Ingegneria Biomedica L-9

Al termine dell’insegnamento di Fondamenti di Chimica e Chimica Organica, lo studente del primo anno del Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica avrà acquisito conoscenze di base e abilità operative fondamentali per la comprensione dei fenomeni chimici rilevanti nei sistemi biologici, nei materiali e nei dispositivi di interesse biomedico. I risultati di apprendimento attesi sono di seguito declinati secondo i cinque Descrittori di Dublino, in coerenza con il livello del CdS triennale.

Conoscenza e capacità di comprensione

Lo studente sarà in grado di descrivere e comprendere i principi fondamentali della chimica generale e della chimica organica, con particolare riferimento alla struttura atomica, al legame chimico, alla periodicità degli elementi, alle reazioni chimiche e agli equilibri chimici. Sarà inoltre in grado di comprendere la struttura, la nomenclatura e la reattività delle principali classi di composti organici, incluse le biomolecole di interesse biologico quali carboidrati, amminoacidi, peptidi e lipidi. Tali conoscenze costituiranno una base solida per l’interpretazione dei processi chimico-fisici coinvolti nei sistemi biologici e nei materiali di interesse biomedico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:

Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite per risolvere problemi quantitativi e qualitativi di chimica, quali il bilanciamento di reazioni chimiche, i calcoli stechiometrici, la determinazione del pH, l’analisi degli equilibri chimici e la valutazione della spontaneità dei processi. Sarà inoltre in grado di interpretare semplici meccanismi di reazione organica e di correlare la struttura molecolare alle proprietà chimico-fisiche e alla reattività in contesti applicativi coerenti con l’ingegneria biomedica.

Abilità di giudizio

Lo studente sarà in grado di valutare in modo autonomo e critico dati sperimentali, risultati di calcolo e modelli chimici, riconoscendone le ipotesi, le approssimazioni e i limiti di validità. Saprà formulare giudizi motivati sull’idoneità di sostanze, condizioni chimiche o processi in relazione a contesti biologici, tecnologici e ambientali, dimostrando consapevolezza degli aspetti scientifici ed etici legati all’impiego di composti chimici in ambito biomedico.

Abilità di comunicare

Lo studente sarà in grado di comunicare in modo chiaro, corretto e appropriato concetti, dati e ragionamenti relativi alla chimica generale e organica, utilizzando un linguaggio scientifico adeguato sia in forma scritta sia orale. Sarà inoltre in grado di interagire efficacemente con interlocutori specialisti e non specialisti, adattando il livello di dettaglio e la terminologia al contesto comunicativo, anche in ambiti interdisciplinari.

Capacità di apprendimento

Lo studente svilupperà una capacità di apprendimento autonoma che gli consentirà di approfondire in modo indipendente argomenti di chimica e di aggiornare le proprie conoscenze nel corso del percorso formativo. Le competenze acquisite permetteranno di affrontare con maggiore consapevolezza gli insegnamenti successivi dell’area ingegneristica e biomedica, favorendo la prosecuzione degli studi e l’adattamento a nuovi contenuti scientifici e tecnologici.

 Modalità di erogazione del corso:

L'organizzazione didattica sfrutta gli strumenti offerti dalla piattaforma e-learning, bilanciando la fruizione asincrona dei contenuti (didattica erogativa) con l'interazione in tempo reale durante le attività di didattica sincrona (didattica interattiva).

Attività didattiche previste

Le attività di didattica, suddivise tra didattica erogativa (DE) e didattica interattiva (DI), saranno costituite da 7 ore per CFU e ripartite secondo una struttura di almeno 2,5 ore di DE (tenuta in considerazione la necessità di riascolto) e di 2 ore di DI sincrona per ciascun CFU.

Attività didattica erogativa (45 ore):

• 45 lezioni frontali videoregistrate, della durata di circa 30 minuti ciascuna (tenuta in considerazione la necessità di riascolto) sempre disponibili in piattaforma. Strumenti di supporto: Per facilitare l'apprendimento, ogni videolezione è accompagnata da una dispensa.

