Il corso intende fornire agli studenti gli strumenti necessari ed affrontare lo studio dei processi chimici elementari e dei materiali maggiormente impiegati nella costruzione di dispositivi biomedicali, sia dal punto di vista teorico che applicativo.
scheda docente materiale didattico
Storia dei biomateriali. Definizione di biomateriale. Biocompatibilità. Sterilizzazione e prevenzione delle infezioni. Classificazione dei biomateriali.
2. Proprietà dei materiali
Proprietà meccaniche: modulo di Young; curve sforzo–deformazione di diversi tipi di materiali. Cedimento per fatica dinamica. Viscoelasticità. Durezza. Proprietà termiche.
3. Chimica organica
Origini della chimica organica. Principi della struttura atomica. Formazione dei legami: regola dell’ottetto. Legami ionici e covalenti. Elettronegatività e polarità dei legami. Strutture di Lewis. Legami multipli. Risonanza. Legami π. Ibridazione e geometria. Rotazione dei legami. Struttura e proprietà degli idrocarburi: alcani, alcheni, alchini e idrocarburi aromatici. Forze intermolecolari. Gruppi funzionali. Struttura e proprietà dei composti organici: composti alogenati, alcoli, tioli, eteri, ammine, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici. Acidi e basi di Brønsted–Lowry. Reazioni di condensazione tra acidi e alcoli: esteri. Reazioni di condensazione tra acidi carbossilici e ammoniaca o ammine: ammidi. Stereochimica.
4. Polimeri
Definizione. Classificazione dei polimeri. Caratteristiche e proprietà dei materiali polimerici: grado di polimerizzazione, peso molecolare, grado di polidispersione, grado di reticolazione, temperatura di transizione vetrosa, temperatura di fusione. Polimeri da condensazione: poliammidi, poliesteri, poliuretani. Svantaggi dei polimeri da condensazione. Polimeri da addizione: policloruro di vinile (PVC), polimetacrilato (PMA), polimetilmetacrilato (PMMA), idrogel, Teflon (PTFE). Stereochimica dei polimeri. Stato fisico dei polimeri: polimeri cristallini, semicristallini e amorfi. Fibre. Elastomeri: gomma naturale, gomme sintetiche, siliconi. Comportamento dei polimeri in funzione della temperatura: polimeri termoplastici e termoindurenti. Polimeri termoplastici ad alta resistenza: poliacetali, polisolfoni, policarbonati. Polimeri biodegradabili.
5. Biomateriali metallici
Struttura, proprietà e applicazioni. Tipi e composizione degli acciai inossidabili. Leghe a base di cobalto: CoCrMo e CoNiCrMo. Titanio e leghe di titanio (Ti6Al4V). Leghe a memoria di forma: Ni–Ti. Corrosione degli impianti metallici.
6. Biomateriali ceramici
Proprietà fisiche. Sinterizzazione. Utilizzo dei materiali ceramici. Ceramiche bioinerti: allumina, zirconia e carbonio pirolitico. Ceramiche bioattive: idrossiapatite (HA), biovetri e vetroceramiche. Ceramiche bioriassorbibili: fosfato tricalcico (TCP).
7. Protesi d’anca
Caratteristiche delle protesi d’anca e biomateriali utilizzati. Protesi cementate e non cementate. Stress-shielding. Cemento osseo.
8. Valvole cardiache impiantabili
Funzioni del cuore e delle valvole cardiache naturali. Patologie valvolari cardiache. Valvole meccaniche: a gabbia e sfera, monodisco e bidisco. Valvole bioprotesiche: valvole porcine, valvole pericardiche, bioprotesi senza stent e bioprotesi percutanee. Scelta della protesi ottimale per il singolo paziente.
9. Protesi vascolari
Patologie arteriose: stenosi e aneurismi. Caratteristiche ideali di un graft vascolare. Impianti di origine biologica e sintetica. Materiali utilizzati negli impianti sintetici. Porosità/permeabilità e compliance delle protesi vascolari sintetiche.
