Industrial Bioengineering

Il corso ha l’obiettivo di far comprendere i principi fondamentali della progettazione e simulazione di strutture inerenti al contesto della bioingegneria, con particolare enfasi sulle applicazioni biomeccaniche. Gli studenti acquisiranno competenze nell’uso di metodi avanzati di simulazione numerica e strumenti computazionali per modellare il comportamento di materiali e strutture. In particolare:

• applicazione del Metodo degli Elementi Finiti (FEM) in 1D, 2D e 3D,
• modellazione numerica di strutture biologiche e bioispirate,
• considerazione delle proprietà meccaniche (legami costitutivi),
• simulazione della risposta a carichi statici, dinamici e multifisici,
• valutazione di resistenza e durabilità.
  L’obiettivo finale è fornire competenze metodologiche e pratiche nell’uso di software FEM e la capacità di applicarle in contesti biomedici (impianti, protesi, dispositivi bioingegneristici).
  Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
• comprendere i principi della modellazione e simulazione di strutture biomeccaniche,
• utilizzare software FEM avanzati per analisi strutturali in 1D, 2D e 3D,
• analizzare la risposta meccanica di materiali e strutture biologiche/bioispirate,
• applicare le competenze acquisite alla progettazione di dispositivi biomedicali,
• integrare aspetti teorici e pratici nella risoluzione di problemi complessi.
  Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Gli studenti svilupperanno la capacità di:
• applicare metodi teorici e computazionali a problemi pratici in biomeccanica,
• eseguire analisi basate sul FEM di strutture biologiche e bioispirate,
• valutare criticamente i risultati delle simulazioni e validarli con dati sperimentali,
• progettare e ottimizzare componenti biomedicali (ad es. protesi, impianti) integrando tecniche di modellazione e simulazione,
• trasferire le competenze acquisite a contesti multidisciplinari nell’ambito della bioingegneria industriale e clinica.

• Richiami di meccanica dei solidi e dei materiali
• Introduzione al Metodo degli Elementi Finiti (FEM)
• Modellazione numerica di strutture 1D, 2D e 3D
• Proprietà costitutive dei materiali biologici e bioispirati
• Analisi statica, dinamica e multifisica
• Simulazioni di problemi di resistenza, deformabilità e carichi ciclici
• Applicazioni in bioingegneria: protesi, impianti e dispositivi biomedicali

Esercizio scritto, discussione elaborato progettuale contenente modello FEM, prova orale.

• Dispense del docente
• Software FEM per esercitazioni pratiche (ad es. FeBio, Abaqus o equivalenti)
• Articoli scientifici e materiali aggiuntivi forniti durante il corso

Il corso si propone di fornire agli studenti una solida preparazione nei metodi computazionali e statistici per l’analisi dei dati biologici. Introduce i concetti fondamentali della bioinformatica, tra cui le banche dati biologiche, gli algoritmi di allineamento di sequenze, i Modelli di Markov Nascosti e la classificazione delle sequenze genomiche. Il corso tratta inoltre le tecnologie di Next-Generation Sequencing, l’inferenza statistica e i moderni approcci all’analisi e alla visualizzazione dei big data in ambito biomedico, con particolare attenzione all’integrazione tra strumenti computazionali e interpretazione biologica.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso, gli studenti avranno acquisito sia conoscenze teoriche sia competenze pratiche in bioinformatica e analisi dei dati. Saranno in grado di eseguire allineamenti di sequenze, analizzare dati di espressione genica, condurre test di ipotesi e applicare metodi di apprendimento automatico supervisionato e non supervisionato, come PCA, clustering, regressione e classificazione.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Gli studenti acquisiranno esperienza pratica nell’utilizzo di R e RStudio per l’analisi, la visualizzazione e l’elaborazione dei dati biologici, che consentirà loro di analizzare in modo autonomo dataset ad alta processività (high-throughput) e di applicare strumenti bioinformatici a problemi reali della ricerca biomedica.

Bioinformatica e Analisi dei Big Data

• Introduzione alla bioinformatica in biomedicina
• Banche dati biologiche
• Programmazione dinamica e allineamento di sequenze: Longest Common Subsequence (LCS), distanza di edit (Edit Distance), allineamento locale, allineamento globale, matrici di sostituzione, allineamenti multipli
• Modelli HMM per la modellizzazione delle sequenze geniche. Applicazioni alla classificazione delle sequenze genomiche. Rappresentazione degli allineamenti multipli
• Introduzione al Next Generation Sequencing
• Elementi di statistica: statistica descrittiva, probabilità e distribuzioni, test di ipotesi (a uno e due campioni)
• Introduzione a R e RStudio
• Analisi dell’espressione genica differenziale, test statistici, analisi di arricchimento
• Introduzione all’analisi dei Big Data in biomedicina
• Apprendimento non supervisionato: PCA, clustering
• Apprendimento supervisionato: regressione lineare e classificazione
• Esempi e applicazioni con R e RStudio

Il voto dell’esame sarà determinato in base al numero di domande a cui sarà stata fornita una risposta corretta. Le domande potranno includere quesiti teorici, esercizi di analisi dei dati e interpretazione di risultati bioinformatici, al fine di valutare sia le conoscenze concettuali sia le competenze pratiche.

R Crash Course for Biologists, 2nd Edition
An Introduction to Statistical Learning (with applications in R)
Introduction to Computational Genomics (optional)
Lecture notes

Il corso di Design of Biomedical Devices fornirà agli studenti gli strumenti preliminari per comprendere il panorama dei dispositivi biomedici, incluse le loro categorie, classificazioni e i quadri normativi di riferimento. Impareranno ad applicare il design thinking all’innovazione sanitaria, traducendo i bisogni clinici in requisiti di progetto precisi e generando concetti fattibili. Saranno in grado di sviluppare e valutare prototipi scegliendo materiali, e tecniche di prototipazione adeguati alle applicazioni mediche. Inoltre, sapranno valutare sicurezza, rischi e percorsi regolatori applicando gli standard internazionali, come le linee guida ISO e FDA, con particolare attenzione alla gestione del rischio, all’usabilità e all’etica. Gli studenti acquisiranno competenze per preparare i dispositivi alla traduzione sul mercato attraverso sistemi di gestione della qualità, trial clinici e processi produttivi. Saranno forniti accenni alle strategie di commercializzazione, protezione della proprietà intellettuale, sistemi di rimborso e modelli di business. Infine, svilupperanno la capacità di comunicare e presentare in modo efficace le innovazioni biomediche, proponendo un progetto completo di dispositivo dal concetto al mercato in maniera strutturata e professionale.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Gli studenti acquisiranno competenze per preparare i dispositivi alla traduzione sul mercato attraverso sistemi di gestione della qualità, trial clinici e processi produttivi. Saranno forniti accenni alle strategie di commercializzazione, protezione della proprietà intellettuale, sistemi di rimborso e modelli di business.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Svilupperanno la capacità di comunicare e presentare in modo efficace le innovazioni biomediche, proponendo un progetto completo di dispositivo dal concetto al mercato in maniera strutturata e professionale.

