Le principali attività di questo settore, favorite dalla sinergica interazione tra diversi laboratori IFC (Sensori, Materiali Biomimetici e Ingegneria dei Tessuti Biologici, Tecnologie Genomiche, PHC, Proteomica), sono focalizzate sullo sviluppo di dispositivi e sistemi diagnostici e terapeutici, basati su sensori, materiali, algoritmi e modelli decisamente innovativi, tenendo conto delle attuali linee strategiche proprie delle Biotecnologie e delle Nanotecnologie. Le aree di interesse, fortemente interdisciplinari, includono quindi lo sviluppo di biosensori e nanosensori, di biomateriali e biosuperfici, nonché studi e applicazioni di tissue engineering, e sono così suddivise:

Biorecettori e Biosuperfici per Applicazioni Diagnostiche

Le attività in questo ambito sono legate alla progettazione/selezione e alla realizzazione di molecole oligonucleotidiche (corti DNA ed RNA, naturali o chimicamente modificati) da  utilizzare per riconoscere e legare molecole bersaglio di interesse diagnostico/terapeutico.

L’expertise nella sintesi chimica di oligonucleotidi consente di realizzare e purificare molecole stabilizzate chimicamente, dotate di gruppi funzionali per la loro immobilizzazione e/o marcatura, che non sono commercialmente disponibili. Questi oligonucleotidi sintetici, in grado di riconoscere e legare molecole di DNA ed RNA, proteine ed anche altre molecole, possono venir utilizzati per vari scopi; tra i principali:

-legare e/o tagliare RNA messaggeri evitando la produzione dei relativi prodotti proteici ed investigare così l’effetto del knock-down genico sul fenotipo delle cellule d’interesse.

-legare markers presenti sulla superficie di cellule o in estratti e fluidi biologici, ed ottenere sistemi per l’imaging molecolare o biosensori.

L’applicazione degli oligonucleotidi per queste finalità è resa possibile grazie allo sviluppo di tecniche di marcatura e/o immobilizzazione a formare superfici sensibili e la loro caratterizzazione mediante avanzate tecniche cromatografiche ed elettroforetiche (HPLC ed Elettroforesi Capillare).

Nanotecnologie  e  Sensoristica  Biomedica  e  Ambientale

La pluriennale esperienza acquisita dal gruppo nel campo dei sensori e biosensori e è stata recentemente indirizzata verso nuove applicazioni sia nel settore biomedico che in quello ambientale. Nel primo caso, grazie al coinvolgimento in diversi progetti, oltre a classici sensori ottici (come il dispositivo analitico optoelettronico transcutaneo in grado di valutare alcuni parametri ematici senza prelievo di sangue) e microgravimetrici (QCM), sono al momento allo studio sistemi micromeccanici (BioMEMS) e nanosensori basati su nanotecnologie. In particolare il gruppo è coinvolto in un progetto di teranostica (NanoMAX-ENCODER) sullo sviluppo e la caratterizzazione di nanostrutture complesse per applicazioni terapeutiche, di sensing e di imaging nell’ipertrofia cardiaca patologica.

Un’applicazione prettamente ambientale è invece il sistema olfattivo artificiale, realizzato nell’ambito del Progetto EU-FP7 ARGOMARINE per il rilevamento della presenza di composti organici volatili, in particolare di idrocarburi, sulla superficie marina in zone protette, con le sue potenziali applicazioni anche in ambiente urbano per il monitoraggio di inquinanti e lo studio di correlazioni salute-ambiente, nonché la realizzazione di sensor networks.

Tissue  Engineering

La sezione di Tissue Engineering è focalizzata su 3 tematiche di ricerca principali:

  • Biomateriali
  • Bioreattori
  • Virtual Physiological Human (VPH) e Medicina Predittiva

L’attività nel settore dei Biomateriali è rivolta allo sviluppo e al testing di materiali biocompatibili per Tissue Engineering, con un focus particolare per la rigenerazione del tessuto molle e la rigenerazione nervosa. I materiali sono sia di origine sintetica (PCL, PEG) che naturale (gelatina, collagene), funzionalizzati per favorire l’adesione cellulare e i processi di crescita. Per lo svolgimento di tali attività ci si avvale della collaborazione della ditta DIPROMED (progetto MES-STAR - MANUNET) e del Centro di Ricerca “E. Piaggio”, nonché della Sezione Proteomica e System Biology di IFC.

Le attività sui  Bioreattori, svolte in stretta collaborazione con il Centro di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa, sono focalizzate sul test e l’utilizzo di sistemi di coltura dinamici capaci di simulare le interazioni metaboliche tra tipi cellulari diversi tra loro e l’effetto di stress meccanici e biochimici sulle colture medesime allo scopo di ricreare condizioni di vita fisiologiche e fisiopatologiche.

Il settore di VPH e Medicina Predittiva è invece centrato sullo sviluppo di sistemi in-silico per lo studio paziente-specifico dei processi metabolici e degenerativi delle malattie cardiovascolari.  Le attività di ricerca sono svolte nell’ambito dei progetti di Istituto ARTreat (EU-FP7) e DOREMI (EU-FP7). 

Materiali Biomimetici  e  Modelli di Tessuti Biologici

Le attività in questo settore sono rivolte allo sviluppo e alla validazione di modelli continui descriventi le caratteristiche di materiali (idrogeli) simili, per struttura, ai tessuti naturali. In particolare, è presa in considerazione l’elasticità connessa all’elettro-meccano-chimica, tipica dei tessuti naturali, che si sviluppa in conseguenza dell’architettura bi-fasica dei sistemi biologici. Questi sono infatti caratterizzati da una matrice solida porosa permeata nei suoi interstizi molecolari da una soluzione prevalentemente acquosa, spesso contenente ioni.

Tramite tali modelli è possibile sviluppare tecniche per la caratterizzazione delle costanti “poroelastiche” di idrogeli, di repliche di tessuti naturali molli (e.g. idrogeli con cellule disperse al loro interno) e di tessuti naturali stessi, nonché lo studio della propagazione di onde acustiche ad alta frequenza (ultrasuoni) nei sistemi biologici.

La realizzazione di repliche tissutali permette l’analisi in-vitro del comportamento di sistemi biologici e la realizzazione di materiali per drug delivery o per attuatori pseudo-muscolari. Inoltre, tramite lo sviluppo di modelli acustici ultrasonori, è possibile mettere a punto tecniche per la valutazione non-invasiva della fisiologia di tessuti ed organi (cirrosi epatica, fibrosi polmonare o insufficienza cardiaca legate alla comparsa delle comete polmonari) e la realizzazione di lenti acustiche per la focalizzazione di fasci ultrasonici. Tali lenti in gel possono avere applicazione sia nella stimolazione mirata di funzionalità biologiche di organi o tessuti, che nello sviluppo della “thermal therapy” per il trattamento di tumori.