10. Impianti oftalmici
Lenti a contatto e lenti intraoculari. Proprietà generali dei materiali per lenti a contatto. Lenti rigide. Lenti morbide. Lenti biomimetiche. Materiali utilizzati per le lenti intraoculari.
11. Risposta tissutale agli impianti
Risposta cellulare agli impianti: ceramiche, metalli e polimeri. Effetti sistemici degli impianti. Compatibilità ematica.
12. Metodi di sterilizzazione dei biomateriali
Panoramica delle principali tecniche di sterilizzazione utilizzate nelle applicazioni biomediche, incluse sterilizzazione a vapore, ossido di etilene, irradiazione gamma, fascio di elettroni, ozono e sterilizzazione con perossido di idrogeno. Verranno discussi i principi di funzionamento, i vantaggi, i limiti e gli effetti sulle proprietà dei biomateriali e sulla biocompatibilità.
13. Modificazione superficiale dei biomateriali
Rivestimenti covalenti: trattamento al plasma, deposizione chimica da vapore (CVD), deposizione fisica da vapore (PVD), grafting mediante radiazione/fotografting, monostrati autoassemblati (SAM), grafting chimico, modificazione biologica (immobilizzazione di biomolecole).
Rivestimenti non covalenti: coating in soluzione, film di Langmuir-Blodgett, additivi modificanti la superficie.
Metodi di modificazione superficiale senza rivestimento: impiantazione ionica, trattamento al plasma, coating di conversione. Patterning superficiale.
14. Tecniche di caratterizzazione dei materiali
Spettroscopia FT-IR, spettroscopia Raman, microscopia elettronica: SEM e TEM, spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS).
15. Ingegneria tissutale
Principi di base e applicazioni dell’ingegneria tissutale. Caratteristiche degli scaffold.
Programma
1. IntroduzioneStoria dei biomateriali. Definizione di biomateriale. Biocompatibilità. Sterilizzazione e prevenzione delle infezioni. Classificazione dei biomateriali.
2. Proprietà dei materiali
Proprietà meccaniche: modulo di Young; curve sforzo–deformazione di diversi tipi di materiali. Cedimento per fatica dinamica. Viscoelasticità. Durezza. Proprietà termiche.
3. Chimica organica
Origini della chimica organica. Principi della struttura atomica. Formazione dei legami: regola dell’ottetto. Legami ionici e covalenti. Elettronegatività e polarità dei legami. Strutture di Lewis. Legami multipli. Risonanza. Legami π. Ibridazione e geometria. Rotazione dei legami. Struttura e proprietà degli idrocarburi: alcani, alcheni, alchini e idrocarburi aromatici. Forze intermolecolari. Gruppi funzionali. Struttura e proprietà dei composti organici: composti alogenati, alcoli, tioli, eteri, ammine, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici. Acidi e basi di Brønsted–Lowry. Reazioni di condensazione tra acidi e alcoli: esteri. Reazioni di condensazione tra acidi carbossilici e ammoniaca o ammine: ammidi. Stereochimica.
4. Polimeri
Definizione. Classificazione dei polimeri. Caratteristiche e proprietà dei materiali polimerici: grado di polimerizzazione, peso molecolare, grado di polidispersione, grado di reticolazione, temperatura di transizione vetrosa, temperatura di fusione. Polimeri da condensazione: poliammidi, poliesteri, poliuretani. Svantaggi dei polimeri da condensazione. Polimeri da addizione: policloruro di vinile (PVC), polimetacrilato (PMA), polimetilmetacrilato (PMMA), idrogel, Teflon (PTFE). Stereochimica dei polimeri. Stato fisico dei polimeri: polimeri cristallini, semicristallini e amorfi. Fibre. Elastomeri: gomma naturale, gomme sintetiche, siliconi. Comportamento dei polimeri in funzione della temperatura: polimeri termoplastici e termoindurenti. Polimeri termoplastici ad alta resistenza: poliacetali, polisolfoni, policarbonati. Polimeri biodegradabili.