• Introduzione, fisiologia, categorie, innovazione
• Design thinking, validazione del problema, generazione di concetti e fattibilità
• Materiali, prototipazione, test preclinici
• Gestione del rischio, usabilità, etica, percorsi regolatori
• Gestione della qualità, trial clinici, produzione, proprietà intellettuale
• Cenni di economia sanitaria, imprenditorialità, salute digitale, presentazione finale (capstone pitch)

L'esame prevede una prova scritta composta da quesiti a risposta multipla, domande a risposta aperta ed un elaborato progettuale. L'ammissione alla prova orale è subordinata al superamento della prova scritta. La valutazione finale considera la correttezza delle risposte, la qualità dell'elaborato progettuale, la capacità di applicare le conoscenze acquisite, la comprensione dei principi fondamentali, la capacità di collegare i temi del corso e la chiarezza dell'esposizione durante il colloquio orale.

Materiale didattico fornito dal docente e letture suggerite verranno caricate sulla classe MS Teams

Il corso si propone di fornire agli studenti le basi della microfluidica. Questo corso è progettato con l'obiettivo di trattare in modo congiunto la meccanica dei fluidi, la chimica interfacciale e e le simulazioni al computer per preparare il moderno bioingegnere ad analizzare e modellare sistemi fluido-meccanici continui che si incontrano quando si lavora con dispositivi microfabbricati.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Comprendere le caratteristiche dei flussi microfluidici e le loro modalità di funzionamento.
Capacità di identificare correttamente le diverse classi di discpositivi microfluidici per applicazioni diagnostiche, i fattori rilevanti che giocano un ruolo nella loro dinamica, e i parametri tecnologici chiave.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Capacità di progettare dispositivi lab-on-chip, anche avvalendosi di simulazioni CFD, selezionando strumenti e condizioni operative appropriati per specifiche applicazioni diagnostiche.

Analisi dimensionale e leggi di scala
Fondamenti di meccanica dei fluidi
Fondamenti di diffusione
Flussi microcanali
Introduzione ai CFD
Geometria e generazione di mesh
CFD: Microreattore proteomico
Manipolazione di microparticelle in microfluidica
Microfluidica con liquidi non newtoniani
Goccioline e tappi in microcanali
Miscelazione e Diffusione in Microfluidica
CFD: Formazione di gocce in T-Junction
Progettazione e Microfabbricazione di un Microcanale
Lab-on-a-chip per applicazioni biomediche

Le attività durante il corso possono dare accesso a punti bonus
Il voto finale consiste in una valutazione della prova orale (70%) e nella discussione della relazione sull'elaborato progettuale (30%)

Brian J. Kirby, Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics, Cambridge University Press
Materiale messo a disposizione dal docente

Il corso si propone di fornire agli studenti una comprensione avanzata, multidisciplinare e ingegneristica dei principi fisici, tecnologici, materiali e biologici alla base del Bioprinting e della Biofabbricazione . L'insegnamento intende formare una figura professionale in grado di:
Comprendere e distinguere le strategie di biofabbricazione e bioassemblaggio identificando l'uso di micro-moduli biologici complessi. Analizzare e selezionare le diverse tecnologie di bioprinting (ad estrusione, a goccia, laser-assistite, basate su fotopolimerizzazione, volumetriche, microfluidiche, guidate da campi fisici ed in situ /intraoperatorie) in funzione di parametri quali risoluzione, velocità, complessità geometrica e vitalità cellulare. Progettare e caratterizzare bioink e sistemi biomateriali correlati, analizzandone le proprietà reologiche, i meccanismi di reticolazione la stampabilità ( printability ) e la biocompatibilità nel tempo. Applicare le tecnologie di biofabbricazione alla modellazione di tessuti e organi (osso, cartilagine, pelle, muscolo, cuore, sistema nervoso), alla creazione di modelli patologici/organoidi e ad applicazioni non biologiche sostenibili. Valutare gli aspetti etici, di sicurezza e regolatori inerenti all'uso di prodotti per terapie avanzate e alla produzione in conformità alle norme.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di conoscere e comprendere: Principi e strategie di biofabbricazione: Le differenze concettuali e operative tra bioprinting e bioassemblaggio, processi self-assembly , approcci top-down e bottom-up , e strategie scaffold-free . T ecnologie di deposizione e stampa 3D biologica: Il funzionamento, i limiti e i vantaggi delle tecnologie a estrusione, inkjet, laser-assistite, stereolitografia (SLA/DLP), bioprinting volumetrico/tomografico, microfluidico, guidato da campi (acustici, magnetici) e delle strumentazioni per bioprinting in situ /intraoperatorio (bracci robotici, dispositivi portatili). Chimica, reologia e fisica dei Bioink: La classificazione dei bioink (cellulari/acellulari, naturali, sintetici, ibridi, matrici decellularizzate, bioink di supporto e granulari); le proprietà reologiche (shear-thinning, yield stress, recupero strutturale, viscosità); i metodi di gelificazione e reticolazione (ionica, termica, enzimatica, foto-indotta). Biologia dei micro-moduli e maturazione del costrutto: L'integrazione di sferoidi, organoidi, micro-tessuti e microcarriers nei bioink; i fenomeni di trasporto di massa (ossigeno, nutrienti, metaboliti), rimodellamento cellulare, degradazione e maturazione a lungo termine dei costrutti. Applicazioni cliniche, industriali ed etico-regolatorie: Le applicazioni per tessuti specifici (osseo, cartilagineo, cutaneo, muscolare, cardiaco, nervoso) e non biologiche (food printing, materiali sostenibili).
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso lo studente sarà in grado di: Selezionare la tecnologia di bioprinting ideale: Scegliere la tecnica di stampa più idonea (es. estrusione vs. volumetrica vs. microfluidica) in base alle specifiche di risoluzione, complessità architetturale, tempi di fabbricazione e tolleranza cellulare dello specifico tessuto da ingegnerizzare. Formulare e ottimizzare bioink: Progettare la composizione chimica e regolare il comportamento reologico di un bioink (viscosità, fedeltà di forma, cinetica di reticolazione) per garantire sia la stampabilità che la sopravvivenza/funzionalità cellulare ad alta fedeltà geometrica. Progettare costrutti multifunzionali e complessi: Sviluppare workflow di biofabbricazione integrata che combinino approcci multi-materiale, gradienti di composizione, strutture cavo-perfusibili (coassiali) e micro-moduli biologici (sferoidi/organoidi). Pianificare processi di bioprinting in situ e avanzati: Definire le strategie di deposizione diretta in ambito chirurgico/intraoperatorio mediante pianificazione di percorsi CAD/CAM o l'uso di dispositivi portatili guidati. Applicare i requisiti di regolamentazione e sicurezza.