Attività didattica interattiva (18 ore):

·       18 lezioni frontali sincrone (videoconferenza) che possono includere Seminari scientifici di ospiti esterni esperti nel campo della chimica e dei materiali per applicazioni biomediche. Queste sessioni avvengono in un'aula virtuale (basata su Class o Zoom) dove docente e studenti interagiscono simultaneamente. Premialità (Punti Bonus): La partecipazione a queste attività è incentivata: se lo studente segue almeno il 50% delle lezioni sincrone e supera un test (modulo di valutazione), può maturare fino a 2 punti bonus da aggiungere al voto dell'esame finale.

Attività di autoapprendimento:

Per supportare le ore di studio autonomo e l'articolazione tra DE e DI, la piattaforma offre:

• Test di Autovalutazione: ogni videolezione può essere seguita da un test per verificare la comprensione immediata del paragrafo studiato. Esiste anche un test di autovalutazione generale di 30 domande per esercitarsi in vista dell'esame.

• Elaborati: Il docente può sottoporre esercitazioni pratiche (tracce) che lo studente deve svolgere e caricare in formato PDF. Questi vengono poi corretti e valutati dal docente con un voto in trentesimi.

L'articolazione tra DE e DI, per ciascuna unità didattica, sarà organizzata coerentemente con gli obiettivi formativi specifici dell’insegnamento.

Obiettivo dell’insegnamento è fornire al futuro ingegnere biomedico le conoscenze chimiche di base necessarie per comprendere la relazione tra la struttura atomica e molecolare della materia e le sue proprietà chimiche e fisiche, nonché la reattività dei composti organici, evidenziando come tali conoscenze costituiscano un tassello fondamentale per lo studio dei processi biologici e per l’intervento su di essi in ambito biomedicale.

L’insegnamento contribuisce anche al potenziamento delle capacità trasversali Autonomia di giudizio, Abilità comunicative e Capacità di apprendimento degli studenti.

PROGRAMMA DEL CORSO

Didattica Erogativa (asincrona):

CHIMICA GENERALE

UD1: Struttura Atomica e Sistema (0.5 CFU)

·       La Chimica dall'inizio

·       Dall'atomismo al modello nucleare dell'atomo

·       Dal Modello Nucleare alla Descrizione Quantistica dell'Atomo

·       Orbitali atomici e configurazione elettronica di stato fondamentale

·       La Tavola Periodica degli Elementi e il suo Significato

·       Le Proprietà Periodiche

UD2: Il Legame Chimico, la Geometria Molecolare (1 CFU)

·       Natura dei Legami Chimici

·       Dalla Natura dei Legami alle Formule Chimiche

·       Le Formule di Lewis: il Dettaglio

·       La Forma delle Molecole

·       Il Legame di Valenza e l'Orbitale Molecolare

UD3: Nomenclatura, Reazioni Chimiche e Stechiometria (1 CFU)

·       Il Numero di Ossidazione

·       La Nomenclatura dei Composti Inorganici

·       Le Reazioni Chimiche

·       La Mole

UD4: Forze Intermolecolari e Proprietà Fisiche delle soluzioni (0.5 CFU)

·       Forze Intermolecolari e Stati della Materia

·       Lo Stato Liquido. Introduzione alle Soluzioni

·       La Concentrazione delle Soluzioni

·       Le Proprietà Colligative

UD5: Equilibrio Chimico ed Equilibrio Acido Base (1 CFU)

·       Bilanciamento delle Reazioni Chimiche Introduzione all'Equilibrio Chimico

·       L'Equilibrio Chimico

·       Il Principio di Le Châtelier

·       Ulteriori Aspetti degli Equilibri Acido-Base

·       Acidi e Basi di Lewis, Prodotto di Solubilità

UD6: Termochimica, Elettrochimica e Cinetica delle Reazioni (1 CFU)

