Academic year2023/24
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code1002I
Credits9
PeriodSemester 2
LanguageEnglish
Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
BIOMATERIALS | ING-IND/22 | LEZIONI | 72 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Dopo il completamento del corso, gli studenti:
- Conoscere le tecniche avanzate di biofabbricazione (dalla macro alla nanoscala)
- Conoscere le moderne tecniche analitiche e di imaging per la caratterizzazione dei biomateriali
- Conoscere gli aspetti normativi più importanti per la traduzione clinica.
Knowledge
After the completion of the course, the students will:
- Know the advanced biofabrication techniques (from macro-to-nanoscale)
- Know the modern analytical and imaging techniques for characterization of biomaterials
- Know the most important regulatory aspects for clinical translation.
Modalità di verifica delle conoscenze
La conoscenza verrà valutata tramite:
- 5 compitini durante corso (per esame da 9 CFU) oppure 4 compiti in corso (per esame da 6 CFU)
- esame finale.
Assessment criteria of knowledge
Knowledge will be assessed via:
- 5 ongoing assignments (for 9 CFU exam) or 4 ongoing assignments (for 6 CFU exam)
- final exam.
Capacità
Dopo il completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:
- Dimostrare capacità di comunicazione e lavoro di squadra efficaci attraverso presentazioni e rapporti tecnici
- Dimostrare capacità di comprendere la letteratura scientifica.
Skills
After the completion of the course, the students will be able to:
- Demonstrate effective communication and teamwork skills through technical presentations and reports
- Demonstrate capability of understanding the scientific literature.
Modalità di verifica delle capacità
Le competenze verranno valutate tramite:
- lavori di gruppo durante il corso
- esame finale.
Assessment criteria of skills
Skills will be assessed via:
- ongoing group assignments
- final exam.
Comportamenti
Dopo il completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:
- Comprendere l'interazione tra biomateriali e sistemi biologici,
- Comprendere i principi fondamentali dei biomateriali e le loro proprietà,
- Comprendere i requisiti e le scelte nella progettazione dei biomateriali.
Behaviors
After the completion of the course, the students will be able to:
- Understand the interaction between biomaterials and biologic systems,
- Understand the fundamental principles of biomaterials and their properties,
- Understand requirements and choices in biomaterials design.
Modalità di verifica dei comportamenti
I comportamenti verranno valutati tramite:
- discussione e domande in classe
- lavori di gruppo in corso
- esame finale.
Assessment criteria of behaviors
Behaviors will be assessed via:
- class discussion and questions
- ongoing group assignments
- final exam.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
- Aver frequentato un corso base sui polimeri (consigliato).
- Questo corso fornisce le basi della biologia necessarie per comprendere i concetti dei biomateriali; può essere seguito da studenti con background non biologico.
Prerequisites
- Having attended a basic course on polymers (suggested).
- This course provides basics of biology necessary for understanding the biomaterials concepts; it can be followed by non-biological background students.
Corequisiti
- Se non fatto prima, frequentare un corso base sui polimeri nello stesso semestre di Biomateriali (consigliato).
- Questo corso fornisce le basi della biologia necessarie per comprendere i concetti dei biomateriali; può essere seguito da studenti con background non biologico.
Co-requisites
- If not done before, attending a basic course on polymers in the same semester of Biomaterials (suggested).
- This course provides basics of biology necessary for understanding the biomaterials concepts; it can be followed by non-biological background students.
Prerequisiti per studi successivi
Questo corso abilita ai corsi di:
- Materiali per applicazioni speciali (2° anno), (consigliato)
- Produzione di nanocompositi per applicazioni biomediche (2° anno), (suggerito)
- Interazioni tra biofluidi e materiali (2° anno), (suggerito).
Prerequisites for further study
This course enables the courses of:
- Materials for special applications (2nd year), (suggested)
- Manufacturing of nanocomposites for biomedical applications (2nd year), (suggested)
- Biofluids and materials interactions (2nd year), (suggested).
Indicazioni metodologiche
Le diapositive vengono fornite in anticipo ad ogni lezione.
Insegnamento interattivo, comprese discussioni in classe.
Teaching methods
Slides are provided in advance to each class.
Interactive teaching, including class discussions.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Introduzione al Corso: Definizioni di biomateriali e Biocompatibilità; Prospettiva storica dei biomateriali (generazioni di biomateriali); Multidisciplinarietà.
- Biocompatibilità: Fattori che influenzano la biocompatibilità (tossicità, agenti patogeni, meccanica; interazione cellula-biomateriale); cellule; Cellule del sangue; Infiammazione (acuta e cronica); Reazione da corpo estraneo; Incapsulamento fibrotico. Il sistema immunitario; Immunità innata e immunità adattativa; Immunità cellulo-mediata e immunità umorale; Anticorpi (immunoglobuline); linfociti T e B; Insufficienza del sistema immunitario (ipersensibilità, allergia, autoimmunità e immunodeficienza); Tossicità sistemica e ipersensibilità ai biomateriali impiantati (dose, tempo di esposizione, effetti sinergici, ioni metallici e apteni); Compatibilità del sangue (formazione e riassorbimento di coaguli di fibrina); Cancerogenesi associata a biomateriali impiantati.
- Polimeri biodegradabili. Concetti generali di: biodegradazione, bioriassorbimento e bioassorbimento; Classi di polimeri biodegradabili; Biotecnologie (tecnologia del DNA ricombinante e ingegneria genetica, PHA). Biopolimeri naturali: polisaccaridi (destrano, chitosano, ialuronato, alginato); Proteine (collagene, gelatina, elastina). Polimeri sintetici: Poliesteri alifatici (PLA, PGA, PLGA, PCL, PHAs, PHBs); Polianidridi; Poliortoesteri, Poliammidi, Poliamminoacidi; Polifosfazeni. Meccanismi di degrado: Degrado ed erosione; Sfusa e di superficie; Fattori che influenzano il degrado; Degradazione idrolitica e fenomeni autocatalitici; Casi studio. Modellistica del degrado (fondamenti): Empirica, semiempirica, meccanicistica (deterministica e stocastica).
