Scuola di Medicina e Chirurgia

Obiettivi del Corso e Risultati di apprendimento attesi

i. Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)

Il corso prevede che lo studente sia in grado di dimostrare conoscenze e capacità di comprensione nel campo della sensoristica e delle nanotecnologie, a partire dalle conoscenze di base acquisite precedentemente, applicandole attivamente ai nuovi argomenti introdotti

ii. Capacità di applicare conoscenza a comprensione (applying knowledge and understanding) Capacità di elaborare le conoscenze acquisite a lezione, per ideare, comprendere ed anche per risolvere problemi, sia inerenti alle nanotecnologie che, più ampiamente, all’ingegneria biomedica.

iii. Autonomia di giudizio (making judgement)

Integrare le conoscenze e formulare giudizi, in particolare sui prodotti delle nanotecnologie, in relazione alle conseguenze che ogni nano o microdispositivo così come ogni nanomateriale possa avere sulla società e sull’ambiente.

iv. Capacità di apprendimento (learning skills)

Avere la capacità di attingere autonomamente a fonti bibliografiche, anche in lingua inglese al fine di cercare nuove soluzioni o semplicemente di essere capaci di rimanere aggiornati nell'ambito delle nanotecnologie applicate alla ingegneria biomedica

Programma

Programma di Sensori Elettronici
o Concetti base dei sistemi di misura dei segnali biomedici e loro classificazione.
o Principi di trasduzione dei segnali- definizioni e classificazione. Caratterizzazione statica e dinamica di sensori.
Calibrazione di un sensore, Metodo dei minimi quadrati.
o Valutazione della pressione arteriosa: metodi indiretti e metodi diretti. Sensori estensimetrici. Metodi di misura
basati su Ponte di Wheatstone - Tecniche di linearizzazione. – Cateterismo.
o Misure statistiche e rappresentazione dei dati. Cenni di statistica descrittiva ed inferenziale. Rappresentazione
tabellare e grafica di dati. Misure di tendenza centrale e variabilità di una distribuzione. Performance di un sistema
diagnostico: Sensibilità e specificità.
o Sensori per la misura di flussi: Sensori piezoelettrici ed effetto Doppler – Sensori magnetici ed induzione –
Pletismografia ad Impedenza e modello di Swanson – Fotopletismografia.
o Richiami su Potenziali cellulari. Interfaccia elettrodo pelle – tipologie di sensori per acquisizione di biopotenziali –
Circuito elettrico equivalente. Interfacce elettronica di acquisizione: amplificatore Differenziale e per
strumentazione – Calcolo CMRR – Circuito a gamba destra. Interferenze e circuiti per la loro riduzione.
o Il Rumore nei Circuiti di acquisizione dei Sensori
o Sensori di temperatura: Caratteristiche ed interfacce elettroniche di condizionamento. Rilevatori resistivi di
temperatura, Termocoppie, Sensori di temperatura integrati e non a contatto.
o Sensori di radiazione luminosa: Fotomoltiplicatore a tubo ed Applicazioni. Spettroscopia.
o Sensori capacitivi: Caratteristiche e applicazioni.
o Sistemi di Misura di Potenziali Elettrici: L’oscilloscopio, caratteristiche di base e funzioni.

Programma di Nanotecnologie
Meccanica quantisitca
o Corpo nero ed energia di corpo nero
o Formula di Rayleigh-Jeans: “catastrofe dell'ultravioletto”
o Ipotesi di Planck e quantizzazione dell'energia
o Energia di corpo nero con ipotesi di Planck
o Legge di Stefan-Boltzmann con ipotesi di Planck
o Effetto fotoelettrico
o Energia e quntità di moto dei fotoni
o Orbite atomiche classiche e modello atomico di Bohr
o Dualismo onda-corpuscolo; ipotesi di De Broglie; esperimento di Davisson e Germer
o Equazione di Schroedinger
o Principio di indeterminazione di Heisenberg
o Oscillatore armonico quantistico
o Effetto tunnel

Nanoscienza e Nanotecnologia
o Approcci alla nanofabbricazione: top-down, bottom-up
o Tecniche litografiche
o Resist (contrasto e curva di risposta) e Spinning di Resist
o Esposizione con fascio elettronico (EBL) e effetto di prossimità
o Esposizione ottica (UV) e limite diffrattivo
o Esposizione con raggi X (XRL); “best resolution” con XRL
o Deposizione di materiali
o Rimozione di materiali: “wet-etching” e “dry-etching”

