ECTS - University of Pisa
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ENGINEERING METHODS AND TECHNOLOGIES FOR REGENERATIVE MEDICINE
ARTI DEVI AHLUWALIA
Academic year2021/22
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code917II
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
METODI BIOINGEGNERISTICI PER LA MEDICINA REGENERATIVAING-INF/06LEZIONI60
SIMONA CELI unimap
CHIARA MAGLIARO unimap
TECNOLOGIE BIOMEDICHE PER LA MEDICINA RIGENERATIVAING-INF/06LEZIONI60
ARTI DEVI AHLUWALIA unimap
SIMONA CELI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

 A. obiettivo e’ di costruire conoscenze e strumenti per poter quantificare la cellularita’, organizzazione e apporto di nutrienti di tessuti in vivo e in vitro basandosi su considerazioni analitiche e numeriche per applicazione al campo della medicina rigenerativa.

B. obiettivo è quello di fornire conoscenze sulla formulazione FEM  presentata nell’ambito strutturale lineare sia 2D che 3D utilizzando sia il codice Ansys APDL che Ansys Workbench.

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. L’obiettivo e’ di consolidare le conoscenze acquisite nel primo modulo, utilizzando metodi computazionali ad elementi finiti.

B. obiettivo è quello di fornire conoscenze sulla formulazione FEM  presentata nell’ambito  fluidiodinamico in ambito bioingegneristico mediante il codice Ansys Workbench che Ansys Fluent
Knowledge

Technolgies for Regenerative Medicine

A. The objective is to build knowledge and instruments such that the student can quantify the cellularity, organization and nutrient supply of tissues in vivo and in vitro using both analytical and numeric considerations for application to regenerative medicine.

B. The aim is to provide knowledge on the FEM formulation presented in both 2D and 3D linear structures using both the ANSYS APDL and ANSYS Workbench code.

Biomimetic Intelligent Materials

A. The aim of the course is to compound the knowledge gained in the first module by solving problems using computational finite element methods.

B. The aim is to provide knowledge on the FEM formulation presented in the fluid dynamic field in the bioengineering field through the Ansys Workbench code that Ansys Fluent
Modalità di verifica delle conoscenze

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.

B.verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. Both during the lessons and during the final exam, problems and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.

B. verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.

 
Assessment criteria of knowledge

Technolgies for Regenerative Medicine

A.Capacity to describe the basic behaviour of cells and tissues using quantitative approaches.

B.Capacity to describe the basic FEM simulation

Biomimetic Intelligent Materials

A. 

B.Capacity to describe the basic CFD/FSI simulation
Capacità

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

 A.Eseguire analisi sulla cinematica della crescita, binding e adesione cellulare. Discutere i processi fisici che contribuiscono alla morfogenesi. Descrivere in modo quantitativo il consumo e diffusione di nutrienti in tessuti 3D e in monostrati 2D.

B. eseguire analisi strutturale 2D e 3D

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. Impostare geometrie adeguate in Comsol, stabilire equazioni di confine e dei domini appropriate. Identificazione di assial-simmetrie e appropriati space dimension per l'ottimizzazione dei tempi computazionali. Risolvere problemi di convezione, diffusione e reazione in modelli 3D di tessuti e scaffold. Presentare soluzioni utilizzando grafici, immagini o numeri.

B. eseguire analisi CFD/FSI 2D e 3D
Skills

Technolgies for Regenerative Medicine

A.Perform analyses on the kinematics of growth, binding and cell adhesion. Discuss the physical processes that contribute to morphogenesis. Quantitatively describe the consumption and diffusion of nutrients in 3D constructs and tissues and in 2D monolayers.

B.  Perform 2D and 3D  structural analysis linear/non linear

Biomimetic Intelligent Materials

A.Set up suitable geometries in Comsol, establish appropriate boundary and domain equations. Identify axial or other symmetries and appropriate space dimensions (ie coordinate system) to optimise computation times. Solve problems of convection, diffusion and reaction in 3D models of tissues and scaffolds. Present solutions using graphs, images or numbers.

B. Perform 2D and 3D  structural analysis CFD/FSI
Modalità di verifica delle capacità

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite

B.esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite anche attraverso il codice Ansys

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.Sia durante le lezioni sia in sede di esame finale verranno proposti allo studente esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite.

B. esercizi e quesiti che richiedono l'utilizzo delle capacità acquisite anche attraverso il codice Ansys
Assessment criteria of skills

Technolgies for Regenerative Medicine

A. Both during the lessons and during the final exam, problems and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.

B. during the final exam, problems and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.

 

Biomimetic Intelligent Materials

A. Both during the lessons and during the final exam, problems and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.

B. during the final exam, problems and questions that require the use of the acquired skills will be proposed to the students.
Comportamenti

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. 

I comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Comprensione base dell’interazione tra cellule e loro ambiente extra-cellulare;
  • Sensibilità nei confronti della analisi e della risoluzione di problematiche legate alla costruzione di tessuti e organi in vitro;
  • Sensibilità nella progettazione di ATMP (Advanced Therapy Medicinal Products) e modelli in vitro.