·       Termodinamica Chimica: l’Entalpia

·       Termodinamica Chimica: l'Entropia

·       L'Energia Libera di Gibbs e il Criterio di Spontaneità

·       Cinetica Chimica

·       Elettrochimica

CHIMICA ORGANICA

UD7: Introduzione alla Chimica Organica e Reattività degli Idrocarburi (1 CFU)

·       Introduzione alla Chimica Organica

·       Idrocarburi e alcani

·       Idrocarburi saturi: analisi conformazionale di alcani e cicloalcani

·       Idrocarburi insaturi: gli alcheni

·       Le reazioni organiche: nucleofili ed elettrofili

·       Idrocarburi insaturi: reazioni degli alcheni

·       Alchini e risonanza

·       Benzene e composti aromatici

·       Reazioni del Benzene

·       Reazioni dei derivati del Benzene

UD8: Stereochimica e Sostituzione Nucleofila (Chiralità, Alogenuri, Alcoli, Eteri) (1 CFU)

·       Stereoisomeria

·       Stereochimica: proiezioni di Fischer e diastereisomeri

·       Alcoli ed eteri

·       Alogenuri alchilici e Reazioni di Sostituzione Nucleofila

UD9: Composti Carbonilici e Azotati (Acidi Carbossilici, Ammine e Derivati)  (1 CFU)

·       Aldeidi e Chetoni

·       Aldeidi e chetoni: reazioni di addizione nucleofila

·       Acidi carbossilici

·       Derivati degli Acidi carbossilici

·       Derivati degli Acidi carbossilici: esteri ed ammidi

·       Ammine

·       Ammine: preparazioni e reazioni

UD10: Chimica Bio-organica: Struttura e Funzione delle Biomolecole  (1 CFU)

·       Carboidrati

·       Carboidrati: mutarotazione e reazioni dei monosaccaridi

·       Carboidrati: di- e polisaccaridi

·       Ammino acidi e peptidi

·       Ammino acidi e peptidi: caratteristiche chimico-fisiche e legame peptidico

·       Amminoacidi e peptidi: struttura e classificazione dei peptidi

·       Lipidi: trigliceridi e fosfolipidi

·       Lipidi: terpeni e steroidi

Didattica Interattiva (sincrona):

NANOMEDICINA E MATERIALI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE

Vediamo come si possono sfruttare le conoscenze fondamentali per sviluppare tecnologie avanzate in ambito biomedico. Un viaggio nella nanomedicina e nella scienza  dei materiali che mostra l’importanza della chimica nell’ingegneria biomedica.

·       Nanomedicina 1: Introduzione alla Nanomedicina

·       Nanomedicina 2: Proprietà Meccaniche e Proprietà Ottiche

·       Nanomedicina 3: Proprietà Magnetiche e Proprietà Catalitiche

·       Nanomedicina 4: Come si Preparano i Nanomateriali

·       Nanomedicina 5: Come si Caratterizzano i Nanomateriali

·       Nanomedicina 6: Interazioni Nano-Bio

·       Nanomedicina 7: Ultrasmall e Biomimetico

·       Chimica E Diagnostica 1

·       Chimica E Diagnostica 2

·       Nanomateriali E Neuroscienze 1

·       Nanomateriali E Neuroscienze 2

·       Polimeri E Dispositivi Impiantabili 1

·       Polimeri E Dispositivi Impiantabili 2

·       Ricerca Bibliografica: Come si fa e come distinguere le fonti

·       Presenta un articolo di Nanomedicina 1: Journal Club

·       Presenta un articolo di Nanomedicina 2: Journal Club

·       Webinar 1: Seminario ospite esterno

·       Webinar 2: Seminario ospite esterno

Testi consigliati

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:

Brenna, M. E., D’Arrigo, P., & Raffaini, G. (2019). Fondamenti di chimica e chimica organica per ingegneria biomedica. Milano: McGraw-Hill Education. ISBN 978-1307296495. 

