi ibridi organici-inorganici e di altri materiali nanostrutturati quali nano- e micro-sfere funzionali
  • Ingegneria delle reazioni: processi catalitici e radicalici controllati
  • Sintesi e caratterizzazione termodinamica e termomeccanica di nuovi polimeri liquido cristallini
  • Sintesi di nuovi polimeri funzionali come matrici per farmaci a rilascio controllato

L’obiettivo a breve termine è poter mettere a disposizione degli afferenti INSTM un’ampia strumentazione in modo da incentivare ed agevolare la loro ricerca scientifica. Nel lungo periodo, la sfida è riuscire a diventare un centro di eccellenza a livello nazionale per la caratterizzazione e di conseguenza l'ottimizzazione dello sviluppo di materiali a base polimerica e del loro processo di lavorazione.

L’UdR di Milano Università

L'attività di ricerca è incentrata sulle seguenti tematiche:

  • Idrogeli biocompatibili e biodegradabili come supporti ("scaffold") per ingegneria tissutale. Si tratta di geli a base di poliammidoammine rinforzati con filler inorganici o nanofibre biodegradabili
  • Copolimeri ad innesto anfifilici PVP-g-PLGA. Questi materiali sono in grado di assemblare spontaneamente in nanoparticelle stabili con interessanti applicazioni per il rilascio di farmaci. Essi possono essere inoltre proposti quali idrofilizzanti di superfici in diversi settori tecnologici
  • Resine multifunzionali per la purificazione delle acque da inquinanti organici ed inorganici

Il Coordinatore e le UdR coinvolte


Cosa può offrire il BIOlab all'industria


La dotazione strumentale del BIOlab

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