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Home Freccia destra Ingegneria Biomedica L-9 Freccia destra Dispositivi biomedici

Ingegneria Biomedica L-9

Dispositivi biomedici

Settore scientifico disciplinare Numero crediti formativi (CFU) Docente
ING-IND/34 (IBIO-01/A) 8 Gabriela Graziani

Obiettivi

Obiettivi Formativi

Il corso fornisce conoscenze teoriche e competenze pratiche per progettare, analizzare, e selezionare dispositivi biomedici, con particolare attenzione a: i) la comprensione delle proprietà dei materiali, delle performance attese e reali,  e la scelta di opzioni idonee per diverse applicazioni cliniche, ii) i requisiti clinici, i vantaggi e le limitazioni di diverse tipologie di dispositivi biomedici, in base all’applicazione, iii) l’utilizzo e comprensione di tecniche innovative per aumentare le performance dei dispositivi biomedici, ivi inclusi i sensori.

L’obiettivo generale è rendere lo studente in grado di comprendere i requisiti di base per la progettazione dei dispositivi biomedici, le performance dei materiali che li costituiscono e le loro interazioni con strutture e tessuti biologici, per essere in grado di progettare dispositivi impiantabili sicuri, efficaci e biocompatibili e di validarli per le applicazioni richieste.

 

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente dovrà:

-   conoscere i principali requisiti per i dispositivi biomedici e comprendere i principi biomeccanici, biologici e ingegneristici alla base del loro funzionamento;

-       comprendere i requisiti fondamentali per la progettazione dei dispositivi biomedici;

-       comprendere le diverse classi di materiali per dispositivi biomedici (metalli, ceramici, polimeri, compositi), le loro proprietà, i vantaggi e limitazioni ed i campi di applicabilità;

-       comprendere le possibili applicazioni cliniche dei dispositivi, i requisiti che pongono ed i criteri necessari per soddisfarle;

-       conoscere le principali tecniche di imaging radiologico;

-       conoscere i vantaggi dell’utilizzo di dispositivi personalizzati e le tecniche per ottenerli, anche a partire dall’imaging del paziente;

-       Comprendere le misure in campo biomedico ed i misurandi biomedici;

-       Comprendere i requisiti e le tipologie di sensori biomedici e le loro possibili applicazioni.

 

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente sarà in grado di:

-       Proporre soluzioni progettuali nel rispetto dei requisiti di sicurezza, biocompatibilità e durabilità.

-       Selezionare l’alternativa progettuale più adeguata sulla base dell’applicazione clinica proposta.

-       Proporre un approccio critico a soluzioni progettuali esistenti, evidenziandone limitazioni e possibilità di miglioramento.

-       Acquisire competenze adeguate sia per ideare e sostenere argomentazioni, che per risolvere problemi nel proprio campo di studi.

-       Applicare conoscenza e comprensione acquisite nel contesto di lavoro

 

Abilità di giudizio

Lo studente saprà:

-       valutare criticamente vantaggi e limiti di differenti soluzioni protesiche e materiali per realizzarle e di tecniche avanzate per la loro realizzazione;

-       interpretare risultati sperimentali per identificare eventuali criticità di progetto o di applicazione;

-       integrare conoscenze interdisciplinari (ingegneristiche, biologiche, cliniche) per la scelta del dispositivo più idoneo;

-       considerare gli aspetti etici, regolatori e di sicurezza associati all’impianto di dispositivi, ivi inclusa l’accessibilità di materiali e tecnologie avanzate.

 

Abilità di comunicare

Lo studente sarà in grado di:

-       redigere relazioni tecniche e documentazione progettuale secondo gli standard tecnici e normativi di riferimento;

-       comunicare con specialisti di diverse discipline (medici, biologi, ingegneri, tecnici di produzione);

-       presentare progetti, analisi e risultati in modo chiaro, anche tramite strumenti digitali.

 

Capacità di apprendimento

Lo studente svilupperà la capacità di:

-       aggiornarsi autonomamente sui progressi scientifici e tecnologici nel campo dei dispositivi impiantabili e non impiantabili;

-       consultare autonomamente normative, letteratura scientifica e dati clinici;

-       integrare le conoscenze acquisite e nuove conoscenze per la progettazione di dispositivi biomedici innovativi;

-       proseguire gli studi in contesti di ricerca o master di specializzazione.

Verifica

MODALITÀ DI ESAME, PREREQUISITI, ESAMI PROPEDEUTICI

Modalità di accertamento dei risultati di apprendimento acquisiti dallo studente

L’accertamento dei risultati di apprendimento attesi avverrà attraverso la verifica della conoscenza degli elementi teorici esposti durante le lezioni, della padronanza di un opportuno linguaggio tecnico, dell’acquisizione di abilità critiche che permettano di individuare vantaggi e limitazioni di diverse alternative progettuali e selezionare l’alternativa migliore fra diverse proposte, dello sviluppo di adeguate capacità espositive.

Verrà accertato il raggiungimento degli obiettivi formativi previsti per l’insegnamento:

-       grado di acquisizione della conoscenza degli argomenti trattati (40% del punteggio complessivo);

-       capacità di sintesi e correlazione tra diversi argomenti (10% del punteggio);

-       comprensione e capacità di interpretazione (20% del punteggio);

-       capacità di analisi critica e di scelta fra diverse opzioni progettuali (30% del punteggio).

 

Modalità di esame

Esame scritto a domande chiuse (scelta multipla) sui temi del Corso, prova intermedia da remoto, prova finale in presenza, come da Regolamento di Ateneo.

