Per STM:

Conoscenza della struttura dei materiali. Classificazione delle principali categorie di materiali. Studio delle principali metodologie di prova per determinare le proprietà meccaniche dei materiali. Materiali metallici ferrosi e non ferrosi, materiali ceramici tradizionale ed avanzati, vetri, materiali polimerici e compositi. Comportamento meccanico, termico, elettrico, ottico dei materiali ingegneristici. Conoscenza dei principali processi di fabbricazione dei materiali ingegneristici e conseguenti effetti sulle proprietà.





Per BM:
Parte 1 - Generalità sui biomateriali e sulla loro interazione con l’organismo
• Classificazione dei biomateriali e normative principali
• Matrice extracellulare
• Risposta dell'organismo ospite
• Esempi di applicazioni pratiche dei biomateriali
• Parte 2 - Polimeri come biomateriali
• Polimeri: generalità (definizione, caratteristiche meccaniche e chimiche, stabilità/
degradabilità)
• Polimeri biostabili
• Esempi di polimeri biocompatibili biostabili sintetici e naturali (PE, PP, ecc)
• Polimeri biodegradabili/bioassorbibili: generalità e caratteristiche
• Polimeri degradabili sintetici: Caratteristiche ed esempi (Poliesteri, PLLA, ecc)
• Polimeri degradabili naturali: Caratteristiche ed esempi (chitosani, alginati, ecc)
Parte 3 - Biomateriali metallici, bioceramiche e biovetri
Parte 4 - Altri tipi di biomateriali, modifica delle superfici, cenni di ingegneria
tissutale e organi artificiali

Per STM:
Introduzione ai materiali
Definizione di materiale. L’importanza dei materiali nella storia. Classificazione dei materiali: metallici, ceramici e polimerici. Altri criteri di classificazione: materiali strutturali e funzionali, cristallini e amorfi. Materiali compositi. Le proprietà dei materiali: meccaniche, fisiche e chimiche. Relazione tra composizione, struttura e proprietà. Struttura atomica, microstruttura e macrostruttura.  Stati della materia. Struttura dei solidi. Concetto di ordine. Solidi cristallini ed amorfi. Principali caratteristiche solidi cristallini. Anisotropia. Reticoli e celle elementari. Sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Solidi ideali: ipotesi di base. Numero di coordinazione e fattore di impacchettamento. Solidi reticolari e molecolari. Solidi covalenti. Ibridizzazione sp3 del carbonio. Struttura e proprietà del diamante. Polimorfismo del carbonio. Ibridizzazione sp2. Struttura e proprietà della grafite. Solidi ionici. Geometrie stabili ed instabili. Numeri di coordinazione cationico ed anionico. Regola di Magnus. Lacune bidimensionali e tridimensionali. Caratteristiche dei solidi ionici. Solidi metallici. Modello delle sfere rigide. Disposizioni compatte nel piano e nello spazio. Celle elementari EC, CFC, CCC. Caratteristiche solidi metallici. Solidi reali. Difetti nei solidi. Classificazione dei difetti. Difetti di punto di natura fisica e chimica. Ruolo dei difetti di punto sulle caratteristiche di alcuni materiali. Difetti di linea: dislocazione a spigolo e a vite. Difetti di superficie: bordi di grano. Meccanismo di solidificazione di un metallo. Nucleazione e crescita. Cristalli a grana fine o grossolana.
Comportamento meccanico dei materiali. Comportamenti elementari elastico e plastico, e loro interpretazione su scala atomica. Comportamento duttile e fragile. Comportamento meccanico in presenza di difetti. Esperienza di Griffith. Meccanismo di scorrimento della dislocazione in un reticolo. Ruolo delle dislocazioni e dei bordi di grano sulla duttilità dei metalli. Incrudimento. Classificazione delle prove meccaniche. Cenni sulle norme UNI ed UNI EN. Prova di trazione. Curva sforzo-deformazione. Modulo di elasticità. Legge di Hooke. Carico di snervamento. Carico di snervamento convenzionale. Carico di rottura. Strizione. Allungamento percentuale a rottura. Duttilità. Tenacità. Curve sforzo-deformazione caratteristiche. Esercizi sulla prova di trazione. Cenni sul comportamento viscoso. Creep e rilassamento. Durezza e prove di durezza. Scala di Mohs, durometri, sclerometri. Correlazione durezza-resistenza. Resilienza. Pendolo di Charpy. Intervallo di transizione duttile-fragile. Cenni sulla rottura a fatica. Limite di fatica.
