Docente/i: Gerardo Biella   Angelo Buizza   Angelo Taglietti  

Denominazione del corso: Bioingegneria e fisiologia
Codice del corso: 500710
Corso di laurea: Bioingegneria
Settore scientifico disciplinare: BIO/09, CHIM/07, ING-INF/06
L'insegnamento costituisce attività di base per: Bioingegneria
Crediti formativi: CFU 12
Sito web del corso: http://aim.labmedinfo.org/

Obiettivi formativi specifici

L’insegnamento si propone di introdurre lo studente ai fondamenti metodologici della bioingegneria e, in particolare, ai principi dell’approccio allo studio dei sistemi viventi mediante modelli matematici. A questo scopo, esso è strutturato in tre moduli: Elementi di chimica, Principi di fisiologia e Modelli applicati alla fisiologia.
ELEMENTI DI CHIMICA. Obiettivo del modulo è fornire le conoscenze di base della chimica generale, con particolare riguardo a quelle propedeutiche agli argomenti trattati nel modulo di Principi di fisiologia. In particolare, si forniranno agli studenti un linguaggio e i formalismi appropriati (derivanti dalla conoscenza delle nozioni basilari sulla struttura atomica e i legami) e si inizieranno a usare gli strumenti fondamentali della chimica necessari per lo studio della fisiologia. Particolare attenzione verrà riservata allo studio del comportamento delle specie ioniche in soluzione e alla chimica dei processi ossido-riduttivi. Una parte importante del modulo sarà inoltre dedicata alle nozioni fondamentali del calcolo stechiometrico.
PRINCIPI DI FISIOLOGIA. Obiettivo del modulo è fornire agli studenti le nozioni di base su: 1) struttura e funzione delle cellule quali unità strutturali e funzionali degli organismi viventi e 2) funzionamento di organi ed apparati, in particolare apparato respiratorio, cardiaco, vascolare, renale e sangue.
MODELLI APPLICATI ALLA FISIOLOGIA. Il modulo si propone di introdurre lo studente ai principi dello studio dei sistemi viventi mediante modelli quantitativi. Saranno presentati, in particolare, esempi di modellazione dei sistemi trattati nel modulo di Principi di fisiologia. Al termine, lo studente, dovrà: 1) conoscere i principi della modellistica a compartimenti e saper costruire e risolvere modelli lineari a uno e a due compartimenti; 2) conoscere la rappresentazione dei fenomeni bioelettrici mediante modelli analogici; 3) conoscere i principi della rappresentazione a livello macroscopico di sistemi biomeccanici semplici mediante modelli analogici; 4) saper usare questi modelli per la soluzione di semplici problemi.

Programma del corso

Il modulo di Elementi di Chimica viene tenuto nel 1° semestre, quello di Modelli applicati alla Fisiologia nel 2°, mentre il modulo di Principi di Fisiologia copre entrambi i semestri

Elementi di Chimica (3 CFU)
A) Introduzione - Elementi, composti, sostanze. Massa atomica, molecolare e isotopica. Concetto di Mole. Reazioni chimiche. Concetto di equivalente. Tipi di reazioni. Numero di ossidazione. Nomenclatura. Bilanciamento delle reazioni. Reazioni redox e concetto di semireazione. Stechiometria. B) Struttura atomica - Cenni di meccanica ondulatoria e quantistica. Modelli atomici. Orbitali atomici. Configurazione elettronica degli elementi. Tavola periodica e proprietà periodiche. C) Legame chimico - Legame covalente e legame ionico. Energia reticolare nei solidi ionici. Energia di legame. Formalismo di Lewis. Cenni alla teoria VSEPR. D) Stati della materia - Gassoso (Cenni alla teoria cinetica dei gas. Proprietà e leggi dei gas ideali e dei gas reali). Liquido (Tensione di vapore e temperatura. Le soluzioni: proprietà, composizione, modi di esprimere le concentrazioni. Legge di Raoult e deviazioni. Proprietà colligative). Solido (Tipi di solidi. Cenni a proprietà e struttura dei cristalli ionici, covalenti, molecolari, metallici). E) Equilibri - Equilibrio chimico e concetto di equilibrio dinamico. Equilibri in soluzione (Natura degli acidi e delle basi. Forza di acidi e basi. Correlazione tra struttura e proprietà acido-base. Prodotto ionico dell’acqua. pH suo calcolo. Idrolisi. Soluzioni tampone). F) Elettrochimica - Potenziali redox. Legge di Nerst.

Principi di Fisiologia (6 CFU)
Le membrane biologiche - I flussi transmembranari - I trasporti - Canali ionici - Potenziale di membrana - Circuito equivalente - Proprietà elettrofisiologiche passive della cellula - Il potenziale d'azione - Le sinapsi - I recettori sensoriali - I riflessi - La contrazione muscolare - Fisiologia renale - Fisiologia respiratoria - Fisiologia cardiaca e fisiologia vascolare.

Modelli applicati alla Fisiologia (3 CFU)
Modellistica dei sistemi viventi: tipologia, modelli d’interesse; significato, potenzialità e limiti dell’uso di modelli matematici. Modelli a compartimenti: modelli lineari; modelli non-lineari e linearizzazione; modelli della cinetica di traccianti; identificabilità a priori di modelli lineari; studio di modelli a uno o a due compartimenti. Modelli di sistemi neuromuscolari: modelli elettrici della generazione e propagazione di potenziali bioelettrici; modelli elementari, elastici e visco-elastici, del muscolo, dei tessuti molli e di semplici sistemi muscolari. Cenni alla modellistica di organi (cuore, polmoni).

Prerequisiti

Nessuno

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 73
Esercitazioni (ore/anno in aula): 34
Laboratori (ore/anno in aula): 0
Progetti (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Dispense e altro materiale a cura dei docenti, disponibile in rete all'URL: http://aim.labmedinfo.org/

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto, con possibilità di ulteriore orale