Ingegneria Biomedica

ROBERTO LAVECCHIA

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti le basi culturali e metodologiche per lo studio dei fenomeni chimico-fisici e biologici che intervengono nei sistemi biomedici secondo un approccio tipico dell’ingegneria chimica. In particolare, gli obiettivi primari del corso sono lo sviluppo della capacità degli studenti di analizzare in maniera quantitativa i processi biotecnologici in cui sono presenti enzimi o cellule e l’applicazione delle conoscenze acquisite alla progettazione e modellizzazione di apparecchiature e dispositivi biomedici.

Al termine del corso, gli studenti dovranno essere in grado di:

- identificare e analizzare i fenomeni chimico-fisici e biologici che intervengono nel funzionamento di dispositivi biomedici o apparecchiature contenenti enzimi o cellule;

- descrivere e modellare il comportamento delle suddette apparecchiature;

- pianificare attività sperimentali propedeutiche allo studio della cinetica enzimatica o della crescita cellulare.

Conoscenze di base di chimica generale e di chimica organica
Fondamenti di calcolo differenziale ed integrale

Parte A – FONDAMENTI DI INGEGNERIA CELLULARE E BIOMOLECOLARE
Il ruolo dell’ingegneria chimica nello studio dei sistemi di interesse dell’ingegneria biomedica. Gli organismi viventi: caratteristiche e proprietà. Organismi procariotici ed eucariotici: differenze e analogie. L’accrescimento cellulare e le caratteristiche del mezzo di crescita.
Virus e infezioni virali. Caratteristiche strutturali dei virus. Fasi e meccanismi di infezione virale. Sviluppo di terapie antivirali.
Struttura e proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi e delle proteine. Livelli strutturali delle proteine e funzione biologica. Agenti denaturanti ed effetto sulla stabilità delle proteine.
Gli enzimi: caratteristiche strutturali ed effetto sull’attività biologica. Esempi di enzimi di interesse biomedico. Biosensori enzimatici.
Fondamenti di ingegneria genetica: DNA e RNA. Il codice genetico. Tecnologia del DNA ricombinante. Terapie cellulari e terapie geniche.
Parte B – INGEGNERIA DELLE REAZIONI ENZIMATICHE
Elementi di cinetica chimica. Velocità di reazione ed espressioni cinetiche. Reazioni chimiche elementari e meccanismi di reazione. Derivazione dell’equazione di Michaelis-Menten e stima dei parametri cinetici.
Effetto della temperatura e del pH sulla cinetica enzimatica. L’inibizione enzimatica. Meccanismo d’azione degli inibitori e identificazione del tipo di inibizione. Inibitori e terapia farmacologica. Esempi di farmaci basati sull’utilizzo di inibitori enzimatici.
Parte C – INGEGNERIA DEI PROCESSI CELLULARI
Il fenomeno della crescita cellulare. Effetto della temperatura e del pH sull’accrescimento cellulare. L’equazione di Monod. Inibizione della crescita cellulare indotta da substrati o da prodotti.
Metabolismo cellulare. Metaboliti primari e secondari. Metabolismo endogeno. Espressioni cinetiche per l’accrescimento cellulare. Fattori di resa e coefficiente di mantenimento. Morte cellulare.
La produzione di energia in condizioni aerobiche ed anaerobiche. Il ruolo dell’ATP nei processi di produzione dell’energia. La fermentazione lattica. Bioreattori: caratteristiche realizzative e funzionali. Sviluppo di bioreattori per applicazioni biomediche.

Fournier R.L., Basic transport phenomena in biomedical engineering, Taylor and Francis, Philadelphia, 1999
Ratledge C., Kristiansen B., Biotecnologie di base, Zanichelli, Bologna, 2004
Stryer L., Biochimica, Zanichelli, Bologna, 1996
Materiale didattico distribuito dal docente

La didattica si svolgerà in aula e sarà costituita da lezioni svolte anche attraverso presentazioni in PowerPoint e da seminari tenuti da professionisti e docenti del settore biotecnologico

Il corso non richiede la frequenza obbligatoria ma questa è fortemente consigliata

La valutazione prevede una prova orale intesa a valutare il grado di preparazione acquisito dallo studente sugli argomenti presentati nel corso nonché l'approccio metodologico per affrontare problemi o situazioni inerenti allo sviluppo di processi o tecnologie biochimiche di interesse dell’ingegneria biomedica

Descrivere le fasi di un processo di infezione virale e le possibili strategie terapeutiche per contrastarne l’evoluzione

Siti attivi e siti allosterici delle macromolecole enzimatiche: ruolo nella catalisi e nei fenomeni di inibizione

Fenomeni elettroforetici e tecniche per la separazione di elettroliti in mezzi acquosi

Reazioni di ossidazione del glucosio per la produzione e stoccaggio di energia in condizioni aerobiche e anaerobiche

Descrivere le caratteristiche strutturali degli amminoacidi con particolare riferimento alle proprietà delle loro catene laterali

Modelli cinetici per l’inibizione enzimatica: derivazione analitica e validazione sperimentale