PRINCIPI DI CHIMICA DEI MATERIALI 1

Risultati di apprendimento attesi

Il corso ha lo scopo di approfondire le conoscenze e le metodologie di base per lo studio e l'analisi delle principali caratteristiche dei materiali di interesse tecnologico, biomedico e farmaceutico, con particolare riguardo ai biomateriali impiegati nei dispositivi medici, negli impianti protesici, nei sistemi per l'ingegneria tissutale e nelle applicazioni diagnostiche. Il corso è organizzato in modo da fornire una solida preparazione sulle relazioni tra struttura, microstruttura e proprietà dei materiali, sulle principali classi di biomateriali e sulle loro applicazioni. Fanno inoltre parte degli obiettivi formativi del corso le conoscenze e le competenze necessarie per comprendere come le proprietà chimiche, fisiche e biologiche dei materiali possano essere correlate alla loro struttura atomica e molecolare e come tali proprietà possano essere sfruttate nella progettazione di materiali innovativi per applicazioni biomediche (knowledge and understanding).

Il fine del corso è quello di acquisire la capacità di interpretare il comportamento dei materiali in funzione della loro struttura e composizione, valutandone criticamente l'idoneità per specifiche applicazioni biomedicali e sviluppando un approccio scientifico alla selezione e alla caratterizzazione dei biomateriali (applying knowledge and understanding).

Obiettivi formativi specifici del corso sono:

• comprendere le relazioni tra struttura, microstruttura e proprietà dei materiali;
• conoscere la struttura dei solidi cristallini, i difetti cristallini e le soluzioni solide;
• conoscere le principali tecniche di caratterizzazione dei materiali;
• comprendere le proprietà meccaniche, termiche, elettriche e ottiche dei materiali;
• acquisire i fondamenti dell'elettrochimica applicata ai materiali;
• conoscere le proprietà dei tessuti biologici e le relazioni tra materiali e funzione biologica;
• comprendere struttura, proprietà e applicazioni dei polimeri naturali e sintetici per uso biologico;
• conoscere le principali leghe metalliche impiegate nelle applicazioni biomediche;
• comprendere i fenomeni di deformazione, frattura, fatica e biocorrosione;
• conoscere struttura e proprietà dei materiali ceramici bioinerti, bioattivi e porosi;
• comprendere i principi della biocompatibilità e della risposta biologica all'impianto;
• conoscere l'architettura e il funzionamento di sensori e biosensori elettrochimici;
• conoscere le principali applicazioni cliniche dei biomateriali.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le seguenti competenze trasversali.

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente alla fine del corso possiederà le:

• capacità di comprendere le relazioni tra composizione, struttura e proprietà dei materiali;
• capacità di interpretare il comportamento dei biomateriali in ambiente biologico;
• conoscenza delle principali classi di materiali utilizzate in ambito biomedico;
• conoscenza dei fenomeni di corrosione e biocorrosione;
• conoscenza dei principi di funzionamento dei biosensori e delle loro applicazioni.

Capacità di applicare conoscenza

Lo studente alla fine del corso possiederà le:

• capacità di applicare le conoscenze acquisite alla selezione dei materiali per specifiche applicazioni biomedicali;
• capacità di correlare struttura e proprietà dei materiali;
• capacità di analizzare problematiche di biocompatibilità;
• capacità di valutare criticamente vantaggi e limiti delle diverse classi di biomateriali;
• capacità di interpretare casi applicativi in ambito clinico.

Autonomia di giudizio

Lo studente alla fine del corso possiederà le:

• capacità di ragionamento critico;
• capacità di valutare le prestazioni dei biomateriali in differenti contesti applicativi;
• capacità di individuare il materiale più idoneo per una specifica applicazione;
• capacità di formulare giudizi autonomi riguardanti sicurezza, funzionalità e compatibilità biologica dei materiali.