Lo studente avrà accesso al sistema di ricevimento on-line, uno strumento di interazione progettato specificamente per fornire supporto allo studio via interazione diretta tra docenti e allievi. A differenza dei webinar o delle sessioni di didattica sincrona, il ricevimento è pensato esclusivamente per l'assistenza individuale o a piccoli gruppi e avviene tramite Google Meet.

Il docente riceve settimanalmente, in particolare il Martedì dalle 9:30 alle 12:00. Tuttavia riceve anche in altri giorni/orari rispetto a quelli indicati accordandosi con il dovuto anticipo.

Modalità di ricevimento: Prenotare il meeting 48 ore prima inviando una mail all'indirizzo luca.boselli@uniroma5.it. Il docente invierà il link Google Meet per la videochiamata.

Modalità di accertamento dei risultati di apprendimento acquisiti dallo studente

L’accertamento dei risultati di apprendimento acquisiti dallo studente è finalizzato a verificare il raggiungimento delle conoscenze e delle capacità di comprensione dei principi fondamentali della chimica generale e della chimica organica, nonché la capacità di applicare tali conoscenze alla risoluzione di problemi e all’interpretazione di fenomeni chimici rilevanti per l’ingegneria biomedica.

La verifica mira inoltre a valutare la capacità dello studente di esporre in modo chiaro e corretto i contenuti disciplinari, di utilizzare un linguaggio scientifico appropriato e di sviluppare un ragionamento autonomo e coerente.

Modalità di esame

Nell’esame finale (durata di 30 minuti) si verificherà la padronanza dei contenuti, la capacità di collegare concetti, la capacità di ragionamento. Sarà possibile svolgere l’esame in due modalità:

·       nelle sedi decentrate mediante lo svolgimento su supporto informatico (tablet

appositamente dedicati) di un quiz a risposta multipla che prevede n°30 domande a risposta multipla.

·       in presenza nella sede di Roma: in questo caso l’esame potrà essere in forma esclusivamente orale o composto da un test scritto. L’esame orale consiste in un colloquio nel corso del quale il docente formula almeno tre domande.

I quesiti sono formulati per valutare il livello di raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi.

Il voto finale tiene conto del voto ottenuto dallo studente attraverso la partecipazione alla didattica interattiva e del voto ottenuto nell’esame finale ed è determinato, quindi, dalla somma delle due valutazioni. Il voto finale è espresso in trentesimi.

Propedeuticità

Per l’accesso all’insegnamento non sono previste propedeuticità obbligatorie, in quanto il corso è collocato al primo anno del percorso formativo e fornisce le basi chimiche fondamentali per gli insegnamenti successivi dell’area ingegneristica e biomedica.

L’insegnamento non richiede pertanto il superamento preliminare di altri esami formalmente registrati in carriera, secondo quanto stabilito dal Regolamento didattico del Corso di Studio.

Prerequisiti

Per una proficua comprensione dei contenuti dell’insegnamento e per il raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi, è utile che lo studente possieda le seguenti conoscenze di base, generalmente acquisite nei percorsi di istruzione secondaria superiore:

Matematica di base:

operazioni algebriche elementari, proporzioni, potenze, logaritmi, risoluzione di semplici equazioni, lettura e interpretazione di grafici.

Fisica di base:

concetti elementari di grandezze fisiche, unità di misura del Sistema Internazionale, energia, lavoro e carica elettrica.

Chimica di base (livello scuola superiore):

concetti introduttivi di atomo e molecola, elementi e composti, reazioni chimiche, stati della materia.

Competenze trasversali:

capacità di comprensione del testo scientifico, uso corretto del linguaggio matematico-scientifico e disponibilità allo studio autonomo.

Tali prerequisiti non costituiscono vincolo formale per l’accesso all’insegnamento, ma rappresentano conoscenze ritenute utili per affrontare in modo efficace lo studio della disciplina.