Il modulo di BIOREATTORI è finalizzato a fornire agli studenti elementi conoscitivi, competenze e capacità nel campo della progettazione e prototipazione di dispositivi per coltura dinamica di cellule/tessuti (bioreattori) per applicazioni nell’ambito dell'ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. In particolare, saranno descritte le soluzioni tecnologiche più avanzate di bioreattori per diversi utilizzi (espansione cellulare, sistemi modello per studio in vitro di farmaci o patologie, produzione di tessuti ingegnerizzati funzionali) e per diversi tessuti biologici (es. tessuto osseo/cartilagineo, vascolare, cardiaco). Saranno illustrati i sottosistemi e relativi materiali e componenti costituenti il sistema bioreattore. Gli studenti acquisiranno competenze di progettazione e prototipazione di un bioreattore, con particolare attenzione alla identificazione dei requisiti di progetto, alle metodologie adottate a supporto della progettazione e alle tecniche di fabbricazione. Saranno inoltre analizzati i fenomeni di trasporto che si sviluppano all’interno di un bioreattore. Durante le esercitazioni in laboratorio, gli studenti apprenderanno a utilizzare un software commerciale di progettazione assistita al calcolatore. Organizzati in gruppi e supportati da una continua interazione con i docenti durante le esercitazioni in aula, gli studenti metteranno a frutto le conoscenze acquisite concretizzandole tramite lo sviluppo di una soluzione progettuale di bioreattore (elaborato progettuale in gruppo). Una visita guidata del laboratorio consentirà agli studenti di osservare gli aspetti pratici del processo di progettazione, ottimizzazione e prototipazione di un bioreattore.
BIOREACTORS aims to provide students with cognitive elements, knowledge and skills in the field of design and prototyping of devices for dynamic cell/tissue culture (bioreactors) for tissue engineering and regenerative medicine applications. In detail, the most advanced technological solutions of bioreactors for several applications (cell expansion, in vitro model systems for drug screening and disease modeling, production of functional engineered tissues) and for different biological tissues (e.g., bone/cartilage tissue, vascular tissue, cardiac tissue) will be described. Bioreactor subsystems, with focus on materials and components, will be illustrated. The students will acquire skills in design and prototyping processes, with focus on definition of design requirements and practical and numerical methods to support the design. Transport phenomena developing within bioreactors will be analyzed. During lab practices, the students will learn to use a commercial software for computer assisted design. Organized in groups and supported by a constant interaction with the teachers during the classrooms practices, the students will capitalize the acquired knowledge by developing a bioreactor design solution (group project). A guided visit of the laboratory will allow students to observe the practical aspects of bioreactor design, optimization, and prototyping.
Conoscenza e capacità di comprensione:
Conoscenza dei vantaggi dell’uso di un bioreattore rispetto alle tecniche di coltura tradizionali
Conoscenza dei requisiti di progetto di un bioreattore conforme alla buona pratica di laboratorio
Conoscenza dei sottosistemi costituenti un bioreattore
Conoscenza dei fenomeni di trasporto in bioreattore
Conoscenza delle metodologie di progettazione e relativi software
Conoscenza delle tecniche di prototipazione e fabbricazione
Conoscenza delle soluzioni tecnologiche più innovative applicate in fase di ricerca per espansione cellulare, studi di comportamento cellulare, studi di sviluppo tissutale, modellazione in vitro per analisi di farmaci (drug screening) e patologie (in vitro disease modeling), produzione di tessuti ingegnerizzati funzionali
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Capacità di pianificare l’attività di progettazione di un bioreattore
Capacità di stabilire le esigenze di progettazione e i requisiti di progetto di un bioreattore in base al tessuto biologico argomento di studio
Capacità di progettare un bioreattore mediante la combinazione critica degli strumenti teorici, numerici e sperimentali forniti durante l'insegnamento
Il modulo di BIOREATTORI contribuisce a sviluppare l’analisi critica, l'autonomia di giudizio e la capacità di proporre soluzioni innovative da parte degli studenti mediante una frequente attività di esercitazioni in laboratorio e in aula orientate alla applicazione pratica delle nozioni introdotte a lezione.
