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Materiali e superfici ingegnerizzate per applicazione in medicina

01NZTMV

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 55.5
Esercitazioni in laboratorio 4.5
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Vitale Brovarone Chiara Professore Ordinario ING-IND/22 24 0 0 0 4
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/22 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Il corso si propone di fornire conoscenze specifiche sulle principali metodologie di progettazione, nonché tecnologie di produzione e trasformazione di materiali di applicazione in medicina. Esso affronta le problematiche relative all’ingegnerizzazione di superfici ed alla modifica superficiale dei biomateriali, nonché ai fenomeni di degrado indesiderato o ingegnerizzato e bioriassorbimento. Sono discusse le proprietà e le problematiche relative ai materiali di uso ad esempio in ortopedia, odontoiatria, chirurgia cardiovascolare e chirurgia generale, siano questi polimerici, metallici, ceramici o compositi. Particolare enfasi sarà data alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura, nanostruttura e prestazioni del materiale, in riferimento alle applicazioni in medicina, sottolineando le potenzialità di progettazione dei dispositivi attraverso il controllo delle caratteristiche microstrutturali, della superficie e dei parametri di processo. Verranno descritte le principali tecniche di caratterizzazione dei biomateriali, con particolare riferimento alle superfici e le tecniche maggiormente impiegate per modificarne la superficiale, con esempi sia relativi al campo della ricerca che dell'applicazione clinica. Verranno inoltre affrontati argomenti relativi al rilascio di farmaci ed ai materiali innovativi per l'ingegneria tissutale.
The course aims to provide knowledge on the main design methodologies, manufacturing technologies and processing of materials applied in medicine. It addresses issues related to the engineering of surfaces and the surface modification of biomaterials, as well as the degradation unwanted or egnineered and resorption mechanisms. Issues related to the use of such materials in orthopedics, dentistry, cardiovascular surgery and general surgery will be discussed. It covers polymeric, metallic, ceramic or composite biomaterial. Particular emphasis will be given to the correlations between structure, microstructure, nanostructure and performance of the material in reference to its applications in medicine, emphasizing the potential design of the devices through the control of their microstructural characteristics, their surface and process parameters. The main techniques used to characterise biomaterials, with special emphasis on surface analisys and the methods currently used for modifyng the material surfaces and properties, from both research and industrial perspectives, will be presented and discussed. Issues related to drug delivery and innovative materials for tissue engineering will be discussed.
Sviluppare adeguate conoscenze sulle caratteristiche specifiche, nonché sulle tecnologie di caratterizzazione, di lavorazione, di trasformazione e di modifica superficiale dei materiali maggiormente utilizzati nei diversi settori della medicina. Lo studente acquisirà le conoscenze necessarie per poter comprendere l'influenza che le caratteristiche di superficie di un biomateriale esercitano sulle sue prestazioni finali in vivo e sulle tecnologie utilizzabili per modificare tali superfici in funzione delle specifiche esigenze cliniche. I concetti di degrado indesiderato, bioerosione e bioriassorbimento saranno parte integrante del bagaglio di competenze acquisito. Lo studente acquisirà competenze utili per progettare e studiare nuovi biomateriali, anche con l’utilizzo dei diagrammi di Ashby.
An adequate knowledge about the specific features and technologies of processing of the materials, as well as the main techniques used for their characterisation will be developed. The student will acquire the knowledge necessary to understand the influence that surface characteristics of a biomaterial have on its in vivo performance as well as how to use processing technologies in order to optimize a material according to specific clinical needs. The concepts of unwanted degradation, bio-resorbing and bio-erosion will become part of the student know-how. Additional skills needed to design and compare new biomaterials will be developed, together with the ability to use design tools such as Ashby bubble charts.
Lo studente deve avere una buona preparazione di Scienza e Tecnologia dei Materiali con particolare riferimento al settore dei Biomateriali. In particolare deve aver sostenuto il seguente esame: Scienza Tecnologia dei Materiali.
Students must pass Scienza Tecnologia dei Materiali.