Abilità comunicative

Lo studente alla fine del corso possiederà la:

• capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, struttura, proprietà e applicazioni dei biomateriali;
• capacità di discutere problematiche relative ai materiali utilizzati in ambito biomedico;
• capacità di utilizzare correttamente la terminologia scientifica propria della disciplina.

Capacità di apprendimento

Lo studente alla fine del corso possiederà le:

• capacità di approfondire autonomamente argomenti riguardanti biomateriali e materiali avanzati;
• capacità di consultare criticamente testi scientifici e documentazione tecnica;
• capacità di aggiornare le proprie conoscenze in un settore in continua evoluzione.

Lezioni in presenza 

Bisogna conoscere:

• (Indispensabili) i concetti fondamentali di chimica generale e inorganica;
• (Importanti) i principi di base della chimica organica e della biologia;
• (Utili) nozioni elementari di fisica e matematica.

Contenuti del corso

1. Introduzione ai biomateriali

Definizione di biomateriale. Evoluzione storica dei biomateriali. Principali applicazioni dei biomateriali in ambito biomedico.

2. Classi di materiali di interesse tecnologico

Materiali metallici, polimerici, ceramici e compositi. Proprietà generali e principali applicazioni.

3. Struttura e microstruttura dei materiali

Relazioni tra struttura, microstruttura e proprietà dei materiali. Struttura dei solidi cristallini. Difetti cristallini. Soluzioni solide.

4. Tecniche di caratterizzazione dei materiali

Principi e applicazioni delle principali tecniche di caratterizzazione strutturale, morfologica e composizionale dei materiali.

5. Equilibri eterogenei e diagrammi di stato

Diagrammi di fase. Equilibri eterogenei. Applicazioni ai materiali metallici e ceramici.

6. Proprietà dei materiali

Proprietà meccaniche, termiche, elettriche e ottiche dei materiali. Fondamenti di elettrochimica.

7. Proprietà dei tessuti biologici

Caratteristiche meccaniche e funzionali dei principali tessuti biologici. Relazioni tra proprietà dei materiali e funzione biologica.

8. Polimeri naturali e sintetici per uso biologico

Struttura, proprietà e applicazioni dei principali materiali polimerici di interesse biomedico.

9. Materiali metallici per applicazioni biomediche

Leghe ferrose e non ferrose. Deformazione plastica. Frattura. Fatica. Corrosione e biocorrosione.

10. Materiali ceramici

Materiali ceramici bioinerti, bioattivi e porosi. Proprietà e applicazioni.

11. Biocompatibilità

Guarigione tissutale. Infiammazione. Risposta biologica all'impianto. Interazione materiale-tessuto.

12. Sensori e biosensori elettrochimici

Architettura e principi di funzionamento. Applicazioni nel monitoraggio dei farmaci e dei biomolecole.

13. Applicazioni cliniche dei biomateriali

Protesi vascolari, cardiache, ortopediche e odontoiatriche.

Contributo dell'insegnamento agli obiettivi dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

GOAL 3: SALUTE E BENESSERE

Assicurare la salute e il benessere per tutti e per tutte le età.

Target 3.8: garantire l'accesso a tecnologie sanitarie sicure, efficaci e di qualità.

Target 3.9: ridurre gli effetti nocivi derivanti dall'esposizione a sostanze e materiali potenzialmente pericolosi.

Modalità: lezioni frontali e discussione di applicazioni cliniche dei biomateriali.

GOAL 9: IMPRESE, INNOVAZIONE E INFRASTRUTTURE

Promuovere la ricerca scientifica, l'innovazione tecnologica e lo sviluppo di materiali avanzati per applicazioni biomediche.

Modalità: lezioni frontali ed esercitazioni.

GOAL 12: CONSUMO E PRODUZIONE RESPONSABILI

Promuovere l'utilizzo sostenibile delle risorse e la corretta gestione dei materiali.

Modalità: lezioni frontali dedicate ai fenomeni di degradazione, corrosione e ciclo di vita dei materiali.

