Design, implementation, and performance of a distributed and scalable sensor system for critical distance measurements in the CMS detector at LHC

The “CMS Safety Closing Sensors System” (SCSS, or CSS for brevity) is a remote monitoring system design to control safety clearance and tight mechanical movements of parts of the CMS detector, especially during CMS assembly phases. We present the different systems that makes SCSS: its sensor technologies, the readout system, the data acquisition and control software. We also report on calibration and installation details, which determine the resolution and limits of the system. We present as well our experience from the operation of the system and the analysis of the data collected since 2008. Special emphasis is given to study positioning reproducibility during detector assembly and understanding how the magnetic fields influence the detector structure.

Desenvolvimento de um sensor de ibuprofeno em meio aquoso

A proteção dos recursos hídricos tem uma enorme importância ecológica, sendo a água um recurso indispensável à Vida e fundamental para o bem-estar de uma sociedade. Para isso, muitos dos poluentes que afetam a qualidade deste recurso natural são detetados e eliminados nas estações de tratamento de águas residuais. Porém, o impacto dos Produtos Farmacêuticos e de Cuidado Pessoal (PPCPs), usados à escala global, carece ainda da atenção necessária, dado que os meios técnicos atualmente disponíveis para detetar estes produtos são dispendiosos ou insuficientes. Dentro daquela classe de produtos, destaca-se o Ibuprofeno, uma vez que este composto, sendo lipossolúvel, tem a capacidade para se acumular nas gorduras dos seres vivos e, por conseguinte, persistir no meio-ambiente com efeitos nocivos. Para além desse facto, por diferentes vias de reação, o Ibuprofeno tem potencial para gerar produtos de carácter semelhante. No entanto, pouco esforços têm sido feitos no sentido de o detetar. Assim, pretendeu-se com este projeto desenvolver metodologias com vista à deteção de muito baixas concentrações (entre o nano e o picoMolar) daquele composto em meio aquoso. Foi utilizada a tecnologia de Língua Eletrónica por Espectroscopia de Impedância e, para tentar melhorar a sensibilidade do sensor à molécula-alvo, foram utilizados filmes finos à base de nanotubos de carbono e de diferentes polieletrólitos, preparados pela técnica de Camada-sobre-Camada (LbL, do inglês Layer-by-Layer). A caracterização destes filmes foi feita pela técnica Espectrofotometria na faixa dos Ultravioleta e Visível. Para além da análise de diferentes concentrações de Ibuprofeno, foram ainda analisadas soluções de Cloreto de Sódio, com o intuito de perceber se o sensor é versátil na deteção de outro tipo de compostos, sendo, então, o sal um composto barato e relevante neste âmbito, uma vez que a água na Natureza apresenta sempre alguma salinidade. O trabalho compreendeu ainda o desenvolvimento de um programa informático para automatizar o processo de aquisição dos dados espectrais de impedância, recolhidos pelo analisador HAMEG Programmable LCR Bridge HM8118, o que foi feito com sucesso. Posteriormente, os dados foram tratados pelo procedimento estatístico de Análise de Componentes Principais, que permitiu discriminar espacialmente e sequencialmente as diferentes concentrações dos compostos analisados.

Produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais

A Engenharia de Tecidos surge da necessidade recorrente de regenerar ou recriar órgãos e tecidos danificados devido a vários tipos de trauma. A carência de funcionalidades resultante pode ser resolvida através da implantação de substitutos bio-sintéticos. O presente trabalho consiste na produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais com futura aplicação em substituintes ósseos sintéticos para fraturas de não-união. O substituinte ósseo consiste numa estrutura denominada Inverse colloidal crystal (ICC), em que a sua organização singular resulta numa homogénea proliferação celular e num aumento das propriedades mecânicas, quando comparada com outros substituintes. O primeiro passo para a obtenção desta estrutura é a produção de microesferas de poliestireno, por uma técnica baseada em microfluídica. Posteriormente as microesferas são empacotadas resultando numa estrutura coesa com ligações entre microesferas vizinhas. O preenchimento dos espaços vazios entre microesferas pelo biomaterial pretendido e posterior remoção das microesferas dá origem à estrutura porosa do ICC. ICCs poliméricos (ϕCs = 1,00) e compósitos (ϕCs = 0,86 e ϕHA = 0,14; ϕCs = 0,67 e ϕHA = 0,33; ϕCs = ϕHA = 0,50) são produzidos e as suas propriedades mecânicas são testadas através de ensaios de compressão e comparadas com outros substituintes sintéticos. Para avaliação do comportamento dos materiais em contacto com meio biológico, foram realizados testes de citotoxicidade que revelaram uma viabilidade celular acima dos 80% em todos os ICCs.