- Ingegneria dei tessuti: storia; Fatti e cifre; Paradigma dell'ingegneria tissutale e biomateriali di terza generazione. Classificazioni: Ingegneria dei Tessuti in vitro e in vivo; Medicina rigenerativa; Terapia cellulare; Triade dell'ingegneria tissutale (cellule, impalcatura, segnali). La cellula: origine della cellula e tipo di cellula; Cellule staminali: definizioni (staminalità, potenza e differenziamento); Tipi (embrionale, adulto e pluripotente indotto); Cellule staminali mesenchimali. Lo scaffold: selezione dei biomateriali e fattori di dimensionalità; Requisiti dell'impalcatura; Fattori di impalcatura che influenzano la crescita e la differenziazione cellulare (rigidità, architettura, porosità, dimensione dei pori, interconnettività dei pori, geometria dei pori, stabilità meccanica); Tecnologie di fabbricazione di impalcature (fibre bonding, fabbricazione di forme libere solide, stereolitografia, elettrofilatura e metodi di impalcature non fibrose). Segnali: Biochimici (solubili e fattori di superficie); Fisico-chimico (chimica delle superfici, elasticità dei biomateriali, bioreattori); Topografico.
- Sistemi di micro e nanoparticelle. Introduzione: dimensione e forma; Microparticelle: Polimeri naturali (chitosano, alginato, gelatina) e polimeri sintetici bioriassorbibili (PDLA, PLGA, PGL, POE); Biodegradazione e usi; Preparazione di microparticelle (evaporazione del solvente a emulsione singola e doppia, precipitazione e coacervazione, essiccazione a spruzzo, gelificazione ionica); Produzione industriale (esempio). Particelle submicrometriche: liposomi e micelle. Nanoparticelle: proprietà dipendenti dalla dimensione (metalli nobili, materiali magnetici, punti quantici, polimeri e lipidi, silice, carbonio, materiali piezoelettrici); Funzionalizzazione superficiale (assorbimento passivo e bioconiugazione); Nanotossicità.
- Idrogel: introduzione e classificazioni; reticolazione e punti di legame; Sintesi (Formazione di radicali liberi, chimica, enzimatica, stereocomplessi); Rigonfiamento (Equilibrio e teoria di Flory-Huggins, gradi di rigonfiamento volume e peso); Caratterizzazione dell'idrogel (frazione volumetrica del polimero allo stato rigonfio, peso molecolare medio tra i legami crociati, dimensione delle maglie); Viscoelasticità; Trasporto dei soluti (legge di Fick). Idrogel biomedici: Acrilici (PHEMA, poliacrilammidi e copolimeri, reti compenetranti); PVA; PEG e PEO; Degradabile (idroliticamente ed enzimaticamente); Idrogel di polimeri stellari e dendrimerici. Idrogel sensibili agli stimoli: pH- (punto isoleletrico anionico e cationico, sintetico e naturale); termo- (temperature critiche superiore e inferiore della soluzione, PNIPAAm, effetto cerniera); chimicamente (es. glucosio); foto-; elettricamente-; idrogel meccanicamente reattivi (addensanti al taglio).
- Metalli e corrosione: biometalli; Biofluidi; pH nei diversi fluidi e condizioni fisiopatologiche; Panoramica storica dei metalli negli impianti ortopedici (acciai inossidabili, leghe di cobalto e leghe di titanio); Requisiti generali dei biomateriali metallici (corrosione, usura e fatica); Concetti generali di corrosione e perdita di massa (legge di Faraday, curve anodiche e catodiche, comportamento attivo-passivo, corrente e potenziale di corrosione/passivazione); Tossicità e allergia ai metalli; Supporti metallo-plastici e UHMWPE; Anatomia dell'anca; Protesi dell'anca (cementata e non cementata); protezione dalle sollecitazioni e finitura superficiale; Cemento PMMA e inconvenienti; mobilizzazione (settica e asettica) e protesi provvisorie dell'anca; Acciai inossidabili (sensibilizzazione e AISI 316L); Leghe di cobalto (F75, F90, F562, F563); Titanio e leghe di Ti (Ti6Al4V). Corrosione negli impianti ortopedici: corrosione da attacco generale (tasso di accumulo nel corpo umano); Corrosione galvanica; vaiolatura; Corrosione interstiziale; Fatica da corrosione. Ambiente orale (composizione chimica, potenziale REDOX, pH, variazioni di temperatura e sistema tampone nella saliva); Fluidi orali e interstiziali; Soluzioni artificiali (saliva artificiale, soluzione Ringer); Odontoiatria; Danni ai denti (carie dentale, carie dei denti anteriori e posteriori, denti mancanti/persi); Restauri dentali (amalgame, protesi parziali fisse, protesi parziali rimovibili, impianti pergengivali). Materiali in Odontoiatria: Amalgami (effetti di Cu, Sn e Hg); Leghe di metalli nobili (per corone, ponti e protesi); Leghe di metalli comuni (Co-Cr e Ni); Titanio e leghe di titanio (implantologia orale, fili, modellabilità, Nitinol, memoria di forma e superelasticità); Corrosione e opacizzazione (dolore galvanico, cariogenesi e allergia, microrganismi orali acido-produttori e solfato-riduttori). Percorsi attuali nei restauri metallici dei denti (singolo senza contatto, due senza contatto, due opposti con contatto intermittente, adiacenti in contatto continuo).