Testi di riferimento

1.     Callister, W.D. Jr., Rethwisch, D.G. Scienza e Ingegneria dei Materiali – Una Introduzione. EdiSES, Napoli. (Traduzione italiana di Materials Science and Engineering: An Introduction).

2.     Ratner, B.D., Hoffman, A.S., Schoen, F.J., Lemons, J.E. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. Elsevier Academic Press, San Diego, CA, 2004.

Testi consigliati

3.     Pietrabissa, R. Biomateriali per Protesi e Organi Artificiali. Patron Editore, Bologna, 1996.

4.     Mazza, B. Lezioni di Elettrochimica. Materiale didattico/universitario.

5.     Skoog, D.A., Holler, F.J., Crouch, S.R. Chimica Analitica Strumentale. EdiSES (edizione italiana di Principles of Instrumental Analysis).

Testi di approfondimento

6.     Simionato, A. Scienza dei Materiali Dentali, Volumi 1 e 2. Piccin Nuova Libraria, Padova.

7.     Dispense e materiale didattico fornito dal docente durante il corso.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d'esame tende ad accertare il livello di conoscenza complessiva acquisita dal candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in relazione le diverse parti del programma.

L'esame consiste in una prova orale.

La prova orale consisterà in domande relative alle varie parti del programma finalizzate a verificare:

• la conoscenza dei contenuti disciplinari;
• la capacità di collegare gli argomenti trattati;
• l'utilizzo appropriato della terminologia scientifica;
• la capacità di applicare le conoscenze acquisite all'analisi di biomateriali e applicazioni biomedicali;
• l'autonomia di giudizio e la capacità di analisi critica.

Non sono previste prove in itinere.

Criteri per l'attribuzione del voto finale

La votazione sarà espressa in trentesimi secondo il seguente schema:

Non idoneo

• significative carenze nella conoscenza degli argomenti;
• incapacità di effettuare collegamenti tra i contenuti;
• utilizzo inappropriato della terminologia scientifica.

18-20

• conoscenza essenziale degli argomenti;
• capacità espositiva sufficiente;
• modesta capacità di analisi.

21-23

• conoscenza più che sufficiente degli argomenti;
• discreta capacità di collegamento tra le diverse parti del programma;
• utilizzo adeguato del linguaggio scientifico.

24-26

• buona conoscenza dei contenuti;
• buona capacità di analisi e sintesi;
• esposizione chiara e coerente.

27-29

• conoscenza approfondita degli argomenti;
• notevole capacità di analisi critica;
• utilizzo appropriato della terminologia scientifica.

30-30 e lode

• conoscenza completa ed approfondita della disciplina;
• eccellente capacità di collegamento e analisi critica;
• piena padronanza del linguaggio scientifico.

 Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA 

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Biomediche e Biotecnologiche.

Esempi di domande

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano soltanto alcuni esempi.

• Definizione e classificazione dei biomateriali.
• Relazioni tra struttura, microstruttura e proprietà dei materiali.
• Difetti cristallini e loro influenza sulle proprietà dei materiali.
• Tecniche di caratterizzazione dei materiali.
• Diagrammi di stato e loro applicazioni.
• Proprietà meccaniche dei materiali.
• Fondamenti di elettrochimica.
• Proprietà dei tessuti biologici.
• Polimeri naturali e sintetici per uso biologico.
• Leghe ferrose e non ferrose.
• Fenomeni di corrosione e biocorrosione.
• Materiali ceramici bioinerti, bioattivi e porosi.
• Concetto di biocompatibilità.
• Guarigione tissutale e risposta all'impianto.
• Sensori e biosensori elettrochimici.
• Applicazioni cliniche dei biomateriali in ortopedia.
• Applicazioni cliniche dei biomateriali in odontoiatria.
• Protesi vascolari e cardiache.
• Criteri di selezione dei biomateriali per applicazioni mediche.