Development of 3D in vitro models for prediction of hepatic metabolism and toxicity

The development of human cell models that recapitulate hepatic functionality allows the study of metabolic pathways involved in toxicity and disease. The increased biological relevance, cost-effectiveness and high-throughput of cell models can contribute to increase the efficiency of drug development in the pharmaceutical industry. Recapitulation of liver functionality in vitro requires the development of advanced culture strategies to mimic in vivo complexity, such as 3D culture, co-cultures or biomaterials. However, complex 3D models are typically associated with poor robustness, limited scalability and compatibility with screening methods. In this work, several strategies were used to develop highly functional and reproducible spheroid-based in vitro models of human hepatocytes and HepaRG cells using stirred culture systems. In chapter 2, the isolation of human hepatocytes from resected liver tissue was implemented and a liver tissue perfusion method was optimized towards the improvement of hepatocyte isolation and aggregation efficiency, resulting in an isolation protocol compatible with 3D culture. In chapter 3, human hepatocytes were co-cultivated with mesenchymal stem cells (MSC) and the phenotype of both cell types was characterized, showing that MSC acquire a supportive stromal function and hepatocytes retain differentiated hepatic functions, stability of drug metabolism enzymes and higher viability in co-cultures. In chapter 4, a 3D alginate microencapsulation strategy for the differentiation of HepaRG cells was evaluated and compared with the standard 2D DMSO-dependent differentiation, yielding higher differentiation efficiency, comparable levels of drug metabolism activity and significantly improved biosynthetic activity. The work developed in this thesis provides novel strategies for 3D culture of human hepatic cell models, which are reproducible, scalable and compatible with screening platforms. The phenotypic and functional characterization of the in vitro systems performed contributes to the state of the art of human hepatic cell models and can be applied to the improvement of pre-clinical drug development efficiency of the process, model disease and ultimately, development of cell-based therapeutic strategies for liver failure.

Produção e caracterização de espumas 3D obtidas por electrofiação para aplicação em engenharia de tecidos

A produção de estruturas tridimensionais poliméricas tem sido foco de estudo por parte da Engenharia de Células e Tecidos, pelo que mimetizam melhor as condições in vivo dos tecidos. A conjugação das propriedades eléctricas com arquitectura 3D permite uma regeneração tecidual mais eficaz. Desta forma este estudo incidiu na construção de scaffolds, que conjugasse as propriedades mecânicas, eléctricas e biológicas num só suporte. O processo utilizado para produção de scaffolds baseou-se na electrofiação de soluções poliméricas de PCL (8% m/m) com incorporação de óxido de grafeno em diferentes concentrações: 0.01%, 0.1% e 0.25% (m/V). Foram avaliados os parâmetros de electrofiação que permitiram a organização tridimensional. A composição química e a morfologia das membranas foram avaliadas por FTIR-ATR e por microscopia electrónica de varrimento (MEV), respectivamente. Através de ensaios de tracção e de permeabilidade estudou-se a influência de óido de grafeno na matriz polimérica. Foram feitas experiências de redução de óxido de grafeno nas fibras electrofiadas, tanto nas membranas como das espumas, através do uso de vapores de hidrazina. Este mecanismo mostrou-se ineficaz, uma vez que afectou a sua morfologia. As espumas foram avaliadas quanto à sua bioactividade e propriedades mecânicas (ensaios de compressão). Também foram realizados testes de viabilidade celular nas membranas e de adesão celular nas espumas, de forma a avaliar o seu potencial para aplicação biomédica. Os resultados destes ensaios revelaram que óxido de grafeno não apresenta efeitos citotóxicos para o organismo e a sua presença promove a adesão celular ao scaffold.

