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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 096202 - BIOMECCANICA
Docente Redaelli Alberto Cesare Luigi
Cfu 12.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (348) INGEGNERIA DEI MATERIALI E DELLE NANOTECNOLOGIE*AZZZZ085858 - BIOMECCANICA
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*LZZZZ096202 - BIOMECCANICA
085858 - BIOMECCANICA
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - BV (483) MECHANICAL ENGINEERING - INGEGNERIA MECCANICA*LZZZZ085858 - BIOMECCANICA

Obiettivi dell'insegnamento

L’insegnamento fornisce le conoscenze di base relative alla descrizione e alla interpretazione dei fenomeni biomeccanici, con l'obiettivo di sviluppare la capacità di impostare correttamente e risolvere semplici problemi applicativi connessi a sistemi biologici e a dispositivi biomedici. Inoltre introduce alla conoscenza delle proprietà dei materiali e dei fluidi, dei principi della statica delle strutture e di quelli del moto dei fluidi costituisce la naturale premessa all'analisi dei sistemi di interesse biomedico. Vengono inoltre forniti gli elementi di base per l’esecuzione e la lettura di un disegno tecnico secondo le correnti norme.

Vengono illustrate le prestazioni meccaniche dei principali tessuti biologici. Viene introdotto ed utilizzato un approccio gerarchico che a partire dalla nanostruttura amplia progressivamente il campo di indagine al fine di mostrare come le caratteristiche nano e micro strutturali concorrono a determinare la funzione del tessuto e, dove applicabile, dell'organo.


Risultati di apprendimento attesi

Lo studente:

  • ha conoscenza delle prestazioni meccaniche dei tessuti biologici;
  • è in grado di riconoscere come i principali componenti micro e nanostrutturali influenzano il comportamento globale del tessuto;
  • sa calcolare in prima approssimazione gli stati di sforzo e deformazione di un tessuto quando sottoposto a cariche esterni;
  • sa utilizzare i risultati della teoria per calcolare e progettare sistemi idraulici rappresentanti la circolazione dei fluidi biologici;
  • sa usare un software di progettazione al calcolatore per realizzare modelli parametrici di pezzi meccanici o componenti di circuiti idraulici;
  • è capace di lavorare in gruppo.

Argomenti trattati

I sistemi biologici e la loro descrizione ingegneristica: l'approccio bioingegneristico e la descrizione del legame struttura-funzione nei sistemi biologici.

Strutture e materiali biologici: tessuti, il collagene e la teoria del reclutamento; caratterizzazione meccanica e rottura dei materiali biologici.

Sollecitazioni tempo-dipendenti: il comportamento viscoelastico e i materiali compositi e bifase. I modelli viscoelastici lineari di Maxwell, Voigt e Kelvin. 

Tessuti ossei: analisi del comportamento meccanico in funzione della composizione e della struttura. La risposta dinamica e i meccanismi di rottura guarigione e rimodellamento.

Tessuti molli: struttura e comportamento meccanico di tessuti a base di collagene e proteoglicani quali tendini e legamenti.

I modelli di materiali compositi di Maxwell e Voigt.

Tessuti multifase: modelli e applicazioni a cartilagine e disco intervertebrale; le teorie della lubrificazione applicate alla cartilagine articolare.

Tessuto vascolare: architettura della parete dei vasi, modelli per il calcolo dello stato di sollecitazione dei vasi.

Tessuti attivi: origine della contrattilità, le proteine motore, il sarcomero, il muscolo scheletrico, cardiaco e liscio; l'energetica della contrazione muscolari.

Elementi di fluidodinamica: la viscosità; fluidi ideali e fluidi viscosi; fluidi comprimibili e fluidi incomprimibili; moto laminare e moto turbolento; il numero di Reynolds e il numero di Womersley; flusso in condotti; equazione di Bernoulli; perdite di carico; equazione di Poiseuille; curve caratteristiche di pompe e circuiti; reti a parametri concentrati. Equazioni di Navier-Stokes.

Tessuti liquidi: reologia del sangue e del liquido sinoviale.

Disegno meccanico: proiezioni ortogonali: convenzioni; scelta e rappresentazione delle sezioni; quotatura dei disegni; principali lavorazioni meccaniche; tolleranze di lavorazione; tipi di accoppiamenti e indicazione delle tolleranze nel disegno; collegamenti meccanici: rappresentazione di filettature ed altri dispositivi.

Verranno svolte esercitazioni per illustrare i principi dei metodi numerici per la soluzione di problemi biomeccanica. Altre esercitazioni verteranno su: meccanica cardiaca e rimodellamento ventricolare, appoggio monopodalico e sforzi nell'osso, riparazione del legamento crociato, sforzi e deformazioni nella parete dei vasi, problemi di fluidodinamica. Verranno eseguiti disegni di particolari e complessivi di pezzi meccanici e calcoli delle tolleranze geometriche.

E' previsto l'intervento di operatori clinici ed aziendali per presentare dei casi di interesse da discutere e sviluppare con e dagli allievi.


Prerequisiti

Sono necessarie e propedeutiche le conoscenze di analisi matematica, fisica tecnica, meccanica dei continui e fisiologia.


Modalità di valutazione

L’esame può essere superato attraverso due prove in itinere o presentandosi a uno degli appelli delle sessioni previste. Secondo la prima modalità - la cui partecipazione non è obbligatoria, ma fortemente consigliata - il programma d’esame riguarderà parti distinte del programma. Se il voto ottenuto in una prova non è gravemente insufficiente (p.es >16) esso concorre alla valutazione finale, determinata come media aritmetica dei risultati parziali. Gli appelli successivi al primo mantengono memoria di eventuali valutazioni parziali, se positive. Al voto finale concorre anche la consegna di un disegno meccanico svolto da team di tre/quattro studenti la cui finalità è verificare l'apprendimento dell'uso di un software CAD.

L’esame finale dovrà consentire allo studente di sapere:

-          applicare metodi e strumenti propri dell’approccio biomeccanico per valutare il comportamento di tessuti e organi;

-          distinguere le proprietà meccaniche di base dei tessuti biologici e è in grado di correlare queste proprietà alla loro struttura e organizzazione;

-          applicare metodi e strumenti propri dell'approccio biomeccanico per valutare la risposta meccanica dei tessuti in differenti condizioni di funzionamento o per determinare le proprietà funzionali che un sostituto bioartificiale deve possedere per la loro sostituzione;

-          risolvere problemi inerenti alla biomeccanica anche non strettamente legati agli argomenti del corso, sapendo bilanciare risorse e tempi per raggiungere gli obiettivi richiesti.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaAlberto Redaelli - Franco Montevecchi, Biomeccanica - Analisi multiscala di tessuti biologici, Editore: Patron, Anno edizione: 2007, ISBN: 978-88-555-2940-2
Risorsa bibliografica obbligatoriaFrancesco Migliavacca, Alberto Redaelli, Disegno meccanico per ingegneria biomedica, Editore: McGrow-Hill, Anno edizione: 2015, ISBN: 978-1-3085-7519-3

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
72:00
108:00
Esercitazione
48:00
72:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 120:00 180:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
03/12/2020