6 CFU
Introduzione alla biofabbricazione
Strategie di biofabbricazione e bioassemblaggio
Introduzione al concetto di biofabbricazione e distinzione tra bioprinting e bioassemblaggio; principi di autoassemblaggio e assemblaggio guidato; approcci top-down e bottom-up per la costruzione dei tessuti.
Tecnologie di bioprinting
Bioprinting basato su estrusione e su deposizione di gocce; bioprinting basato su fotopolimerizzazione e bioprinting volumetrico; confronto tra le tecnologie, criteri di selezione e flusso di lavoro; bioink e building blocks per la biofabbricazione; definizione e classificazione dei bioink; metodi di gelificazione e reticolazione; proprietà reologiche e stampabilità; vitalità cellulare, maturazione e caratterizzazione dei costrutti; bioink contenenti micromoduli biologici; sistemi eterogenei e integrazione tra bioprinting embedded e bioassemblaggio.
Tecnologie emergenti e bioprinting avanzato
Bioprinting multicompartmentale, inclusi il bioprinting coassiale e la fabbricazione di strutture cave e perfondibili; bioprinting microfluidico e controllo dei gradienti e della composizione, inclusi la generazione microfluidica di fibre e filamenti e il controllo di gradienti e composizioni multimateriale; bioprinting guidato da campi esterni; bioprinting in situ e intraoperatorio e relative prospettive per la medicina rigenerativa.
Applicazioni della biofabbricazione
Applicazioni suddivise per tipologia di tessuto e organo: modelli di tessuto osseo e cartilagineo; cute e tessuti stratificati; muscolo scheletrico; tessuto cardiaco; tessuto nervoso; organoidi biostampati; sistemi multicellulari e multi-organo.
Bioprinting per applicazioni non biologiche: utilizzo di tecnologie di deposizione derivate dal bioprinting al di fuori dell’ambito biomedico; stampa alimentare; materiali sostenibili e biodegradabili.
Sicurezza, etica e regolamentazione
Aspetti di sicurezza, etici e regolatori del bioprinting 3D; sicurezza del processo e del prodotto nei costrutti biostampati; aspetti etici del bioprinting 3D, inclusi l’impiego di cellule staminali, la produzione di organi “on demand” e l’equità di accesso; quadro normativo relativo alle terapie avanzate.

Il campo sarà definito secondo l'aggiornamento delle Linee guida del PQA in corso di predisposizione

dispense del corso

The objectives of the course are aimed at equipping students with methods for analysing and modelling the mechanical behaviour of biological systems, both at the microscale of cellular and sub-cellular structures and at the macroscopic level of tissues. Special attention is dedicated to investigate how mechanics and evolutive aspects characterizing living structures such as growth, remodelling and morphogenesis mutually interact and can be exploited for applications of biomechanical interest. Lab experience will be also provided.
Conoscenza e capacita' di comprensione: It is expected that students gain abilities in applying analytical methods and modelling strategies for predicting biomechanical behaviors of elemental as well as selected complex living structures.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: The student will gain ability to apply studied methods

Mechanics of 1D systems (axial and bending regime): linear and nonlinear deformations and stress measures
Linear and nonlinear elasticity and associated mathematical problems for 1D and threedmensional media
Growth and remodelling: definition and evolution laws starting from mass balance and constitutive equations
Coupling stress, growth and remodelling in continua and structures: paradigms and bifurcation problems
Mechanics of interfaces
Optimization in nature
Applications and lab activities

The criteria will be defined according to the PQA guidelines in due time

Notes to the course (to be integrated with textbooks such as: Larry A. Taber, Continuum Modeling in Mechanobiology, Springer, 2020)

Il corso si propone di illustrare le principali tipologie di protesi, impianti temporanei e permanenti e organi artificiali attualmente impiegati nella pratica clinica. L’obiettivo è fornire agli studenti le conoscenze necessarie per comprenderne i principi di funzionamento, i criteri di progettazione, i materiali utilizzati, le tecnologie di fabbricazione, le prestazioni in vivo, i principali limiti e le possibili prospettive di sviluppo.
Una parte del corso è dedicata ai fondamenti di fisiologia e meccanica dei tessuti e degli organi, al fine di definire i requisiti funzionali e biomeccanici necessari alla progettazione di dispositivi destinati alla loro sostituzione o al supporto delle loro funzioni. Vengono quindi esaminate le proprietà delle principali classi di biomateriali e delle loro combinazioni, evidenziandone vantaggi, criticità e criteri di selezione in relazione alle specifiche applicazioni biomedicali.
Sono poi presentati dispositivi medici impiantabili e non impiantabili attualmente disponibili in ambito cardiovascolare, ortopedico, dermatologico, oftalmico, polmonare, renale, analizzandone le caratteristiche strutturali e funzionali, le modalità di interazione con l’organismo e gli aspetti relativi alla biocompatibilità. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di descrivere il funzionamento dei principali organi artificiali, impianti e protesi, identificare i requisiti fisiologici e biomeccanici alla base della loro progettazione e valutare criticamente l’idoneità di materiali e soluzioni tecnologiche in relazione alla specifica applicazione clinica.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso, lo/la studente/ssa:

• conosce le principali proprietà chimiche, fisiche e meccaniche delle diverse classi di biomateriali e delle loro combinazioni;
• comprende le relazioni tra le proprietà dei materiali e il loro impiego in specifiche applicazioni biomedicali;
• conosce le principali tecnologie di fabbricazione di protesi, impianti e dispositivi medici;
• conosce i principali metodi di modifica e funzionalizzazione chimico-fisica delle superfici dei biomateriali;
• comprende le condizioni di carico e le sollecitazioni meccaniche cui sono sottoposti protesi e impianti in vivo;
• conosce i principali impianti, dispositivi e organi artificiali utilizzati in ambito ortopedico, cardiovascolare, polmonare, oftalmico, renale e nella riparazione o sostituzione dei tessuti molli;
• comprende le principali interazioni tra materiali, dispositivi e tessuti biologici, nonché le risposte dell’organismo e le possibili complicanze associate a specifiche condizioni di impiego.
  Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso, lo/la studente/ssa è in grado di:
• individuare i materiali o le classi di materiali più adatti a soddisfare specifici requisiti biomeccanici, funzionali e biologici;
• selezionare le tecnologie di fabbricazione più appropriate per la realizzazione di protesi, impianti e dispositivi biomedicali;
• correlare le proprietà chimico-fisiche e meccaniche dei biomateriali alle prestazioni attese del dispositivo in vivo;
• identificare le principali sollecitazioni cui è sottoposto un impianto e valutarne qualitativamente le possibili conseguenze sulla funzionalità e sulla durabilità;
• valutare l’influenza delle caratteristiche superficiali sull’interazione tra il dispositivo e l’ambiente biologico;
• confrontare differenti soluzioni progettuali e motivare la scelta di materiali, processi produttivi ed eventuali trattamenti superficiali in relazione alla specifica applicazione clinica.