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
Knowledge and understanding:
Knowledge on materials used in Regenerative Medicine (mainly polymers and inorganic materials)
Knowledge on cell-extracellular matrix, cell-cell, cell-growth factors interactions, that are functional for learning the principles for the design of biomimetic solutions for tissue engineering.
Knowledge on the techniques for the preparation of the scaffolds (conventional and rapid prototyping techniques)
Knowledge on chemical functionalization methods and mechanical and structural design of the scaffold
Knowledge of cell therapy (stem cells)
Knowledge on the main solutions applied clinically or tested in the scientific research for the regeneration of a few tissues, with reference to the regeneration of myocardium.
Knowledge on the regulations for the preclinical and clinical validation of biomedical devices in regenerative medicine.
Knowledge on the lab security rules before starting the lab activity during the course
Applying knowledge and understanding:
Ability to deal with problems of tissue regeneration, through the critical combination of the current strategies of Regenerative Medicine, addressed during the course
Ability to select the most proper techniques for the preparation of scaffolds satisfying certain requirements in terms of structure and composition.
Ability to understand scientific articles
Ability in the design and engineering of systems for regenerative medicine
Application of the concepts learned, to engineer new solutions for tissue engineering and regenerative medicine.
This course helps to develop critical analysis, the independence of judgment and the ability to propose innovative solutions to the students through active participation in lectures and exercises.
BIOREACTORS
Knowledge and understanding:
Knowledge of advantages of using a bioreactor compared to conventional culture techniques
Knowledge of requirements for bioreactors design, in compliance with Good Laboratory Practice
Knowledge of bioreactor subsystems
Knowledge of transport and consumption phenomena in bioreactor
Knowledge of design methodologies and associated software
Knowledge of manufacturing techniques
Knowledge of the most innovative technological solutions applied in research for cell expansion, production of engineered tissues, cell behavior studies, tissue development studies, analysis of drugs (drug screening) and in vitro modeling of diseases (in vitro disease modeling)
Ability to apply knowledge and understanding:
Ability to plan the design phase of a bioreactor
Ability to define the bioreactor design requirements depending on the biological tissue under study
Ability to design a bioreactor through the critical combination of theoretical, numerical and experimental provided during the course
The course stimulates students to develop critical analysis, independence of judgment and the ability to propose innovative solutions through laboratory and classroom practice-oriented applications and discussions of the concepts introduced during the lectures.
Conoscenze di bioingegneria cellulare
Conoscenze di bioingegneria meccanica
Conoscenze di disegno tecnico
Conoscenze di meccanica dei fluidi
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
Knowledge of general chemistry, organic chemistry, biochemistry
Basic knowledge of inorganic and polymeric material science and technology
Basic knowledge on cell biology and physiology
Basic knowledge on the techniques for the determination of bulk and surface properties of materials
BIOREACTORS
Knowledge on cell bioengineering
Knowledge on mechanical bioengineering
Knowledge on technical drawing
Knowledge on fluid mechanics
Durante le lezioni saranno trattati i seguenti argomenti:
Introduzione all'ingegneria dei tessuti e alla medicina rigenerativa
Introduzione ai bioreattori - cosa sono, quali vantaggi offrono rispetto alle colture tradizionali e per quali finalità sono usati
Sottosistemi costituenti un bioreattore (camera di coltura, sistema di perfusione, sistema di stimolazione fisica, sistemi di monitoraggio e controllo)
Approccio alla progettazione (requisti di progetto, materiali utilizzabili, tecniche di prototipazione/fabbricazione)
Esempi di bioreattori commerciali e di ricerca con diverse finalità (per esempio: per espansione cellulare; per tessuto osseo/cartilagineo; per tessuto cardiaco; per tessuto vascolare; etc.)
