Le NANOTECNOLOGIE per la BIO-MEDICINA

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1 Le NANOTECNOLOGIE per la BIO-MEDICINA Ivo Rendina Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto per la Microelettronica e Microsistemi

2 Cosa sono le NANOTECNOLOGIE!!perché se ne parla tanto oggi!!perché sono così importanti!!cosa SONO CAPACI DI FARE?

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6 La scoperta del transistor dà inizio all Era dell Informazione basata sulla crescente capacità di poter acquisire, elaborare e trasmettere informazioni Schiere di transistor (2013) Le nanotecnologie consentono di integrarne miliardi su un chip di silicio di pochi centimetri Il primo transistor (1947) con dimensioni di qualche centimetro

7 Grazie alle micro e nanotecnologie la capacità di integrare transistor su un chip raddoppia ogni 2 anni Moore s law A silicon integrated circuit (from Wikipedia)

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11 Nanotecnologie: la capacità di costruire, manipolare e vedere oggetti di dimensioni nanometriche Come si fabbricano oggetti nanometrici Approccio TOP-DOWN: si parte da oggetti grandi che vengono ridotti nelle forme e dimensioni desiderate attraverso processi consecutivi Approccio BOTTOM-UP: atomi e molecole si auto-assemblano per formare strutture complesse

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14 BIOMIMETICA: imparare dalla natura Struttura naturale della foglia di loto Strutture sintetiche Superfici idrofobiche

15 Colori strutturali

16 Colori strutturali

17 Diatomee sono alghe unicellulari con un guscio nanostrutturato (frustulo) di silice Si contano circa specie con forma, morfologia e dimensione differenti

18 Diatomee Dimensioni comprese tra m (fino a 2mm) I. Rendina, Gran I. Rendina, SPIE Microtech., Prague 2011

19 Le diatomee: un esempio di come la natura ha sviluppato in milioni di anni di selezione naturale nanostrutture che svolgono funzioni complesse

20 La superficie nanostrutturata serve a focalizzare la luce solare in particolari punti del citoplasma filtrare i dannosi raggi UV solari proteggendo il citoplasma

21 Il mantello dell invisibilità di Harry Potter ha un tessuto nanostrutturato

22 Applicazioni delle Nanotecnologie Tecnologie dell informazione Sistemi sempre più piccoli, veloci, efficienti e potenti per elaborare e trasmettere informazioni Energia Tecnologie sempre più spinte di produzione di energia rinnovabile e pulita Medicina Sistemi di diagnosi e cura sempre più efficaci Beni di consumo Cibi e bevande " Sistemi di inscatolamento non inquinanti, sensori e sistemi per controllare la qualità dei cibi Tessuti " resistenti, impermeabili, traspiranti, isolanti Pitture e Cosmetici " superfici autopulenti, resistenti I. Rendina - Università Parthenope ai graffi, Napoli, cosmetici 13 dicembre intelligenti 2013 e non tossici

23 Sfide globali: la salute dell uomo

24 Sfide globali: energia e ambiente (Solar Impulse, 2010, tratto da

25 Global health challenge 1 miliardo di bambini, ovvero la metà dei bambini al mondo, vive in povertà più della metà delle morti nei paesi poveri è dovuta a semplici infezioni che non vengono diagnosticate (meno del 5% nei paesi ricchi) [Source: P. Yager, et al., Nature, Vol. 442, 27 July 2006)]

26 Un intero laboratorio di analisi integrato su un chip (lab-on-a-chip)

27 Lab-on-a-chip Serbatoio prodotti di scarto Ingresso reagenti Micro-camera di reazione e microcanali Valvole e micropompe Area di rivelazione (biosensori)

28 Come funziona un biosensore Sonda molecolare Funzionalizzazione chip Interazione Riconoscimento selettivo Trasduzione Analita in una miscela complessa Segnale Ottico Elettrico Chimico..

29 Laboratorio in una pillola

30 La capsula endoscopica 1 cupola ottica 2 fermo per la lente 3 lente 4 illuminazione a LED 5 acquisizione immagini a CMOS 6 batterie 7 trasmettitore 8 antenna

31 Normalmente solo una molecola di farmaco su un milione arriva a destinazione La tecnica del drug delivery consente di indirizzare i farmaci esclusivamente sulle cellule malate e rilasciarli al loro interno Tratto da: Comprehensive Cancer Center Ohio University

32 Un esempio di nano-vettore che trasporta SiRNA e funzionalizzato per riconoscere selettivamente un tessuto tumorale lipide anticorpo Tessuto sano Tessuto malato SiRNA Tessuto malato trattato con nanovettori

33 Diagnosi per immagini con Quantum Dots (QD) Struttura di una nanoparticella (quantum dot) di CdSe I QD s possono essere internalizzati da una cellula e rendere possibili immagini intra-cellulari Tratto da: Laurence Livermore Laboratories Nano Letters 2008., Vol. 8, pp Soluzioni contenenti QD di diverso diametro

34 Immagini intra-cellulari con QD!"#$%&'()$*+&',-./' Nuclei (blu) e citoplasmi (verde) di cellule trattate con QD 3%#+24)%' -+()56)2"4)%' 1$7+1"%#',-'0+1+$2+' Nano Letters 2008., Vol. 8, pp

35 Microscopia a super-risoluzione

36 2 mm Un materiale invisibile è anche una super-lente? V. Mocella et al., PRL, 3 April 2009

37 Manipolare le biomolecole su scala nanometrica! (Firb- Futuro in Ricerca 2012)

38 Naples

39 The laboratories: clean room facility

40 The laboratories: opto-electronic characterization facility Banchi ottici FTIR Ellissometro Spettroscopico SEM AFM Microscopi Metallografici