Il corso integrato intende fornire le basi di scienza dei Biomateriali (Bioingegneria Chimica [1]) e dei meccanismi di interazione con i tessuti biologici (Bioingegneria Chimica [2]).

L’insegnamento del modulo Bioingegneria Chimica [1] si propone di fornire allo studente le conoscenze di base della scienza e della tecnologia dei materiali, in particolare delle tre principali classi di materiali: metalli, polimeri e ceramici. Inoltre, allo studente verranno fornite competenze riguardanti i materiali che vengono impiegati in ambito biomedico, evidenziando le problematiche, i vantaggi e le principali applicazioni di questi. I possibili meccanismi di degradazione dei materiali polimerici e ceramici verranno illustrati per meglio comprendere come questi possano influenzare la risposta dell’ambiente biologico in presenza di un biomateriale.

L’insegnamento di Bioingegneria Chimica [2] si propone di fornire allo studente le conoscenze di base dell'interazione biologica e chimica che si instaura all'interfaccia dispositivo biomedico-organismo ospite, ovvero gli effetti dell’ospite sull’impianto e vice versa. Tali interazioni che variano al variare dei biomateriali utilizzati e del luogo anatomico dell'impianto, si basano sui meccanismi di risposta fisiopatologica dei tessuti interessati quali l'infiammazione, la coagulazione del sangue e il sistema immunitario. Lo studente riceverà inoltre una prima introduzione alle Biotecnologie.

A seguito del superamento dell'esame, lo studente:

• conoscerà la struttura dei materiali metallici, polimerici e ceramici;
• conoscerà le tecnologie di lavorazione dei materiali appartenenti alle tre classi di materiali;
• conoscerà le principali tipologie di materiali metallici, polimerici e ceramici;
• saprà definire le principali proprietà dei materiali utilizzati per realizzare dispositivi biomedici;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali della struttura dei materiali;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali della degradazione dei materiali polimerici e della corrosione dei materiali metallici;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali dei metodi di sterilizzazione;
• sarà in grado di valutare le possibili applicazioni dei biomateriali;
• conoscerà la struttura della cellula e dei tessuti;
• conoscerà le principali classi di polimeri naturali e le loro principali applicazioni;
• saprà definire le principali proprietà di biocompatibilità dei materiali utilizzati per realizzare dispositivi biomedici;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi cellulari della risposta infiammatoria;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali della coagulazione del sangue;
• conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi cellulari della risposta immunitaria;
• sarà in grado di valutare la biocompatibilità dei materiali e dei dispositivi;
• sarà in grado di applicare le conoscenze trasmesse a problemi di carattere biomedico;
• sarà in grado di affrontare problemi inerenti alla Bioingegneria Chimica anche non esplicitamente trattati nell’insegnamento utilizzando i metodi appresi.

Introduzione ai materiali.

Materiali polimerici: struttura, ottenimento (naturali, sintetici), configurazione; conformazione, transizioni termiche e proprietà generali.

Materiali ceramici: struttura e proprietà.

Materiali metallici e leghe: struttura e proprietà.

Materiali compositi: principali proprietà.

Proprietà meccaniche dei materiali, metodi di valutazione e parametri ottenibili.

Tecnologie di lavorazione delle varie classi dei materiali, con particolare riferimento alle applicazioni biomedicali.

Metodi di sterilizzazione e problematiche connesse.

Degradazione dei materiali polimerici, corrosione dei materiali metallici e problematiche di usura con particolare riferimento all'ambiente corpo umano.

Principali tipi di biomateriali e loro impiego nella preparazione di dispositivi e protesi.

Le cellule e i tessuti: organizzazione e funzione.

I polimeri naturali: polisaccaridi, proteine e acidi nucleici.

Biomolecole e cellule coinvolte nei meccanismi di difesa, riparazione e rimodellamento dei tessuti biologici: composizione, struttura e funzioni della matrice extracellulare, funzioni dei principali tipi cellulari coinvolti nei meccanismi di difesa e riparo.

Meccanismi di difesa e fenomeni riparativi dell'organismo umano: riparazione e rimodellamento dei tessuti biologici; coagulazione ematica, reazione infiammatoria, sistema del complemento, reazione immunitaria. Biocompatibilità: interazione biomateriali-corpo umano: effetti dell’impianto verso il corpo umano, effetti dei tessuti ospite verso il dispositivo impiantato. Adesione batterica e calcificazione.

Principali tecniche di analisi per la valutazione dei biomateriali in vitro e a scopo diagnostico. Fondamenti di Biotecnologie, applicazioni biotecnologiche dei biomateriali e terapia genica.

Approccio all’Ingegneria dei tessuti. Lo scaffold: requisiti richiesti e principali metodi di preparazione. Sistemi di coltura cellulare statici e dinamici.

Le esercitazioni verteranno sull’approfondimento di argomenti trattati a lezione, con dimostrazioni pratiche. Durante le esercitazioni, gli studenti saranno chiamati a rispondere a domande ed esercizi concernenti gli argomenti specifici del corso.

Sono necessarie e propedeutiche conoscenze elementari di chimica e fisica.

L’esame consiste in una prova scritta, della durata indicativa di due ore, sull'intero programma dell’insegnamento, nella quale viene chiesto allo studente di rispondere a domande ed esercizi su concetti fondamentali trattati durante il corso, utilizzando il formalismo e la terminologia appropriati. Non è prevista alcuna prova orale.

In sede di esame finale lo studente deve dimostrare di:

• conoscere la struttura dei materiali polimerici, metallici e ceramici;
• aver acquisito concetti riguardanti le tecnologie di lavorazione e le proprietà specifiche dei materiali appartenenti alle tre principali classi di materiali;
• conoscere le tipologie di materiali utilizzabili in ambito biomedico;
• conoscere i meccanismi di degradazione a cui possono essere soggetti i biomateriali anche quando impiantati nel corpo umano;
• conoscere le principali tecniche di sterilizzazione dei biomateriali;
• saper discutere le possibili applicazioni dei biomateriali in ambito biomedico;
• conoscere la struttura della cellula e l’organizzazione in tessuti;
• aver acquisito concetti riguardanti la classificazione e le principali applicazioni dei polimeri naturali;
• conoscere le funzioni, i meccanismi e le componenti dell’emostasi, della risposta infiammatoria e dell’immunità;
• conoscere i meccanismi biologici (proteici e cellulari) che governano la risposta dei tessuti all'impianto di un biomateriale;
• applicare metodi e strumenti propri della bioingegneria chimica per valutare la biocompatibilità;
• saper discutere le principali tecnologie analitiche e diagnostiche;
• applicare metodi e strumenti propri della bioingegneria chimica per valutare le possibili applicazioni in ambito biomedico dei materiali;
• saper gestire risorse e tempi per completamento del compito assegnato.