MANUFACTURING OF POLYMERS AND NANOCOMPOSITES FOR BIOMEDICAL APPLICATION
Academic year2023/24
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code1057I
Credits3
PeriodSemester 1
LanguageEnglish
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| MANUFACTURING OF POLYMERS AND NANOCOMPOSITES FOR BIOMEDICAL APPLICATION | ING-IND/22 | LEZIONI | 24 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Dopo il completamento del corso, gli studenti:
- Conoscere le basi delle tecniche di biofabbricazione (dalla macro alla nanoscala)
- Conoscere le basi dei compositi (dalla macro alla nanoscala)
- Conoscere gli aspetti rilevanti nelle tecnologie di produzione biomedica.
Knowledge
After the completion of the course, the students will:
- Know the basics of biofabrication techniques (from macro-to-nanoscale)
- Know the basics of composites (from macro-to-nanoscale)
- Know the relevant aspects in biomedical manufacturing technologies.
Modalità di verifica delle conoscenze
La conoscenza verrà valutata tramite:
- compiti di laboratorio
- esame finale.
Assessment criteria of knowledge
Knowledge will be assessed via:
- laboratory assignments
- final exam.
Capacità
Dopo il completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:
- Dimostrare efficaci capacità pratiche e di lavoro di squadra attraverso attività di laboratorio
- Dimostrare la capacità di fabbricare oggetti semplici realizzati con polimeri e/o compositi.
Skills
After the completion of the course, the students will be able to:
- Demonstrate effective practical and teamwork skills through laboratory activities
- Demonstrate capability of fabricating simple objects made of polymers and/or composites.
Modalità di verifica delle capacità
Le competenze verranno valutate tramite:
- compiti di laboratorio
- esame finale.
Assessment criteria of skills
Skills will be assessed via:
- laboratory assignments
- final exam.
Comportamenti
Dopo il completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:
- Comprendere i principi fondamentali della produzione e le loro proprietà,
- Comprendere l'interazione tra biomateriali e tecnologie di produzione,
- Comprendere i requisiti e le scelte nella progettazione e fabbricazione dei biomateriali
Behaviors
After the completion of the course, the students will be able to:
- Understand the fundamental principles of manufacturing and their properties,
- Understand the interaction between biomaterials and manufacturing technologies,
- Understand requirements and choices in biomaterials design and fabrication.
Modalità di verifica dei comportamenti
I comportamenti verranno valutati tramite:
- compiti di laboratorio
- esame finale.
Assessment criteria of behaviors
Behaviors will be assessed via:
- laboratory assignments
- final exam.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Vedi la versione in Inglese (See English version).
Prerequisites
Aver frequentato un corso base di Scienza e Tecnologia dei Materiali.
Corequisiti
Se non fatto prima, frequentare un corso di base sulla Scienza dei Polimeri (consigliato).
Co-requisites
If not done before, attending a basic course on Polymer Science (suggested).
Prerequisiti per studi successivi
Questo insegnamento abilita al corso di Biomateriali (2° anno) (consigliato).
Prerequisites for further study
This course enables the course of Biomaterials (2nd year) (suggested).
Indicazioni metodologiche
- Lezione frontale con utilizzo di diapositive powerpoint (non è necessario il computer portatile).
- Lezioni di laboratorio in piccoli gruppi (è necessario il camice personale).
- Come strumenti di supporto verranno forniti articoli scientifici e video.
- I materiali didattici verranno caricati sulla piattaforma Teams Class.
- Le e-mail e la chat di gruppo verranno utilizzate per la comunicazione, gli incontri personali o di gruppo al di fuori dell'orario di lezione verranno effettuati dall'insegnante/i in base alle necessità e alla richiesta dello studente.
- Il corso è in inglese. L'italiano potrebbe essere usato raramente.
Teaching methods
- Frontal tecahing using powerpoint slides (personal laptop is not needed).
- Laboratory teaching in small groups (personal lab coat is needed).
- Scientific papers and videos will be provided as supporting instruments.
- Didactical materials will be uploaded on Teams Class platform.