B. I comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Sensibilità dei risultati alla discretizzazione
  • modellazione 2D e 3D strutturale

Tecnologie per la Medicina Regenerativai

A. I comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Comprensione dei requisti base per costruire un modello di reazione, diffusione e convezione usando il programma Comsol.
  • Sensibilità nei confronti della analisi e della risoluzione di problematiche legate alla diffusione e reazione di ossigeno e glucosio in sistemi di coltura cellulare 2 e 3D.

 

B. I comportamenti che si ritiene lo studente possa acquisire sono:

  • Sensibilità dei risultati alla discretizzazione
  • modellazione 2D e 3D CFD/FSI
Behaviors

Technolgies for Regenerative Medicine

A.The student can acquire the following:

  • A basic understanding of cell-extracellular environment interaction;
  • Sensitivity towards the analysis and resolution of problems related to the construction of tissues and organs in vitro;
  • Sensitivity in the design of Advanced Therapy Medicinal Products (ATMP) and in vitro models.

 

B.  The behaviors that the student is expected to acquire are:

  • Understanding the basic requirements for building a FEM analysis
  • Sensitivity of results to discretization
  • 2D and 3D structural modeling

Biomimetic Intelligent Materials

A.  The student can acquire the following:

  • Understanding the basic requirements for building a reaction, diffusion and convection model using the Comsol program.
  • Sensitivity towards the analysis and resolution of problems related to the diffusion and reaction of oxygen and glucose in 2 and 3D cell culture systems.

B. The behaviors that the student is expected to acquire are:

  • Understanding the basic requirements for building a CFD /FSI analysis
  • Sensitivity of results to discretization 
  • 2D and 3D structural modeling
Modalità di verifica dei comportamenti

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. I comportamenti saranno verificati tramite:

  • Domande rivolte agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per verificare l’acquisizione e il consolidamento dei concetti trattati;
  • Svolgimento di esercizi in classe;

•Esame orale con esercizi

B. Esame orale con esercizi

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. I comportamenti saranno verificati tramite:

  • Domande rivolte agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per verificare l’acquisizione e il consolidamento dei concetti trattati;
  • Svolgimento di esercizi in classe;
  • Esame orale con esercizi

B. Esame orale con esercizi 
Assessment criteria of behaviors

Technolgies for Regenerative Medicine

A.Verification through:
•Questions addressed to students during the lectures, to verify the acquisition and consolidation of the concepts treated;
•Problem solving in the classroom;
•Oral exam with problem solving.

B.Verification through:

  • Oral exam with problem solving.
  • Questions addressed to students during the lectures, to verify the acquisition and consolidation of the concepts treated;

Biomimetic Intelligent Materials

A. Verification through:

  • Questions addressed to students during the lectures, to verify the acquisition and consolidation of the concepts treated;
  • Problem solving in the classroom;

•Oral exam with problem solving.

B. Verification through:

  • Oral exam with problem solving.
  • Questions addressed to students during the lectures, to verify the acquisition and consolidation of the concepts treated;
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.Sono necessarie conoscenze consolidate di base di fisica e matematica. Sono inoltre necessarie conoscenze relative a meccanica, chimica e biochimica e i fenomeni di trasporto

B. Sono necessarie conoscenze consolidate di base di fisica e matematica, disegno, meccanica dei solidi

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.Sono necessarie conoscenze consolidate di base di fisica e matematica. Sono inoltre necessarie conoscenze relative a meccanica, chimica e biochimica e i fenomeni di trasporto. Infine e’ necessario aver seguito il primo modulo per avere una conoscenza consolidata dell’analisi di consumo metabolico (OCR e GCR) di cellule e tessuti.

B. Sono necessarie conoscenze consolidate di base di fisica e matematica, disegno, meccanica dei fluidi

 
Prerequisites

Technolgies for Regenerative Medicine

A.Consolidated basic physics and mathematics knowledge is needed. Knowledge of mechanics, chemistry and biochemistry as well as transport phenomena is also required.  

B. Consolidated basic physics and mathematics knowledge is needed. Knowledge of mechanics

Biomimetic Intelligent Materials

A.Consolidated basic physics and mathematics knowledge is needed. Knowledge of mechanics, chemistry and biochemistry as well as transport phenomena is also required. Finally, it is necessary to have attended the first module so as to have prior consolidated knowledge on the analysis of the metabolic consumption of cells and tissues (OCR and GCR).

B. Consolidated basic physics and mathematics knowledge is needed. Knowledge of fluidmechanics
Indicazioni metodologiche

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.Attività didattiche:

  • Frequentando lezioni

 Metodi di insegnamento:

  • Lezioni
  • Apprendimento a base di attività / apprendimento basato sui problemi / apprendimento basato sulla ricerca

Presenza: consigliato

B. 

Attività didattiche:

  • Frequentando lezioni

 Metodi di insegnamento:

  • Lezioni
  • Apprendimento a base di attività / apprendimento basato sui problemi / apprendimento basato sulla ricerca

Presenza: consigliato

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. Attività didattiche:

  • Frequentando lezioni

 

Metodi di insegnamento:

  • Lezioni interattive usando computer (software COMSOL)
  • Apprendimento a base di attività / apprendimento basato sui problemi / apprendimento basato sulla ricerca

Presenza: consigliato

B. 

