Post on 22-Jun-2018
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Scienza e Tecnologia dei Biomateriali
Corso Laurea in
Ingegneria Medica
9 CFU
Prof. Alessandra Bianco
Dipartimento di Ingegneria Industriale
a.a. 2012-2013
Lunedì 11:30-13:00 Aula B16
Martedì 9:30-11.00 Aula B16
Giovedì 14:00-15:30 Aula B16
Orario delle lezioni
Testi consigliati
(2) Biomaterials Sience: an Introduction to Materials in Medicine, Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen, Jack E. Lemons, Academic press
(1) Scienza e Tecnologia dei Materiali W. F. Smith, Mc Graw-Hill (nuova edizione)
Materials, Engineering, Science, Processing and Design, Asby Kluwer Academic/Plenum Publishers
Struttura e proprietà dei materiali metallici, A. Cigada T.Pastore, McGraw-Hill
Biomateriali per protesi ed organi artificiali, R Pietrabissa, Pàtron Editore
Biomateriali, A. Cigada, R. Contro, C. Di Bello, M. C. Tanzi, Patron Editore
The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press
The Biomedical Enginnering Handbook,J. D. Bronzino (CRC Press)
Integrated Biomaterials Science, Kluwer Academic/Plenum Publishers
Altri testi ….
Orario ricevimento
Edifici Sogene
Dipartimento Scienze e Tecnologie Chimiche
livello 1, settore 6, stanza 9
Cosa è un “materiale”?
• “Aggregato di atomi, ioni o molecole che, grazie alla
presenza di legami interatomici e/o intramolecolari è in
grado di opporre una reazione a stimoli chimici, fisici e
alle sollecitazioni meccaniche, tale da consentirne
l’impiego per la fabbricazione di oggetti, strutture e
dispositivi utili all’uomo.”
Struttura e proprietà materiali metallici, A. Cigada e T. Pastore, McGraw-Hill
Perché “Scienza e tecnologia dei materiali”?
“Engineers make things. They make them out of
materials. To make something out of a material you
also need a process. Not just any process, the one
you choose has to be compatible with the material
you plan to use. Compatibility between material and
processing is not easily found. The aim is to provide
a methods and tools to choose a durable union
between the universe of materials and the universe
of processes.”
Materials Engineering, Science, Processing and Design M. Ashby
“A process is a method of shaping, joining or finishing a material.
There are hundreds of them. It is important to choose the right
process-route at an early stage in the design before the cost-penalty
of making changes becomes large.
The choise, for a given component, depends on the material of which
it is to be made, on its shape, dimensions and precision and
how many are to be made, in short, on the design requirement.”
Cosa è un “processo”?
Materials Engineering, Science, Processing and Design M. Ashby
Quali sono le proprietà dei materiali?
• Proprietà meccaniche
• Proprietà termiche
• Proprietà elettriche, magnetiche ed ottiche
• Proprietà chimiche
Biomateriale
“Materiale progettato per interagire con sistemi
biologici per valutare, trattare, incrementare o
sostituire tessuti, organi o funzioni corporee”.
The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press
Consensus Conference, Chester, UK, 1991
Boris Karloff, Frankenstein 1931
Storia della definizione di Biomateriale
The 6th Annual International Biomaterial
Symposium, 1974
“Biomateriale è una sostanza inerte, sia
nei confronti dell’organismo che dal
punto di vista farmacologico, progettata per
essere impiantata o incorporata in un
sistema vivente”.
Egizi, Etruschi, Greci, Romani, Cinesi ed Aztechi
denti d'oro, suture con crine di cavallo, occhi di vetro
‘40: applicazione cemento in odontoiatria a base di PMMA
’40-’50: lenti intraoculari PMMA (IOL)
‘50-’60: protesi vascolari Dacron
‘60: protesi d'anca cementata (PE , acciaio inox, PMMA)
‘50-’70:protesi mammella (silicone)
’60-’70: ventricoli (LVAD) e cuore aritificiale
‘70: introduzione termine biomateriale
1975: fondazione Society for Biomaterials
‘70-’80: suture bioriassorbibili PLA
‘80-’90: impianti dentali osteointegrati di titanio, biovetri,
testine femorali e coppe acetabolari di allumina
Mummia egizia alluce di legno.