5. Biomateriali metallici
Struttura, proprietà e applicazioni. Tipi e composizione degli acciai inossidabili. Leghe a base di cobalto: CoCrMo e CoNiCrMo. Titanio e leghe di titanio (Ti6Al4V). Leghe a memoria di forma: Ni–Ti. Corrosione degli impianti metallici.
6. Biomateriali ceramici
Proprietà fisiche. Sinterizzazione. Utilizzo dei materiali ceramici. Ceramiche bioinerti: allumina, zirconia e carbonio pirolitico. Ceramiche bioattive: idrossiapatite (HA), biovetri e vetroceramiche. Ceramiche bioriassorbibili: fosfato tricalcico (TCP).
7. Protesi d’anca
Caratteristiche delle protesi d’anca e biomateriali utilizzati. Protesi cementate e non cementate. Stress-shielding. Cemento osseo.
8. Valvole cardiache impiantabili
Funzioni del cuore e delle valvole cardiache naturali. Patologie valvolari cardiache. Valvole meccaniche: a gabbia e sfera, monodisco e bidisco. Valvole bioprotesiche: valvole porcine, valvole pericardiche, bioprotesi senza stent e bioprotesi percutanee. Scelta della protesi ottimale per il singolo paziente.
9. Protesi vascolari
Patologie arteriose: stenosi e aneurismi. Caratteristiche ideali di un graft vascolare. Impianti di origine biologica e sintetica. Materiali utilizzati negli impianti sintetici. Porosità/permeabilità e compliance delle protesi vascolari sintetiche.
10. Impianti oftalmici
Lenti a contatto e lenti intraoculari. Proprietà generali dei materiali per lenti a contatto. Lenti rigide. Lenti morbide. Lenti biomimetiche. Materiali utilizzati per le lenti intraoculari.
11. Risposta tissutale agli impianti
Risposta cellulare agli impianti: ceramiche, metalli e polimeri. Effetti sistemici degli impianti. Compatibilità ematica.
12. Metodi di sterilizzazione dei biomateriali
Panoramica delle principali tecniche di sterilizzazione utilizzate nelle applicazioni biomediche, incluse sterilizzazione a vapore, ossido di etilene, irradiazione gamma, fascio di elettroni, ozono e sterilizzazione con perossido di idrogeno. Verranno discussi i principi di funzionamento, i vantaggi, i limiti e gli effetti sulle proprietà dei biomateriali e sulla biocompatibilità.
13. Modificazione superficiale dei biomateriali
Rivestimenti covalenti: trattamento al plasma, deposizione chimica da vapore (CVD), deposizione fisica da vapore (PVD), grafting mediante radiazione/fotografting, monostrati autoassemblati (SAM), grafting chimico, modificazione biologica (immobilizzazione di biomolecole).
Rivestimenti non covalenti: coating in soluzione, film di Langmuir-Blodgett, additivi modificanti la superficie.
Metodi di modificazione superficiale senza rivestimento: impiantazione ionica, trattamento al plasma, coating di conversione. Patterning superficiale.
14. Tecniche di caratterizzazione dei materiali
Spettroscopia FT-IR, spettroscopia Raman, microscopia elettronica: SEM e TEM, spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS).
15. Ingegneria tissutale
Principi di base e applicazioni dell’ingegneria tissutale. Caratteristiche degli scaffold.
Testi Adottati
ppunti e slide delle lezioni forniti dal docente, articoli scientifici e testi di riferimento consigliati durante il corso.Modalità Frequenza
Frequenza facoltativa ma altamente raccomandata.Modalità Valutazione
La valutazione prevede una prova scritta e una prova orale finalizzate ad accertare la conoscenza degli argomenti trattati durante il corso. È inoltre prevista la realizzazione e presentazione di un progetto/seminario su uno specifico argomento del corso scelto autonomamente dallo studente.