Attività didattiche:

  • Frequentando lezioni

 Metodi di insegnamento:

  • Lezioni
  • Apprendimento a base di attività / apprendimento basato sui problemi / apprendimento basato sulla ricerca

Presenza: consigliato
Teaching methods

Technolgies for Regenerative Medicine

A. Educational activities:

  • Attending lessons

 Teaching methods:

  • Lessons
  • Activity-based learning / problem-based learning / research-based learning

Presence: recommended

B. 

Educational activities:

  • Attending lessons

 Teaching methods:

  • Lessons
  • Interactive lessons using a computer and software (ANSYS)
  • Activity-based learning / problem-based learning / research-based learning

Presence: recommended

Biomimetic Intelligent Materials

A. Educational activities:

  • Attending lessons

 

Teaching methods:

  • Interactive lessons using a computer and software (COMSOL)
  • Activity-based learning / problem-based learning / research-based learning

Presence: recommended

B. Educational activities:

  • Attending lessons
  • Interactive lessons using a computer and software (ANSYS)

 Teaching methods:

  • Lessons
  • Activity-based learning / problem-based learning / research-based learning

Presence: recommended
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. ATMP e modelli in vitro
Cellule: crescita’, unita funzionale e cellularita’
Ligandi e recettori
Adesione e coesione cellualre
Morfogenesi e sviluppo
Meccanobiologia
Apporto di nutrienti in tessuti e scaffold

B.Programma

  • meccanica del continuo
  • modellazione 2D plane strain, plane stress, axialsimm. 
  • modellazione 3D
  • discrtetizzazioen mesh
  • analisi convergerza
  • non linearità
  • contatto

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. Ripasso dei metodi analitici utilizzati nel primo modulo;

Design dei bioreattori;

Introduzione all'ambiente Comsol;

Modelli 2D;

Modelli 3D;

Reazione e diffusione;

Accoppiamento multifisico di trasporto di moto e trasporto di massa.

 

B. Programma

  • meccanica dei fluidi
  • modellazione 2D plane  
  • modellazione 3D
  • discrtetizzazioen mesh
  • analisi convergerza
  • analisi laminare
  • analisi turbolenza
Syllabus

Technolgies for Regenerative Medicine

A. ATMP and in vitro models

Cells: growth, functional unit and cellularity

Ligands and receptors

Cell adhesion and cohesion

Morphogenesis and development

Mechanobiology

Nutrient supply in tissues and scaffolds

B.

Biomimetic Intelligent Materials

A.Overview of analytical methods used in first module;
Bioreactor design;
Introduction to the Comsol environment;
2D models;
3D models;
Reaction and diffusion;
Multiphysics coupling of momentum and mass transport.

B.
Bibliografia e materiale didattico

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. Dispensa e materiale didattico sul sito.

Libro consigliato: Mantero, Remuzzi, Raimondi, Ahluwalia. Fondamenti di Ingegneria dei Tessuti per la Medicina Rigenerativa

B. Materiale fornito sal docente,Slide delle lezioni, esercizi

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.Slide delle lezioni disponibili sul sito del corso.

B. Materiale fornito sal docente,Slide delle lezioni, esercizi
Bibliography

Technolgies for Regenerative Medicine

A. Course notes and slides on the course website.

Recommended textbook: Mantero, Remuzzi, Raimondi, Ahluwalia. Fondamenti di Ingegneria dei Tessuti per la Medicina Rigenerativa

B.

Biomimetic Intelligent Materials

A.Slides available on the course website

B.
Indicazioni per non frequentanti

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A. Dispensa disponible sulla homepage

B. contattare il docente per il materiale

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A. contattare il docente per il materiale

B.contattare il docente per il materiale
Non-attending students info

Technolgies for Regenerative Medicine

A.

B.direct contact by email

Biomimetic Intelligent Materials

A.

B. direct contact by email
Modalità d'esame

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.Orale con teoria e esercizi 

B.Orale con teoria e esercizi al computer usando Ansys

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.Orale con esercizi da svolgere al computer usando Comsol.

B.Orale con teoria e esercizi al computer usando Ansys
Assessment methods

Technolgies for Regenerative Medicine

A.Oral exam with theory and calculations

B.Oral exam with theory, calculations and problem solving using Ansys

Biomimetic Intelligent Materials

A.Oral with problem solving using Comsol

B.Oral exam with theory, calculations and problem solving using Ansys (FLUENT)
Altri riferimenti web

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.http://www.centropiaggio.unipi.it/course/meccanobiologia.html

B.

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.

B.
Additional web pages

Technolgies for Regenerative Medicine

A.

B.

Biomimetic Intelligent Materials

A.

B.
Note

Metodi bioingegneristici per la medicina regenerativa

A.

B.

Tecnologie per la Medicina Regenerativa

A.

B.
Notes

Technolgies for Regenerative Medicine

A.

B.

Biomimetic Intelligent Materials

A.

B.
Updated: 08/09/2021 11:18