Ingegneria Biomedica

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-IND/22

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

6

Distribuzione delle ore

60 classroom hours

Docenti

MARIAGABRIELLA SANTONICOLA

Tipologia

Attività formative affini o integrative

SSD

ING-IND/22

Anno

N/D

Semestre

N/D

CFU

6

Distribuzione delle ore

60 classroom hours

Docenti

Fornire allo studente la conoscenza critica di struttura e proprietà dei materiali metallici e delle superfici utilizzati in ambito biomedico. Descrivere il ruolo che tali materiali occupano nella progettazione di dispositivi biomedici e protesici con riferimento alle problematiche legate alla trasformazione e ai trattamenti superficiali di tali materiali. Fornire conoscenze relative all’interazione dei materiali metallici e delle superfici con i sistemi biologici. Sviluppare competenze necessarie ad integrarsi in un settore altamente interdisciplinare e in continua evoluzione.

Il corso ha l’obiettivo di fornire agli studenti le conoscenze fondamentali sui materiali impiegati in ambito biomedico e sulle loro interazioni con i tessuti biologici. In particolare, il corso mira a sviluppare la comprensione dei principi che governano la biocompatibilità, la bioattività, la biodegradabilità e la risposta biologica ai materiali. Un ulteriore obiettivo è fornire le basi teoriche e pratiche per l’analisi e la modifica delle superfici, con particolare attenzione al loro ruolo nel migliorare le prestazioni dei dispositivi impiantabili e nel promuovere l’integrazione con i tessuti. Al termine del modulo lo studente sarà in grado di descrivere le principali classi di biomateriali e le loro proprietà fisiche, chimiche e biologiche; di selezionare e valutare i materiali più idonei per specifiche applicazioni mediche; di comprendere il ruolo delle superfici e delle modifiche superficiali nell’interazione materiale-tessuto; di comunicare con linguaggio tecnico appropriato i concetti appresi e di approfondire in modo autonomo tematiche relative a nuovi materiali e tecnologie mediche.

Per una proficua comprensione dei contenuti del corso, si richiede che lo studente possieda conoscenze di base di chimica e fisica.

MODULO "MATERIALI NON METALLICI"
1. Introduzione ai materiali per uso biomedico. Concetti e definizioni di biomateriale, biocompatibilità, bioattività e bioinerzia. Interazioni tra materiali e sistemi biologici. Biodegradabilità.
2. Proprietà di materiali e superfici ad uso biomedico e loro caratterizzazione: proprietà chimiche di superficie e di bulk, proprietà termiche. Caratterizzazione morfologica mediante microscopia SEM e AFM.
3. Proprietà meccaniche dei materiali. Prove meccaniche a trazione e compressione.
4. Materiali e rivestimenti polimerici per uso biomedico: classificazione e proprietà tipiche, meccanismi di polimerizzazione, stato fisico, polimeri termoplastici e termoindurenti, principali polimeri per uso biomedico, polimeri biodegradabili.
5. Materiali e rivestimenti ceramici per uso biomedico: struttura e proprietà; ceramiche bioinerti, bioattive e bioriassorbibili; preparazione di biomateriali ceramici avanzati e nanostrutturati, metodi di deposizione di rivestimenti ceramici sottili; bioceramiche, biovetri.
6. Materiali e rivestimenti a base di carbonio per uso biomedico: carbonio e sue forme allotropiche, deposizione di carbonio pirolitico, biocompatibilità e emocompatibilità del carbonio pirolitico. Nanomateriali a base di carbonio per il drug delivery.
7. Materiali compositi per uso biomedico: classificazione e proprietà, materiali compositi a matrice polimerica, fibre e nanostrutture di carbonio come fillers. Materiali compositi nella moderna medicina ortopedica e in dispositivi protesici.
8. Materiali di origine naturale per applicazioni biomediche: polisaccaridi, proteine (collagene, fibrina, elastina), glicosaminoglicani, strutture lipidiche (liposomi). Tessuti decellularizzati per l’ingegneria tissutale
9. Normativa e test di biocompatibilità sui materiali


MODULO "MATERIALI METALLICI E SUPERFICI"
1. Introduzione ai materiali metallici per uso biomedico, biocompatibilità e corrosione in ambiente fisiologico.
2. Microstruttura e proprietà dei materiali metallici. Strutture cristalline, difetti.
3. Diffusione nei solidi.
4. Diagrammi di fase (leghe metalliche)
5. Principali classi di materiali metallici usati in ambito biomedico: acciai, titanio, leghe a memoria di forma, cobalto, leghe di magnesio
6. Corrosione in ambiente fisiologico (cenni)
7. Modifiche superficiali per applicazioni biomediche
8. Trattamenti superficiali con radiazioni, trattamenti al plasma, etching
9. Rivestimenti polimerici mediante tecniche di grafting, polimerizzazioni superficiali controllate.
10. Tecniche di immobilizzazione di biomolecule, strategie di bioconiugazione (click chemistry)
11. Patterning di superfici
12. Dimostrazioni in laboratorio

- Dispense a cura del docente (disponibili in Google Classroom)
- Ratner B. D., Hoffman A. S., et al., “Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine”, 3 Ed., Academic Press, 2013
- Di Bello C., Bagno A., “Biomateriali. Dalla Scienza dei Materiali alle Applicazioni Cliniche”, 2 Ed., Patron Editore, 2016

Modulo: MATERIALI METALLICI E SUPERFICI
N/D
Modulo: MATERIALI NON METALLICI
N/D

Lezioni in aula e sessioni in laboratorio con dimostrazioni sperimentali (per studenti frequentanti).
Sono parte integrante del corso dimostrazioni di laboratorio sotto la guida del docente. Le dimostrazioni di laboratorio riguarderanno la preparazione di materiali polimerici per applicazioni biomediche (hydrogel, elastomeri, polimeri naturali e/o biodegradabili, materiali elettrofilati) e la loro caratterizzazione mediante analisi chimica (FTIR) e termica (DSC), analisi di biocompatibilità mediante misure di angolo di contatto (OCA), analisi al microscopio ottico/SEM).