Risorse

Il docente consiglia l’integrazione del materiale fornito (videolezioni, slides, esercitazioni) con i seguenti testi, a cui il docente può fare riferimento durante le lezioni:

Tanzi, Fare’, Candiani, Foundations of Biomaterials Engineering, Elsevier, 2019

Ratner, B.D. et al. – Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine, Elsevier / Academic Press, 4th edition (2020)

Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. – Materials Science and Engineering: An Introduction, Wiley, 10th edition (2020)

John G. Webster, "Medical Instrumentation: Application and Design"

 

Descrizione

PROGRAMMA DEL CORSO

Dispositivi biomedici (1 CFU).

Definizioni. Dispositivi impiantabili e non impiantabili. Requisiti per la progettazione. Iter di validazione.

Requisiti. Biocompatibilità. Definizioni e metodi per la valutazione. Funzionalità. Durabilità e condizioni di esercizio.

Materiali per dispositivi medici (4 CFU).

Definizioni e requisiti. Interazioni con il tessuto ospite. Stabilità e degradazione controllata.

Cenni alle principali proprietà meccaniche dei (bio)materiali.

Materiali per dispositivi biomedici, un'overview: materiali metallici, ceramici bioattivi; ceramici bioinerti; polimeri; compositi; materiali di origine naturale e biogenica.

Applicazioni (3 CFU).

Applicazioni cliniche dei dispositivi impiantabili.

Degrado e durabilità.

Ortopedia e dentale. Rigenerazione ossea: principi, requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere. Protesi e superfici di usura: requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere.

Cardiovascolare. Stent: requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere. Valvole cardiache: requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere.

Chirurgia plastica. Protesi mammarie: requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere.

Oftalmologia: requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere.

Infezioni e dispositivi antibatterici: il problema, requisiti clinici e dispositivi, materiali, applicazioni, vantaggi e limitazioni, nuove frontiere.

Funzionalizzazioni di superficie - texturizzazione, coating e patterning.

Imaging medicale.

Radiografia, Tomografia Computerizzata, Risonanza Magnetica, ecografia. Principi di funzionamento, applicabilità, esempi clinici.

Dall'imaging alla progettazione del dispositivo: progettazione chirurgica e dispositivi custom made. Tecniche di additive manufacturing di impianti customizzati. Esempi clinici di applicazioni di dispositivi custom-made.

Misure in campo biomedico e sensori. 

Misure. Classificazioni (invasive/non invasive, attive/passive, dirette/indirette), errori. Misurandi biomedici: definizioni, caratteristiche e modelli. Sensori. Requisiti. Calibrazione e taratura. Sensori chimici, fisici, biosensori. Bioelettrodi. Sensori impiantabili ed indossabili. Esempi clinici. Vantaggi, limitazioni e prospettive future.

Lezioni

Trailer dell\'insegnamento

Dispositivi Biomedici - Introduzione

Evoluzione dei materiali e dei requisiti per i dispositivi

Biocompatibilità

Degrado e Durabilità

Cenni alle proprietà meccaniche di materiali e dispositivi

Cenni alle proprietà meccaniche di materiali e dispositivi: meccanica della frattura, comportamento in presenza di difetti, comportamento viscoelastico

Introduzione ai biomateriali: legami atomici e struttura

Biomateriali metallici: legame struttura-proprietà

Focus sulle proprietà meccaniche dei metalli

Materiali per impianti un\'overview - materiali ceramici

Struttura e proprietà meccaniche dei materiali ceramici

Applicazioni biomediche dei biomateriali ceramici: bioceramici bioinerti

Materiali bioattivi e biomimetici - Fosfati di calcio

Ceramici bioattivi e biomimetici - Idrossiapatiti sostituite, biomimetiche ed antibatteriche

Ceramici bioriassorbibili e biomimetici - Vetri Bioattivi

Overview sui biomateriali - biomateriali polimerici

Biomateriali polimerici - Classificazioni e proprietà

Biomateriali polimerici - Cristallinità

Biomateriali polimerici - Proprietà meccaniche

Polimeri altamente elastici (elastomeri) e propriet

Biomateriali polimerici - Applicazioni e componenti principali, polimeri sintetici non riassorbibili

Biomateriali polimerici riassorbibili

Biomateriali polimerici sintetici non riassorbibili: poliuretani, siliconi, poliesteri

Biomateriali polimerici naturali: tipologie ed applicazioni

Meccanismi di degrado dei dispositivi biomedicali: corrosione

Meccanismi di degrado dei dispositivi biomedicali polimerici

Sterilizzazione dei dispositivi biomedici

Dispositivi per applicazioni cardiovascolari: stent

Dispositivi per applicazioni cardiovascolari: stent riassorbibili

Valvole cardiache e protesi valvolari

Chirurgia plastica ricostruttiva - protesi mammarie

Chirurgia oculistica - dispositivi per la cornea ed il cristallino

Chirurgia oculistica - dispositivi per il distacco di retina, per le patologie del nervo ottico e OVDs

Chirurgia ortopedica - dispositivi per la rigenerazione ossea

Chirurgia ortopedica - soluzioni per migliorare l\'osteointegrazione degli impianti: coating

Complicanze ed Infezioni in chirurgia ortopedica

Infezioni in chirurgia ortopedica: patterning e coating antibatterici

Tecniche di imaging biomedicale

Dall\'imaging alla realizzazione del dispositivo: 3D printing

Sensori