L'insegnamento si propone di fornire conoscenze specifiche sulle principali metodologie di progettazione, nonché tecnologie di produzione, trasformazione, modifica e caratterizzazione di materiali di applicazione in medicina. Si precisa che l'insegnamento tratta argomenti differenti rispetto a quelli presentati negli insegnamenti di Materiali per la Bioingegneria (01QHFMV) e Ingegneria per la medicina rigenerativa (01QHGMV) come illustrato di seguito. Esso affronta le problematiche relative all’ingegnerizzazione di superfici ed alla modifica superficiale dei biomateriali, nonché ai fenomeni di degrado indesiderato o ingegnerizzato e ai sistemi responsivi per il rilascio di farmaci. Sono discusse le proprietà e le problematiche relative ai materiali di uso clinico ad esempio in ortopedia, odontoiatria, chirurgia cardiovascolare, chirurgia generale e oculare, 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, composizionali, della superficie e dei parametri di processo. Verranno descritte le principali tecniche di caratterizzazione dei biomateriali, con particolare riferimento alle superfici e alle tecniche maggiormente impiegate per la sua modifica, con esempi sia relativi al campo della ricerca che dell'applicazione clinica. Verranno inoltre affrontati argomenti relativi ai materiali responsivi per l'ingegneria tissutale. Esempi applicativi tratti da progetti di ricerca che coinvolgono il Politecnico di Torino verranno integrati negli argomenti dell'insegnamento.

Sviluppare adeguate conoscenze sui requisiti specifici, problematiche aperte, nonché sulle tecnologie di produzione e di ingegnerizzazione superficiale dei materiali maggiormente utilizzati in ortopedia, odontoiatria, chirurgia cardiovascolare, chirurgia generale e dei tessuti molli. Le conoscenze sviluppate saranno integrate anche con approfondimenti relativi alle caratteristiche dei tessuti con i quali i dispositivi entreranno in contatto. Acquisizione delle conoscenze necessarie per poter comprendere l'influenza che le caratteristiche di superficie di un biomateriale esercitano sulle sue prestazioni finali in vivo. Tali conoscenze saranno integrate con competenze relative alle varie tecniche di caratterizzazione delle superfici con particolare attenzione allo sviluppo della consapevolezza nella selezione delle tecniche più opportune in relazione al tipo di materiale/dispositivo ed applicazione clinica prevista. Verranno inoltre sviluppate conoscenze relative alle diverse tecniche di modifica superficiale per modulare e ottimizzare la risposta biologica dei biomateriali in funzione dell’applicazione prevista. L’insegnamento fornirà anche competenze relative ai materiali responsivi per il rilascio controllato di farmaci da nanoparticelle, scaffold e strutture composite. In preparazione alle esercitazioni di laboratorio lo studente acquisirà competenze specifiche su alcune tecniche di caratterizzazione e modifica superficiale e sulla produzione di strutture tridimensionali che verranno successivamente consolidate durante le attività pratiche organizzate in piccoli gruppi (microscopia elettronica, stampa 3D, modifiche superficiali con plasma, nanotomografia computerizzata). I concetti di degrado indesiderato ed ingegnerizzato verranno approfonditi con esempi clinici e saranno parte integrante del bagaglio di competenze acquisito.

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.

• Materiali per l’ortopedia: attraverso alcuni esempi applicativi (e.g., artroprotesi), verrà offerta una panoramica dei materiali in uso in questo settore, della loro ingegnerizzazione superficiale e produzione, nonché delle problematiche aperte. • Materiali per l’odontoiatria: verranno descritti i materiali per gli impianti dentali, 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. • Tecniche di caratterizzazione delle superfici: si introdurrà l’importanza delle superfici nel settore biomedicale ed il problema delle contaminazioni. Verranno inoltre illustrate le principali tecniche di caratterizzazione di superficie (XPS, FT-IR, ATR, SIMS, angolo di contatto, microscopia a forza atomica, misura del potenziale zeta, spettroscopia Raman e SERS, misure di fisisorbimento di gas, microbilancia al quarzo). Si forniranno le basi dell’utilizzo della nanotomografia computerizzata nella caratterizzazione/progettazione di device biomedicali. • Modifiche di superficie: realizzazione di rivestimenti sottili, modifiche con plasma, rivestimenti via CVD e PVD, rivestimenti di Langmuir-Blodgett, deposizione strato autoassemblante, funzionalizzazioni superficiali (e.g., superfici zwitterioniche per materiali antibatterici e superfici antifouling). Le lezioni includeranno diversi esempi di superfici per migliorare la risposta biologica (commerciali e non). • Materiali e scaffold responsivi: verranno introdotti i materiali responsivi ed il loro impiego per la realizzazione di carriers e smart scaffold. Tra gli esempi applicativi proposti verrà dato risalto al settore ortopedico, cardiovascolare e oculare. • Il degrado nei biomateriali: verranno illustrati casi clinici di degrado indesiderato di polimeri, metalli e ceramici (cause, effetti e possibili soluzioni). Si illustreranno inoltre dispositivi e strategie per il degrado ingegnerizzato dei materiali (suture, barriere addominali, dispositivi multifunzionali, metalli bioriassorbibili).

L'insegnamento è organizzato in lezioni frontali (49.5 ore) ed un lavoro in piccoli gruppi (5 squadre da prepararsi prevalentemente durante le 6 ore previste nell’organizzazione dell’insegnamento. Sono inoltre previste 4.5 ore di esercitazioni in laboratorio relative all’utilizzo di alcune strumentazioni quali microscopia elettronica, nanotomografia computerizzata, stampa 3D, modifiche al plasma. Il lavoro di gruppo sarà da selezionare all’interno di una delle due proposte seguenti: A) Preparazione di una lezione su un tema che approfondisce uno degli argomenti del corso legati all’impiego dei biomateriali per applicazioni nel settore ortopedico, odontoiatrico o cardiovascolare. Agli studenti verrà fornito il materiale bibliografico di base e la descrizione di una metodologia di lavoro cooperativo. Al termine, ogni gruppo presenterà, durante alcune lezioni del corso, agli studenti del corso ed alle docenti il lavoro svolto. B) Preparazione di una presentazione legata all’approfondimento di una delle tecniche di caratterizzazione/modifica superficiale o di una delle tematiche affrontate legate al degrado dei materiali o ai materiali responsivi. Alcune tematiche verranno proposte dalla docente ma i gruppi potranno anche proporne altre. Per il lavoro di gruppo (A o B), in itinere, ogni squadra avrà a disposizione 6 ore di lavoro collaborativo e di confronto con le docenti per discutere l’impostazione e i contenuti della presentazione. Gli studenti dovranno scegliere uno dei due lavori di gruppo garantendo un’adeguata omogeneità numerica sia all’interno delle squadre che in relazione alla tipologia di lavoro collaborativo scelto (A o B).

Slide fornite dal docente ed articoli scientifici di recente pubblicazione su tecniche avanzate.

Slides;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Group project;

... Valutazione in itinere del lavoro di gruppo (massimo 10 punti). Prova orale. La prova orale durerà circa 20 minuti con domande relative a tutti gli argomenti trattati nel corso. Il voto finale terrà conto del voto dell’esame orale (massimo 20 punti) e della valutazione ottenute nell’ambito del lavoro di gruppo svolto durante il corso (massimo10 punti).

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.