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PORTALE DELLA DIDATTICA

Biomateriali e materiali nanostrutturati

01OQXMZ

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali - Torino

Mutua

01QHFMV

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 100
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Verne' Enrica Professore Associato ING-IND/22 60 0 0 0 9
Verne' Enrica
Materiali per la bioingegneria
Professore Associato ING-IND/22 60 0 0 0 9
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/22
ING-IND/34
4
6
B - Caratterizzanti
C - Affini o integrative
Discipline dell'ingegneria
Attività formative affini o integrative
2018/19
L’insegnamento si propone di: • descrivere le problematiche relative allo studio, la progettazione, la caratterizzazione e l'utilizzo di materiali per applicazioni biomediche, correlandone la struttura e le proprietà con i possibili campi di utilizzo; • fornire le conoscenze relative ai nano materiali. Verranno presentati questi relativamente nuovi materiali a partire dalle metodologie di produzione fino alla descrizione e spiegazione delle peculiari proprietà che li distinguono dai tradizionali macro o micro materiali.
The aims of the Course are: • to describe the issues related to the study, the design, the characterization and the use of materials for biomedical applications, correlating their structure and properties with the applications; • to improve the knowledge about the nanomaterials. In the course will be presented these new materials from the production methodologies to the discussion on the peculiar properties. Finally will be explained the differences between the nanomaterials and the traditional macro- or micromaterials.
Nel modulo di didattico relativo ai Biomateriali lo studente acquisirà le conoscenze necessarie per poter comprendere le potenzialità delle diverse classi di materiali nell’ottica di una loro applicazione in campo biomedico. Le conoscenze acquisite saranno utili per lo studio e la progettazione di dispositivi biomedici e protesici ove la scelta del materiale gioca un ruolo importante, con particolare attenzione alle problematiche legate, da un lato alla trasformazione dei materiali, dall’altro al loro impatto con il corpo umano e il mondo biologico. Il corso fornisce la base utile all’approfondimento dei temi relativi ai Materiali per l’Ingegneria biomedica. Il modulo didattico relativo ai Materiali nanostrutturati si propone di fornire un inquadramento sistematico dello stato dell’arte dei materiali nanostrutturati massivi, metallici e ceramici, per quanto attiene le tecnologie di produzione e le principali proprietà, con particolare enfasi alle peculiarità di comportamento che derivano al materiale dalla nanostrutturazione. Inizialmente sono definiti gli obiettivi che si intendono conseguire in termini di struttura delle particelle (struttura elettronica, caratteristiche superficiali ecc.) e di proprietà che conseguono dalla nano-strutturazione. Successivamente i metodi di sintesi sono classificati in base alle strategie adottate (bottom-up e top-down) ed alle classi di materiali: particelle metalliche, ceramiche, nanotubi, miscele composite di polveri, nanocompositi polimerici. Verranno infine presentati casi studio relativi a tematiche di ricerca sviluppate all’interno del Politecnico stesso. Entrambe le trattazioni si collocano in un panorama in piena evoluzione e pertanto, non potendo essere esaustive, intendono fornire gli strumenti conoscitivi e interpretativi necessari al futuro ingegnere (dei materiali e/ biomedico) per seguire ed integrarsi nell’innovazione in atto.
During the part related to Biomaterials, the student will acquire the knowledge useful to understand the potentialities of different class of materials in view of their application in the biomedical field. The acquired knowledge will be useful for the study, the design of biomedical and prosthetic devices for which the choice of the materials plays an important role, with particular attention to the material’s processing, to their impact with the human body and with the biological environment. This course gives the basis for deepening the study of all the topics related to Materials for Biomedical Engineering. The part related to the nanostructured materials wants to provide a systematic view of the "state of the art" of metals and ceramics nanostructured materials. It will be presented the production technologies and the most important properties, particularly their dependence on nano size. In the first part the objectives of the relationship nanostructures/properties will be defined and the electronic structures and surface characteristics will be described. Subsequently the synthesis methods will be classified in terms of different strategies (bottom-up or top-down) and for the different materials (metallic nanoparticles, ceramics, nanotubes, polymeric nanocomposites). Finally will be presented case studies related to research themes developed in the Polytechnic.
Conoscenze di Chimica e Fisica, formazione avanzata sulla Scienza e Tecnologia dei Materiali.
Chemistry, Physics, Materials Science and Technology.
Biomateriali Breve storia dei biomateriali. Definizione di Tossicità, Biocompatibilità e Bioattività; loro criteri di valutazione in vivo e in vitro. La risposta dei tessuti viventi all'impianto di materiali estranei. L'interfaccia fra i materiali protesici e i tessuti biologici. Problematiche inerenti la progettazione, la trasformazione e l'utilizzo dei materiali in campo biomedico e dei dispositivi medicali, per applicazioni nei seguenti settori: • Cardio-vascolare (protesi valvolari, protesi vascolari, stent coronarici e periferici, tradizionali e medicati), • Ortopedico (artroprotesi, chirurgia vertebrale e del cranio), • Dentale (implantologia orale, materiali da restauro), • Oftalmico (lenti intraoculari, lenti a contatto, dispositivi per la chirurgia dell’occhio), • Chirurgico e implantologico dei tessuti molli (suture, materiali per la ricostruzione delle pareti addominali, stomie, cute artificiale), Verranno approfondite poi le relazioni fra, struttura, proprietà e settori di utilizzo delle principali classi di biomateriali quali i metalli e le leghe, i polimeri, i ceramici bioinerti, i ceramici bioattivi, i vetri e i vetroceramici bioattivi, i materiali a base di carbonio, i materiali compositi, i materiali biologici. Per alcuni di essi verranno approfonditi i metodi di sintesi e di lavorazione. Materiali nanostrutturati Stato dell’arte