- Emails and teams chat will be used for communication, personal or group meetings out of the class time will be done by the teacher(s) upon student's need and request.
- The course is in English. Italian could be rarely used.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Introduzione ai compositi polimerici: Classificazione dei polimeri naturali e sintetici e dei loro compositi. Storia dei compositi, fibra di vetro e fibre di carbonio, vantaggi (ad esempio flessibilità di progettazione, leggerezza, elevata resistenza, resistenza relativa al peso, resistenza agli urti, resistenza alla corrosione, caratteristiche speciali) e limitazioni. Applicazioni nella vita quotidiana.
- Compositi polimerici biomedici: importanza dei compositi per applicazioni biomediche, applicazioni (ingegneria dei tessuti, ortopedia, odontoiatria, protesi esterne e ortesi). Principali tecniche di fabbricazione dei compositi biopolimerici in breve: elettrofilatura, estrusione da fusione, miscelazione di soluzioni, tecnologia del lattice, stampaggio a mano, Metodo di stampaggio a contatto aperto, stampaggio liquido e stampaggio a iniezione, processo di stampaggio a trasferimento di resina sotto vuoto, stampaggio a compressione, laminazione di tubi, processo automatizzato di posizionamento di fibre/nastri).
- Nanocompositi: compositi polimerici dispersi con particelle ceramiche: matrici biodegradabili e biostabili, rinforzi naturali e sintetici (ad es. Idrossiapatite, ossido di grafene, altre nanoceramiche). Metodi di fabbricazione dei compositi. Polimerizzazione dei compositi, temperature di polimerizzazione. Compositi ibridi. Proprietà strutturali. Memoria di forma e materiali autoriparanti. Nanocompositi nanotubi per biosensori, somministrazione di farmaci, trattamento del cancro, ingegneria dei tessuti, nanotossicità
- Prototipazione rapida utilizzando compositi polimerici: Pre-lavorazione, processo e post-lavorazione nella prototipazione rapida, valutazione della qualità, Compositi polimerici fibrorinforzati, Confronto con la produzione tradizionale.
- Stampa 3D/4D e biostampa utilizzando compositi polimerici: stampa 3D basata su estrusione, polimerizzazione in vasca, fusione in letto di polvere, stampa 3D assistita da laser, litografia, (bio)stampa 3D. Sfide attuali e possibili soluzioni. Polimeri e compositi intelligenti per la stampa 4D, idrogel, polimeri a memoria di forma, attuatori in elastomero, polimeri e compositi termoreattivi, sensibili al pH, assottigliamento/ispessimento al taglio, polimeri fotosensibili. Applicazione della tecnologia di stampa 4D. Lezioni di laboratorio sulla stampa 3D.
- Nanocompositi polimerici per elettrofilatura: Teoria dell'elettrofilatura: Principio dell'elettrofilatura, Parametri che influenzano la produzione delle fibre, Parametri, Parametri della soluzione, Parametri ambientali. Fibre composite elettrofilate naturali e sintetiche. Fibre piezoelettriche. Applicazioni nell'ingegneria dei tessuti e nella somministrazione di farmaci. Lezioni di laboratorio sull'elettrofilatura.
Syllabus
- Introduction to polymer composites: Classification of natural and synthetic polymers and their composites. History of composites, fiberglass and carbon fibers, advantages (e.g., design flexibility, light-weight, high strength, weight-related strength, impact-strenght, corrosion resistance, special characteristics) and limitations. Applications in daily life.
- Biomedical polymer composites: Importance of composites for biomedical applications, applications (Tissue Engineering, Orthopedics, dentistry, external prosthetic and orthotics. Main fabrication techniques for biopolymer composites in brief: Electrospinning, Melt extrusion, Solution mixing, Latex technology, Hand layup molding, Open contact molding method, Liquid molding and injection molding, Vacuum resin transfer molding process, Compression molding, Tube rolling, Automated fiber/tape placement process).