- Produzione additiva per applicazioni di ingegneria tissutale. Reverse engineering e progettazione assistita da computer (CAD). Tecnologie di microfabbricazione: Sinterizzazione laser selettiva (SLS); Stereolitografia, polimerizzazione a 2 fotoni (2PP); Tracciatura 3D; Stampa 3D; Modellazione a deposizione fusa (FDM); soluzione o elettrofilatura a fusione. Esempi di applicazioni nell'incapsulamento di ossa, cartilagine, timpano e isole beta pancreatiche. Esempi di rigenerazione di tessuti complessi e Bioprinting.
- Elettrofilatura ed elettrospray. Caso pratico. Preparazione di soluzioni polimeriche. Principi dell'elettrofilatura e tipologie di collettori. Parametri di lavoro utilizzando l'elettrofilatura: solvente, ago, tensione, portata, distanza ago-collettore, velocità di rotazione del collettore. Problemi frequenti e soluzioni tecniche (ad esempio, formazione di perle nelle fibre; formazione di fibre nelle nanoparticelle).
- Bioceramiche: Definizioni generali di Ceramica, Vetro e Vetro Ceramica; tipologie di Bioceramiche (Bioinerti, Bioattive, Bioriassorbibili); Classificazioni delle bioceramiche in base all'adesione tissutale (densa quasi inerte, microporosa quasi inerte, reattiva in superficie, riassorbibile). Caratteristiche e lavorazione: diagramma di equilibrio termico per l'ossido che forma la rete (SiO2) e l'ossido modificatore della rete arbitrario (MO); spruzzatura del plasma, sinterizzazione in fase liquida e allo stato solido; proprietà meccaniche. Bioceramica nei dispositivi medici: Ceramiche dense quasi inerti (allumina e zirconia in ortopedia e odontoiatria, proprietà tribologiche); Ceramiche porose (dimensione dei pori e interconnettività); Vetri bioattivi e vetroceramiche (strato carbonatico biologicamente attivo, confine di legame osseo bioattivo, stadi di reazione di bioattività); Ceramiche bioriassorbibili al fosfato di calcio (matrice minerale ossea, idrossiapatite, fosfati tricalcici, degradazione e comportamenti meccanici).
- Biomateriali per la pelle. Tessuto connettivo. Sostanza fondamentale: sostanza amorfa (glicosaminoglicani, glicoproteine, proteoglicani) e componente fibrillare (collagene, fibre elastiche e reticolari), cellule del tessuto connettivo (residenti e circolanti), tipologie di tessuti connettivi, colorazioni istochimiche di base. Epiteli: membrana basale, classificazione degli epiteli di rivestimento in base alla forma cellulare e al numero di strati, epidermide. Pelle: struttura dei tessuti, ferita e processo di guarigione delle ferite; Modelli di pelle in vitro (colture cellulari, equivalenti cutanei) e in vivo (topi immunodeficienti, topi diabetici, coniglio, maiale), vantaggi e limiti. Materiali bioattivi nella guarigione delle ferite cutanee e nella medicazione delle ferite (PLGA, copolimero PEG-DL-lattide, collagene, acido ialuronico, nanoparticelle lipidiche) per il rilascio di fattori di crescita (VEGF, PDGF, EGF, bFGF. IGF, TGF-β). Nuove tendenze che utilizzano biomateriali oceanici (collagene di salmone, alginati, chitina/chitosano, fucoidan, carragenina, ulvano), sostituti acellulari della pelle e cellule staminali.
- Biomateriali per la cartilagine. Tipi di cartilagini: ialina, elastica e fibrosa. Composizione della cartilagine: connessione delle fibrille di collagene di tipo 2 con sostanza amorfa. Descrizione istologica delle cartilagini. Cellule della cartilagine. Pericondrio. Cartilagine articolare: Proprietà meccaniche, diversi strati, patologie (difetto focale, degenerazione), trattamenti (microfrattura, mosaicoplastica, protesi di ginocchio, trapianto autologo di condrociti, terapie con cellule staminali mesenchimali) e limiti. Scaffold 3D per cartilagine articolare (porosità - dimensione della maglia - rigidità dinamica), scaffold per difetti osteocondrali, interconnettività dei pori, effetto dell'architettura dello scaffold, chimica e fabbricazione. Fibrocartilagine: morfologia del disco intervertebrale e del menisco, patologia (degenerazione, ernia) e trattamenti. Cartilagine elastica: padiglione auricolare ed epiglottide, morfologia, patologie (anotia, microtia, malattie autoimmuni). Idrogel, polimeri biodegradabili e biostabili per cartilagine. Modelli 3D di condroscarcoma.
- Biomateriali per l'osso. Tessuto osseo (compatto, spugnoso), tipi di osso (lungo, corto, piatto, dispari), composizione (matrice minerale e organica), struttura lamellare (osteon, canali di Harves e Volkmann, osteociti) e periostio, lineage osteogenico e turnover, meccanosensing, osteoclasti e rimodellamento osseo, omeostasi ossea e vitamina D. Proprietà viscoelestiche, proprietà meccaniche delle fibre di collagene, osso compatto e spugnoso (funzione della porosità), modulo di Young in diversi tipi di osso. Patologie e difetti ossei (resezione tumorale, ricostruzione mandibolare, difetti cranici, osteoporosi, pseudoartrosi). Biomateriali: innesto osseo, polimeri bioriassorbibili (PLA, TCP, compositi, gel di fibrina, trimetilene carbonato e polidiossanone) per dispositivi bulk (gabbie e viti) e ingegneria tissutale nei difetti ossei degli arti, della colonna vertebrale e craniofacciali. Problemi di vascolarizzazione.
