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Materiali e superfici ingegnerizzate per applicazione in medicina
01NZTXC, 01NZTMV
A.A. 2026/27
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
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Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
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Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-IND/22 | 6 | D - A scelta dello studente | A scelta dello studente |
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2025/26
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. Sono discusse le proprietà e le problematiche relative ai materiali di uso clinico ad esempio in ortopedia e odontoiatria, 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 in diversi settori applicativi.
Esempi applicativi tratti da progetti di ricerca che coinvolgono il Politecnico di Torino verranno integrati negli argomenti dell'insegnamento.
The course aims to provide knowledge on the main design methodologies, manufacturing technologies, processing, surface modification and characterisation of materials/devices applied in medicine. It should be noted that the course topics are different than those of Materials for Bioengineering (01QHFMV) and Engineering for regenerative medicine/bioreactors (01QHGMV) as detailed hereafter. It addresses issues related to the engineering of surfaces and the surface modification of biomaterials, as well as unwanted degradation or engineered resorption and underlying mechanisms. Issues related to the clinical use of such materials in orthopaedics and dentistry, will be discussed. It covers polymeric, metallic, ceramic or composite biomaterials. 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, composition and processing parameters.
The main techniques used to characterise biomaterials, with special emphasis on surface analyses and the methods currently used for modifying the material surfaces and properties, from both research and industrial perspectives, will be presented and discussed. Examples of experimental activities connected to European projects involving Politecnico di Torino will be integrated in the course lessons.
Risultati attesi
Sviluppare adeguate conoscenze sui requisiti specifici, problematiche aperte, nonché sulle tecnologie di produzione e di ingegnerizzazione superficiale dei materiali maggiormente utilizzati in ortopedia e in odontoiatria. 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.
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 e sulla sintesi di nano e micro particelle per il rilascio controllato di farmaci e molecole che verranno successivamente consolidate durante le attività pratiche organizzate in piccoli gruppi (microscopia elettronica, stampa 3D, modifiche superficiali con plasma, nanotomografia computerizzata, spray-drying).
I concetti di degrado indesiderato ed ingegnerizzato verranno approfonditi con esempi clinici e saranno parte integrante del bagaglio di competenze acquisito.
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 (e.g., artroprotesi e fissatori per fratture ossee), 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.
• 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).
• 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, cementi iniettabili, metalli bioriassorbibili).
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. 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/injectable cements.
Procedure for the preparation of a scaffold: 3D printing and electrospinning.
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 e spray-drying.
Gli studenti verranno suddivisi in diversi gruppi per la realizzazione di un lavoro collaborativo da presentare durante il corso agli altri studenti.
L’argomento del lavoro di gruppo sarà da selezionare all'interno di una delle tematiche proposte dalle docenti ma sarà anche possibile per gli studenti proporre e concordare tematiche differenti.
Per il lavoro di gruppo, in itinere, ogni squadra avrà a disposizione 6 ore di lavoro in Team e di confronto con le docenti per discutere l'impostazione ed i contenuti della presentazione.
Gli studenti dovranno scegliere uno dei lavori di gruppo proposti garantendo un'adeguata omogeneità numerica sia all'interno delle squadre che in relazione alla docente che supervisionerà il lavoro collaborativo.
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, 3D printing and rheometer characterization.
Slide fornite dal docente ed articoli scientifici di recente pubblicazione su tecniche avanzate.
Slides provided by the teacher and recently published scientific papers on specific techniques.
Slides;
Lecture slides;
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
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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, incluse le presentazioni dei lavori collaborativi.
Il voto finale terrà conto del voto dell’esame orale (massimo 20 punti) e della valutazione ottenuta nell’ambito del lavoro di gruppo svolto durante il corso (massimo 10 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.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
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.
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.