Metodi di ricerca bibliografica
Inoltre, saranno svolte:
Esercitazioni in laboratorio mirate all'apprendimento e uso di un software commerciale di progettazione assistita al calcolatore
Esercitazione in aula mirate ad approfondire i componenti dei sottosistemi di un bioreattore e i fenomeni di trasporto che si sviluppano all’interno di un bioreattore
Esercitazioni in aula con interazione continua tra gruppi di studenti e docenti mirate a supportare lo sviluppo degli elaborati progettuali in gruppo
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
The modulus of Engineering For Regenerative Medicine has the aim to provide students with competences in the field of the design and preparation of scaffolds, porous tri-dimensional substrates for applications in the field of regenerative medicine. After an initial introduction on the principles of cell communication, the general criteria for scaffold engineering will be shown: chemical functionalisation with bioactive molecules, as well as mechanical and structural design. The main research approaches for the regeneration of different tissues will be shown. Stem cells will be described together with their potentialities, with reference to some of the current stem cell-based Regenerative Medicine strategies, including cell therapies for myocardial regeneration. Part of the course will be dedicated to the strategies for the treatment of cardiovascular pathologies (cardiovascular stents, scaffolds/hydrogels for myocardial treatment), as such diseases are the main mortality cause in the industrialised world. The international rules for the preclinical and clinical validation of biomedical devices will be shown. Finally, main Politecnico di Torino research projects on Regenerative Medicine will be also described.
BIOREACTORS
The course aims to provide students with skills to design and manufacture devices for dynamic cell/tissue culture (bioreactors) for regenerative medicine applications. In detail, during the lectures with projection of slides, the most advanced technological solutions of bioreactors adopted for several applications (cell expansion, engineered tissue production, model systems for drug screening and disease modeling) and for different biological tissues (e.g., bone/cartilage tissue, vascular tissue, cardiac tissue). Bioreactor subsystems, with focus on materials and components, will be illustrated. The different phases of design and construction of a bioreactor will be analyzed, with focus on the identification of the design requirements, the methods applied to support the design and the manufacturing techniques. Transport phenomena establishing within a bioreactor will be analyzed.
During lab practice, two commercial software supporting the design phase will be presented and used (CAD and multi-physics modeling). Organized in groups and supported by a constant interaction with the teacher during the classrooms practices, the students will use these software for developing a bioreactor design solution (project). Guided visits to the laboratory will allow students to observe the practical aspects of bioreactor design and optimization process.
Lezioni in aula con proiezione di slide mirate allo sviluppo di conoscenze relative allo stato dell'arte e alla progettazione e prototipazione di bioreattori (30h)
Esercitazioni in laboratorio mirate all'apprendimento e uso di un software commerciale di progettazione assistita al calcolatore (9h)
Esercitazioni in aula mirate ad approfondire i componenti dei sottosistemi di un bioreattore e i fenomeni di trasporto che si sviluppano all’interno di un bioreattore (9h)
Esercitazioni in aula mirate a supportare lo sviluppo degli elaborati progettuali in gruppo (2 squadre, 10.5h/squadra)
Esercitazione con visita guidata del laboratorio (1.5h)
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
Lectures with projection of slides
Classroom exercises
Guided visits in the laboratory
Practical activity in the lab divided into 4 groups: preparation of scaffolds and their characterisation
BIOREACTORS
Lectures with projection of slides
Lab practices in groups with commercial design software (attendance is mandatory)
Classroom practices in groups for project discussion
Guided visits to the laboratory
Slide/dispense presentate a lezione/esercitazione e successivamente caricate sul portale
Articoli scientifici di approfondimento caricati sul portale
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
Slides presented in class
Scientific articles uploaded to the portal
BIOREACTORS
Slides/lecture notes presented in lectures/tutorials and successively uploaded on the portal
Scientific articles uploaded on the portal
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Written test; Group project;
...