Biomateriali polimerici: classificazione dei polimeri e reazioni di polimerizzazione; architettura dei polimeri; stato fisico di aggregazione. Polimeri amorfi, cristallini e semicristallini. Polimeri termoplastici e termoindurenti. Elastomeri. Proprietà meccaniche dei polimeri: proprietà statiche e viscoelasticità. Tecnologie di fabbricazione: stampaggio, estrusione, blow moulding e injection moulding. Fibre polimeriche. Biocompatibilità ed emocompatibilità; meccanismi di biodegradazione; poliesteri, poliammidi, poliolefine, polisilossani e poliacrilati. Polimeri fluorurati. Idrogeli. Adesivi cutanei. Esempi applicativi in ambito cardiovascolare, oftalmico e ortopedico.
Materiali metallici: legame metallico, reticoli cristallini e piani di scorrimento; difetti e dislocazioni. Tecnologie di lavorazione dei materiali metallici. Leghe metalliche: acciai austenitici, ferritici e martensitici; acciai speciali; leghe di cobalto e leghe di titanio. Cenni sulla corrosione dei metalli. Metodi per la prevenzione della corrosione. Trattamenti superficiali, termici e chimico-fisici. Esempi di applicazione delle leghe metalliche in ortopedia e chirurgia maxillo-facciale.
Biomateriali ceramici: legame ionico; caratteristiche chimico-meccaniche dei ceramici; allumina e zirconia; tecnologie di fabbricazione dei ceramici; sinterizzazione. Esempi di applicazione dei ceramici in campo biomedicale.
Biomateriali di origine naturale: polisaccaridi: cellulosa, alginato, agarosio, chitina e chitosano. Metodi di estrazione, purificazione e modificazione chimica. Applicazioni biomedicali dei materiali a base di polisaccaridi. Materiali a base di proteine: collagene ed elastina. Tipi di collagene. Proprietà termomeccaniche del collagene. Struttura e caratteristiche meccaniche dell’elastina. Tecnologie di estrazione, purificazione e manipolazione dei biopolimeri naturali. Applicazioni biomedicali del collagene e dell’elastina. Acido ialuronico. Proprietà reologiche dell’acido ialuronico. Applicazioni in campo biomedicale dell’acido ialuronico.
Risposta dell’organismo ai corpi estranei: adsorbimento proteico sulle superfici dei materiali; ruolo delle cellule immunitarie nel riconoscimento dei materiali da impianto e nella risposta a essi; processi di degradazione; formazione di capsule fibrotiche perimplantari.
Cenni di biomeccanica dei tessuti naturali: risposta meccanica dei tessuti collagenici. Idrogeli a base di collagene. Proprietà meccaniche dell’elastina; manipolazione chimica dell’elastina. Matrice amorfa: proteoglicani e acido ialuronico. Viscoelasticità, creep e stress relaxation nei tessuti connettivi. Precondizionamento dei tessuti naturali.
Palloni biomedicali: definizione dei parametri di prestazione; criteri di progettazione; materiali e tecnologie di fabbricazione. Forme e applicazioni dei palloni biomedicali. Palloni low-pressure/high-compliance e high-pressure/low-compliance. Palloni a rilascio di farmaci. Palloni occlusivi. Applicazioni speciali dei palloni biomedicali. Modellazione dell’espansione mediante la meccanica del continuo.
Ricostruzione di tendini e legamenti: protesi tradizionali permanenti (intessute, a maglia e intrecciate), materiali di fabbricazione, meccanismi di rottura. Sistemi di “sostegno” (LAD). Sistemi “ponte” (Leeds-Keio). Legamenti di nuova generazione. Legamenti compositi: relazione struttura-proprietà.
Sistemi per il rinforzo dei tessuti molli: reti sintetiche e ibride per la riparazione delle ernie. Materiali, strutture e tecnologie di fabbricazione. Problema delle aderenze. Membrane composite.
Mezzi per l’osteosintesi: meccanismi biologici della riparazione delle fratture: riparazione per prima o seconda intenzione. Sistemi per la stabilizzazione relativa e assoluta: chiodi, fili, viti, placche, piastre forate, piastre a compressione dinamica e chiodi endomidollari.
Protesi d’anca: cenni sull’anatomia e sulla biomeccanica dell’articolazione; criteri di progettazione; selezione dei materiali e analisi delle loro caratteristiche meccaniche; progettazione dell’accoppiamento testina-acetabolo. Integrazione stelo-osso; protesi cementate e non cementate. Tipologie di protesi non cementate. Trattamenti superficiali osteoconduttivi. Cementi ossei: caratteristiche e proprietà. Cenni sull’interazione tra le cellule e lo stelo della protesi.
Lenti a contatto e lenti intraoculari: materiali, tecnologie di fabbricazione e interazione con l’organismo.
Stent cardiovascolari: materiali e strutture; caratteristiche meccaniche; drug-eluting stent; effetto del design dello stent sulla sua funzione a breve e lungo termine; stent biodegradabili. Sostituti di tendini e legamenti: cenni sull’anatomia e sulle caratteristiche meccaniche dei tessuti naturali. Proprietà dei graft convenzionali polimerici non riassorbibili.
Protesi vascolari: cenni sull’anatomia e sulle caratteristiche meccaniche dei vasi naturali; proprietà dei graft convenzionali in PET e PTFE: materiali, strutture e tecnologie di fabbricazione. Emocompatibilità dei poliesteri e dei polimeri fluorurati. Problema dell’iperplasia della neointima: considerazioni meccaniche e fluidodinamiche. Protesi innovative elastomeriche. Progettazione di una protesi vascolare composita. Tecnologie di fabbricazione di compositi assialsimmetrici.
Protesi valvolari: cenni sull’anatomia e sulla fisiologia delle valvole. Patologie valvolari. Progettazione di valvole artificiali; valvole biologiche e valvole meccaniche: caratteristiche funzionali e meccaniche. Valvole porcine e bovine. Valvole a palla e gabbia, valvole a disco, valvole a disco oscillante e valvole a due emidischi. Tecnica di Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR). Biomeccanica, aspetti emodinamici, materiali, emocompatibilità e biocompatibilità.
Dispositivi di supporto all’attività cardiaca: cenni sull’anatomia e sulla fisiologia del cuore; circolo sanguigno; biomeccanica cardiaca.
Sistemi di supporto all’attività cardiaca: dispositivi di assistenza ventricolare (VAD). Tipologie di pompe impiegate nei VAD: pompe volumetriche e pompe centrifughe. Caratteristiche meccaniche e funzionali. Sistemi di sostegno e stabilizzazione delle giranti.
Cuore artificiale: criteri di progettazione; pompe volumetriche alternative; sistemi di alimentazione; modelli attualmente utilizzati, differenze e caratteristiche.
Ossigenatori: ossigenatori a membrana e ossigenatori a fibre cave. Materiali, costruzione e assemblaggio. Analisi delle prestazioni.

Gli studenti preparano una breve presentazione riguardante o un'approfondimento di argomenti trattati al corso, oppure su dispositivi innvoativi. Successivamente sono fatte domande sul programma, che possono anche comprendere la soluzione di un esercizio (es. dimensionamento di una endoprotosi), l'analisi delle caratteristiche chimico fisiche dei biomateriali, la discussione di applicazioni o problematiche note di dispositivi. La valutazione si basa sul 30% sull'elaborato (presentazione) e 70% sul resto del programma.

Slide delle lezioni; dispense con esercitazioni svolte in aula;
Parte biomateriali: CM.Agrawal, JL.Ong, MR.Appleford. "Introduction to Biomaterials Basic Theory with Engineering Applications". Cambridge University Press; ; JY.Wong, JD.Bronzino, DR.Peterson "Biomaterials Principles and Practice" CRC Press;
Parte meccanica: J.Bonet, RD.Wood "Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis" Cambridge Press; GA.Holzapfel "Nonlinear Solid Mechanics: A Continuum Approach for Enineering: A Continuum Approach for Engineering" Wiley.