Introduzione ai diagrammi di stato. Esempi di dds di sostanze pure. Regola di Gibbs. Grado di varianza. Ipotesi di lavoro. Diagrammi di stato binari. Descrizione di d.d.s. in condizioni di miscibilità totale e miscibilità nulla tra componenti in fase solida. Regola della leva. Soluzioni solide. Trasformazione eutettica. Composti intermedi a fusione congruente ed incongruente. Trasformazione peritettica. Diagrammi di stato in condizioni di parziale miscibilità tra componenti in fase solida. Riepilogo trasformazioni invarianti. Campi di cristallizzazione primari.
Le principali classi di Materiali
Materiali metallici
Materiali metallici ferrosi e non ferrosi. Cenni sul ferro. Ruolo del carbonio sulla resistenza degli acciai. Definizione di acciaio e ghisa. Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali. Composti intermetallici. Polimorfismo del ferro e solubilità del C in Fe. Soluzioni solide interstiziali: Ferrite ed Austenite. Lacune ottaedriche regolari ed irregolari.
Raffreddamento degli acciai: microstrutture di equilibrio e di non equilibrio. Trasformazione di spostamento da Fe-γ a Fe-α. Composti intermetallici: Cementite. Costituenti strutturali: Perlite lamellare. Martensite: meccanismo di formazione e proprietà meccaniche. Cenni sul diagramma di stato ferro-cementite. Cenni sulla produzione degli acciai mediante siderurgia primaria. Altoforno: descrizione e funzionamento. Ghisa e scoria d'altoforno. Affinazione della ghisa. Trattamenti di rafforzamento degli acciai. Trattamenti meccanici: ostacoli al movimento delle dislocazioni. Trattamenti termici: ricottura, normalizzazione, tempra. Mezzi tempranti. Rinvenimento. Sorbite. Tempra superficiale. Trattamenti termochimici: cementazione e nitrurazione. Classificazione degli acciai. Acciai al carbonio ed acciai legati e non legati.
Cenni sulla corrosione: meccanismi di reazione, fattori che la influenzano, principali forme di corrosione e metodi di protezione.  Acciai inossidabili: composizione e microstrutture. Caratteristiche e applicazioni degli acciai inox. Cenni sulle ghise: classificazione, pregi e difetti. Caratteristiche e principali campi di applicazione dei materiali metallici non ferrosi. Alluminio e leghe leggere. Alluminio anodizzato. Il titanio e le sue leghe: caratteristiche e principali campi di applicazione. Leghe a memoria di forma.  
Materiali ceramici
Materiali ceramici tradizionali
Introduzione ai materiali ceramici tradizionali. Definizione e Classificazione. Ciclo di produzione dei ceramici. Materie prime: argille, smagranti, fondenti, materie complementari. La struttura delle argille: foglietti tetraedrici ed ottaedrici. Reologia dei sistemi acqua-argilla. Rivestimenti: vetrine e smalti. Tecniche di formatura: pressatura, estrusione e colaggio. Essiccamento e cottura: ceramici a pasta porosa e compatta.
Materiali ceramici avanzati
Definizione, campi di applicazione, processi produttivi. Polveri ceramiche per MCA: caratteristiche e principali tecniche di produzione (reaz. allo stato solido, fusione, reaz. in fase vapore, reaz. in soluzione). Tecnica dello spray drying. Tecniche di formatura e compattazione: pressatura uniassiale, pressatura isostatica, inject molding, tape casting. Sinterizzazione: definizione e generalità. Tecniche di sinterizzazione. Ottimizzazione dei parametri di sinterizzazione. Meccanismo di sinterizzazione allo stato solido: modello a due sfere. Colli di sinterizzazione. Diffusione atomica allo stato solido. Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali ceramici. Densità e dilatazione termica lineare. Resistenza teorica e reale dei MC. Prove meccaniche idonee alla caratterizzazione di un MC. Valutazione della resistenza di un MC in termini statistici: probabilità di rottura e di sopravvivenza. Curve di Weibull. Meccanismi di tenacizzazione dei MC. Zirconia stabilizzata.
