Proton Form Factor Puzzle and the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) two-photon exchange experiment

The electromagnetic form factors are the most fundamental observables that encode information about the internal structure of the nucleon. The electric (GE) and the magnetic ( GM) form factors contain information about the spatial distribution of the charge and magnetization inside the nucleon. A significant discrepancy exists between the Rosenbluth and the polarization transfer measurements of the electromagnetic form factors of the proton. One possible explanation for the discrepancy is the contributions of two-photon exchange (TPE) effects. Theoretical calculations estimating the magnitude of the TPE effect are highly model dependent, and limited experimental evidence for such effects exists. Experimentally, the TPE effect can be measured by comparing the ratio of positron-proton elastic scattering cross section to that of the electron-proton [R = σ(e +p)/σ(e+p)]. The ratio R was measured over a wide range of kinematics, utilizing a 5.6 GeV primary electron beam produced by the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) at Jefferson Lab. This dissertation explored dependence of R on kinematic variables such as squared four-momentum transfer (Q2) and the virtual photon polarization parameter (&epsis;). A mixed electron-positron beam was produced from the primary electron beam in experimental Hall B. The mixed beam was scattered from a liquid hydrogen (LH2) target. Both the scattered lepton and the recoil proton were detected by the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS). The elastic events were then identified by using elastic scattering kinematics. This work extracted the Q2 dependence of R at high &epsis;(&epsis; > 0.8) and the $&epsis; dependence of R at ⟨Q 2⟩ approx 0.85 GeV2. In these kinematics, our data confirm the validity of the hadronic calculations of the TPE effect by Blunden, Melnitchouk, and Tjon. This hadronic TPE effect, with additional corrections contributed by higher excitations of the intermediate state nucleon, largely reconciles the Rosenbluth and the polarization transfer measurements of the electromagnetic form factors.

Enhanced anchorage of tissue-engineered cartilage using an osteoinductive approach

Articular cartilage injuries occur frequently in the knee joint. Several methods have been implemented clinically, to treat osteochondral defects but none have been able to produce a long term, durable solution. Photopolymerizable cartilage tissue engineering approaches appear promising; however, fundamentally, forming a stable interface between the tissue engineered cartilage and native tissue, mainly subchondral bone and native cartilage, remains a major challenge. The overall objective of this research is to find a solution for the current problem of dislodgment of tissue engineered cartilage at the defect site for the treatment of degraded cartilage that has been caused due to knee injuries or because of mild to moderate level of osteoarthritis. For this, an in-vitro model was created to analyze the integration of tissue engineered cartilage with the bone, healthy and diseased cartilage over time. We investigated the utility of hydroxyapatite (HA) nanoparticles to promote controlled bone-growth across the bone-cartilage interface in an in vitro engineered tissue model system using bone marrow derived stem cells. We also investigated the application of HA nanoparticles to promote enhance integration between tissue engineered cartilage and native cartilage both in healthy and diseased states. Samples incorporated with HA demonstrated significantly higher interfacial shear strength (at the junction between engineered cartilage and engineered bone and also with diseased cartilage) compared to the constructs without HA (p < 0.05), after 28 days of culture. These findings indicate that the incorporation of HA nanoparticles permits more stable anchorage of the injectable hydrogel-based engineered cartilage construct via augmented integration between bone and cartilage.^

A framework for reliability assessment of ship hull damage under ship bow impact

Peer reviewed

A framework for reliability assessment of ship hull damage under ship bow impact

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Analysis of multiple cracking in metal/ceramic composites with lamellar microstructure

Financial support of this research by The Royal Society, UK (IE121116), The Carnegie Trust for the Universities of Scotland, UK (Trust Reference 31747) and DFG (PI 785/3-2, PI 785/1-2), Germany, is gratefully acknowledged. We thank Dr. S. Roy (KIT) for providing the microstructure images and Professor I. Tsukrov (University of New Hampshire, USA) for helpful discussions.

A framework for reliability assessment of ship hull damage under ship bow impact

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Sparse Sample Detection Using Magnetic Bead Manipulation on a Digital Microfluidic Device

This thesis demonstrates a new way to achieve sparse biological sample detection, which uses magnetic bead manipulation on a digital microfluidic device. Sparse sample detection was made possible through two steps: sparse sample capture and fluorescent signal detection. For the first step, the immunological reaction between antibody and antigen enables the binding between target cells and antibody-­‐‑ coated magnetic beads, hence achieving sample capture. For the second step, fluorescent detection is achieved via fluorescent signal measurement and magnetic bead manipulation. In those two steps, a total of three functions need to work together, namely magnetic beads manipulation, fluorescent signal measurement and immunological binding. The first function is magnetic bead manipulation, and it uses the structure of current-­‐‑carrying wires embedded in the actuation electrode of an electrowetting-­‐‑on-­‐‑dielectric (EWD) device. The current wire structure serves as a microelectromagnet, which is capable of segregating and separating magnetic beads. The device can achieve high segregation efficiency when the wire spacing is 50µμm, and it is also capable of separating two kinds of magnetic beads within a 65µμm distance. The device ensures that the magnetic bead manipulation and the EWD function can be operated simultaneously without introducing additional steps in the fabrication process. Half circle shaped current wires were designed in later devices to concentrate magnetic beads in order to increase the SNR of sample detection. The second function is immunological binding. Immunological reaction kits were selected in order to ensure the compatibility of target cells, magnetic bead function and EWD function. The magnetic bead choice ensures the binding efficiency and survivability of target cells. The magnetic bead selection and binding mechanism used in this work can be applied to a wide variety of samples with a simple switch of the type of antibody. The last function is fluorescent measurement. Fluorescent measurement of sparse samples is made possible of using fluorescent stains and a method to increase SNR. The improved SNR is achieved by target cell concentration and reduced sensing area. Theoretical limitations of the entire sparse sample detection system is as low as 1 Colony Forming Unit/mL (CFU/mL).

Utilisation d’un modèle de co-culture cellulaire pour l’évaluation in vitro du transport inverse du cholestérol

De nouveaux modèles cellulaires in vitro par transfert de milieu et par coculture ont été mis au point afin d’évaluer la capacité des HDL à éliminer l’excès de cholestérol des tissus périphériques et de le transporter vers le foie afin d’être excrété par le foie, un processus nommé le transport inverse du cholestérol (TIC). Le système cellulaire par transfert in vitro où des macrophages J774 sont gorgés de LDL acétylées et marqués au 3H-cholestérol a été préalablement établi afin de mesurer par scintillation l’efflux de cholestérol marqué vers le milieu de culture contenant des accepteurs de cholestérol. Ce milieu conditionné est transféré sur des cellules HepG2 afin d’étudier l’influx du cholestérol marqué. Ce dernier nous permet d’observer un transport de cholestérol de 25 % hors des J774 et un transport de 39 000 cpm dans les HepG2 en utilisant un milieu contenant 2 % de sérums humains mis en commun. Une stimulation des cellules J774 par l’AMPc augmente l’efflux et l’influx d’environ 45 %. Des tests de preuve de concept ont été effectués sur le système cellulaire par co-culture qui utilise des chambres de Boyden où les J774 sont localisées au fond d’un puits et les HepG2 dans un insert, et où le milieu est partagé entre les deux types cellulaires. On a déterminé qu’une confluence densité de 60 000 cellules/cm2 sur un insert constitué d’une membrane de polyester avec des pores de 3,0 μm, sans autre revêtement, permet d’observer un influx spécifique au sérum d’environ 6 000 cpm associés aux cellules HepG2, où 50 % des comptes radioactifs sont dans les cellules et l’autre moitié présente à la surface cellulaire.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.