Plasmonica
o Gas di elettroni e oscillazioni di plasma: “plasmons”

o Funzione dielettrica del gas di elettroni
o Relazione di dispersione (,k) in un mezzo e relazione di dispersione per plasmoni di volume
o Plasmoni di superficie: “surface plasmon” (SP)
o Dalle equazioni di Maxwell alla relazione di dispersione per plasmoni di superficie (SP)
o Eccitazione di plasmoni di superficie (SP): Kretschmann, Otto e reticolo
o Surface Plasmon Resonance (SPR) e applicazioni biochimiche
o Plasmoni localizzati in nanostrutture: “localized surface plasmon resonance” (LSPR)
o Risonanza plasmonica in Nanoparticelle (NP) sferiche
o Dipendenza della “localized surface plasmon resonance” (LSPR) da parametri geometrici e materiali
o Biosensori basati su LSPR: “metal enhanced fluorescence” (MEF), LSPR e “dark field microscopy”, spettroscopia
Raman e “surface enhanced Raman spectroscopy” (SERS)
o Fabbricazione e misure di nanostrutture SERS

Nanoparticelle (NP)
o Tipologie di nanoparticelle (NP)
o Sintesi di nanoparticelle (NP)
o Funzionalizzazione biologica di nanoparticelle (NP)
o Applicazioni biomediche di NP: labelling, diagnostica, terapia, “drug delivery”, teranostica
o Esempi di applicazioni delle NP: “silicon NP” e “mesoporous Silica NP” per drug delivery, nanoparticelle per “Gene-
therapy”, NP magnetiche per “magnetic resonance imaging” (MRI)

Tecniche Microscopiche
o Microscopia ottica: lenti sottili, diffrazione di Airy, risoluzione ottica
o Microscopia di fluorescenza: propiretà spettrali di fluorofori, filtri e specchi dicroici
o Microscopia elettronica: lunghezza d'onda di elettroni, lenti elettromagnetiche
o Microscopia elettronica di trasmissione (TEM): contrasto dell'immagine, applicazioni biologiche
o Microscopia elettronica di scansione (SEM): elettroni sceondari e topografia
o Microscopia a forza atomica (AFM): modalità “contact”, “non-contact” e “tapping”
o Microscopia a effetto tunnel (STM): principio di funzionamento
o Relazione fra il vettore spostamento elettrico e la polarizzazione di un materiale dielettrico

Microfluidica
o Cenni al formalismo di Navier-Stokes
o Principi teorici di microfluidica
o Componenti microfluidici
o Tecnologie di fabbricazione di sistemi microfluidici
o Applicazioni di microfluidica

Trattamenti di superfici
o Cenni sull’atomo
o Legami chimici
o Metodi, accorgimenti di modificazione superficiale di materiali e applicazioni
o Modifica per reazione chimica
o Modifica per innesto con radiazione
o Modifica mediante processi impieganti il plasma
o Modifica per silanizzazione
o Modifica tramite metodo Langmuir-blodget
o Modifica tramite SAMs
o Additivi che modificano le superfici
o Tecniche di modifica tramite laser

Stima dell’impegno orario richiesto per lo studio individuale del programma

Lezioni Frontali 96 ore

Studio individuale 204 ore

Risorse per l'apprendimento

- Jacob Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications.

- S. Middelhook, S.A. Audet, Silicon Sensors.

- Nanotechnology: Principles and Practices, Sulabha K. Kulkarni (Springer)

- Microsystem Engineering of Lab‐on‐a‐Chip Devices. Editors(s):Dr. Oliver GeschkeHenning Klank PhD,Prof. Pieter Telleman, Wiley-VCH

- C.Di Bello. Biomateriali. Introduzione allo studio dei materiali per uso biomedico. Collana di Ingegneria Biomedica

Attività di supporto

Modalità di frequenza

Le modalità sono riportate dall'art.8 del Regolamento Didattico d'Ateneo

Modalità di accertamento

Modalità di accertamento dei risultati di apprendimento: Prova orale

Criteri di valutazione dei risultati di apprendimento: adeguata esposizione del degli argomenti trattati durante il corso

Criteri di misurazione dei risultati di apprendimento: i risultati sono misurati con una votazione in trentesimi, da un minimo di 18 ad un massimo di 30 e lode.

Criteri di attribuzione del voto finale: Valutazione della conoscenza degli argomenti proposti e della capacità di utilizzarli in modo attivo e critico (come da tabella).

 

 

	Conoscenza e comprensione argomento	Capacità di analisi e sintesi	Utilizzo di referenze
Non idoneo	Importanti carenze. Significative inaccuratezze	Irrilevanti. Frequenti generalizzazioni. Incapacità di sintesi	Completamente inappropriato
18-20	A livello soglia. Imperfezioni evidenti	Capacità appena sufficienti	Appena appropriato
21-23	Conoscenza routinaria	E’ in grado di analisi e sintesi corrette. Argomenta in modo logico e coerente	Utilizza le referenze standard
24-26	Conoscenza buona	Ha capacità di a. e s. buone gli argomenti sono espressi coerentemente	Utilizza le referenze standard
27-29	Conoscenza più che buona	Ha notevoli capacità di a. e s.	Ha approfondito gli argomenti
30-30L	Conoscenza ottima	Ha notevoli capacità di a. e s.	Importanti approfondimenti