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 follow the entire process of designing and producing biomaterials for medical applications, from design methodologies to manufacturing technologies, surface modification, and characterisation. Some case studies will be used as examples (such as orthopaedic/dental implants and drug-delivery), covering polymeric, metallic, ceramic or composite biomaterials.
The course also addresses issues related to unwanted degradation or engineered resorption of biomaterials and underlying mechanisms.
Emphasis will be given to the correlations between macro- micro- and nano-structure and surface properties with performance of the material in reference to its applications in medicine.
The course will also address the inflammatory response to biomaterials and strategies for surface modification to modulate and direct the healing process.
The main techniques used to characterise biomaterials, with special emphasis on surface analyses and some 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 with specific reference to tissue regeneration.
The course has distinct features, which make it different from Materials for Bioengineering (01QHFMV) and Engineering for regenerative medicine/bioreactors (01QHGMV), for instance.
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.
Develop adequate knowledge of specific requirements, open challenges, as well as the production and surface engineering technologies of materials most commonly used in orthopedics, dentistry, and drug/molecule-delivery. The developed knowledge will also be complemented with in-depth insights into the characteristics of the tissues with which the devices will interact.
Acquire the necessary knowledge to understand how the surface properties of a biomaterial influence its final in vivo performance. This knowledge will be integrated with skills related to the various surface characterization techniques, with particular emphasis on developing awareness in selecting the most appropriate techniques depending on the type of material/device and the intended clinical application.
Knowledge will also be developed regarding a few examples of surface modification techniques aimed at modulating the biological response of biomaterials according to the intended application.
In preparation for laboratory sessions, students will acquire specific skills in certain characterization and modification techniques, as well as in the production of three-dimensional structures and the synthesis of particles for controlled molecule release. These skills will subsequently be consolidated during practical activities organized in small groups (electron microscopy, 3D printing, plasma surface modification, computed nanotomography, spray-drying).
The concepts of undesired and engineered degradation will be further explored through clinical examples and will form an integral part of the acquired skill set.
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.
The student must have a solid background in Materials Science and Technology, with particular reference to the field of Biomaterials.
In particular, the following exam must have been passed: Materials Science and Technology.
• 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 orthopedics: through selected application examples (e.g., joint prostheses and fracture fixation devices), an overview will be provided of the materials used in this field, their surface engineering and manufacturing processes, as well as the existing open challenges.
• Materials for dentistry: materials for dental implants, orthodontic wires, and other materials used in this sector will be described.
• Materials for the modulation of the inflammatory response: It will be illustrated how materials intended for wound healing or bone-contact applications can be engineered to target specific stages of the inflammatory process, promoting a controlled and regenerative healing response.
• Surface characterization techniques/surface modifications: the importance of surfaces in the biomedical field and the issue of contamination will be introduced. The main surface characterization techniques will also be illustrated (XPS, FT-IR, ATR, SIMS, contact angle, atomic force microscopy, zeta potential measurement, Raman spectroscopy and SERS, gas physisorption measurements, quartz crystal microbalance).
The fundamentals of using computed nanotomography in the characterization and design of biomedical devices will also be provided.
Examples of surfaces designed to improve biological response (both commercial and experimental).
• Degradation in biomaterials: clinical cases of undesired degradation in polymers, metals, and ceramics will be presented (causes, effects, and possible solutions). Devices and strategies for engineered degradation of materials will also be discussed (sutures, abdominal barriers, multifunctional devices, injectable cements, bioresorbable metals).
• Research activities in the frame of European projects: presentation of the clinical contexts and proposed solutions in several application fields such as myocardial infarction, colonrectal tissue regeneration, bone and wound healing.
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 into lectures (49.5 hours) and group work (5 teams), to be prepared mainly during the 6 hours allocated within the course schedule.
Additionally, 4.5 hours of laboratory sessions are planned, focusing on the use of specific equipment such as electron microscopy, computed nanotomography, 3D printing, plasma surface modification, and spray-drying.
Students will be divided into different groups to carry out one collaborative project, which will be presented to the rest of the class during the course.
The topic of the group project will be selected from those proposed by the teachers; however, students may also propose and agree upon alternative topics.
During the course, each team will have 6 hours of scheduled teamwork and discussion with the teachers to define the structure and content of the presentation.
Students must choose one of the proposed group projects, ensuring a balanced distribution in terms of group size and related work.
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;
Modalita 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 disabilita 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'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Group project;
The oral exam will last approximately 20 minutes and will include questions covering all topics addressed during the course, including the presentations of the other group projects.
The final grade will be based on the oral exam score (maximum 20 points) and the evaluation obtained for the group work carried out during the course (maximum 10 points).
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.