Odsek za fizičku elektroniku SMER ZA BIOMEDICINSKI I EKOLOŠKI INŽENJERING

Odsek za signale i sistemeSMER ZA BIOMEDICINSKO INŽENJERSTVO I TEHNOLOGIJE

(semestar: 7)

izborni predmet

BIOMATERIJALI(broj časova: 3+2)

Prof. Dejan Raković Doc. Miloš Vujisić

Ms. Koviljka Stanković

www.nobel.etf.rs

PREDMET KURSA: Predmet upoznaje studente sa inženjeringom opštih i specijalnih svojstava biomaterijala (metala, polimera, keramika, kompozita), njihovom eksploatacionom stabilnošću, reakcijom organizma na biomaterijale, i sa izborom biomaterijala i konstruisanjem. Tokom kursa studenti ce imati prilike da se kroz seminare upoznaju i sa nekim savremenim eksperimentalnim istraživanjima biomaterijala u drugim centrima u Srbiji.

ZAŠTO SLUŠATI OVAJ KURS?Biomaterijali je predmet koji upoznaje studente sa osnovnim biomedicinskim, strukturnim, mehaničkim, fizičkim i hemijskim karakteristikama, metodama karakterizacije i primenama biomaterijala u medicini i stomatologiji.

POŽELJNO PREDZNANJE: Fizika I, Fizika II, Principi biomedicinskog inženjerstva, Osnovi biofizike, Materijali u elektrotehnici, Biomehanika

DALJA NADOGRADNJA: Neuralne proteze, Modeliranje biofizičkih sistema. .

LITERATURA

1. Grupa autora/D. Uskoković, D. Raković, eds, Biomaterijali (Institut

tehničkih nauka SANU & Društvo za istraživanje materijala, Beograd,

2010).

2. B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemons, eds,

Biomaterials Science (Elsevier, San Diego, 2004).

3. CD sa Ppt-prezentacijama i dopunskom literaturom.

NASTAVA & ISPIT

1. Predavanja, računske vežbe i seminari.

2. Ispit iz jednog dela (70 test pitanja, 2 zadatka/pitanja).

3. Redovno prisustvo nastavi donosi 10% poena.

KRATAK KRATAK SSADRADRŽŽAJAJ

Uvod (D.Uskoković/D.Raković)

I OI OSNOVNI BIOMEDICINSKI KONCEPTI I REAKCIJESNOVNI BIOMEDICINSKI KONCEPTI I REAKCIJE ORGANIZMA NA ORGANIZMA NA BIOMATERIJALEBIOMATERIJALE

Ćelije i tkiva (D.Đorđević) Interakcije ćelija i tkiva sa biomaterijalima (D.Đorđević) Procesi zapaljenja i zarastanja (D.Đorđević) Imunološke reakcije (D.Đorđević) Koagulacija krvi (D.Đorđević)Sistemska toksičnost i hipersenzitivnost, tumorogeneza, infekcije (D.Đorđević)Biološka karakterizacija biomaterijala (D.Đorđević)Degradacija biomaterijala u biološkom okruženju(D.Đorđević/D.Raković)

II STRUKTURAII STRUKTURA, , FIZIČKO-MEHANIČKA KARAKTERIZACIJA FIZIČKO-MEHANIČKA KARAKTERIZACIJA I I MODELIRANJE MODELIRANJE BIOMATERIJALABIOMATERIJALA I TKIVA I TKIVA

Elektronska i prostorna stuktura biomaterijala (D.Raković)Fizička karakterizacija biomaterijala (D.Raković/M.Dramićanin) Mehanička karakterizacija biomaterijala (D.Raković)Modeliranje biomaterijala i tkiva (M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković/I.Vlastelica)Modeliranje krvotoka, disajnih organa i hrskavice (N.Filipović/M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković)Modeliranje mikromehanike kod čestično kompozitnih biomaterijala (P.Uskoković/I.Balać)Nanomehanička karakterizacija biomaterijala (P.Uskoković/I.Balać)

