B2564 - MECCANICA DEI BIOMATERIALI E DELLE STRUTTURE

Conoscenze e abilità da conseguire

Questo corso fornisce all’ingegnere biomedico le conoscenze fondamentali nel campo dei biomateriali, e di semplici strutture meccaniche. In particolare, questo corso forma lo studente sui seguenti aspetti: - Classificazione dei biomateriali - Biocompatibilità - Comportamento meccanico dei biomateriali - Analisi e verifica strutturale di semplici strutture meccaniche

Contenuti

Modulo di MECCANICA DEI SOLIDI PER INGEGNERIA BIOMEDICA

Richiami sui principali concetti meccanici:

• Forze, momenti;
• Condizioni di vincolo, gradi di libertà;
• Condizioni di equilibrio, equazioni di equilibrio.

 

 

Meccanica dei mezzi continui:

• Azioni interne;
• Definizione di tensione (normali e di taglio);
•  Stati uniassiali di sollecitazione; Stati triassiali di tensione; Tensore delle tensioni;
•  Equazione di equilibrio;
•  Spostamento e deformazione; Piccole e grandi deformazioni; Tensore delle deformazioni;
•  Legame tensione-deformazioni per materiali elastici lineari;
•  Energia di deformazione (caso uniassiale e multi-assiale)

 

 

Fondamenti di scienza delle costruzioni:

• Trave di Saint-Venant: cenni di sforzo normale.

 

 

Fondamenti di meccanica dei materiali:

• Prove sui materiali, curve tensione-deformazione;
• Leggi costitutive del materiale;
• Elasticità (legge di Hooke, coefficiente di Poisson);
• Plasticità;
• Viscoelasticità (creep, rilassamento, isteresi: solo fenomenologia).
  

 

 

Criteri di collasso:

• Collasso istantaneo e nel tempo;
• Rottura (duttile e fragile; energia di rottura);
• Eccesso di deformazione, snervamento;
• Fatica;
• Usura;
• Creep, rilassamento.

 

 

 

Moduli di BIOMATERIALI (MOD. A E B)

Generalità:

• Introduzione e definizioni;
• Panoramica sulle applicazioni dei biomateriali;
• Cenni di progettazione dei biomateriali;
• Definizione di compatibilità all'applicazione nell'uomo;
• La frontiera della ricerca: i materiali biomimetici e l'ingegneria tissutale.

 

Reazioni dell'organismo all'impianto di materiali estranei:

• Introduzione e definizioni;
• Cenni di Biologia (la cellula, i tessuti, ecc.);
• Il processo di guarigione di una lesione tissutale;
• La risposta dei tessuti all'impianto di materiale estraneo;
• La risposta del sangue;
• Le reazioni agli impianti che attraversano la cute o la mucosa.

 

Struttura e proprietà dei materiali:

• Introduzione;
• Gli stati di aggregazione della materia;
• Lo stato gassoso e lo stato liquido;
• Lo stato solido ed i legami chimici nei solidi;
• Concetto di fase, la regola delle fasi;
• Cenni di termodinamica, energia libera, stabilità di fase;
• Principi di cristallografia;
• Ordine e disordine atomico, transizioni termodinamiche;
• Imperfezioni e difetti nei solidi;
• Relazione struttura-proprietà;
• Metodi per lo studio della struttura, della difettualità e della chimica dei materiali (microscopia elettronica, diffrazione di elettroni e di raggi X, fluorescenza di raggi X, microanalisi di raggi X, FTIR-UV-VIS, analisi termiche, spettrometria di massa, elettrodi iono-selettivi);
• Considerazioni generali sulle proprietà meccaniche;
• Ruolo dei difetti sulle proprietà meccaniche dei solidi;
• Durezza, attrito ed usura;
• Proprietà termiche, elettriche, acustiche ed ultrasoniche;
• Densità, porosità ed assorbimento dei raggi X;
• Permeabilità dentinale ed ossea;
• Proprietà ottiche, il colore e la sua determinazione.
  

