In vivo evaluation of the translations of the gleno-humeral joint using Magnetic resonance imaging

Gleno-humeral joint (GHJ) is the most mobile joint of the human body. This is related to theincongr uence between the large humeral head articulating with the much smaller glenoid (ratio 3:1). The GHJ laxity is the ability of the humeral head to be passively translated on the glenoid fossa and, when physiological, it guarantees the normal range of motion of the joint. Three-dimensional GHJ linear displacements have been measured, both in vivo and in vitro by means of different instrumental techniques. In vivo gleno-humeral displacements have been assessed by means of stereophotogrammetry, electromagnetic tracking sensors, and bio-imaging techniques. Both stereophotogrammetric systems and electromagnetic tracking devices, due to the deformation of the soft tissues surrounding the bones, are not capable to accurately assess small displacements, such as gleno-humeral joint translations. The bio-imaging techniques can ensure for an accurate joint kinematic (linear and angular displacement) description, but, due to the radiation exposure, most of these techniques, such as computer tomography or fluoroscopy, are invasive for patients. Among the bioimaging techniques, an alternative which could provide an acceptable level of accuracy and that is innocuous for patients is represented by magnetic resonance imaging (MRI). Unfortunately, only few studies have been conducted for three-dimensional analysis and very limited data is available in situations where preset loads are being applied. The general aim of this doctoral thesis is to develop a non-invasive methodology based on open-MRI for in-vivo evaluation of the gleno-humeral translation components in healthy subjects under the application of external loads.

Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Riabilitazione del mascellare posteriore atrofico mediante impianti corti (6-8 mm) o rialzo di seno con contestuale inserimento di impianti di lunghezza standard: studio retrospettivo con follow up a 3 anni

Background: sebbene la letteratura recente abbia suggerito che l’utilizzo degli impianti corti possa rappresentare una alternative preferibile alle procedure di rigenerazione ossea nelle aree posteriori atrofiche, perché è un trattamento più semplice e con meno complicazioni, esistono solo pochi studi a medio e lungo termine che abbiano comparato queste tecniche. Scopo: lo scopo di questo studio retrospettivo è quello di valutare se gli impianti corti (6-8 mm) (gruppo impianti corti) possano presentare percentuali di sopravvivenza e valori di riassorbimento osseo marginali simili a impianti di dimensioni standard (≥11 mm) inseriti contemporaneamente ad una grande rialzo di seno mascellare. Materiali e Metodi: in totale, 101 pazienti sono stati inclusi: 48 nel gruppo impianti corti e 53 nel gruppo seno. In ciascun paziente da 1 a 3 impianti sono stati inseriti e tenuti sommersi per 4-6 mesi. I parametri clinici e radiografici valutati sono: i fallimenti implantari, le complicazioni, lo stato dei tessuti molli, e il riassorbimento osseo marginale. Tutti i pazienti sono stati seguiti per almeno 3 anni dal posizionamento implantare. Risultati: il periodo di osservazione medio è stato di 43.47 ± 6.1 mesi per il gruppo impianti corti e 47.03 ± 7.46 mesi per il gruppo seno. Due su 101 impianti corti e 6 su 108 impianti standard sono falliti. Al follow-up finale, si è riscontrato un riassorbimento osseo medio di 0.47 ± 0.48 mm nel gruppo impianti corti versus 0.64 ± 0.58 mm nel gruppo seno. Non sono presenti differenze statisticamente significative fra i gruppi in termini di fallimenti implantari, complicazioni protesiche, tessuti molli, e riassorbimento osseo. Il gruppo seno ha presentato, invece, un maggior numero di complicazioni chirurgiche. Conclusioni: entrambe le tecniche hanno dimostrato un simile tasso di successo clinico e radiografico, ma gli impianti corti hanno ridotto il numero di complicazioni chirurgiche.