Vetri
Introduzione al vetro e cenni storici. Caratteristiche ed applicazioni. Solidi amorfi e solidi cristallini. Teoria cinetica della vetrificazione.  Ciclo di produzione dei manufatti in vetro. Struttura del vetro. Formatori e modificatori di reticolo vetroso. Modificatori di reticolo vetroso stabilizzanti e decoloranti. Ossidi intermedi. Punti caratteristici del vetro: di lavorabilità, di rammollimento, di ricottura e di deformazione. Intervallo di lavorazione. Affinazione del vetro. Tecniche di formatura. Pressatura e soffiatura. Vetro float. Ricottura. Composizione e caratteristiche di alcuni vetri commerciali. Vetri particolari: vetri di silice, vetri al boro ed al piombo. Vetri temprati: tempra termica e chimica. Vetri stratificati. Stabilità chimica dei vetri.
Materiali polimerici
Introduzione ai Polimeri. I legami nei polimeri. La struttura dei Polimeri. Le molecole degli idrocarburi. Le molecole degli idrocarburi: alcani, alcheni, alchini. I principali gruppi funzionali della chimica organica. Ruolo delle unità ripetitive nella formazione delle macromolecole polimeriche. Omopolimeri e copolimeri. Peso molecolare medio. Grado di polimerizzazione. Funzionalità di un monomero. Stereoisomeria: polimeri atattici, isotattici, sindiotattici. Grado di cristallinità. Strutture molecolari. Classificazione dei polimeri. Polimeri termoplastici e termoindurenti, elastomeri. La temperatura di transizione vetrosa dei polimeri amorfi e semicristallini. Meccanismi di Polimerizzazione: polimerizzazione a catena e polimerizzazione a stadi. Polimeri Vinilici: alcuni esempi. Policondensazione e poliaddizione. Esempi di polimerizzazione: poliammidi, poliesteri, resine fenoliche, poliuretano. Caratteristiche fisiche e meccaniche dei polimeri. Dipendenza del comportamento meccanico dal tempo e dalla temperatura. Comportamento viscoso dei polimeri amorfi.  Modulo di rilassamento. Creep viscoelastico. Frattura e fatica nei materiali polimerici. Tecniche di polimerizzazione: in massa, in soluzione, in sospensione, in emulsione. Le tecnologie di lavorazione: stampaggio, estrusione, soffiatura e termoformatura. Produzione di fibre e pellicole polimeriche.
Materiali compositi
Introduzione ai materiali compositi. Materiali compositi naturali ed artificiali. Costituenti dei materiali compositi: matrice, rinforzo ed interfaccia. Classificazione dei compositi: in base al rinforzo ed alla matrice. Esempi di compositi con particelle e laminati. Ruolo del rinforzo. Lunghezza critica delle fibre. Principali matrici polimeriche: epossidica e poliestere. Compositi a matrice ceramica e metallica. Principali tipologie di fibre utilizzate come rinforzo. Fibre di vetro: composizione chimica, caratteristiche e applicazioni. Fibre aramidiche: nomex e kevlar. Fibre di carbonio.


Le proprietà dei materiali
Proprietà elettriche
La legge di Ohm. Resistività elettrica dei metalli. Conduzione elettronica e ionica. Struttura a bande di energia. Conduzione nei metalli. I semiconduttori e gli isolanti. Conduzione elettrica nei semiconduttori intrinseci. Semiconduttori estrinseci di tipo n e di tipo p. Drogaggio dei  materiali. Proprietà elettriche dei materiali ceramici e dei polimeri.
Proprietà termiche
Definizione di proprietà termiche. Capacità termica. Espansione termica dei materiali. Conducibilità termica e meccanismi di conduzione del calore. Conduzione del calore nei metalli, nei ceramici e nei polimeri.