- Nanocomposites: Ceramic particle-dispersed polymer composites: Biodegradable and biostable matrices, natural and synthetic reinforcements (e.g., Hydroxyapatite, graphene oxide, other nanoceramics). Methods of composite fabrication. Curing of the composites, curing temperatures. Hybrid composites. Structural properties. Shape memory and self-healing materials. Nanotube nanocomposites for biosensors, drug delivery, cancer treatment, tissue engineering, nanotoxicity
- Rapid prototyping using polymeric composites: Pre-processing, the process, and post-processing in rapid prototyping, quality assessment, Fiber-reinforced polymer composites, Comparison with traditional manufacturing.
- 3D/4D printing and bioprinting using polymeric composites: Extrusion-based 3D printing, Vat polymerization, powder bed fusion, laser-assisted 3D printing, lithography, 3D (bio)printing. Current challenges and possible solutions. Smart polymers and composites for 4D printing, Hydrogels, Shape memory polymers, Elastomer actuators, Thermoresponsive polymers and composites, pH sensitive, shear thinning/thickening, Photosensitive polymers. Application of 4D printing technology. Laboratory classes on 3D printing.
- Electrospinning polymeric nanocomposites: Theory of electrospinning: Principle of electrospinning, Parameters influencing fiber production, Parameters, Solution parameters, Ambient parameters. Natural and Synthetic composite electrospun fibers. Piezoelectric fibers. Applications in tissue engineering and drug delivery. Laboratory classes on electrospinning.
Bibliografia e materiale didattico
- Libro di testo (suggerito):
TITOLO: Progressi nei compositi polimerici biomedici (Elsevier 2023)
EDITORI: Kunal Pal, Sarika Verma, et al.
ISBN: 978-0-323-88524-9
- Appunti presi a lezione
- Diapositive fornite dall'insegnante dopo ogni lezione.
Bibliography
TITLE: Advances in Biomedical Polymers Composites (Elsevier 2023)
EDITORS: Kunal Pal, Sarika Verma, et al.
ISBN: 978-0-323-88524-9
- Notes taken in class
- Slides give from the teacher after each class.
Indicazioni per non frequentanti
- Contattare il docente per il materiale didattico e informazioni sul corso.
- Il compitino scritto di solito riguarda un'esperienza di laboratorio, è perciò obbligatorio contattare il docente.
Non-attending students info
- Please contact the teacher for the didactical material and course information.
- The written assignment is usually related on a lab experience, thus it is mandatory to contact the teacher.
Modalità d'esame
- L'esame consiste in un compito scritto su un argomento di laboratorio e in una prova orale finale. Se uno studente non fornisce l'elaborato di laboratorio alla fine del corso, la prova orale riguarderà la parte teorica delle attività di laboratorio.
- Il compitino scritto (50% del voto finale) consiste in: incarichi individuali o di gruppo su casi di studio specifici con relazione scritta o presentazione di diapositive relative all'esperienza di laboratorio.
- 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 sugli argomenti del programma. 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 a written assignment on a laboratory topic and a final oral test. If a student does not provide the laboratory assignment at the end of the course, the oral test will cover the theory of the laboratory activities.
- The written assignment (50% of the final score) consists of: individual or group homework on specific case studies with written report or slide presentation related to the laboratory experience.
- The written test will be passed if the student demonstrates in-depth knowledge, capability of summarizing, representing and discussing the findings.
- The oral test (50% of the final score) consists of an interview between the candidate and the lecturer on the topics of the syllabus. It 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
- Le lezioni del laboratorio di stampa 3D si svolgeranno presso OtoLab, edificio 99, ingresso D, ospedale di Cisanello, via Paradisa, Pisa.
- Le lezioni di laboratorio di elettrofilatura verranno svolte presso Linari Medical s.r.l., via Malasoma, Ospedaaletto, Pisa.
Work placement
- 3D printing laboratory classes will be performed at OtoLab, building 99, entrance D, Cisanello hospital, via Paradisa, Pisa.
- Electrospinning laboratory classes will be performed at Linari Medical s.r.l., via Malasoma, Ospedaaletto, Pisa.
Altri riferimenti web
http://matnano.ing.unipi.it/en/
Additional web pages
http://matnano.ing.unipi.it/en/
Updated: 27/12/2023 17:54
