Scuola di Medicina e Chirurgia

Università Magna Graecia di Catanzaro

Biomateriali e Organi Artificiali

Ingegneria Biomedica

Il corso di Biomateriali e Organi Artificiali intende fornire agli studenti le competenze necessarie a comprendere il funzionamento dei Biomateriali, artificiali, biomimetici, o naturali, con lo scopo di assistere, migliorare, o sostituire le funzioni biologiche dell’organismo. Questi, poi, costituiranno la base per la progettazione razionale di Organi Artificiali.

A biomaterial is now defined as a substance that has been engineered to take a form which, alone or as part of a complex system, is used to direct, by control of interactions with components of living systems, the course of any therapeutic or diagnostic procedure. This course covers the wide range of physical, biological and chemical sciences that underpin the design of biomaterials and the clinical disciplines in which they are used. These sciences include polymer synthesis and characterization, drug and gene vector design, the biology of the host response, immunology and toxicology and self-assembly at the nanoscale. Clinical applications include the therapies of medical technology and regenerative medicine in all clinical disciplines, and diagnostic systems that reply on innovative contrast and sensing agents. The contents of the course are relevant to areas such as cancer diagnosis and therapy, implantable devices, drug delivery systems, gene vectors, bio-nanotechnology and tissue engineering.

Collegamenti Veloci:
Docente:
Francesco Gentile

SSD:
ING-IND/34 - Bioingegneria industriale

CFU:
9
Obiettivi del Corso e Risultati di apprendimento attesi

Approfondimento degli insegnamenti di base dell’ingegneria. Lo studente dovrà poi raggiungere la maturità scientifica necessaria a sapere usare i metodi dell’ingegneria, della Fisica, della Matematica, della Biologia, per la comprensione, la caratterizzazione, l’analisi, e la progettazione di Biomateriali e Organi Artificiali. Alla fine del corso, lo studente avrà acquisito le conoscenze e le tecniche necessarie a comprendere in che modo i materiali interagiscono con le cellule e i tessuti biologici. Saprà usare quelle conoscenze e quelle tecniche per progettare i biomateriali per funzioni specifiche: (i) sistemi di rilascio di farmaci (drug delivery systems); (ii) sistemi di diagnosi e prognosi di patologie (sensing devices); (iii) supporti e scaffolds per l’ingegneria tissutale (biomaterials for tissue engineering applications). Lo studente, inoltre, alla fine del corso avrà maturato le competenze necessarie a comprendere come nuovi materiali, materiali ingegnerizzati alle nanoscale, e tecniche di analisi dati innovative, fra cui il deep learning, possono migliorare le prestazioni e la portata di sistemi biomedici convenzionali.