Il corso si propone di fornire le competenze di base per la modellistica, la pianificazione e il controllo del moto dei robot
Conoscenza e capacita' di comprensione: Il percorso formativo intende fornire agli studenti gli strumenti metodologici per la modellistica, la pianificazione e il controllo dei robot. Vengono introdotti i componenti di un robot, i modelli cinematici, statici e dinamici dei robot manipolatori, le tecniche di pianificazione di traiettoria e gli schemi di controllo. Lo studente deve dimostrare di avere appreso quali sono i requisiti dei sistemi dedicati al controllo dei robot, sulla base dei modelli impiegati. Lo studente deve inoltre dimostrare la conoscenza nella derivazione di modelli e nella validazione degli algoritmi per l’inversione cinematica e il controllo mediante strumenti di simulazione.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente deve dimostrare di saper derivare i modelli cinematici, statici e dinamici e di saperli applicare a casi di studio pratici riguardanti i robot manipolatori a catena aperta. A partire da questi, deve dimostrare di saper progettare schemi di controllo che risolvano i problemi di regolazione e di inseguimento di traiettoria e di saperli validare in ambiente Matlab/Simulink®.

Robotica industriale e robotica avanzata
Descrizione e principi di funzionamento di un robot
Cinematica diretta
Calibrazione cinematica
Cinematica differenziale e Jacobiano
Ridondanza e singolarità
Algoritmi per l’inversione cinematica
Dualità cineto-statica
Pianificazione di traiettorie nello spazio dei giunti e nello spazio operativo
Attuatori e sensori
Unità di governo
Modello Lagrangiano
Proprietà notevoli del modello dinamico
Algoritmo ricorsivo di Newton-Eulero
Identificazione dei parametri dinamici
Dinamica diretta e dinamica inversa
Controllo decentralizzato
Controllo indipendente ai giunti
Controllo centralizzato
Controllo a coppia precalcolata
Controllo PD con compensazione di gravità
Controllo a dinamica inversa
Controllo robusto e adattativo
Controllo nello spazio operativo

Al colloquio orale si viene ammessi dopo lo svolgimento di un elaborato progettuale in Matlab/Simulink® riguardante la simulazione di algoritmi di inversione cinematica e sistemi di controllo per robot manipolatori. L’esame consiste in una discussione critica dell’elaborato e nell’accertamento dell’acquisizione dei concetti e dei contenuti introdotti durante le lezioni.
Gli studenti vengono ammessi all'esame orale dopo aver svolto un progetto di progettazione in Matlab/Simulink®
riguardante la simulazione di algoritmi di cinematica inversa e sistemi di controllo per manipolatori robotici.
L'esame consiste in una discussione critica del lavoro svolto e nella verifica dell'apprendimento dei concetti e dei contenuti introdotti durante le lezioni.

B. Siciliano, L. Villani, G. Oriolo, A. De Luca, Foundations of Robotics, London, UK, 2025, ISBN 978-3-031-85522-1
B. Siciliano, Robotics Foundations I, MOOC disponibile in inglese sulla piattaforma www.federica.eu
B. Siciliano, Robotics Foundations II, MOOC disponibile in inglese sulla piattaforma www.federica.eu
Materiale disponibile nella pagina MS Teams del corso

Il corso si propone di fornire agli studenti una conoscenza avanzata dei principi scientifici e ingegneristici alla base della nanomedicina e dello sviluppo di sistemi innovativi per la somministrazione di farmaci. Attraverso un approccio interdisciplinare che integra bioingegneria, farmacologia, biologia, scienza dei materiali e nanotecnologie, il corso mira a sviluppare le competenze necessarie per progettare e valutare nuove strategie terapeutiche.
Nella prima parte del corso gli studenti acquisiranno una visione d'insieme dell'evoluzione delle terapie farmacologiche, dai farmaci convenzionali alle più recenti piattaforme terapeutiche, analizzando le principali limitazioni dei trattamenti tradizionali e i bisogni tecnologici ("technology needs") che hanno guidato lo sviluppo della medicina di precisione e della nanomedicina. Verranno introdotti i principi fondamentali della scoperta e dello sviluppo dei farmaci, le fasi della sperimentazione preclinica e clinica e gli aspetti che determinano l'efficacia e la sicurezza di una terapia.
Successivamente saranno affrontati i concetti fondamentali di farmacocinetica e farmacodinamica, con particolare attenzione ai meccanismi che regolano l'assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l'eliminazione dei farmaci (ADME), alle relazioni dose-risposta e ai fattori biologici che influenzano la biodisponibilità e l'efficacia terapeutica. Gli studenti comprenderanno come tali principi guidino la progettazione di sistemi di drug delivery in grado di ottimizzare il trasporto del principio attivo verso il sito bersaglio e di ridurre gli effetti collaterali sistemici.
La parte centrale del corso sarà dedicata ai principi di progettazione dei sistemi avanzati per il rilascio controllato e mirato dei farmaci. Verranno analizzate le principali strategie terapeutiche, partendo dagli anticorpi monoclonali, dai farmaci biologici e dai prodrug, fino ai sistemi di drug delivery basati su micro- e nanoparticelle. Saranno approfonditi i criteri di progettazione dei vettori terapeutici, includendo la selezione dei materiali, le proprietà fisico-chimiche, la biocompatibilità, la biodegradabilità, la funzionalizzazione superficiale, il targeting passivo e attivo, i meccanismi di internalizzazione cellulare e le modalità di rilascio controllato.
Il corso approfondirà inoltre le principali piattaforme nanomediche impiegate nella pratica clinica e nella ricerca, quali liposomi, nanoparticelle lipidiche (LNP), nanoparticelle polimeriche, micelle, nanoparticelle inorganiche, idrogel, sistemi microfluidici per la produzione di nanovettori e tecnologie emergenti per il trasporto di acidi nucleici e biomolecole terapeutiche.
L'ultima parte del corso sarà dedicata alle terapie avanzate (Advanced Therapy Medicinal Products, ATMP), con particolare attenzione alle terapie cellulari e geniche, alle piattaforme di gene delivery, all'ingegnerizzazione cellulare e alle nuove frontiere della medicina rigenerativa. Verranno discussi i principi di progettazione delle terapie cellulari, le tecnologie per la modifica genetica, le problematiche di produzione e scalabilità e le sfide regolatorie e traslazionali associate alla loro introduzione nella pratica clinica.
Conoscenza e capacita' di comprensione: La parte centrale del corso sarà dedicata ai principi di progettazione dei sistemi avanzati per il rilascio controllato e mirato dei farmaci. Verranno analizzate le principali strategie terapeutiche, partendo dagli anticorpi monoclonali, dai farmaci biologici e dai prodrug, fino ai sistemi di drug delivery basati su micro- e nanoparticelle. Saranno approfonditi i criteri di progettazione dei vettori terapeutici, includendo la selezione dei materiali, le proprietà fisico-chimiche, la biocompatibilità, la biodegradabilità, la funzionalizzazione superficiale, il targeting passivo e attivo, i meccanismi di internalizzazione cellulare e le modalità di rilascio controllato.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

• comprendere i principi biologici, farmacologici e ingegneristici alla base della nanomedicina;
• analizzare criticamente i limiti delle terapie convenzionali e identificare le esigenze tecnologiche che guidano lo sviluppo di nuovi sistemi terapeutici;
• interpretare i principi di farmacocinetica e farmacodinamica nella progettazione di sistemi di drug delivery;
• progettare, valutare e confrontare dispositivi e vettori per il rilascio controllato e mirato di farmaci, considerando proprietà dei materiali, prestazioni biologiche e vincoli ingegneristici;
• comprendere il funzionamento delle principali piattaforme nanomediche utilizzate per il trasporto di piccole molecole, proteine, anticorpi, RNA e DNA;
• valutare criticamente vantaggi, limiti e potenzialità delle tecnologie emergenti, incluse nanoparticelle, sistemi microfluidici, terapie cellulari e geniche;
• integrare conoscenze provenienti da bioingegneria, farmacologia e nanotecnologie per contribuire allo sviluppo di nuove strategie terapeutiche e dispositivi biomedicali innovativi.