- Biomateriali per tendini/legamenti (T/L). Proprietà meccaniche (resilienza, modulo di Young) e struttura gerarchica dalla molecola di collagene a tripla elica ai tessuti, composizione T/L e cellule (tenociti, fibroblasti legamentosi). Legamenti: tipi e funzione: legamento crociato anteriore (LCA), legamento collaterale mediale (MCL). Infortuni e oneri T/L. Fluoropolimeri (parzialmente fluorurati e perfluorurati) e loro proprietà meccaniche: PVDF, piezoelettricità e fase beta; PTFE, ePTFE (Teflon) e Goretex, porosità. Fibre di carbonio. Biotessili (tessuti, maglieria, trecce e non tessuti). Biomateriali sintetici per la sostituzione del T/L (Gore-Tex, PEEK e fibre di carbonio, Dacron). Biomateriali per l'ingegneria tissutale T/L: requisiti e tipologie: innesti, biologici (fibroina della seta), sintetici (poliidrossiesteri, PHBHHx, compositi). Biomateriali per regioni di transizione T/L (giunzioni muscolo-tendine e legamento-osso).
- Biomateriali per l'orecchio (caso studio sugli organi di senso). Anatomia dell'orecchio: compartimento esterno (padiglione auricolare, canale uditivo), medio (timpano, ossicini) e interno (apparato vestibolare e coclea). Fisiologia dell'orecchio: trasmissione del suono conduttiva e neurosensoriale. Cenni sull'organo vestibolare e sull'equilibrio. Organo cocleare: dotti, fluidi (perilinfa, endolinfa), organo del Corti, cellule ciliate (interne, esterne), sinapsi dei neuroni sensoriali, trasduzione meccano-elettrica. Patologie dell'orecchio. Biomateriali per il canale uditivo e il padiglione auricolare. Biocompatibilità e biomateriali dell'orecchio medio: sostituzioni della membrana timpanica (innesti, materiali biologici/fattori di crescita) e nuovi approcci tramite produzione additiva/elettrofilatura (PEOT/PBT) per indurre l'allineamento delle cellule staminali; Protesi per ossiculoplastica (cartilagine, plastiche porose, ceramiche bioattive, titanio, idrossiapatite) e nuovi approcci tramite tecniche di ingegneria tissutale e CAD-CAM. Impianto cocleare e nuovo approccio tramite biomateriali piezoelettrici (ceramica/PVDF).
- Biomateriali per i muscoli: scheletrico, liscio, cardiaco. Proprietà biomeccaniche (rigidità) dei muscoli. Muscolo scheletrico: collagene ECM (fascia, epimisio, perimisio, endomisio), organizzazione gerarchica dei tessuti (miofibrille fino alla fibra muscolare, mioblasti), unità funzionale (sarcomero), proteine contrattili (actina e miosina, filamenti sottili e spessi), proteine regolatrici, distrofina, reticolo sarcoplasmatico, meccanismi di contrazione (bande dei sarcomeri, ciclo ATP-ADP e Ca++); rigenerazione e riparazione del muscolo scheletrico; patologia: malattie ereditarie (distrofie muscolari) e acquisite (traumi, resezione tumorale); strategie di medicina rigenerativa in vitro e vivo; biomateriali sintetici, naturali, ibridi e idrogel, spunti topografici ed elettromeccanici. Muscoli lisci: localizzazioni, fibrocellule e proteine di contrazione; biomateriali per innesti vascolari (Dacron) e porosità.
- Drug Delivery Systems (DDS): Introduzione (definizione di DD, DDS tradizionale). Principi, origini, evoluzione e vantaggi dei Sistemi di Somministrazione Controllata dei Farmaci (CDDS): Storia del CDDS, categorizzazione dei DDS in base alla dimensione: DDS su macroscala (DDS a tasso di somministrazione costante di “ordine zero”); DDS su macroscala e microscala (DDS con tasso di consegna sostenuto, sito specifico); DDS su nanoscala (DDS mirato). DDS su nanoscala (DDS mirato): targeting passivo e attivo. Deposito iniettato DDS: depositi di microparticelle (microsfere), sistemi di deposito a separazione di fase. Impianti e inserti: sistemi non degradabili e biodegradabili. Caso di studio: fibre PCL contenenti nanoparticelle di gelatina caricate con farmaci.
- Biomateriali per il cancro: definizione, origine ed evoluzione del cancro; Tumori primari e secondari; Carcinomi, Sarcomi, Microambiente tumorale (TME), ingegneria dei tessuti tumorali e applicazioni per lo studio della migrazione delle cellule tumorali, invasività, transizione epiteliale-mesenchimale (EMT), esempi di modelli 3D per lo studio dell'adenocarcinoma duttale pancreatico, carcinoma a cellule squamose della testa e del collo, carcinoma epatocellulare , osteosarcoma, tumori sinonasali. Dispositivi impiantabili basati su biomateriali per combattere il cancro: wafer per chemioterapia (copolimero di etilene vinil acetato, copolimero di acido sebacico polianidride), per terapia genica (erogazione di sequenze di anticorpi monoclonali) e per immunoterapia (immunotolleranza, somministrazione di anticorpi monoclonali, inibitori del checkpoint immunitario, vaccini contro il cancro, scaffold impiantabili come vaccini contro il cancro). Micro/nanorobot. Biomateriali antimicrobici: infezioni associate ai biomateriali, polimeri antimicrobici, polimeri intrinsecamente biocidi, compositi ceramici/polimerici antimicrobici, superidrofobicità, strutture superficiali antimicrobiche. Biomateriali immunomodulatori: trappole di citochine, nanofibrille di chitina, nanoparticelle bioattive.