La frequenza non è obbligatoria ma raccomandata. Gli studenti non frequentanti non possono accedere alle sessioni in laboratorio.

La valutazione verrà effettuata mediante un colloquio orale volto a valutare la capacità dello studente di saper esporre i concetti base, saper effettuare collegamenti fra gli aspetti più teorici e pratici, saper effettuare confronti e analizzare in maniera critica gli argomenti esposti durante il corso. La valutazione sarà effettuata per ciascun argomento (valutazione in trentesimi): conoscenza minima (valutazione tra 18 e 20); conoscenza media (21-23); capacità di applicare la conoscenza in maniera sufficiente (24-25); buona capacità di applicare la conoscenza (26-28); capacità di applicare la conoscenza in maniera eccellente con buone capacità di comunicazione e senso critico (29-30).

Che cosa si intende per biomateriale?
Quali sono i principali requisiti che un materiale deve soddisfare per essere impiegato in ambito biomedico?
Quali sono le principali differenze tra polimeri termoplastici e termoindurenti?
Che cosa sono i biovetri e quali sono i meccanismi di interazione con i tessuti ossei?
Quali sono i principali metalli impiegati negli impianti medici e perché?

• 1.  Introduzione ai materiali per uso biomedico.
  Concetti e definizioni di biomateriale, biocompatibilità, bioattività e
  bioinerzia. Interazioni tra materiali e sistemi biologici.
  Biodegradabilità. 2.  Proprietà di materiali e superfici ad uso
  biomedico e loro caratterizzazione: proprietà chimiche di superficie e di bulk,
  proprietà termiche. Caratterizzazione morfologica mediante microscopia SEM e
  AFM. 3.  Proprietà meccaniche dei materiali. Prove meccaniche a
  trazione e compressione.4.  Materiali e rivestimenti polimerici per uso
  biomedico: classificazione e proprietà tipiche, meccanismi di polimerizzazione,
  stato fisico, polimeri termoplastici e termoindurenti, principali polimeri per
  uso biomedico, polimeri biodegradabili.5.  Materiali e rivestimenti
  ceramici per uso biomedico: struttura e proprietà; ceramiche bioinerti,
  bioattive e bioriassorbibili; preparazione di biomateriali ceramici avanzati e
  nanostrutturati, metodi di deposizione di rivestimenti ceramici sottili;
  bioceramiche, biovetri. 6.  Materiali e rivestimenti a base di
  carbonio per uso biomedico: carbonio e sue forme allotropiche, deposizione di
  carbonio pirolitico, biocompatibilità e emocompatibilità del carbonio
  pirolitico. Nanomateriali a base di carbonio per il drug delivery. 7. 
  Materiali compositi per uso biomedico: classificazione e proprietà, materiali
  compositi a matrice polimerica, fibre e nanostrutture di carbonio come fillers.
  Materiali compositi nella moderna medicina ortopedica e in dispositivi
  protesici.8.  Materiali di origine naturale per applicazioni biomediche:
  polisaccaridi, proteine (collagene, fibrina, elastina), glicosaminoglicani,
  strutture lipidiche (liposomi). Tessuti decellularizzati per l’ingegneria
  tissutale9.  Normativa e test di biocompatibilità sui materiali
  • Testi di riferimento: - Dispense a cura del docente (disponibili in Google
    
    Classroom)- Ratner B. D., Hoffman A. S., et al., “Biomaterials Science: An
    
    Introduction to Materials in Medicine”, 3 Ed., Academic Press, 2013- Di Bello
    
    C., Bagno A., “Biomateriali. Dalla Scienza dei Materiali alle Applicazioni
    
    Cliniche”, 2 Ed., Patron Editore, 2016


• 1. Introduzione ai materiali metallici per uso biomedico,
  biocompatibilità e corrosione in ambiente fisiologico.2. Microstruttura e
  proprietà dei materiali metallici. Strutture cristalline, difetti.3. Diffusione
  nei solidi.4. Diagrammi di fase (leghe metalliche) 5. Principali classi di
  materiali metallici usati in ambito biomedico: acciai, titanio, leghe a memoria
  di forma, cobalto, leghe di magnesio6. Corrosione in ambiente fisiologico
  (cenni)7. Modifiche superficiali per applicazioni biomediche8. Trattamenti
  superficiali con radiazioni, trattamenti al plasma, etching9. Rivestimenti
  polimerici mediante tecniche di grafting, polimerizzazioni superficiali
  controllate.10. Tecniche di immobilizzazione di biomolecule, strategie di
  bioconiugazione (click chemistry)11. Patterning di superfici 12. Dimostrazioni in laboratorio
  • Testi di riferimento: - Dispense a cura del docente (disponibili in Google Classroom)- Ratner B. D., Hoffman A. S., et al., “Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine”, 3 Ed., Academic Press, 2013- Di Bello C., Bagno A., “Biomateriali. Dalla Scienza dei Materiali alle Applicazioni Cliniche”, 2 Ed., Patron Editore, 2016