La modellazione computazionale multiscala offre metodologie e strumenti potenti e versatili per descrivere il comportamento di strutture e componenti biomeccanici (artificiali, bioartificiali, biologici).
Importanti sono le interazioni fra approccio multiscala e descrizioni multi fisiche, in grado di offrire descrizioni complesse e dettagliate delle funzionalità di sistemi, sottosistemi e componenti sia artificiali, sia naturali.
La modellazione computazionale multiscala ha come fondamento la relazione tra le caratteristiche molecolari di un sistema e i fenomeni a scale più alte, come la mesoscala e le scale tradizionali dei continui.
L'insegnamento ha un duplice obiettivo: proporre un metodo alternativo per la descrizione di fenomeni che, attraverso livelli diversi di organizzazione strutturale, influenzano le proprietà macroscopiche di alcuni sistemi di interesse biologico e fornire uno strumento per la progettazione di sistemi molecolari e materiali in ambito bionanotecnologico e per l'ingegneria dei tessuti.

Il corso si focalizzerà sui seguenti argomenti:
- modellazione molecolare della dinamica di proteine, membrane e acidi nucleici con particolare focus a condizioni patologiche quali cancro e patologie neurodegenerative.
- metodologie applicate per il design e il discovery di farmaci con particolare attenzione alla dinamica di interazione ligando/recettore e alla cinetica di legame e di rilascio;
- modellazione multiscala del citoscheletro cellulare. Meccanica dei biopolimeri, della membrana e della cellula;
- biomeccanica delle nanomacchine.

L'insegnamento può essere incluso nel piano di studi sia al primo che al secondo anno di laurea magistrale.

Lo studente dovrà acquisire le tecniche di modellazione molecolare su tre livelli principali: atomistico, micro/mesoscopico e macroscopico. La comprensione e lo studio di alcuni tra i principali approcci e del loro significato fisico costituiscono la base per l'implementazione dei metodi al calcolatore.
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di:
- simulare al calcolatore esperimenti di caratterizzazione meccanica di proteine e polimeri;
- simulare l’interazione tra un farmaco e il suo target e modificare il composto in modo da migliorarne caratteristiche quali affinità e cinetica di legame;
- progettare un dispositivo di delivery di farmaco;
- studiare e rappresentare i fenomeni di rimodellamento dei tessuti sia in condizioni fisiologiche che patologiche;

Questo insegnamento contribuisce a sviluppare l'autonomia di giudizio mediante prove di autovalutazione in aula e in laboratorio.
Questo insegnamento contribuisce a migliorare le abilità comunicative sia scritte, che orali mediante esercitazioni frontali, di gruppo, tutorial individuali e attraverso lo sviluppo di un breve progetto su un argomento a scelta, da esporre al corpo docente e ai colleghi.
La capacità di apprendimento è stimolata da un percorso formativo che alterna, in una scansione organizzata, principi metodologici, esempi applicativi, ed esercizi di approfondimento.
La possibilità di essere seguiti nella realizzazione di una breve ricerca su un argomento scelto insieme al docente, spinge gli studenti a svolgere indagini su siti web, a visionare la letteratura scientifica e a prendere coscienza degli ambiti applicativi relativi al corso.

In generale, è richiesta una conoscenza delle basi della ingegneria con particolare riferimento alla fisica, matematica, chimica, fondamenti di biologia, meccanica, scienza dei materiali. Il docente svolgerà delle lezioni di ripasso per colmare eventuali lacune.

- Generalità sul modelling multiscala
- Mattoni costituenti il tessuto biologico
- Forze a livello molecolare (elementi di meccanica statistica applicati ai sistemi biologici)
- Concetti base nel campo del molecular e multiscale modelling. Meccanica Molecolare e Dinamica a livello molecolare, Sampling Esteso.
- Basi di drug design/discovery. Metodi di docking ligando (farmaco)/recettore (proteina). Affinità e cinetica di legame ligando/recettore
- Drug Delivery
- Approcci Coarse Grained per la modellazione multiscala
- Meccanica dei Biopolimeri/Membrane/Cellule
- Biomeccanica delle Macchine Molecolari
- Esercitazione in Laboratorio (argomenti possibili: simulazione di dinamica di proteina e interazione farmaco recettore, studio della dinamica vibrazionale di Nanotubi di Carbonio, Meccanica dei filamenti citoscheletrici)

L'insegnamento prevede lezioni frontali, esercitazioni in aula e in laboratorio al calcolatore.

Il docente fornirà tutto il materiale per il corso (slide e dispense) sia per le lezioni che per le esercitazioni e laboratori. Saranno inoltre suggeriti dei libri di testo come approfondimento a discrezione dello studente.
• Boal, D., 2001. Mechanics of the Cell. Cambridge University Press, Cambridge. doi:10.1017/CBO9780511810954
• Dill, K.A., Bromberg, S., 2003. Molecular driving forces : statistical thermodynamics in chemistry and biology. Garland Science.
• Drexler, K.E., 1992. Nanosystems : molecular machinery, manufacturing, and computation. Wiley.
• Leach, A.R., 2001. Molecular modelling : principles and applications. Prentice Hall.
• Tuszynski, J.A., 2008. Molecular and cellular biophysics. Chapman & Hall/CRC.
• Redaelli, A., Montevecchi, F.M., 2007. Biomeccanica : analisi multiscala di tessuti biologici. Pàtron.

L'esame è scritto. Sarà proposta la possibilità di sviluppare durante il corso un piccolo progetto (tesi bibliografica o lavoro sperimentale) che contribuirà a definire il voto finale.