- Biomateriali antimicrobici: infezioni associate ai biomateriali, polimeri antimicrobici, polimeri intrinsecamente biocidi, compositi ceramici/polimerici antimicrobici, superidrofobicità, strutture superficiali antimicrobiche. Biomateriali immunomodulatori: trappole di citochine, nanofibrille di chitina, nanoparticelle bioattive. Biomateriali per batterioterapia.
- Sterilizzazione di biomateriali e dispositivi: mediante radiazioni (gamma, beta, fascio di elettroni e raggi X) vapore chimico (ossido di etilene), calore umido, liquido chimico, plasma, CO2 supercritica; Meccanismi di uccisione microbica; Compatibilità dei materiali (effetti sulla chimica dei polimeri, degradazione e proprietà meccaniche). Commercializzazione dei biomateriali: considerazioni di mercato sull'industria biomedica; Dall'idea al mercato; Proprietà intellettuale; Problemi di costi. Aspetti normativi: validazione del prodotto da parte degli Istituti Regolatori Nazionali; Convalida della biocompatibilità (test di citotossicità ISO 10993; ISO 10993-5); marchio CE; Studi clinici (randomizzati versus osservazionali prospettici); Aspetti etici (Dichiarazione di Helsinki, GLP, GMP, GCP); Dispositivo medico e medicinale per terapia avanzata. Fallimento dell’impianto e valutazione del rischio.
- Principi 3R per la sperimentazione alternativa dei biomateriali: sostituzione, riduzione e perfezionamento.
Syllabus
- Introduction to the Course: Definitions of biomaterials and Biocompatibility; Historic perspective of biomaterials (biomaterials generations); Multidisciplinarity.
- Biocompatibility: Factors impacting biocompatibility (toxicity, pathogens, mechanics; cell-biomaterial interaction); Cells; Blood cells; Inflammation (acute and chronic); Foreign body reaction; Fibrotic encapsulation.The immune system; Innate immunity and adaptive immunity; Cell-mediated immunity and humoral immunity; Antibodies (immunoglobulins); T and B lymphocytes; Failure of immune system (hypersensitivity, allergy, autoimmunity and immunodeficiency); Systemic toxicity and hypersensitivity to implanted biomaterials (dose, exposure time, synergistic effects, metal ions and haptens); Blood compatibility (fibrin clot formation and resorption); Carcinogenesis associated to implanted biomaterials.
- Biodegradable polymers. General concepts of: biodegradation, bioresorption and bioabsorption; Classes of biodegradable polymers; Biotechnologies (recombinant DNA technology and genetic engineering, PHAs). Natural biopolymers: polysaccharides (dextran, chitosan, hyaluronan, alginate); Proteins (collagen, gelatin, elastin). Synthetic polymers: Aliphatic polyesters (PLA, PGA, PLGA, PCL, PHAs, PHBs); Polyanhydrides; Polyorthoesters, Polyamides, Polyaminoacids; Polyphosphazenes. Degradation mechanisms: Degradation and erosion; Bulk and surface; Factors affecting degradation; Hydrolitic degradation and autocatalytic phenomena; Case studies. Degradation modeling (basics): Empirical, semiempirical, mechanicistic (deterministic and stochastic).
- Tissue Engineering: History; Facts and figures; Tissue Engineering paradigm and 3rd generation biomaterials. Classifications: in vitro and in vivo Tissue Engineering; Regenerative medicine; Cell therapy; Tissue Engineering triad (cells, scaffold, signals). The cell: cell source and cell type; Stem cells: definitions (stemness, potency and differentiation); Types (embryonic, adult and induced pluripotent); Mesenchymal stem cells. The scaffold: biomaterial selection and dimensionality factors; Scaffold requirements; Scaffold factors influencing cell growth and differentiation (stiffness, architecture, porosity, pore size, pore interconnectivity, pore geometry, mechanical stability); Scaffold fabrication technologies (fiber bonding, solid free form fabrication, stereolythography, electrospinning and non-fibrous scaffolding methods). Signals: Biochemical (soluble and surface-factors); Physico-chemical (surface chemistry, biomaterial elasticity, bioreactors); Topographical.
- Micro & Nanoparticle systems. Introduction: size and shape; Microparticles: Natural polymers (chitosan, alginate, gelatin) and bioresorbable synthetic polymers (PDLA, PLGA, PGL, POE); Biodegradation and uses; Microparticle preparation (single & double emulsion solvent evaporation, precipitation and coacervation, spray drying, ionic gelation); Industrial production (example). Sub-micrometric particles: Lyposomes and micelles. Nanoparticles: size dependent properties (noble metals, magnetic materials, quantum dots, polymers and lipids, silica, carbon, piezoelectric materials); Surface functionalization (passive absorption and bioconjugation); Nanotoxicity.
- Hydrogels: Introduction and classifications; cross-linking and tie-points; Synthesis (Free radical, chemical, enzymatic, stereo-complex formation); Swelling (Equilibrium and Flory-Huggins theory, volume and weight degrees of swelling); Hydrogel characterization (polymer volume fraction in swollen state, average molecular weight between crosslinks, mesh size); Viscoelasticity; Solute transport (Fick's law). Biomedical hydrogels: Acrylic (PHEMA, polyacrylamides and copolymers, interpenetrating networks); PVA; PEG and PEO; Degradable (hydrolitically and enzymatically); Star-polymer and dendrimer hydrogels. Stimuli-responsive hydrogels: pH- (anionic and cationic, synthetic and natural, isolectric point); thermo- (upper and lower critical solution temperatures, PNIPAAm, zipper effect); chemically- (es. glucose); photo- ; electrically- ; mechanically-responsive (shear-thickening) hydrogels.