III III SAVREMENI BIOMATERIJALI I TEHNOLOGIJESAVREMENI BIOMATERIJALI I TEHNOLOGIJE

Metalni biomaterijali (D.Raković/M.Pavlović)Keramički biomaterijali (Đ.Janaćković/D.Uskoković)Polimerni molekuli i biomaterijali (M.Plavšić) Kompozitni biomaterijali (D.Uskoković/N.Ignjatović)Biodegradabilni polimeri (N.Ignjatović/D.Uskoković) Bioderivativni polimeri i hidrogelovi (M.Plavšić/I.Pajić-Lijaković/B.Bugarski/ D.Raković)Mekotkivni implantati (D.Raković/M.Pavlović)Čvrstotkivni implantati (D.Uskoković/N.Ignjatović/M.Pavlović)

IV PERSPEKTIVE BIOMATERIJALA I TEHNOLOGIJAIV PERSPEKTIVE BIOMATERIJALA I TEHNOLOGIJA

Tehnologija imobilizacije ćelija: praktični aspekti (B.Bugarski/B.Obradović/V.Manojlović)Bioinženjerstvo tkiva: stanje i perspektive (B.Obradović/B.Bugarski/G.Vunjak-Novaković)Nanomedicina: stanje i perspektive (V.Trajković/Z.Marković) Kvantna medicina: stanje i perspektive (D.Raković/D.Đorđević/M.Plavšić/I.Ćosić)

Zadaci sa rešenjima (D.Raković/D.Veljković)Ispitna test pitanja (D.Raković/D.Đorđević)Ispitna teorijska pitanja (D.Raković)

SSADRADRŽŽAJAJ

Uvod (D.Uskoković/D.Raković) Klasifikacija i značaj biomaterijala.

Ćelije i tkiva (D.Đorđević) Ćelije (fiziološka građa i funkcija, fiziološka organizacija, ćelijska adaptacija i odgovor na oštećenje). Tkiva (fiziološka organizacija i funkcija, građa i funkcija, tkivna adaptacija i odgovor na oštećenje).

Interakcije ćelija i tkiva sa biomaterijalima (D.Đorđević) Interakcije ćelija sa biomaterijalima (dejstvo mehaničkih sila na ćelije). Interakcije tkiva sa biomaterijalima (uloga adsorbovanih proteina, uloga pojedinih tkivnih komponenti, tkivni inženjering)

Procesi zapaljenja i zarastanja (D.Đorđević) Procesi zapaljenja (akutna i hronična inflamacija, granulaciono tkivo). Procesi zarastanja.

Imunološke reakcije (D.Đorđević) Urođeni i stečeni imunitet. Primarni i sekundarni imunski odgovor. Kontrola imunskog odgovora. Poremećaji imunskog odgovora.

Koagulacija krvi (D.Đorđević) Mehanizmi koagulacije krvi. Kontrolni mehanizmi koagulacije krvi.

Sistemska toksičnost i hipersenzitivnost, tumorogeneza, infekcije (D.Đorđević) Kinetika i priroda komponenti biomaterijala, toksičnodinamička razmatranja, hipersenzitivnost i imunotoksičnost, ostale interakcije. Mehanizmi tumorogeneze, patobiologija stranim telima indukovane tumorogeneze. Oportunističke i druge infekcije, potencijalni agensi za kontrolu kolonizacije mikroba biomaterijala.

Biološka karakterizacija biomaterijala (D.Đorđević) In vitro procena kompatibilnosti tkiva. In vivo određivanje kompatibilnosti tkiva. Testiranje interakcija materijala u krvi. Životinjski modeli.

Degradacija biomaterijala u biološkom okruženju (D.Đorđević/ D.Raković) Hemijska i biohemijska degradacija polimera. Razgrađujući uticaj biološke sredine na metale i keramiku. Mehaničko raspadanje biomaterijala u biološkoj sredini. Patološka kalcifikacija biomaterijala i naprava.