Programma

  1. Le proprietà dei biomateriali. Materiali polimerici, metallici, ceramici, compositi, biologici.
  2. Richiami di biomeccanica.
  3. Legame a idrogeno. Altri tipi di legami e struttura dei solidi.
  4. Le biomolecole: carboidrati, amminoacidi e proteine, acidi nucleici, lipidi.
  5. Interazione cellula-superficie. Cellula. Struttura della cellula. Molecole di adesione cellulare (CAMs). CAMs come trasduttori di segnali chimici/meccanici/topografici. Organizzazione delle molecole di adesione cellulare: Focal adhesions and Focal complexes. Migrazione cellulare e forza di una cellula su una superficie.
  6. I tessuti biologici: Matrice extracellulare, collagene, elastina, epitelio, tessuto connettivo, tessuto muscolare, tessuto nervoso, tessuto osseo.
  7. Fabbricazione di materiali micro e nano strutturati. Tecniche di micro e nano fabbricazione. Approcci top-down e bottom-up. Litografia ottica, litografia elettronica. Focused Ion Beam (FIB). Tecniche di dry etching (RIE). Tecniche di wet etching. Self assembly: deposizione electroless.
  8. Tecniche di funzionalizzazione. Legame oro-SH. Legame (-COOH) con diversi metalli ionici. Binding selettivo con molecole biologiche. Anticorpi. Polimeri ad impronta molecolare.
  9. Caratterizzazione di biomateriali: Raggi X, spettrometria di massa, IR, angolo di contatto, Microscopio ottico. Microscopio a scansione elettronica (SEM). Microscopio confocale. Microscopio a forza atomica (AFM). Spettroscopie.
  10. Progettazione e fabbricazione di Biosensori. Sistemi di diagnostica. Sensori fotonici. Sensori nano-strutturati.
  11. Esempi di biomateriali: polimerici, metallici, ceramici, compositi, biologici, integrati.
  12. Elementi di fenomeni di trasporto.
  13. Modelli di adesione e migrazione cellulare.
  14. Networks cellulari. Topologia di networks. Small world networks. Trasmissione di segnali in networks cellulari. Energia libera di networks cellulari. Equivalenza fra energia e informazione. Competizione fra forze attrattive e forze di migrazione cellulare: massima dimensione di un sistema di cellule.
  15. In vitro tissue engineering. Tissue fabrication techniques. Bottom up tissue engineering. spheroids aggregation and printing ; cell sheet. Cell-laden. Micro tissue assembly.
  16. Case studies (1). How nanotechnology can guide tissue formation and repair.
  17. Case studies (2). Cell Theranostics on Mesoporous Silicon Substrates.

 

Stima dell’impegno orario richiesto per lo studio individuale del programma

Didattica Frontale 72 ore

Studio Individuale 153 ore

Risorse per l'apprendimento

Libri di testo

Carlo di Bello. Biomateriali.

Roland Glaser. Biophysics.

  1. Mark Saltzman. Drug Delivery.
  2. C. Fung. Biomechanics.

Agamemnon Despopoulos, Stefan Silbernagl. Color Atlas of Physiology.

(Nota per gli studenti: il corso di Biomateriali e Organi Artificiali non si resolve in un solo libro di testo: in quelli consigliati, sono presenti alcuni degli argomenti e degli esempi spiegati dal docente. Per i rimanenti, prego fare riferimento al materiale che il docente regolarmente caricherà sulla piattaforma di Ateneo E-Learning).

Ulteriori letture consigliate per approfondimento

Articoli che saranno consigliati dal docente durante il Corso.

 

Altro materiale didattico

Slides del Corso.

Attività di supporto

Modalità di frequenza

Le modalità sono indicate dal Regolamento didattico d’Ateneo.

Modalità di accertamento

Le modalità generali sono indicate nel regolamento didattico di Ateneo all’art.22 consultabile al link http://www.unicz.it/pdf/regolamento_didattico_ateneo_dr681.pdf

 

L’esame finale sarà svolto in forma orale, durante il quale lo studente discuterà i risultati di una tesina assegnata dal docente durante il Corso.

I criteri sulla base dei quali sarà giudicato lo studente sono:

 

 

Conoscenza e comprensione argomento

Capacità di analisi e sintesi

Utilizzo di referenze

Non idoneo

Importanti carenze.

Significative inaccuratezze

Irrilevanti. Frequenti generalizzazioni. Incapacità di sintesi

Completamente inappropriato

18-20

A livello soglia. Imperfezioni  evidenti

Capacità appena sufficienti

Appena appropriato

21-23

Conoscenza routinaria

E’ in grado di analisi e sintesi corrette. Argomenta in modo logico e coerente

Utilizza le referenze standard

24-26

Conoscenza buona

Ha capacità di a. e s. buone gli argomenti sono espressi coerentemente

Utilizza le referenze standard

27-29

Conoscenza più che buona

Ha notevoli capacità di a. e s.

Ha approfondito gli argomenti

30-30L

Conoscenza ottima

Ha notevoli capacità di a. e s.

Importanti approfondimenti