 

I biomateriali metallici:

• Struttura e proprietà dei materiali metallici;
• I diagrammi di equilibrio delle leghe (il diagramma FeC, NiTi, CoCr, la trasformazione martensitica) ;
• I biomateriali metallici (acciai inossidabili, leghe CoCr e di Titanio, leghe auree, NiTi, amalgama, leghe a memoria di forma “Shape Memory Alloys”) ;
• Applicazioni dei metalli come biomateriali (endoprotesi ortopediche, materiali e protesi odontoiatriche, metalli ortodontici) ;
• Problematiche, la corrosione (diagrammi di Pourbaix), la corrente di Faraday, la biocompatibilità e la tossicità;
• Processi tecnologici di produzione e formatura.

 

I Biomateriali ceramici:

• Struttura e proprietà dei materiali ceramici;
• I biomateriali ceramici;
• Materiali ceramici bioinerti, biodegradabili e bioattivi;
• Applicazioni dei bioceramici, funzionalità;
• Il carbonio ed il suo utilizzo come biomateriale;
• Processi tecnologici di produzione e formatura;
• I biominerali.

 

I tessuti Biologici:

• Fondamenti di chimica organica e di biochimica;
• Tessuti duri mineralizzati;
• Anatomia dell'osso e del dente;
• Proprietà meccaniche dei tessuti duri mineralizzati;
• Rimodellamento osseo e proprietà elettriche dell'osso;
• Proprietà meccaniche e chimico-fisiche dello smalto e della dentina;
• I tessuti molli;
• Anatomia della pelle, del tessuto vascolare e del tessuto muscolare;
• La cartilagine;
• Il collagene e i tessuti ricchi di collagene;
• L'elastina e i tessuti elastici, i tessuti compositi;
• Il collagene come biomateriale, trattamento e applicazioni;
• Anatomia dell'occhio, dell'orecchio e i relativi materiali sostitutivi;

   

 

I polimerici sintetici:

• I polimeri sintetici e il processo di polimerizzazione;
• La struttura e la tessitura del materiale polimerico;
• La transizione vetrosa e il significato della temperatura di transizione vetrosa (Tg);
• I polimeri termoplastici;
• I polimeri termoindurenti;
• Relazione tra struttura e proprietà dei polimeri;
• I biomateriali polimerici;
• Degradazione dei polimeri;
• Biocompatibilità;
• Processi tecnologici di produzione e formatura;

 

I biomateriali compositi:

• Caratteristiche dei compositi
• Metallo-ceramica;
• Metallo-metallo;
• Ceramico-ceramico;
• Polimero-ceramico;
• Metallo-organici;
• Applicazioni e processi tecnologici di produzione e formatura;

 

Le protesi:

• Protesi Vascolari;
• Protesi valvolari cardiache;
• Endoprotesi ortopediche;
• Protesi in odontoiatria;
• Protesi in oculistica;
• Chirurgia generale e plastica;

 

Biocompatibilità, normativa, divulgazione scientifica:

• Test di valutazione;
• Test iniziali, test secondari e test di utilizzo;
• Fonti di informazioni sui biomateriali e sulla loro biocompatibilità;
• Banche dati, siti internet;
• I principali Laboratori e Centri di studio sui Biomateriali;
• L'Istituto Superiore di Sanità ed il Ministero;
• Le principali riviste sui Biomateriali;

 

Commercializzazione e sorveglianza dei dispositivi medici:

• Direttiva nazionale, internazionale e recepimento italiano;
• Gli obblighi del produttore;
• Gli organismi notificati per il marchio CE;
• Il ruolo dei laboratori di prova;

Testi/Bibliografia

TESTI per MECCANICA DEI SOLIDI:

• Beer F.P., Johnston E.R., DeWolf J.T.: "Meccanica dei solidi: Elementi di scienza delle costruzioni" McGraw-Hill Publ. (qualunque edizione)
  Nota: questo testo è adottato anche dal Laboratorio di Comportamento delle Strutture Biomeccaniche
• Dispense integrative a cura del docente.

 

 

TESTI per BIOMATERIALI :

Testo principale

• B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen, J.E. Lemons Eds, Biomaterials Science: An introduction to Materials in Medicine, Elsevier Academic press
  Nota. Questo testo è disponibile gratuitamente online per gli studenti UniBO
• Dispense integrative a cura del docente.

