• 057263 - BIOCOMPATIBILITY AND BIOMATERIALS [1]

L’insegnamento prevede la analisi dei meccanismi di interazione che si instaurano tra un biomateriae/dispositivo con i tessuti biologici viventi. L’insegnamento  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 degli 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 su meccanismi di risposta fisiopatologica dei tessuti interessati quali l'infiammazione, la coagulazione del sangue e la risposta immunitaria. Lo studente riceverà inoltre una prima introduzione alle Biotecnologie.

Verrà inoltre esplorata la materia della ingegneria dei tessuti biologici con lo scopo di fornire agli allievi strumenti ingegneristici utilizzabili per affrontare la progettazione di un sistema di coltura cellulare in condizioni dinamiche, sterili e controllate. Vengono identificate le specifiche generali di progetto dei bioreattori e le specifiche particolari finalizzate quindi all'applicazione biologica (tessuto osseo, tessuto muscolare, tessuto vascolare...). Gli strumenti forniti sono legati ai materiali/biomateriali utilizzati, alle tecnologie di lavorazione, alla componente cellulare, ai metodi matematici fino alla identificazione della architettura del sistema complessivo. Nel corso dell’insegnamento verranno, infine, portati in aula bioreattori reali e utilizzati nella medicina rigenerativa al fine di poter illustrare aspetti più propriamente progettuali di funzionamento.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The course includes the analysis of the interaction mechanisms that are established between a biomaterial / device with living biological tissues. The course aims to provide the student with basic knowledge of the biological and chemical interaction that is established at the biomedical device-host organism interface, or of the effects of the host on the implant and vice versa. These interactions, which vary according to the biomaterials used and the anatomical site of the implant, are based on pathophysiological response mechanisms of the affected tissues such as inflammation, blood coagulation and immune response. The student will also receive a first introduction to Biotechnology.

The subject of biological tissue engineering will also be explored with the aim of providing students with engineering tools that can be used to design a cell culture system under dynamic, sterile and controlled conditions. The general design specifications of the bioreactors will be identified and the particular specifications therefore aimed at biological application (bone tissue, muscle tissue, vascular tissue ...). The tools provided are related to the materials/scaffold used, the cellular component, the mathematical methods for the identification of the architecture of the overall system. Finally, during the course, real bioreactors will be brought into the class in order to illustrate more properly all design aspects of the systems.

A seguito del superamento dell'esame, lo studente:

saprà definire le principali proprietà dei materiali utilizzati per realizzare dispositivi biomedici;

avrà appreso e saprà spiegare come condurre la valutazione della biocompatibilità di materiali e dei dispositivi;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della risposta infiammatoria;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della coagulazione del sangue;

conoscerà e saprà spiegare i concetti fondamentali e i meccanismi della risposta immunitaria;

sarà in grado di applicare le conoscenze trasmesse a problemi di carattere biomedico;

conoscerà in modo critico i concetti fondamentali dell'ingegneria dei tessuti biologici, legati alla sterilità del processo, allo scaffold e alla componente cellulare;

sarà in grado di formulare e risolvere problemi ingegneristici relativi alla progettazione di dispositivi di coltura dinamica e alla loro interazione con il tessuto in crescita;

possiederà metodi e strumenti per affrontare problemi di progettazione meccanica, idraulica ed elettronica nella realizzazione un bioreattore per la medicina rigenerativa;

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

After passing the examination, the student:

will be able to define the main properties of the materials used to make biomedical devices;

will have learned and will be able to explain how to conduct the assessment of the biocompatibility of materials and devices;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of the inflammatory response;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of blood coagulation;

will know and will be able to explain the fundamental concepts and mechanisms of the immune response;

will be able to apply the knowledge acquired to biomedical problems;

will have a critical knowledge of the fundamental concepts of biological tissue engineering, related to the sterility of the process, to the scaffold and to the cellular component;

will be able to formulate and solve engineering problems related to the design of dynamic culture devices and their interaction with the growing tissue;

will possess methods and tools to address mechanical, hydraulic and electronic design problems in the construction of a bioreactor for regenerative medicine;

Le cellule e i tessuti: organizzazione e funzione. 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, la coagulazione ematica, la reazione immunitaria, la reazione infiammatoria, il sistema del complemento.

Biocompatibilità e 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. Durante le esercitazioni, gli studenti saranno chiamati inoltre a rispondere a domande concernenti argomenti specifici del corso. Queste attività verranno svolte impiegando strumenti di didattica innovativa.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cells and tissues: organization and function. Composition, structure and functions of the extracellular matrix, functions of the main cell types involved in defense and repair mechanisms.

Defense mechanisms and reparative phenomena of the human body: repair and remodeling of biological tissues, blood coagulation, immune reaction, inflammatory reaction, the complement system.

Biocompatibility and biomaterial-human body interaction: effects of the implant on the human body, effects of host tissues on the implanted device, bacterial adhesion and calcification.

Main analytical techniques for the evaluation of biomaterials in vitro and for diagnostic purposes. Fundamentals of Biotechnology, Biotechnological Applications of Biomaterials and Gene Therapy.

Approach to tissue engineering. The scaffold: requirements and main methods of preparation. Static and dynamic cell culture systems.

The exercises will focus on deepening the topics covered in class. During the exercises, students will also be asked to answer questions concerning specific topics of the course. These activities will be carried out using innovative teaching tools.

Sono necessarie e propedeutiche conoscenze di chimica e fisica.

L’esame consiste in una prova scritta sull'intero programma dell’insegnamento, nella quale viene chiesto allo studente di rispondere a domande a risposta aperta o multipla su concetti fondamentali trattati durante il corso, utilizzando il formalismo e la terminologia appropriati.

In sede d’esame finale lo studente deve dimostrare di:

· aver acquisito concetti riguardanti la classificazione e le principali applicazioni dei biomateriali;

· 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 gestire risorse e tempi per completamento del compito assegnato.

Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:

- capacità di analisi dei problemi;

- correttezza formale e sostanziale delle procedure individuate per la soluzione dei problemi;

- correttezza dei risultati ottenuti;

- conoscenza e comprensione degli argomenti;

- adeguatezza del linguaggio tecnico-scientifico utilizzato;

- autonomia di giudizio.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The exam consists of a written test on the entire teaching program, in which the student is asked to answer closed or multiple choice questions on fundamental concepts covered during the course, using the appropriate formalism and terminology.

During the final exam, the student must demonstrate to:

· Have acquired concepts regarding the classification and main applications of biomaterials;

· Know the functions, mechanisms and components of haemostasis, the inflammatory response and immunity;

· Know the biological mechanisms (protein and cellular) that govern the response of tissues to the implantation of a biomaterial;

· Apply methods and tools typical of chemical bioengineering to evaluate biocompatibility;

· Know how to manage resources and times for completing the assigned task.

In evaluating the exam, the determination of the final grade takes into account the following elements:

- problem analysis skills;

- formal and substantial correctness of the procedures identified for solving problems;

- correctness of the results obtained;

- knowledge and understanding of the topics;

- adequacy of the technical-scientific language used;

- autonomy of judgment.