Using an LED as a sensor and visible light communication device in a smart illumination system

The need for more efficient illumination systems has led to the proliferation of Solid-State Lighting (SSL) systems, which offer optimized power consumption. SSL systems are comprised of LED devices which are intrinsically fast devices and permit very fast light modulation. This, along with the congestion of the radio frequency spectrum has paved the path for the emergence of Visible Light Communication (VLC) systems. VLC uses free space to convey information by using light modulation. Notwithstanding, as VLC systems proliferate and cost competitiveness ensues, there are two important aspects to be considered. State-of-the-art VLC implementations use power demanding PAs, and thus it is important to investigate if regular, existent Switched-Mode Power Supply (SMPS) circuits can be adapted for VLC use. A 28 W buck regulator was implemented using a off-the-shelf LED Driver integrated circuit, using both series and parallel dimming techniques. Results show that optical clock frequencies up to 500 kHz are achievable without any major modification besides adequate component sizing. The use of an LED as a sensor was investigated, in a short-range, low-data-rate perspective. Results show successful communication in an LED-to-LED configuration, with enhanced range when using LED strings as sensors. Besides, LEDs present spectral selective sensitivity, which makes them good contenders for a multi-colour LED-to-LED system, such as in the use of RGB displays and lamps. Ultimately, the present work shows evidence that LEDs can be used as a dual-purpose device, enabling not only illumination, but also bi-directional data communication.

Jogo 3D online para reabilitação de pacientes afásicos

Esta plataforma foi projetada como auxílio complementar ao processo de reabilitação de doentes afásicos lusófonos. Uma gama de exercícios são disponibilizados de forma a induzir diferentes estímulos (compreensão escrita e auditiva e expressão escrita) sendo a grande maioria destes realizados dentro de um ambiente virtual em três dimensões onde o utilizador (dependendo da tarefa) pode interagir com objetos presentes dentro de uma casa. A principal particularidade desta plataforma reside no facto desta estar alojada online, dispensando instalações e permitindo um acompanhamento mais próximo por parte do terapeuta da fala do progresso feito pelo paciente. A ferramenta desenvolvida está disponível para visualização e teste no endereço www.weblisling.net.

Desenvolvimento de um sensor para utilização em fixadores externos em ortopedia

Nesta dissertação é apresentada a metodologia adoptada no desenvolvimento de um sensor capaz de monitorizar a evolução da consolidação óssea proveniente de patologias tratadas com a utilização de aparelhos de fixação externa. O sensor tem como finalidade medir o deslocamento relativo entre os componentes do fixador externo que são proporcionais aos níveis de consolidação do osso. Surge como alternativa aos processos convencionais (raios-X, ultra-sons, etc.) que não possibilitam a detecção de imperfeições no processo de regeneração óssea numa fase precoce. Uma análise a vários materiais e geometrias revelaram que um sensor fabricado em latão e sob a forma de anel, após uma deformação de compressão de 4

Electrical characterization and modification of low dimensional oxide semiconductors for sensor applications

This work reviews the recent research on ion and UV irradiation of β-

Building 3D City Models: Testing and Comparing Laser Scanning and Low-Cost UAV Data Using FOSS Technologies

Contém resumo

Electro-Optical/Infrared sensor turret integration on an aircraft - structural im-pact on LOCKHEED MARTIN C-130H and design methodology