- Metals and Corrosion: Biometals; Biofluids; pH in different fluids and physio-pathological conditions; Historic overview of metals in orthopedic implants (stainless steels, cobalt alloys and titanium alloys); General requirements of metallic biomaterials (corrosion, wear and fatigue); General concepts of corrosion and mass loss (Faraday's law, anodic and cathodic curves, active-passive behavior, corrosion/passivation current and potential); Toxicity and allergy to metals; Metallic-plastic supports and UHMWPE; Hip anatomy; Hip prosthesis (cemented and uncemented); stress shielding and surface finishing; PMMA cement and drawbacks; mobilization (septic and aseptic) and temporary hip prosthesis; Stainless steels (sensibilization and AISI 316L); Cobalt alloys (F75, F90, F562, F563); Titatium and Ti alloys (Ti6Al4V). Corrosion in orthopedic implants: General attack corrosion (accumulation rate in the human body); Galvanic corrosion; Pitting; Crevice corrosion; Corrosion fatigue. Oral environment (chemical composition, REDOX potential, pH, temperature variations and buffer system in saliva); Oral versus interstitial fluids; Artificial solutions (artificial saliva, Ringer solution); Dentistry; Tooth damages (dental caries, anterior and posterior teeth decay, missing/lost teeth); Tooth restorations (amalgams, fixed partial denture, removable partial denture, pergengival implants). Materials in Dentistry: Amalgams (effects of Cu, Sn and Hg); Noble metal alloys (for crowns, bridges and dentures); Base metal alloys (Co-Cr and Ni); Titanium and Ti-alloys (oral implantology, wires, moldability, Nitinol, shape-memory and super elasticity); Corrosion and opacification (galvanic pain, cariogenesis and allergy, acid-producing and sulfate-reducing oral micro-organisms). Current pathways in metallic restorations of teeth (single non-contact, two non-contact, two opposite with intermittent contact, adjacent in continuous contact).
- Additive manufacturing for tissue engineering applications. Reverse engineering and computer assisted design (CAD). Microfabrication technologies: Selective laser sintering (SLS); Stereolithography, 2 photon polymerization (2PP); 3D plotting; 3D Printing; Fused deposition modeling (FDM); solution or melt electrospinning. Examples of applications in bone, cartilage, eardrum and pancreatic beta-islet encapsulation. Examples of complex tissue regeneration and Bioprinting.
- Electrospinning and electrospray. Practical case. Preparation of polymer solutions. Principles of electrospinning and types of collectors. Working parameters using electrospinning: solvent, needle, voltage, flow rate, needle-to-collector distance, rotational speed of collector. Frequent problems and technical solutions (e.g., bead formation in fibers; fiber formation in nanoparticles).
- Bioceramics: General definitions of Ceramics, Glasses & Glass Ceramics; types of Bioceramics (Bioinert, Bioactive, Bioresorbable); Classifications of Bioceramics according to tissue attachment (dense nearly-inert, microporous nearly-inert, surface reactive, resorbable). Characteristics & Processing: Thermal equilibrium diagram for network forming oxide (SiO2) and arbitrary network modifier oxide (MO); plasma sprying, liquid-phase and solid-state sintering; mechanical properties. Bioceramics in medical devices: Dense nearly-inert ceramics (alumina and zirconia in orthopedics and dentistry, tribological properties); Porous ceramics (pore size and interconnectivity); Bioactive glasses & glass ceramics (biologically-active carbonated layer, bioactive bone-bonding boundary, bioactivity reaction stages); Bioresorbable Calcium Phosphate Ceramics (bone mineral matrix, hydroxyilapatite, tricalcium phosphates, degradation and mechanical behaviors).
- Biomaterials for skin. Connective Tissue. Ground substance: amorphous substance (glycosaminoglycans, glycoproteins, proteoglycans) & fibrillar component (collagen, elastic and reticular fibers), cells of connective tissue (resident and circulating), types of connective tissues, basic histochemical staining. Epithelia: basal membrane, classification of covering epithelia according to cell shape and layer number, epidermis. Skin: tissue structure, wound and wound healing process; Skin models in vitro (cell cultures, skin equivalents) and in vivo (immunedeficient mice, diabete mice, rabbit, pig), advantages & shortcomings. Bioactive materials in skin wound healing and wound dressing (PLGA, PEG-DL-lactide copolymer, collagen, hyaluronan, lipid nanoparticles) for growth factor delivery (VEGF, PDGF, EGF, bFGF. IGF, TGF-β). New trends using oceanic biomaterials (salmon collagen, alginates, chitin/chitosan, fucoidan, carragenan, ulvan), acellular skin substitutes and stem cells. (SERENA DANTI)
- Biomaterials for cartilage. Types of cartilages: hyalin, elastic and fibrous. Cartilage composition: connection of collagen type 2 fibrils with amorphous substance. Histologic description of cartilages. Cartilage cells. Perichondrium. Articular cartilage: Mechanical properties, different layers, pathologies (focal defect, degeneration), treatments (microfracture, mosaicoplasty, knee prosthesis, autologous chondrocyte transplantation, mesenchymal stem cell therapies) and limits. 3D scaffolds for articular cartilage (porosity - mesh size - dynamic stifness), scaffolds for osteochondral defects, pore interconnectivity, effect of scaffold architecture, chemistry and fabrication. Fibrocartilage: Intervertebral disc and meniscus morphology, pathology (degeneration, herniation) and treatments. Elastic cartilage: auricle and epiglottis, morphology, pathologies (anotia, microtia, autoimmune diseases). Hydrogels, biodegradable and biostable polymers for cartilage. 3D models of chondroscarcoma.