Introduzione allo sviluppo dei farmaci e alla nanomedicina
Fondamenti di farmacologia
Farmacocinetica e farmacodinamica
Principi di drug delivery
Piattaforme terapeutiche: dagli anticorpi monoclonali ai prodrug
Biomateriali per il drug delivery
Progettazione di sistemi micro- e nanoparticellari per il rilascio dei farmaci
Nanoparticelle lipidiche (LNP) e rilascio di acidi nucleici
Tecnologie di produzione delle nanomedicine
Interazioni biologiche dei sistemi di drug delivery
Prodotti Medicinali per Terapie Avanzate (ATMP): terapie geniche e cellulari
Traslazione clinica e prospettive future della nanomedicina

La valutazione finale considera la correttezza delle risposte, la qualità dell'elaborato progettuale, la capacità di applicare le conoscenze acquisite, la comprensione dei principi fondamentali, la capacità di collegare i temi del corso e la chiarezza dell'esposizione durante il colloquio orale.

Precision Nanomedicine - Integrating AI Technology, Nano-Delivery and Advanced Models 1st Edition - November 1, 2026
Design of Controlled Release Drug Delivery Systems by Xiaoling Li and Jasti B. Rao, published by McGraw Hill

Il corso introduce i principali approcci della neuroingegneria, integrando lo studio biofisico e l’analisi quantitativa dei segnali neurali con la progettazione di modelli sperimentali e neuro-dispositivi avanzati. Il percorso formativo prevede l'integrazione interdisciplinare di elaborazione dei segnali, bioingegneria dei tessuti e scienze dei materiali, per i seguenti scopi:
(i) fornire le competenze ingegneristiche per lo studio dei segnali neurali e le tecniche di analisi quantitativa, applicando algoritmi avanzati per l'acquisizione, il filtraggio, lo spike sorting e la decodifica; (ii) progettare sistemi in vitro complessi, come piattaforme Brain-on-Chip , modelli di nocicezione on-chip e modelli di patologie neurodegenerative; (iii) progettare modelli neuronali eterotipici dove il tessuto neurale si interfaccia e guida altri tessuti (es. giunzione neuromuscolare, innervazione del derma) e (iv) come monitorarne crescita e funzionalità tramite sensori integrati; (v) fornire competenze per lo sviluppo di bioattuatori neuron-driven che utilizzano campi esterni per il controllo del movimento; (vi) fornire una panoramica delle interfacce elettrodo-tessuto e delle neuroprotesi in vivo , ed il loro impiego nei sistemi di monitoraggio diagnostico continuo.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di:

• Comprendere la genesi biofisica dei segnali neurali e la loro modellizzazione elettrofisiologica.
• Padroneggiare i principi fondamentali dell'ingegneria dei tessuti neurali e dell'integrazione di sistemi eterotipici (es. neuro-muscolare, neuro-dermico).
• Conoscere la teoria della codifica e decodifica neurale e le principali tecniche di acquisizione/processing del segnale (es. spike sorting , filtraggio, time-frequency analysis).
• Comprendere il funzionamento e l'architettura di dispositivi in vitro (MEA, Brain-on-Chip) e in vivo (neuroprotesi).
• Riconoscere i biomarcatori elettrofisiologici e le alterazioni dei segnali tipiche delle principali malattie neurodegenerative.
  Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
• Elaborare ed analizzare segnali neurali reali o simulati applicando opportuni algoritmi di filtraggio, estrazione di caratteristiche ( feature extraction ) e decodifica.
• Configurare e analizzare concettualmente piattaforme on chip con sensori integrati per il monitoraggio continuativo e in tempo reale della funzionalità di modelli neurali in vitro, inclusi saggi di nocicezione e modelli di patologie neurodegenerative.
• Progettare schemi di stimolazione elettrica ed ottica (optogenetica) integrati con reti neurali biologiche per guidare l'attuazione e il controllo motorio ( bioattuatori neuron-driven ).
• Valutare e ottimizzare le prestazioni elettriche e biologiche dell'interfaccia elettrodo-tessuto , considerando l'impedenza dell'interfaccia e la stabilità del segnale contro la reazione gliotica del tessuto ospite.
• Schematizzare e valutare architetture di neuroprotesi sensoriali/motorie e dispositivi di monitoraggio diagnostico continuo per applicazioni reali in vivo

Segnali
Segnali Neurali: Origine, Acquisizione e Processing
Biofisica ed Elettrofisiologia: Origine dei segnali neurali (potenziali d'azione, LFP, EEG, EMG). Modelli bioelettrici della membrana cellulare.
Tecniche e Metodi di Acquisizione: Elettrodi per la registrazione neurale in vitro ed in vivo (microelettrodi, cuff electrodes, array ad alta densità MEA, elettrodi epidurali/sottocutanei). Risoluzione spaziale e temporale
Signal Processing Applicato ai Segnali Neurali: Filtraggio, rigetto degli artefatti, tecniche di spike detection e spike sorting . Analisi tempo-frequenza dei segnali neurali complessi.
Segnali Neurali e Patologie Neurodegenerative: Firme elettrofisiologiche e biomarcatori nelle patologie
Modelli Bioingenerisitci in vitro
Biomateriali per la Neuroingegneria: hydrogel e polimeri conduttori flessibili per accoppiamento con elettrodi
Ingegneria dei Tessuti Neurali e Sistemi Eterotipici
Integrazione Eterotipica del Tessuto Neurale: Meccanismi di accoppiamento e integrazione del tessuto neurale con altri tessuti (es. giunzione neuromuscolare, interazione con il derma/pelle)
Monitoraggio e Controllo dei Sistemi Eterotipici: Piattaforme on-chip, sensori integrati per il monitoraggio della crescita, maturazione e funzionalità del tessuto accoppiato
Dispositivi In Vitro: Microelectrode Arrays (MEA) e piattaforme microfluidiche (Organ-on-Chip, Brain-on-Chip) per lo studio della connettività neurale.
Nocicezione on chip
Bioattuatori neuron-driven: Integrazione di stimolazione elettrica/ottica per il controllo del movimento.
Alterazioni Elettrofisiologiche nelle Malattie Neurodegenerative e modelli neuro-degenerativi on chip
Interfacce neurali
Interfaccia Elettrodo-Tessuto: Modelli di impedenza, reazioni elettrochimiche all'interfaccia, biocompatibilità a lungo termine e risposta da corpo estraneo (gliosi reattiva).
Protesi Neurali e Applicazioni In Vivo
Neuroprotesi Sensoriali e Motorie
Tecniche di Diagnosi e Monitoraggio Continuo