Studio degli effetti della mordenzatura con acido fluoridrico sul disilicato di litio utilizzato in odontoiatria

Scopo dello studio: valutare i cambiamenti indotti da diversi trattamenti di mordenzatura sulla morfologia superficiale e sulla microstruttura di due vetro-ceramiche a base disilicato di litio (IPS e.max® Press e IPS e.max® CAD) ed esaminarne gli effetti sia sull’adesione con un cemento resinoso che sulla resistenza alla flessione. Materiali e metodi: Settanta dischetti (12 mm di diametro, 2 mm di spessore) di ogni ceramica sono stati preparati e divisi in 5 gruppi: nessun trattamento (G1), HF 5% 20s (G2), HF 5% 60s (G3), HF 9.6% 20s (G4), HF 9.6% 60s (G5). Un campione per ogni gruppo è stato analizzato mediante profilometro ottico e osservato al SEM. Per gli altri campioni è stato determinato lo shear bond strength (SBS) con un cemento resinoso. Dopo l’SBS test, i campioni sono stati caricati fino a frattura utilizzando il piston-on-three-ball test per determinarne la resistenza biassiale alla flessione. Risultati: L’analisi morfologica e microstrutturale dei campioni ha rivelato come diversi trattamenti di mordenzatura producano delle modifiche nella rugosità superficiale che non sono direttamente collegate ad un aumento dei valori di adesione e dei cambiamenti microstrutturali che sono più rilevanti con l’aumento del tempo di mordenzatura e di concentrazione dell’acido. I valori medi di adesione (MPa) per IPS e.max® CAD sono significativamente più alti in G2 e G3 (21,28 +/- 4,9 e 19,55 +/- 5,41 rispettivamente); per IPS e.max® Press, i valori più elevati sono in G3 (16,80 +/- 3,96). La resistenza biassiale alla flessione media (MPa) è più alta in IPS e.max® CAD (695 +/- 161) che in IPS e.max® Press (588 +/- 117), ma non è non influenzata dalla mordenzatura con HF. Conclusioni: il disilicato di litio va mordenzato preferibilmente con HF al 5%. La mordenzatura produce alcuni cambiamenti superficiali e microstrutturali nel materiale, ma tali cambiamenti non ne influenzano la resistenza in flessione.

Experimental assessment of environmental decay effects in masonry via non destructive diagnostic techniques and mechanical tests

Environmental decay in porous masonry materials, such as brick and mortar, is a widespread problem concerning both new and historic masonry structures. The decay mechanisms are quite complex dependng upon several interconnected parameters and from the interaction with the specific micro-climate. Materials undergo aesthetical and substantial changes in character but while many studies have been carried out, the mechanical aspect has been largely understudied while it bears true importance from the structural viewpoint. A quantitative assessment of the masonry material degradation and how it affects the load-bearing capacity of masonry structures appears missing. The research work carried out, limiting the attention to brick masonry addresses this issue through an experimental laboratory approach via different integrated testing procedures, both non-destructive and mechanical, together with monitoring methods. Attention was focused on transport of moisture and salts and on the damaging effects caused by the crystallization of two different salts, sodium chloride and sodium sulphate. Many series of masonry specimens, very different in size and purposes were used to track the damage process since its beginning and to monitor its evolution over a number of years Athe same time suitable testing techniques, non-destructive, mini-invasive, analytical, of monitoring, were validated for these purposes. The specimens were exposed to different aggressive agents (in terms of type of salt, of brine concentration, of artificial vs. open-air natural ageing, …), tested by different means (qualitative vs. quantitative, non destructive vs. mechanical testing, punctual vs. wide areas, …), and had different size (1-, 2-, 3-header thick walls, full-scale walls vs. small size specimens, brick columns and triplets vs. small walls, masonry specimens vs. single units of brick and mortar prisms, …). Different advanced testing methods and novel monitoring techniques were applied in an integrated holistic approach, for quantitative assessment of masonry health state.

Incompressible limit and well-posedness of PDE models of tissue growth

Both compressible and incompressible porous medium models are used in the literature to describe the mechanical aspects of living tissues. Using a stiff pressure law, it is possible to build a link between these two different representations. In the incompressible limit, compressible models generate free boundary problems where saturation holds in the moving domain. Our work aims at investigating the stiff pressure limit of reaction-advection-porous medium equations motivated by tumor development. Our first study concerns the analysis and numerical simulation of a model including the effect of nutrients. A coupled system of equations describes the cell density and the nutrient concentration and the derivation of the pressure equation in the stiff limit was an open problem for which the strong compactness of the pressure gradient is needed. To establish it, we use two new ideas: an L3-version of the celebrated Aronson-Bénilan estimate, and a sharp uniform L4-bound on the pressure gradient. We further investigate the sharpness of this bound through a finite difference upwind scheme, which we prove to be stable and asymptotic preserving. Our second study is centered around porous medium equations including convective effects. We are able to extend the techniques developed for the nutrient case, hence finding the complementarity relation on the limit pressure. Moreover, we provide an estimate of the convergence rate at the incompressible limit. Finally, we study a multi-species system. In particular, we account for phenotypic heterogeneity, including a structured variable into the problem. In this case, a cross-(degenerate)-diffusion system describes the evolution of the phenotypic distributions. Adapting methods recently developed in the context of two-species systems, we prove existence of weak solutions and we pass to the incompressible limit. Furthermore, we prove new regularity results on the total pressure, which is related to the total density by a power law of state.