sulla sintesi di nano-particelle e loro ruolo nello sviluppo delle nano-tecnologie. Struttura elettronica delle nano-particelle cristalline e confronto con i materiali convenzionali: teoria delle bande e delle zone di Brillouin. Metodi di sintesi di particelle metalliche in fase gassosa (tecniche di condensazione da vapore), in fase liquida (metodi di riduzione e decomposizione termica) e per mechanical attrition. Sintesi di particelle ceramiche: tecniche aerosol, metodi sol-gel, metodi per precipitazione da soluzioni ed emulsioni, solution combustion synthesis. Metodi di sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola e multipla. Processi di purificazione di nanotubi. Grafene, sintesi e proprietà. Metodi di sintesi di nanoparticelle lamellari,Zeoliti, MOF e POSS. Nanocompositi polimerici: nano cariche per materiali polimerici, metodi di preparazione e proprietà. Caratterizzazione dei nanocompositi polimerici. Proprietà meccaniche, termiche, elettriche e barriera dei nanocompositi polimerici. Tecniche di deposizione di strati nanometrici su film e tessuti con tecnologie layer by layer Esempi di applicazioni potenziali e attuali dei nano materiali.
Biomaterials Short History of Biomaterials. Definition of Toxicity, Biocompatibility, Biocompatibility and their in vitro and in vivo assessment. The response of biological tissues to the implant of foreign bodies. The interface between prosthetic materials and biological tissues. Issues about the design, processing and use of materials and devices in the biomedical field, with applications in the following areas: • Cardio-vascular (valve and vascular prostheses, bare metal stent and drug loaded stents), • Orthopedic (arthro prosthesis, spine surgery, cranioplasty), • Dental (dental implants, restoration), • Ophthalmic (intra ocular lenses, contact lenses, eye surgery), • Soft tissues (suture, abdominal wall repair, artificial skin), The relationship among structure, properties and applications of the main class of biomaterials will be studied, such as metals and alloys, polymers, bioinert ceramics, bioactive ceramics, glasses and glass-ceramics, carbon, composite materials, biological materials. For most of them the synthesis and processing methods will be presented. Nanostructured materials. State of the art on the nano-particles synthesis and their role on the development of the nanotechnologies. Electronic structure of crystalline nanoparticle in comparison with standard materials: the band theory of solids and the Brillouin zone theory. Synthesis of metallic nanoparticles in gas phase (from vapor condensation), in liquid phase (reduction and thermal decomposition) and for mechanical attrition. Synthesis of ceramic nanoparticles: aerosol techniques, sol-gel methods, precipitation from solutions, solution combustion synthesis Synthesis methods for carbon nanotubes (single and multiwalls). Purification processes of CNTs. Graphene: synthesis and properties. Synthesis methods of lamellar nanoparticles, zeolites, MOF and POSS. Polymeric nanocomposites: nanofillers for polymers, processing methods and properties Polymeric nanocomposites characterization Mechanical, thermal, Electrical properties and barrier properties of polymeric nanocomposites. Deposition techniques of nanometric layers on film and textures with layer by layer approach Examples of potential and real applications of nanomaterials
Lezioni frontali in aula. Non sono previste ore di laboratori. Alcuni argomenti relativi ad entrambi i moduli potranno essere organizzati in forma di esercitazioni o come descrizione di casi studio.
Lectures. Laboratory activity is not foreseen. Some topics will be organized in exercitations or as case-studies description.
Dispense a cura dei docenti. Letture di riferimento (principalmente alcune reviews bibliografiche o monografie) saranno suggeriti per le varie parti del Corso durante la discussione in aula.
Slides of the lessons will be given to the students. Specific references from literature will be suggested during the lessons.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale obbligatoria;
Modulo Biomateriali: L’apprendimento è verificato tramite un esame finale individuale scritto della durata di due ore. La prova scritta consiste di 4 domande a risposta aperta (ognuna delle quali peserà 7,5/30) sugli argomenti presentati a lezione. Durante la prova non è consentito l’uso di materiale didattico. Il punteggio finale massimo raggiungibile con lo scritto è di 30/30. Dopo la correzione della prova scritta vengono comunicati giorni e orari per chi desidera visualizzare l’elaborato e comprendere le motivazioni della valutazione ottenuta. Modulo di Materiali nanostrutturati: L’apprendimento è verificato tramite un esame finale individuale scritto e orale. La prova scritta consiste di domande (25 domande ognuna delle quali peserà 1/30) a risposta aperta o chiusa sugli argomenti presentati a lezione. Il punteggio finale massimo raggiungibile con lo scritto è di 25/30. Dopo la correzione della prova scritta l’allievo viene convocato per sostenere la prova orale. La prova orale consiste in una presentazione da parte dello studente di un articolo di letteratura concernente le tematiche sviluppate a lezione (votazione massima 5/30). Voto finale: Il voto finale dell’esame sarà la media pesata (rispetto il numero dei crediti) del risultato dei due moduli.
Exam: written test; compulsory oral exam;
The exam will consist of different examination for the two part of the course: Biomaterials Written examination with 4 open questions (each of them will be evaluated 7,5/30) on topics of the course (duration: two hours, max score: 30/30, during the exam the consultation of learning resources is not allowed). After the evaluation of the written exam, the marks will be published. For those students who want to see the written work and talk with the teacher about the obtained evaluation, a calendar for appointments will be given. Nanostructured Materials Written examination with open and closed questions on topics of the course (25/30, there wil be 25 questions each of them will be evaluated 1/30) and an oral presentation with the discussion about a paper from the literature regarding a "case studies" related to the nanomaterials (5/30). Final Mark: The final mark will be calculated by the weighted average of the marks obtained in the two examinations, taking into account the number of credits assigned to each part.


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