Il campo sarà definito secondo l'aggiornamento delle Linee guida del PQA in corso di predisposizione

dispense delle lezioni

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
Spiegare i meccanismi fondamentali di trasporto ionico ed elettronico nei conduttori e semiconduttori organici soffici ( soft ).
Analizzare l'interfaccia biotico-abiotico, concentrandosi su come i materiali soffici funzionali trasducono i segnali fisiologici biologici in letture elettroniche.
Confrontare le proprietà fisiche, chimiche ed elettriche dei tradizionali semiconduttori inorganici con quelle dei materiali bioelettronici flessibili e conformabili, in relazione all'adattamento ai tessuti ( tissue matching ) e all'impedenza.
Valutare i principi di funzionamento, le figure di merito e i criteri di progettazione per le architetture chiave dei dispositivi bioelettronici organici.
Formulare strategie per la funzionalizzazione delle superfici e la selezione di elementi di biorecettività specifici per piattaforme di biosensoristica.
Selezionare e applicare tecniche avanzate di microfabbricazione e manifattura additiva (in particolare la stampa FDM con filamenti conduttivi e la stampa di resine fotopolimerizzabili/PEDOT:PSS) per prototipare hardware funzionale d'interfaccia biologica e dispositivi personalizzati.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
Trasporto di carica: Comprendere la generazione dei portatori di carica e la conduzione mista ionico-elettronica in matrici soffici.
Fisica delle interfacce: Modellare il Doppio Strato Elettrochimico (EDL) e l'adattamento biomeccanico all'interfaccia con i tessuti.
Fondamenti dei dispositivi: Spiegare i principi operativi di transistor organici, microelettrodi e biosensori.
Manifattura additiva: Comprendere i vincoli di materiale e di processo per la stampa 3D di polimeri conduttivi e idrogel.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
Progettazione di dispositivi: Proporre architetture funzionali per la registrazione e il rilevamento di parametri fisiologici.
Stampa 3D e Prototipazione: Utilizzare sistemi FDM (TPU conduttivo) e sistemi a resina foto-reticolabile (PEDOT:PSS/idrogel) per fabbricare tracce conduttive personalizzate, patch indossabili e micro-interfacce.
Incapsulamento e Stabilità: Selezionare materiali e strategie di packaging per un funzionamento stabile in ambienti fisiologici.

Introduzione: Portatori di segnale in biologia.
Esempi di segnali nei sistemi biologici viventi: la segnalazione neuronale.
Modulo 1: Fondamenti dei semiconduttori organici
Introduzione alla bioelettronica organica e ai portatori di segnale biologico.
Meccanismi di trasporto di carica, polimeri coniugati e idrogel conduttivi.
Sintesi dei materiali e funzionalizzazione (con focus sui sistemi PEDOT:PSS).
Modulo 2: L'interfaccia biotico-abiotico
Termodinamica del Doppio Strato Elettrochimico (EDL).
Biocompatibilità, risposta da corpo estraneo e adattamento meccanico ai tessuti.
Principi di conversione dei flussi ionici biologici in segnali elettronici.
Modulo 3: Dispositivi e manifattura additiva
Architetture principali: OFET, OECT, MEA e sensori enzimatici.
Microfabbricazione in camera bianca ( cleanroom ) vs. Manifattura Additiva.
Tecnologie di stampa 3D:
Stampa FDM: Lavorazione di filamenti conduttivi flessibili (TPU con grafene/CNT) per patch indossabili e circuiti strutturali.
Stampa a resina/idrogel (DLP/SLA/DIW): Fotopolimerizzazione di resine PEDOT:PSS e gel conduttivi per interfacce ad alta risoluzione.
Modulo 4: Applicazioni biomediche e nuove frontiere
Bioelettronica indossabile ed epidermica.
Interfacce neurali, bioterapie e biosensori point-of-care .
Concetti emergenti: Impianti transienti (riassorbibili) e dispositivi organici neuromorfici.

Project Work e Presentazione: Agli studenti è richiesto di sviluppare un progetto pratico o orientato alla ricerca e di esporre una presentazione orale.
Valutazione Finale: La valutazione si basa sulla qualità della presentazione del progetto e su una discussione orale inerente ai concetti teorici dei moduli del corso.

Diapositive delle lezioni, articoli scientifici e manuali di laboratorio forniti sul portale del corso

Il corso si propone di fornire agli studenti informazioni avanzate sulla sostenibilità dei materiali e sulla valutazione dell'impatto ambientale. Verranno introdotti i principi di sostenibilità e sviluppo sostenibile, nonché la loro applicazione alle strategie di produzione e lavorazione dei materiali. Verrà esplorata la criticità delle risorse attualmente disponibili, nonché l'opportunità di riciclare i materiali. Infine, verranno presentati e studiati diversi metodi per la valutazione della sostenibilità, insieme a una serie di casi di studio.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Lo studente deve descrivere i problemi relativi alla produzione di materiali nell'ambito dello sviluppo sostenibile. Deve essere in grado di comprendere i nessi causali tra le attività tipiche di produzione e le problematiche relative al consumo di risorse, alla produzione di rifiuti e agli impatti ambientali, nonché di comprendere le possibili modalità per raggiungere uno sviluppo sostenibile e promuovere un'economia circolare. Deve illustrare l'impatto attuale della produzione, dell'uso e dello smaltimento delle principali famiglie di materiali, insieme al potenziale delle strategie sostenibili di sostituzione dei materiali. Infine, lo studente deve dimostrare di conoscere gli specifici strumenti metodologici necessari per valutare l'impatto ambientale dell'industria dei materiali.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente deve dimostrare di saper elaborare un insieme di informazioni per valutare gli impatti della produzione di materiali e il relativo consumo energetico. Deve essere in grado di utilizzare l'eco-audit o l'analisi LCA dei processi produttivi, di identificare i relativi principali impatti e di ipotizzare strategie sostenibili di sostituzione dei materiali.

• Sostenibilità e sviluppo sostenibile: definizione della situazione attuale e possibili percorsi di transizione
• Valutazione dell'impatto: LCA e strumenti correlati
• Produzione e utilizzo dei materiali: consumo di risorse, produzione di rifiuti, impatto ambientale
• Utilizzo dell'energia (consumo e impatto delle attuali fonti di energia) e prospettive future (materiali per un'energia carbon-free)
• Materiali ed economia circolare: opportunità, problemi, strategie attuabili
• Casi studio

Elaborato progettuale: 50%.
Colloquio orale: 50%.

• “Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice”; M. F. Ashby
• “Life Cycle Assessment - Theory and Practice”; Hauschild, Michael, Rosenbaum, Ralph K., Olsen, Stig (Eds.)