- Biomaterials for bone. Bone tissue (compact, spongy), bone types (long, short, flat, odd), composition (mineral and organic matrix), lamellar structure (osteon, Harves and Volkmann channels, osteocyte) and periostium, osteogenic lineage and turnover, mechanosensing, osteoclasts and bone remodeling, bone homeostasis and vitamin D. Viscoelestic properties, mechanical properties of collagen fibers, compact and spongy bone (function of porosity), Young's modulus in different bone types. Pathologies and bone defects (tumor resection, mandibular reconstruction, cranial defects, osteoporosis, non-unions). Biomaterials: bone grafting, bioresorbable polymers (PLA, TCP, composites, fibrin gels, trimethylene carbonate and polydioxanone) for bulk devices (cages and screws) and tissue engineering in limb, spine and craniofacial bone defects. Vascularization issues.
- Biomaterials for tendons/ligaments (T/L). Mechaniical properties (resilience, Young's modulus) and hierarchical structure from the triple helical collagen molecule to the tissues, T/L composition and cells (tenocytes, ligament fibroblasts). Ligaments: types and function: anterior cruciate ligament (ACL), medial collateral ligament (MCL). T/L injuries and burden. Fluoropolymers (partially fluorinated and perfluorinated) and their mechanical properties: PVDF, piezoelectricity and beta phase; PTFE, ePTFE (Teflon) and Goretex, porosity. Carbon fibers. Biotextiles (wovens, knits, braids and nonwovens). Synthetic biomaterials for T/L replacement (Gore-Tex, PEEK and carbon fibers, Dacron). Biomaterials for T/L tissue engineering: requirements and types: grafts, biological (silk fibroin), synthetic (polyhydroxyesters, PHBHHx, composites). Biomaterials for T/L transitional regions (muscle-tendon and ligament-bone junctions).
- Biomaterials for ear (sensory organ case study). Ear anatomy: outer (pinna, auditory canal), middle (eardrum, ossicles) and inner (vestibular apparatus and cochlea) compartments. Ear physiology: conductive and sensoryneural sound transmission. Hints on vestibular organ and balance. Cochlear organ: ducts, fluids (perilymph, endoplymph), organ of Corti, hair cells (inner, outer), sensory neuron synapse, mechano-electrical transduction. Ear pathologies. Biomaterials for auditory canal and auricle. Middle ear biocompatibility & biomaterials: tympanic membrane replacements (grafts, biological materials/growth factors) and new approaches via additive manufacturing/electrospinning (PEOT/PBT) to induce stem cell alignment; Prostheses for ossiculoplasty (cartilage, porous plastics, bioactive ceramics, titanium, hydroxyapatite) and new approaches via tissue engineering and CAD-CAM techniques. Cochlear implant & new approach via piezoelectric biomaterials (ceramic/PVDF).
- Biomaterials for muscles: skeletal, smooth, cardiac. Biomechanical properties (stiffness) of muscles. Skeletal muscle: collagen ECM (fascia, epimysium, perimysium, endomysium), hierarchical tissue organization (myofibrils up to muscular fiber, myoblasts), functional unit (sarcomere), contractile proteins (actin and myosin, thin and thick filaments), regulatory proteins, dystrophin, sarcoplasmatic reticulum, contraction mechanisms (sarcomere bands, ATP-ADP cycle and Ca++); skeletal muscle regeneration and repair; pathology: hereditary (muscle dystrophies) and acquired (trauma, tumor resection) diseases; in vitro and vivo regenerative medicine strategies; synthetic, natural, hybrid and hydrogel biomaterials, topographical and electromechanical cues. Smooth muscles: localizations, fibrocells and contraction proteins; biomaterials for vascular grafts (Dacron) and porosity.
- Drug Delivery Systems (DDS): Introduction (definition of DD, traditional DDS). Principles, origins, evolution and advantages of Controlled Drug Delivery Systems (CDDS): History of CDDS, categorizing of DDS by the size: Macroscale DDS (“zero order” constant delivery rate DDS); Macroscale and microscale DDS (site-specific, sustained delivery rate DDS); Nanoscale DDS (targeted DDS). Nanoscale DDS (targeted DDS): Passive and active targeting. Injected depot DDS: Microparticle depots (microspheres), phase-separating depot systems. Implants and inserts: Non-degradable and biodegradable systems. Case study: PCL fibers containing drug-loaded gelatin nanoparticles.
- Biomaterials for cancer: Cancer definition, origin and evolution; Primary versus secondary tumors; Carcinomas, Sarcomas, Tumor microenvironment (TME), cancer tissue engineering and applications to study cancer cell migration, invasiveness, epithelial-mesenchymal transition (EMT), examples of 3D models to study pancreatic ductal adenocarcinoma, head and neck squamous cell carcinoma, hepatocellular carcinoma, osteosarcoma, sinonasal tumors. Biomaterial-based implantable devices to fight cancer: wafers for chemotherapy (Ethylene vinyl acetate copolymer, Polyanhydride sebacic acid copolymer), for gene therapy (delivery of monoclonal antibody sequences), and for immunotherapy (immunotolerance, delivery of monoclonal antibodies, Immune checkpoint inhibitors, cancer vaccines, implantable scaffolds as cancer vaccines). Micro/nanorobots. Antimicrobial biomaterials: Biomaterials associated infections, antimicrobial polymers, inherently biocidal polymers, antimicrobial ceramic/polymer composites, superhydrophobicity, antimicrobial surface textures. Immunomodulatory biomaterials: cytokine traps, chitin nanofibrils, bioactive nanoparticles.