The growing need to patrol and survey large maritime and terrestrial areas increased the need to integrate external sensors on aircraft in order to accomplish those patrols at increasingly higher altitudes, longer range and not depending upon vehicle type. The main focus of this work is to elaborate a practical, simple, effective and efficient methodology for the aircraft modification procedure resulting from the integration of an Elec-tro-Optical/Infra-Red (EO/IR) turret through a support structure. The importance of the devel-opment of a good methodology relies on the correct management of project variables as time, available resources and project complexity. The key is to deliver a proper tool for a project de-sign team that will be used to create a solution that fulfils all technical, non-technical and certi-fication requirements present in this field of transportation. The created methodology is inde-pendent of two main inputs: sensor model and aircraft model definition, and therefore it is in-tended to deliver the results for different projects besides the one that was presented in this work as a case study. This particular case study presents the development of a structure support for FLIR STAR SAPHIRE III turret integration on the front lower fuselage bulkhead (radome) of the LOCKHEED MARTIN C-130 H. Development of the case study focuses on the study of local structural analysis through the use of Finite Element Method (FEM). Development of this Dissertation resulted in a cooperation between Faculty of Science and Technology - Universidade Nova de Lisboa and the company OGMA - Indústria Aeronáutica de Portugal

Development of human central nervous system 3D in vitro models for preclinical research

Neurological disorders are a major concern in modern societies, with increasing prevalence mainly related with the higher life expectancy. Most of the current available therapeutic options can only control and ameliorate the patients’ symptoms, often be-coming refractory over time. Therapeutic breakthroughs and advances have been hampered by the lack of accurate central nervous system (CNS) models. The develop-ment of these models allows the study of the disease onset/progression mechanisms and the preclinical evaluation of novel therapeutics. This has traditionally relied on genetically engineered animal models that often diverge considerably from the human phenotype (developmentally, anatomically and physiologically) and 2D in vitro cell models, which fail to recapitulate the characteristics of the target tissue (cell-cell and cell-matrix interactions, cell polarity). The in vitro recapitulation of CNS phenotypic and functional features requires the implementation of advanced culture strategies that enable to mimic the in vivo struc-tural and molecular complexity. Models based on differentiation of human neural stem cells (hNSC) in 3D cultures have great potential as complementary tools in preclinical research, bridging the gap between human clinical studies and animal models. This thesis aimed at the development of novel human 3D in vitro CNS models by integrat-ing agitation-based culture systems and a wide array of characterization tools. Neural differentiation of hNSC as 3D neurospheres was explored in Chapter 2. Here, it was demonstrated that human midbrain-derived neural progenitor cells from fetal origin (hmNPC) can generate complex tissue-like structures containing functional dopaminergic neurons, as well as astrocytes and oligodendrocytes. Chapter 3 focused on the development of cellular characterization assays for cell aggregates based on light-sheet fluorescence imaging systems, which resulted in increased spatial resolu-tion both for fixed samples or live imaging. The applicability of the developed human 3D cell model for preclinical research was explored in Chapter 4, evaluating the poten-tial of a viral vector candidate for gene therapy. The efficacy and safety of helper-dependent CAV-2 (hd-CAV-2) for gene delivery in human neurons was evaluated, demonstrating increased neuronal tropism, efficient transgene expression and minimal toxicity. The potential of human 3D in vitro CNS models to mimic brain functions was further addressed in Chapter 5. Exploring the use of 13C-labeled substrates and Nucle-ar Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy tools, neural metabolic signatures were evaluated showing lineage-specific metabolic specialization and establishment of neu-ron-astrocytic shuttles upon differentiation. Chapter 6 focused on transferring the knowledge and strategies described in the previous chapters for the implementation of a scalable and robust process for the 3D differentiation of hNSC derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC). Here, software-controlled perfusion stirred-tank bioreactors were used as technological system to sustain cell aggregation and dif-ferentiation. The work developed in this thesis provides practical and versatile new in vitro ap-proaches to model the human brain. Furthermore, the culture strategies described herein can be further extended to other sources of neural phenotypes, including pa-tient-derived hiPSC. The combination of this 3D culture strategy with the implemented characterization methods represents a powerful complementary tool applicable in the drug discovery, toxicology and disease modeling.