Il corso si propone di fornire agli studenti un quadro avanzato, multidisciplinare e integrato delle metodologie scientifiche e delle tecnologie ingegneristiche applicate all'Ingegneria dei Tessuti (Tissue Engineering) e ai Sistemi Microfisiologici su chip (Organ-on-Chip).
L'obiettivo principale del corso è formare una figura professionale in grado di: comprendere e modellare le relazioni struttura-funzione e le proprietà biomeccaniche dei tessuti biologici sia in condizioni fisiologiche che patologiche; Progettare e funzionalizzare biomateriali, scaffold e microambienti 3D controllando le interazioni cellula-matrice mediante segnali chimico-fisici, topografici e meccanici.; Selezionare e applicare tecniche avanzate di fabbricazione tessutale (approcci top-down e bottom-up , biofabrication, bioprinting) e gestire il bioprocesso mediante l'uso di bioreattori e l'analisi dei fenomeni di trasporto di massa e fluido-dinamica; Progettare e sviluppare piattaforme microfluidiche (Organ-on-Chip) per la modellazione in vitro di barriere biologiche, tessuti complessi, interazioni multiorgano e modelli patologici, tenendo conto degli aspetti sensoristici, regolatori e applicativi nella medicina personalizzata e nella sperimentazione preclinica.
Conoscenza e capacita' di comprensione: Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di conoscere e comprendere: la composizione micro e macromolecolare dei tessuti biologici e della matrice extracellulare (ECM), l'organizzazione gerarchica e le relazioni struttura-funzione; l’interazione cellula-materiale ed i meccanismi di trasduzione dei segnali matricellulari, biochimici, meccanici e micro/nano-topografici; la risposta citoscheletrica e i modelli teorici/sperimentali di meccanica cellulare; gli approcci bio-ingegneristici per la genesi di tessuti in vitro, ed i principi di funzionamento dei bioreattori; i principi della microfluidica applicata all'ingegneria tessutale; la sensoristica integrata per il monitoraggio on-line/off-line ; l'architettura dei chip per tessuti barriera, tessuti complessi, sistemi multiorgano e modelli di patologici on chip; il panorama regolatorio e commerciale degli Organ on Chip.
Capacita' di applicare conoscenza e comprensione: Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

• descrivere le componenti principali di un tessuto biologico e la relazione che intercorre tra la sua organizzazione strutturale e le sue funzioni;
• progettare microambienti biofunzionali definendo le caratteristiche chimiche, meccaniche e micro/nano-topografiche di una matrice (es, rigidezza, gradienti molecolari) per guidare specifiche risposte cellulari come migrazione, differenziamento o wound healing ;
• pianificare processi di ingegnerizzazione tessutale identificando la strategia più adeguata e le sorgenti cellulari più idonee per l'ingegnerizzazione di un determinato tessuto 3D;
• modellare matematicamente e analizzare i fenomeni di trasporto (flussi di fluido, apporto di ossigeno e nutrienti) all'interno di bioreattori e matrici 3D per definire le condizioni di processo ottimali;
• progettare e costruire piattaforme Organ-on-Chip, e dispositivi microfluidici specifici per la simulazione in vitro di condizioni fisiologiche/patologiche, tessuti/organi barriera ed interazioni complesse;
• integrare la necessaria sensoristica per il monitoraggio di parametri biofunzionali per la ricerca di base, applicata e test farmacologici e di tossicità/efficacia preclinica;
• analizzare il panorama industriale e regolatorio dei sistemi organ on chip ed identificare sistemi più idonei per le specifiche applicazioni

Tissue engineering 5 CFU
I tessuti biologici
Classificazione dei tessuti biologici e composizione dei tessuti biologici su scala cellulare.
Composizione dei tessuti biologici su scala macromolecolare: produzione e assemblaggio della matrice extracellulare (ECM).
Descrizione della relazione struttura-funzione dei tessuti biologici:

• Come la composizione molecolare e l’organizzazione strutturale controllano le proprietà meccaniche dei tessuti biologici.
• Il caso speciale dei tendini/legamenti e della pelle: organizzazione gerarchica e comportamento meccanico non-lineare e viscoelastico.
• Modelli meccanici e multifasici per i tessuti biologici
• Applicazione dei modelli ad alcuni casi speciali (pelle / cartilagine).
  Il ruolo dell’ECM in fisiologia e patologia.
  Metodi per la misurazione delle alterazioni nella struttura e nella funzione dell’ECM durante processi patologici.
  Interazione cellula-materiale-segnali (come conferire specifiche caratteristiche strutturali/morfologiche e funzionali agli scaffold)
  Matrici biofunzionali: I segnali matricellulari, ruolo di peptidi/proteine nel regolare l’adesione e il comportamento cellulare (RGD, fibronettina, collagene I, ecc.); caratteristiche micro-nano topografiche delle superficie dei materiali per la regolazione della funzione e delle attivita cellulari.
  I segnali meccanici: forze meccaniche/proprieta meccaniche del biomateriale/scaffold.
  I segnali solubili: fattori di crescita/chemochine/citochine.
  I gradienti biomolecolari.
  Ruolo dei segnali chimico-fisici nella modulazione della meccanica del citoscheletro cellulare e lo stato di salute delle cellule; tecniche sperimentali e modelli teorici per lo studio della meccanica cellulare.
  Regolazione delle funzioni cellulari: migrazione e differenziamento cellulare, processi di guarigione delle ferite.
  Processo di tessuti in vitro
  Cellule nell’ingegneria dei tessuti: sorgenti, processi di estrazione e coltura. 2. Tecniche di espansione cellulare: 2D e sospensione dinamica.
  Tecniche di fabbricazione di tessuti 3D ingegnerizzati:
• Tecniche top-down: colture cellulari in scaffold microporosi e idrogeli.
• Tecniche bottom-up: presentazione di diversi micro-blocchi da costruzione (scaffold- free: sferoidi; fogli cellulari; scaffold-based: tecniche di produzione di microscaffolds (batch e continuo) / cell-laden microgels, bioprinting; cell-seeded microcarriers.
• Tecniche di processo dei tessuti ingegnerizzati: I bioreattori nell’ingegneria dei tessuti.
• Condizioni di processo: accoppiamento delle variabili di processo e della crescita tessutale
  in vitro:
• Trasporto di fluido e di massa in mezzi continui e porosi: approccio di Navier-Stockes e Darcy.
• Risposta di colture cellulari 3D a variabili di processo (stimoli fluido-dinamici,
  stimolazioni meccaniche, stimolazioni biochimiche).
• Modelli di consumo di ossigeno.
  Organ on chip 4 CFU
  I Sistemi microfisiologici ed organ-on-chip
  Microfluidica per ingegneria tessutale: dalla progettazione alla realizzazione
  Strumentazione e sensoristica per sistemi micrfluidici: controllo dei flussi e misura on-line ed off-line di parametri biofunzionali (es. TEER, permeabilità molecolare, deformazione meccanica, imaging della ECM)
  Tessuti barriera on chip (es. pelle, polmone, intestino,..)
  Tessuti complessi on chip (brain-on-chip, muscle-on-chip, heart on chip)
  Interazione multiorgano / assi on-chip (es. intestino-cervello, barriera ematoencefalica, risposta immunitaria-on-chip)
  Sistemi patologici on chip (tumor on chip, fibrosi on chip, wound healing on chip)
  Aspetti regolatori per l’uso di sistemi on chip per nella sperimentazione pre clinica e nella medicina personalizzata e soluzioni commerciali.

Il campo sarà definito secondo l'aggiornamento delle Linee guida del PQA in corso di predisposizione

dispense del corso e materiale ofrnito in initenere