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.

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 orpo umano e il mondo biologico. Inoltre durante questo corso saranno introdotti argomenti che saranno approfonditi nel corso di Materiali e superfici ingegnerizzate per applicazione in medicina, e in generale fornisce una base utile all’approfondimento dei temi relativi ai materiali per l’Ingegneria biomedica.
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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.

Conoscenze di Chimica e Fisica, formazione avanzata sulla Scienza e Tecnologia dei Materiali.

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),
• Ortopedico (artroprotesi, chirurgia vertebrale e del cranio),
• Dentale (implantologia orale, materiali da restaro),
• Oftalmologico (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),
• Organi artificiali.
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.
La crescita del grano: problematiche di crescita dei cristalliti e meccanismi di ritenzione di crescita
Difetti reticolari e di superficie.
Effetto esercitato dalla riduzione delle dimensioni sulle principali proprietà fisiche e chimiche: elettriche, magnetiche, ottiche, proprietà di superficie e cambiamenti di stato.
Panoramica delle tecniche di consolidamento di materiali ceramici e metallici in vista dell’ottenimento di componenti densi a microstruttura controllata. Dai metodi convenzionali alle tecnologie più avanzate.
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 e mulsioni, solution combustion synthesis.
Problematiche di manipolazione di nano-polveri ed effetto sul comportamento alla pressatura.
Proprietà meccaniche dei nano materiali: la relazione di Hall-Petch e l’inversione di tale relazione; il modulo elastico, la durezza la resistenza a compressione il comportamento a fatica nei materiali nano strutturati; il creep e la superplasticità nei nano materiali
Metodi di sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola e multipla. Processi di purificazione di nanotubi.
Grafene, sintesi e proprietà.
Nanocompositi polimerici: nano cariche per materiali polimerici, metodi di preparazione e proprietà.
Proprietà dei nanomateriali; classificazione dei materiali nano strutturati monofasici e compositi.
Effetto delle seconde fasi sulle proprietà meccaniche nei nanocompositi
Esempi di applicazioni potenziali e attuali dei nano materiali.

Non sono previste ore di laboratori. Alcuni argomenti relativi al modulo di Biomateriali potranno essere organizzati in forma di esercitazioni.

Dispense a cura dei docenti.
Letture di riferimento (principalmente alcune reviews bibliografiche) saranno suggeriti per le varie parti del Corso durante la discussione in aula.

Prova scritta