Proprietà ottiche
Definizione di proprietà ottiche dei materiali. Interazione della luce con i solidi. Proprietà ottiche dei metalli. Proprietà ottiche dei non metalli: rifrazione, riflessione, assorbimento, trasmissione. Colore, opacità e traslucenza.
Proprietà magnetiche
I campi magnetici. Induzione magnetica. Permeabilità e suscettibilità magnetica. I tipi di magnetismo: diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo, antiferromagnetismo, ferrimagnetismo. Domini ferromagnetici. Magnetizzazione e smagnetizzazione di un materiale ferromagnetico.




Per BM:
Parte I
- Generalità sui biomateriali: definizioni, storia, utilizzi, rilevanza economica e sociale
- Effetti dei biomateriali sull'organismo: potenzialità (cura, mantenimento, potenziamento, diagnostica) e problematiche (rigetto, carcinogenicità, tossicità, pirogenicità, ecc)
- Applicazioni dei biomateriali in impianto interno, esterno, ambito extracorporeo
- Classificazione dei biomateriali rispetto agli organismi viventi: biostabili a conservazione di forma, biostabili rigonfiabili, biodegradabili, bioassorbibili
- Classificazione dei biomateriali (metalli, polimeri naturali, polimeri sintetici, biomateriali derivanti da organismi, bioceramiche, biovetri, compositi)
- Attuali metodi di classificazione internazionale dei biomateriali e normative principali
- Matrice extracellulare
- Risposta dell'organismo ospite (fasi dell'infiammazione, tempistiche di sviluppo, problemi generati)
- Caratteristiche principali dell'interfaccia organismo ospite/biomateriale e problematiche correlate (infiammazione, durabilità, conservazione della funzionalità, ecc)
- Cenni di funzionamento del sistema immunitario
- Polimeri: generalità (definizione di polimero, polimeri lineari/branched/reticolati, copolimeri, peso molecolare, polimeri idrofili/idrofobi)
- Polimeri biostabili: generalità e caratteristiche ai fini dell'utilizzo come biomateriali (biocompatibilità, facilità di reperimento, costo)
- Polimeri biodegradabili/bioassorbibili: generalità e caratteristiche ai fini dell'utilizzo come biomateriali (utilità, problemi generati, costi, qualità della vita)
- Cinetica di degradazione dei polimeri
- Erosione massiva ed erosione superficiale
- Meccanica molecolare e fenomeni chimici (idrolisi, autocatalisi) dell'erosione in vitro e in vivo
- Principali parametri che governano la velocità dell'erosione (peso molecolare, acidità, cristallinità, ecc)
- Esempi pratici di applicazioni di biomateriali: impianti d'anca, viti per fissaggio osseo, sistemi protesici ortodontici
Parte II
Tipi di materiali polimerici usati in biomedicina:
- Polietilene: bassa, media, alta e ultra-alta densità - Caratteristiche e applicazioni
- Polipropilene: Caratteristiche e applicazioni
- Polimetilmetacrilato: Caratteristiche e applicazioni
- Poliammidi: Caratteristiche e applicazioni
- Polietere-etere-chetone: Caratteristiche e applicazioni
- Polivinilcloruri: Caratteristiche e applicazioni
- Gomme e lattici (sia sintetici che naturali): Caratteristiche e applicazioni
- Poliuretani: Caratteristiche e applicazioni
- Esempi di polimeri biodegradabili/bioassorbibili:
- Polimeri sintetici: Caratteristiche e desiderabilità del loro utilizzo, problematiche
- Poliesteri: Caratteristiche e applicazioni
- Acido polilattico: Caratteristiche e applicazioni
- Acido poliglicolico: Caratteristiche e applicazioni
- Acido poli(lattico-co-glicolico): Caratteristiche e applicazioni
- Polidiossanone: Caratteristiche e applicazioni
- Policaprolattone: Caratteristiche e applicazioni
- Idrogels sintetici: Caratteristiche e applicazioni
- Polimeri naturali: Caratteristiche e desiderabilità del loro utilizzo, problematiche