Elektronska i prostorna stuktura biomaterijala (D.Raković) Hemijske veze i svojstva biomaterijala. Nadmolekularne kristalne i nekristalne strukture i nesavršenosti. Hibridizacija atomskih orbitala i strukturne forme ugljenika. Molekularne i nadmolekularne strukture biopolimera.

Fizička karakterizacija biomaterijala (D.Raković/M.Dramićanin) Karakterizacije molekulske težine. Difrakcione, mikroskopijske i spektroskopske metode karakterizacije prostorne strukture biomaterijala.

Mehanička karakterizacija biomaterijala (D.Raković) Mehanička ispitivanja sa razaranjem. Mehanička ispitivanja bez razaranja. Nanomehanička ispitivanja biomaterijala. Modeliranje mehaničkih karakteristika biomaterijala. Uporedne mehaničke karakteristike biomaterijala (metali, keramike, polimeri, kompoziti).

Modeliranje biomaterijala i tkiva (M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković/ I.Vlastelica) Osnove mehanike neprekidnih sredina. Jednačine mehanike kontinuuma. Princip virtualnog rada i konstitutivne relacije. Jednačine konačnih elemenata. Bioimplantati kod kostiju. Modeliranje bioloških membrane. Modeliranje mišića.

Modeliranje krvotoka, disajnih organa i hrskavice (N.Filipović/M.Kojić/ B.Stojanović/V.Ranković) Osnovne jednačine laminarnog strujanja fluida. Jednačine konačnih elemenata. Solid-fluid interakcija. Strujanje krvi kroz arterije. Modeliranje stenta, interakcija sa krvotokom arterija. Modeliranje strujanja vazduha u respiratornom sistemu. Modeliranje hrskavice. .

Modeliranje mikromehanike kod čestično kompozitnih biomaterijala

(P.Uskoković/I.Balać) Mikromehanika čestičnih kompozita. Poluempirijske, numeričke i analitičke metode proračuna. Numerički model kompozita. Poređenja numeričkih i eksperimentalnih rezultata

Nanomehanička karakterizacija biomaterijala (P.Uskoković/I.Balać) Osnove metode nanoindentacije. Eksperimentalni rezultati nanoindentacije. Numerička simulacija metode nanoindentacije.

Metalni biomaterijali (D.Raković/M.Pavlović) Inženjering mehaničkih karakteristika metala. Glavni predstavnici metalnih biomaterijala (nerđajući čelici, Co-Cr legure, Ti i Ti-legure, stomatološki metali, ostali metali). Korozija metalnih implantata. Tehnologija metalnih implantata.

Keramički biomaterijali (Đ.Janaćković/D.Uskoković) Inženjering mehaničkih karakteristika keramika. Glavni predstavnici keramičkih biomaterijala (neapsorbujuće ili relativno bioinertne keramike: Al2O3, ZrO2, pirolitički C; bioaktivne ili površinski reaktivne staklo-keramike i stakla: biostaklo, HAp niskotemp. sinter.; biodegradabilne ili resorbabilne keramike: trikalcijum fosfat, HAp visokotemp. sinter.). Starenje keramika.

Polimerni molekuli i biomaterijali (M.Plavšić) Inženjering mehaničkih karakteristika polimera. Glavni predstavnici sintetičkih polimernih biomaterijala (PVC, PE, PP, PMMA, PS, PET, PTFE, najloni, gume, poliuretani, poliacetati, polisulfoni, polikarbonati). Sterilizacija sintetičkih polimernih biomaterijala. Obrada površine sintetičkih polimernih biomaterijala zbog poboljšanja biokompatibilnosti. Kontrola kvašenja sintetičkih polimernih biomaterijala ćelijama i proteinima.