- Antimicrobial biomaterials: Biomaterials associated infections, antimicrobial polymers, inherently biocidal polymers, antimicrobial ceramic/polymer composites, superhydrophobicity, antimicrobial surface textures. Immunomodulatory biomaterials: cytokine traps, chitin nanofibrils, bioactive nanoparticles. Biomaterials for bacteriotherapy.
- Biomaterial and device sterilization: by radiation (gamma, beta, electron beam and X-rays) vapor chemical (ethylene oxide), moist heat, liquid chemical, plasma, supercritical CO2; Mechanisms of microbial kill; Materials compatibility (effects on polymers chemistry, degradation and mechanical properties). Commercialization of biomaterials: market considerations on the biomedical industry; Idea-to-market; Intellectual property; Cost issues. Regulatory aspects: product validation by National Regulatory Institutions; Biocompatibility validation (ISO 10993; ISO 10993-5 cytotoxicity tests); CE mark; Clinical trials (randomized versus prospective observational); Ethical aspects (Declaration of Helsinki, GLP, GMP, GCP); Medical device and advanced therapy medicinal product. Implant failure and risk assessment.
- 3R principles for alternative testing of biomaterials: replacement, reduction and refinement.
Bibliografia e materiale didattico
- Libro di testo (suggerito):
TITOLO: Scienza dei biomateriali: un'introduzione ai materiali in medicina (terza edizione)
EDITORE: Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen e Jack E. Lemons
ISBN: 978-0-12-374626-9
- Appunti presi a lezione
- Diapositive fornite dall'insegnante ad ogni lezione.
Bibliography
TITLE: Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine (Third Edition)
EDITOR: Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen and Jack E. Lemons
ISBN: 978-0-12-374626-9
- Notes taken in class
- Slides give from the teacher at each class.
Indicazioni per non frequentanti
Contattare il docente per il materiale didattico e informazioni sul corso.
Non-attending students info
Contact the teacher for the didactical material and course information.
Modalità d'esame
- L'esame consiste in compiti scritti in itinere e in una prova orale finale su un argomento prescelto tra le domande d'organo. Se uno studente non fornisce compiti durante il corso, la prova orale coprirà tutto il programma.
- I compiti scritti (50% del voto finale) consistono in: compiti individuali e di gruppo su casi di studio specifici con relazione scritta o presentazione di diapositive.
- La prova scritta sarà superata se lo studente dimostrerà una conoscenza approfondita, capacità di sintesi, rappresentazione e discussione dei risultati ottenuti.
- La prova orale (50% del voto finale) consiste in un colloquio tra il candidato e il docente su un argomento scelto dallo studente al termine del corso e comunicato all'insegnante con 2 settimane di anticipo rispetto all'appello di esame. Potrebbe essere richiesto di risolvere anche problemi/esercizi scritti davanti al docente.
- La prova orale sarà superata se lo studente avrà dimostrato sufficienti conoscenze approfondite, avrà raggiunto sufficienti competenze e comportamenti sull'argomento prescelto.
Assessment methods
- The exam is made up of ongoing written assignments and one final oral test on a pre-selected topic among the organ applications. If a student does not provide assignments during the course, the oral test will cover all the program.
- The written assignments (50% of the final score) consist of: individual and gruop homework on specific case studies with written report or slide presentation.
- The written test will be passed if the student demonstrates in-depth knowledge, capability of summarizing, representing and discussing the findings.
- The oral test consists of an interview (50% of the final score) between the candidate and the lecturer on a topic selected by the student at the end of the course and communicated to the teacher 2 weeks in advance of the selected exam date. The student could be requested to also solve written problems/exercises in front of the lecturer.
- The oral test will be passed if the student has demonstrated sufficient in-dept knowledge, has reached sufficient skills and behaviors on the selected topic.
Stage e tirocini
Otolab, via Paradisa 2, Cisanello hospital, building 99, entrance D, Pisa
Linari Engineering s.r.l., via Malasoma 26, Pisa
Work placement
Otolab, via Paradisa 2, Cisanello hospital, building 99, entrance D, Pisa
Linari Engineering s.r.l., via Malasoma 26, Pisa
Note
Questo corso di Biomateriali è progettato per fornire una comprensione generale del campo multidisciplinare dei biomateriali e per concentrarsi principalmente sui nuovi prodotti derivanti dalle nanotecnologie. Nello specifico, si propone di sviluppare nei frequentanti tutte le abilità necessarie nonché le competenze teoriche e tecniche fondamentali con l'obiettivo finale di avere studenti laureati in grado di interfacciarsi con successo con lo scenario multidisciplinare dei prodotti e delle tecnologie legate ai biomateriali, sia in ambito industriale che industriale. ambienti di ricerca. Verranno valutate le applicazioni attuali e innovative dei biomateriali per evidenziare le connessioni esistenti tra proprietà dei materiali, funzione, risposte biologiche e applicazioni cliniche. Data la natura multidisciplinare di questo argomento, saranno stimolati sia il lavoro di squadra che l'autoapprendimento.
Notes
This course of Biomaterials is designed to provide a general understanding of the multidisciplinary field of biomaterials, and to give a key focus on new products arising from nanotechnology. Specifically, it aims at developing in the attendants all the necessary skills as well as the fundamental theoretical and technical competences with the ultimate goal to have graduated students who can successfully interface with the multidisciplinary scenario of biomaterials-related products and technologies, both in industrial and research environments. The current and innovative applications of biomaterials will be evaluated to highlight the connections existing between material properties, function, biological responses and clinical applications. Due to the multidisciplinary nature of this topic, both teamwork and self-learning will be stimulated.
Updated: 27/12/2023 18:06