Materiali per l’ortopedia Attraverso alcuni esempi applicativi, ad esempio le artroprotesi, i sostituti ossei ed i cementi compositi, verrà offerta una panoramica dei materiali in uso in questo settore, della loro ingegnerizzazione e produzione, nonché delle problematiche aperte. Materiali per l’odontoiatria Verranno descritti i materiali per gli impianti dentali, gli scaffold, i fili per ortodonzia e gli altri materiali di utilizzo in questo settore. Materiali per la chirurgia cardiovascolare Attraverso la descrizione dei materiali per stent vascolari, pace-maker e protesi vascolari si fornirà una panoramica non solo dei materiali, ma anche dei coating e delle superfici ingegnerizzate utilizzate, nonché delle tecnologie in questo settore. Materiali per la chirurgia generale, Verranno descritti come esempio i materiali per la chirurgia dei tessuti molli, ed una panoramica dei materiali utilizzati in questo settore. Il degrado nei biomateriali: Degrado indesiderato di polimeri, metalli e ceramici (cause, effetti e possibili soluzioni). Esempi di fallimenti clinici. Degrado ingegnerizzato (suture, barriere addominali, stent e dispositivi multifunzionali, fibre per la rigenerazione dei nervi periferici…) Materiali bioerodibili. Superfici dei biomateriali L’importanza delle superfici nel settore biomedicale, il problema delle contaminazioni. Tecniche di caratterizzazione (XPS, IR, FT-IR, ATR, SIMS, angolo di contatto, microscopia a forza atomica, misura del potenziale zeta, spettroscopia Raman, misure di fisisorbimento di gas, DLS). Modifiche superficiali: realizzazione di rivestimenti sottili, trattamenti termochimici, CVD e PVD, rivestimenti di Langmuir-Blodget, deposizione strato autoassemblante, microcontact printing, modifiche laser ecc. ecc. Esempi di superfici per migliorare la risposta biologica (commerciali e non). Antibattericità e biomateriali antibatterici, superfici zwitterioniche. Superfici sensibili al pH per il rilascio controllato di farmaci Progettazione di biomateriali L’utilizzo dei diagrammi di Ashby per la selezione dei materiali in base ai requisiti richiesti, valutazione degli indici di merito. Utilizzo della nanotomografia computerizzata nella caratterizzazione di device biomedicali. Il tessuto osseo Caratteristiche del tessuto osseo, rimodellamento osseo, possibili soluzioni per un sostituto osseo (vantaggi e limitazioni). Tecniche di preparazione di uno scaffold: tradizionali e per prototipazione rapida.
Materials for orthopedic applications: materials for joint replacement, bone substitutes and composite cements will be described. An overview of the materials used in this field, their engineering and manufacturing, as well as open issues will be described. Materials used in dental field: materials for dental implants, scaffolds, orthodontic wires and other materials used in this area will be described. Materials for cardiovascular surgery: materials for vascular stents, pacemakers, and vascular grafts will be described. An overview of the materials, used also as coatings and engineered surfaces will be described. Materials for general surgery: materials for soft tissue surgery, and an overview of the materials used in this area will be provided. Degradation of biomaterials: Unwanted degradation of polymeric, ceramic and metal materials (causes, effects and eventual solutions); examples of failure cases. Engineered degradation: sutures, abdominal barriers, stents and multifunctional devices, fiber for the regeneration of peripheral nerves. Bioerodible materials. Biomaterial surfaces The importance of the surfaces in the biomedical field, the problem of contamination. Characterization techniques (XPS , IR , FT - IR , ATR , SIMS , contact angle , atomic force microscopy, measurement of zeta potential , Raman spectroscopy, physisorption of gas, DLS) . Surface modifications: thin coatings, thermochemical treatments, CVD and PVD coatings Langmuir - Blodgett, self-assembling layer deposition, microcontact printing, laser changes. Examples of research and commercial surfaces to improve the biological response. Antibacterial and antimicrobial biomaterials/surfaces, zwitterionic surfaces. pH sensitive coatings for triggered drug release. Design of biomaterials Use of Ashby bubble chart to design biomaterials, materials indexes Use of computed nano-tomography for medical device characterisation The bone tissue Bone characteristics, bone remodeling, possible solution for a bone substitute (advantages and limitations). Procedure for the preparation of a scaffold: conventional and rapid prototyping techniques.
Il corso è organizzato in lezioni frontali ed esercitazioni in laboratorio relative all’utilizzo di alcune strumentazioni quali microscopia elettronica, nanotomografia computerizzata e reometro.
The course is organized in frontal lessons and laboratory activities. The laboratory activities are related to the use of characterization techniques such as electron microscopy, nano-computed tomography and rheometer characterization.
Slide fornite dal docente ed articoli scientifici di recente pubblicazione su tecniche particolari.
Slides provided by the teacher and recently published scientific papers on specific techniques.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale obbligatoria;
L’esame è scritto con 4 domande a risposta aperta con punteggio pari a 8 punti per ogni domanda, con punteggio massimo ottenibile pari a 32/32 punti a cui corrisponderà 30 e lode. La durata della prova scritta é pari a 1.5 ore e lo studente non potrà utilizzare alcun materiale di supporto. Nel caso in cui il numero di studenti iscritti sia inferiore a 5, l'esame si svolgerà solo oralmente, con una durata prevista di circa 30-40 minuti.
Exam: written test; compulsory oral exam;
The exam consisits in a written test with 4 open questions, for each answer, a maximum of 8 points will be attributed, leading to a maximum score of 32/32 which will correspond to 30 e lode.. The written exams will last 1.5 hours and students will not be allowed to use any electronic or written support. In case of a number of students inferior to 1.5, the exam will be conducted orally and will last about 30-40 minutes.


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