 

 

Letture aggiuntive

• R. Pietrabissa, Biomateriali per protesi e organi artificiali, Pàtron Editore, Bologna;
• G. Valdrè, U. Valdrè, Misure, CLUEB, Bologna;
• C. Di Bello, Biomateriali, Pàtron Editore, Bologna;
• A. von Recum, Handbook of Biomaterials Evaluation, Taylor & Francis, London

Metodi didattici

Le lezioni teoriche vengono alternate ad esercitazioni pratiche, dimostrazione e seminari (che costituiscono parte integrante del programma d'esame) in cui vengono illustrati gli argomenti trattati a lezione.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

A partire dall’AA 2025-26, l’esame del Corso “MECCANICA DEI BIOMATERIALI E DELLE STRUTTURE” si svolge in un’unica soluzione e comprende il programma dei 3 moduli, con un’unica valutazione per l’intero Corso.

Lo studente deve affrontare una prova scritta seguita, in caso di esito positivo, da una prova orale, strettamente connesse:

• Lo scritto riguarda l’intero programma delle varie parti del Corso.
• Durante lo scritto gli studenti riceveranno in due momenti separati le domande di Meccanica dei solidi (domande di teoria e/o semplici esercizi da svolgere), e quelle di Biomateriali.
• Per quanto riguarda le domande di Meccanica dei Solidi: è permesso l’uso di libri, dispense e appunti, oltre alla calcolatrice.
• Per quanto riguarda le domande di Biomateriali: verranno distribuite successivamente allo svolgimento di Meccanica dei Solidi e non è permesso l'uso di libri.
• Lo scritto tipicamente comprende alcune domande fondamentali: in caso di risposta errata o mancante a tali domande, l'intero scritto è automaticamente insufficiente. (Rispondere correttamente a tali domande è condizione necessaria affinché il resto del compito sia valutato, ma non sufficiente a garantire il superamento dello stesso).
• Se lo studente sostiene nuovamente la prova scritta, si tiene conto dell'ultimo voto conseguito, che sovrascrive i precedenti, siano essi migliori o peggiori.
• Per sostenere l'orale è necessario avere superato lo scritto (voto ≥18/30).
• Una volta superato lo scritto, è necessario sostenere l’orale nelle date previste il giorno stesso e/o giorni successivi, ed in ogni caso entro il giorno dello scritto successivo. Trascorso tale termine, decade il voto dello scritto.
• Ciò significa che conviene affrontare lo scritto quando si è sicuri di poter sostenere anche l’orale.
• L'orale copre tutti gli argomenti trattati durante il corso, comprese le esercitazioni, eventuali seminari ed approfondimenti svolti durante il corso.
• In caso di insufficienza all'orale, lo studente dovrà sostenere nuovamente anche la prova scritta.
• Voto finale: tiene conto di scritto (punteggio di partenza), e di orale (di norma: entro +/-3 punti da voto scritto).

 

 

Transitorio per gli studenti che hanno frequentato nell’AA 2024-25 e precedenti

Per gli studenti che hanno frequentato il Corso Integrato (da 12 CFU) negli AA 2024-25 e precedenti:

• Fino all’ultimo appello dell’AA 2024-25 (in Marzo 2026) varranno le modalità descritte nel programma di tali anni (con la possibilità di scegliere tra solo orale, e scritto seguito da orale)
• Successivamente (dopo Marzo 2026), anche per tali studenti varranno le medesime modalità descritte sopra:
  • Tutti gli studenti devono superare lo scritto, e successivamente l’orale.
  • Lo scritto ha le stesse modalità sopra descritte.
  • L’orale per gli studenti dell’AA 2024-25 e precedenti copre l’intero programma svolto in tale anno.

 

 

CASI PARTICOLARI:

• Studenti lavoratore e studente atleta: Per ogni sessione d'esame, gli studenti che hanno acquisito lo status di studente lavoratore o studente atleta possono chiedere un appello alternativo, ovvero in sostituzione di uno degli appelli ordinari della sessione. Gli studenti dovranno contattare il docente almeno 14 giorni prima del primo appello previsto nella sessione, in modo da individuare una data comune tra tutte le richieste pervenute.
• Studenti con DSA o disabilità temporanee o permanenti: Si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile ( https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it ): sarà sua cura proporre agli studenti interessati eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.
  

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, lavagna tradizionale, dimostrazioni pratiche, laboratorio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Cristofolini

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