Kompozitni biomaterijali (D.Uskoković/N.Ignjatović) Inženjering mehaničkih karakteristika kompozita. Glavni predstavnici kompozitnih biomaterijala (keramika/metal, keramika/prirodni, keramika/keramika, keramika/bioaktivno staklo, keramika/polimer, HAp/bioneresorbilni polimer, HAp/bioresorbilni polimer, HAp/PLLA). Injektabilni kompozitni biomaterijali za rekonstrukciju koštanog tkiva. Modaliteti povećanja efikasnosti kompozitnih biomaterijala.

Biodegradabilni polimeri (N.Ignjatović/D.Uskoković) Inženjering biodegradabilnih karakteristika polimera. Glavni predstavnici biodegradabilnih polimera (glikolid-laktidni linearni alifatički poliestri, neglikolid-laktidni linearni alifatički poliestri, nealifatički poliestri).

Bioderivativni polimeri i hidrogelovi (M.Plavšić/I.Pajić-Lijaković/ B.Bugarski/D.Raković) Biomaterijali na bazi kolagena. Struktura kolagena i tumačenje njegovih svojstava. Bioderivativni materijali na bazi alginata. Struktura alginata i derivativnih materijala iz alginata. Zajedničke karakteristike strukture bioderivativnih materijala. Sastav i struktura sintetskih hidrogelova. Termodinamički osnovi bubrenja hidrogelova. Proizvodnja bioderivativnih biomaterijala. Dizajniranje i proizvodnja implantata iz bioderivativnih materijala.

Mekotkivni implantati (D.Raković/M.Pavlović) Mekotkivni implantati interagujući sa krvlju (srčani zalisci, veštačka srca, krvni sudovi). Mekotkivni implantati neinteragujući sa krvlju (šavovi, vezne naprave, tkivni adhezivi; potkožni i kožni implantati; maksilofacijalni, ušni i očni implantati; implantati za ispunu; implantati za transfer fluida).

Čvrstotkivni implantati (D.Uskoković/N.Ignjatović/M.Pavlović) Rekonstrukcija kostiju i zglobni implantati (obnova dugih kostiju, žice, igle, zavrtnji, pločice, intramedularni klinovi, zamena zgloba, metod fiksacije implantata, totalne zamene zglobova). Stomatološki implantati. Odnos svojstava materijala i bio-funkcionalna svojstava (efekti izbora materijala, efekti svojstava materijala). .

Tehnologija imobilizacije ćelija: praktični aspekti (B.Bugarski/ B.Obradović/V.Manojlović) Metode imobilizacije ćelija. Modelovanje procesa u česticama sa imobilisanim ćelijama. Ekstruzione tehnike.

Bioinženjerstvo tkiva: stanje i perspektive (B.Obradović/B.Bugarski/ G.Vunjak-Novaković) Ćelijska kultura. In vitro kultivacija tkiva (tkivni ekvivalent, bioreaktorski sistem). Integracija tkivnih ekvivalenata u živi organizam.

Nanomedicina: stanje i perspektive (V.Trajković/Z.Marković) Nanočestice u medicinskoj dijagnostici. Nanočestice kao nosioci lekova. Mehanizmi uklanjanja nanočestica iz organizma i mogućnost ciljane isporuke lekova. Usmeravanje nanočestica (makrofagi, endotelne ćelije, tumorske ćelije). Toksičnost nanočestica. Budućnost nanomedicine.

Kvantna medicina: stanje i perspektive (D.Raković/D.Đorđević/ M.Plavšić/I.Ćosić) Makroskopski kvantni efekti u biofizici i potencijalne kvantno-holističke psihosomatske implikacije. Kvantna dekoherencija i kvantna neuronska holografija kao potencijalne bioinformacione osnove kvantne medicine i kvantne informatike (biomolekularno prepoznavanje; akupunkturna regulacija morfogeneze; svest/kolektivna svest i nelokalno kanalisanje kvantnog kolapsa).

Zadaci sa rešenjima (D.Raković/D.Veljković)

Ispitna test pitanja (D.Raković/D.Đorđević)

Ispitna teorijska pitanja (D.Raković)