- Chitine e chitosani: Caratteristiche e applicazioni
- Alginati: Caratteristiche e applicazioni
- Collagene: Caratteristiche e applicazioni
- Acido ialuronico: Caratteristiche e applicazioni
- Elastina
- Destrano: Caratteristiche e applicazioni
- Idrogels naturali: Caratteristiche e applicazioni
- Biomateriali metallici: generalità e caratteristiche (stabilità, proprietà strutturali, peculiarità di produzione, biomateriali metallici biostabili e biodegradabili)
- Principali applicazioni dei biomateriali metallici: morfologia (compatti, reti, schiume), problematiche pratiche (biocompatibilità, detriti, trombi, rilascio),
- Esempi di biomateriali metallici biostabili:
- Acciai inossidabili: Caratteristiche e applicazioni
- Leghe di cobalto: Haynes, Stelliti, Vitallium; Caratteristiche e applicazioni
- Leghe di titanio: Caratteristiche e applicazioni
- Leghe Zirconio-Niobio: Caratteristiche e applicazioni
- Leghe Nichel-Titanio: Caratteristiche e applicazioni
- Leghe a memoria di forma: Caratteristiche e applicazioni
- Leghe dentali (oro, amalgama, ecc): Caratteristiche e applicazioni
- Esempi di biomateriali metallici biodegradabili:
- A base Magnesio: Caratteristiche e applicazioni
- A base Zinco: Caratteristiche e applicazioni
- A base Ferro: Caratteristiche e applicazioni
- Schiume metalliche: fabbricazione, caratteristiche meccaniche e funzionali, esempi di applicazioni.
- Biomateriali metallici per elettrodi impiantabili: oro, platino, platino-iridio
- Biomateriali ceramici: generalità e caratteristiche (stabilità, proprietà strutturali, peculiarità di produzione, ceramiche biostabili e biodegradabili)
- Ceramiche biostabili, biodegradabili, bioattive
- Esempi di biomateriali ceramici biostabili:
- Allumina: Caratteristiche e applicazioni
- Zirconia: Caratteristiche e applicazioni
- Titania: Caratteristiche e applicazioni
- Porcellana feldspatica: Caratteristiche e applicazioni
- Titanio nitruro: Caratteristiche e applicazioni
- Zirconio nitruro: Caratteristiche e applicazioni
- Silicio nitruro: Caratteristiche e applicazioni
- Esempi di biomateriali biomateriali ceramici biodegradabili/bioassorbibili:
- Idrossiapatite: Caratteristiche e applicazioni
- Dicalcio fosfato idrato: Caratteristiche e applicazioni
- Tricalcio fosfato: Caratteristiche e applicazioni
- Biovetri: generalità e caratteristiche (stabilità, proprietà strutturali, meccanismo di biodegradabilità)
- Silicati bioattivi: Caratteristiche, meccanismi di assorbimento e applicazioni
- Biovetri osteoproduttivi e osteoconduttivi
- Biovetri da fuso o da sol-gel
- Applicazioni dei biovetri
Parte III
- Biomateriali carboniosi: generalità e caratteristiche (composizione, preparazione, biocompatibilità)
- Carbonio turbostratico: Caratteristiche e applicazioni
- Carbonio vitreo: Caratteristiche e applicazioni
- Biomateriali derivanti da organismi viventi: generalità e caratteristiche (tipologie, peculiarità, rigetto, variabilità, disponibilità)
- Esempi di applicazioni di biomateriali derivanti da organismi viventi:
- Tessuti biologici animali per protesi valvolari
- Innesti di pelle autologhi
- Innesti ossei autologhi, omologhi, eterologhi
- Biomateriali compositi: generalità e caratteristiche (tipologie, caratteristiche funzionali, applicazioni)
- Biomateriali avanzati (grafene, nanofibre e nanocompositi): panoramica
- Biomateriali per Ingegneria tissutale
- Processi per la fabbricazione di scaffolds
- Tecniche di modifica superficiale dei biomateriali
- Trattamenti fisici: plasma, corona, radiazioni ionizzanti
- Trattamenti chimici: ossidazione, trattamenti acidi e basici, funzionalizzazione
- Cenni su Biomateriali per organi artificiali