Impianti dentali di conchiglia
(Maia)
Scienza dei Biomateriali
“Studio della struttura e delle proprietà dei biomateriali,
dei meccanismi con cui essi interagiscono con i sistemi biologici
e loro prestazioni cliniche”.
The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press
Mercato mondiale ed europeo dispositivi medici
Nel 2000 fatturato a livello mondiale 160 miliardi di euro; Europa 39 miliardi di euro
Principali dispositivi clinici ortopedia
protesi articolari
sistemi di fissaggio di fratture
cemento per ossa
tendini e legamenti artificiali
….
odontoiatria
implantologia
endodonzia
ortodonzia
odontoiatria conservativa
….
cardiovascolare
innesti vascolari
valvole cardiache
ossigenatori
pacemaker
stent intravascolari
filtri cavali
…..
oculistica lenti a contatto (LaC)
lenti intraoculari (IOL)
…..
molti altri…
Lenti intraoculari 1,5 milioni
Lenti a contatto morbide 4 milioni
Lenti a contatto usa e getta 9 milioni
Lenti a contatto rigide gas-permeabili 2,5 milioni
Innesti vascolari 250 000
Valvole cardiache 45 000
Pacemakers 460 000
Sacche per il sangue 30 milioni
Protesi mammarie 540 000
Cateteri 200 milioni
Ossigenatori 500 000
Protesi articolari ginocchio 520 000
Protesi articolari anca 100 000
Numero di impianti per anno (USA)
Funzioni principali Salernitano E. (2002)
trasferimento carico
capacità articolare
riempimento cavità
controllo flusso sanguigno
generazione ed applicazione di stimoli elettrici
correzione funzione visiva
dispositivi di rilascio farmaci
rigenerazione tessutale guidata
a ba b
Valvole cardiache biologiche
porcina pericardio bovino
umana decellularizzata
ripolata con staminali del ricevente
Innesti vascolari
A. IMPRA ePTFE
Cardiovascular Patch
B. Venaflo ePTFE
Vascular Graft
C. IMPRA Flex ePTFE
Vascular Graft
D. IMPRA CenterFlex
ePTFE Vascular Graft
E. IMPRA stepped
ePTFE Vascular Graft
F. IMPRA Carboflo Flex
Small Beading ePTFE
Vascular Graft
G. IMPRA Flex Tapered
Small Beading ePTFE
Vascular Graft
H. IMPRA Flex Thinwall
Small Beading ePTFE
Vascular Graft
I. BARD PTFE Felt
J. BARD Albumin
Coated Graft (ACG)
K. Bard Large
Diamenter Polyester
Vascular Graft
L. IMPRA EndFlex
ePTFE Vascular Graft
M. BARD Polyester
Fabric
Cemento
Acrilic bone cement in Orthopaedic Surgery (1970)
(A)Wear performance of PEEK composites and historical, gamma-air sterilized UHMWPE in a cylinder-on-flat (knee-like) wear
simulator;
(B) Wear performance of PEEK composites and historical, gamma-air sterilized UHMWPE materials in a hip simulator.
Image provided courtesy of Exponent, Inc..
Implantable-grade PEEK carbon fiber composite in combination
with a metal insert has been used to create a unique elastically tailored
prosthetic hip capable of withstanding high loads for many millions
of cycles
Protesi articolare d’anca
•leghe di titanio
•leghe di cobalto
•acciaio inox
•allumina (Al2O3)
•zirconia (ZrO2)
•ZTA (Al2O3/ZrO2)
•polietilene (UHMWPE)
•Rivestimenti (Hap)
coppa acetabolare
testina
stelo femorale
(A)CF-PEEK Brantigan spine fusion cage, image provided courtesy of Invibio; (B) Lateral radiograph of
a Brantigan cage with a solid fusion, image provided courtesy of Depuy Spine. Note that the Brantigan
cage has tantalum microspheres for visualization on radiographs.
Lenti intraoculari (IOL) Lenti a contatto (LaC)
“Campo multidisciplinare che applica i
principi dell'ingegneria e delle scienze della
vita per la realizzazione di sostituti biologici
in grado di ripristinare, mantenere o migliorare
le funzioni di tessuti o organi”
(National Science Foundation Workshop (1988))
Definizione
Ingegneria dei tessuti
http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2007
_Groups/group12/tissue02.avi
Ingegneria dei tessuti