L’esame mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento e sarà costituito da:
1. Elaborato progettuale in gruppo (max 15 punti). Il progetto è svolto in gruppi di max 6 studenti e riguarda lo sviluppo di una soluzione progettuale di bioreattore in funzione del tessuto biologico indicato all’inizio dell'insegnamento. Il progetto deve contenere: introduzione alla motivazione clinica, obiettivo dello soluzione progettuale, requisiti di progetto del bioreattore, schema del sistema/circuito, disegni tecnici del bioreattore e di componenti, video della procedura di assemblaggio/disassemblaggio, vantaggi/limiti/sviluppi futuri, bibliografia. Il progetto deve essere presentato oralmente in max 15 min da ogni gruppo tramite la discussione di max 12 slide, consegnando contestualmente alla discussione una relazione scritta (da caricare sul portale dell'insegnamento prima della discussione, max 6 pagine).
2. Prova scritta (max 17 punti). La prova verte su tutto il programma dell'insegnamento (lezioni ed esercitazioni), dura 1.5 ore ed è composta da max 6 domande (aperte e a risposta multipla, senza penalità). Durante lo svolgimento dell'esame non è consentito consultare materiale didattico o altri testi e non è ammesso portare in aula dispositivi multimediali e/o usare cuffie.
La valutazione dell'elaborato progettuale viene fatta considerando la capacità di applicare le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni, la fattibilità, funzionalità e originalità della soluzione proposta, la capacità di utilizzo del software, la capacità di sintesi e proprietà di linguaggio degli studenti. La valutazione dell'elaborato progettuale rimane valida per l'A.A. in cui si è frequentato l'insegnamento e non oltre.
La valutazione della prova scritta viene fatta considerando la correttezza delle risposte, la pertinenza delle informazioni fornite, la capacità di rispondere in modo chiaro, preciso, sintetico e razionale, con proprietà di linguaggio e motivando adeguatamente le argomentazioni prodotte.
La valutazione finale è data dalla somma dei punteggi ottenuti con l'elaborato progettuale e con la prova scritta. L’esame è superato se tale somma è pari ad almeno 18/30. I risultati dell’esame vengono comunicati sul portale della didattica insieme alla data in cui gli studenti possono visionare il compito e chiedere chiarimenti.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Group project;
ENGINEERING FOR REGENERATIVE MEDICINE
The exam is written, consists of 8 questions of 4 marks each (both closed and open questions) and lasts 2 hours. One question concerns the practical lab activity, three questions verify the ability of the student to critically exploit what learnt to design scaffolds with certain characteristics, the four remaining questions verify the students' knowledge on the course subject. It is not possible to consult books or notes during the exam. The exam is passed if the mark sum reaches at least 18. The maximum mark (30L) can be achieved with a total of marks of at least 30.5.
The exam objective is that to verify the knowledge on course subject (verified by open and closed questions) and the ability to exploit what learnt to develop functionalised scaffolds satisfying technical requirements (verified by open questions).
The exam results are published on the portal with the date for viewing the written test and asking for clarifications.
BIOREACTORS
The exam aims to verify knowledge and skills acquired by the students and it is composed of:
1. Project (max 15 marks). The project is developed by groups of max 4 students and it concerns the development of a bioreactor design solution for the biological tissue indicated at the beginning of the course. The project should include an introduction to the clinical motivation, design requirements, technical drawings and multiphysics modeling results. The project should be presented orally by each group by the discussion of 10 slides.
2. Written examination (max 17 marks). The examination concerns the entire course program (lectures and practices), it lasts 2 hours and it is composed of 3/4 questions (open and multiple choice). During the examination, slides/books/notes and multimedia devices are not allowed.
The evaluation of the project takes into account the ability to apply knowledge acquired during the course, the feasibility, functionality, and originality of the proposed solution, and the ability to use the software.
The evaluation of the written examination considers the accuracy of the answers, the pertinency of provided information, the ability to clearly and precisely answer, with proper vocabulary and providing adequate reasoning.
The final evaluation is done by the sum of the marks obtained with the project and the written examination, the exam is passed if the sum reaches at least 18/30. The exam results are published on the portal with the date for viewing the written test and asking for clarifications.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