La salute come promessa. Ingegneria genetica e biotecnologie fra biopolitica, diritto e criminalità

La tesi di dottorato di Carlo Antonio Gobbato prende in considerazione e sviluppa, secondo una prospettiva rigorosamente sociologica, i temi e i problemi che discendono dai progressi delle bioscienze e delle biotecnologie con particolare riferimento alla programmazione degli esseri umani con precise caratteristiche. Muovendo dalla riflessione di Jurgen Habermas sui caratteri della genetica liberale, sono stati, innanzi tutto, ripresi alcuni temi fondamentali della storia del pensiero politico e giuridico sviluppatisi in età moderna, considerando con particolare attenzione la ricostruzione epistemologica operata da Michel Foucault in merito alla nozione di biopolitica, ovvero sia al modo con cui si è cercato, a partire dal XVIII secolo, di razionalizzare i problemi posti dalla pratica governamentale nei confronti delle persone (pratiche concernenti la salute, il controllo sociale, l’igiene, la mortalità, le razze, ecc.). La biopolitica è una categoria gnoseologica di spiegazione dell’idea di sviluppo presente nell’età moderna, dove sono iscritti vari saperi e pratiche governamentali, risultando così un concetto storicamente determinato da costruzioni produttive e tecnologiche che consentono, oppure obbligano, la vita ad entrare nella storia. D’altra parte, la biopolitica non produce letteralmente la vita, ma interviene direttamente sulla vita consentendone le condizioni di mantenimento e sviluppo. Se la biopolitica ha determinato l’instaurazione del dominio della specie umana sulla materia inerte, la rivoluzione scientifica in atto, anche in ragione dell’intensità con cui procede lo sviluppo delle bioscienze e delle biotecnologie, sta determinando l’affermazione del dominio sulla materia vivente Il progressivo affrancamento delle bioscienze e delle biotecnologie dal sistema sociale e dal sotto sistema sanitario sta comportando un’intensa proliferazione legislativa e normativa di cui la bioetica è parte, assieme alla costituzione ed allo sviluppo di un polo di apparati tendenzialmente autonomo, anche in ragione delle grandi quantità di trasferimenti finanziari, pubblici e privati, specificatamente dedicati e del nuovo mercato dei brevetti sulla vita. Sono evidenti le preoccupazioni degli organismi internazionali e nazionali, ai loro massimi livelli, per un fenomeno emergente, reso possibile dai rapidi progressi delle bioscienze, che consente la messa a disposizione sul mercato globale di “prodotti” ricavati dal corpo umano impossibili da reperire se tali progressi non si fossero verificati. Si tratta di situazioni che formano una realtà giuridica, sociale e mercantile che sempre più le bioscienze contribuiscono, con i loro successi, a rappresentare e costruire, anche se una parte fondamentale nell’edificazione, cognitiva ed emozionale, di tali situazioni, che interagiscono direttamente con l’immaginario soggettivo e sociale, è costituita dal sistema dell’informazione, specializzata e non, che sta con intensità crescente offrendo notizie e riproduzioni, vere o verosimili, scientificamente fondate oppure solo al momento ipotizzate, ma poste e dibattute, che stanno oggettivamente alimentando nuove attese individuali e sociali in grado di generare propensioni e comportamenti verso “oggetti di consumo” non conosciuti solo fino a pochi anni fa. Propensioni e comportamenti che possono assumere, in ragione della velocità con cui si succedono le scoperte delle bioscienze e la frequenza con cui sono immessi nel mercato i prodotti biotecnologici (indipendentemente dalla loro vera o presunta efficacia), anche caratteri di effervescenza anomica, fino alla consumazione di atti gravemente delittuosi di cui la stessa cronaca e le inchieste giudiziarie che si stanno aprendo iniziano a dare conto. La tesi considera criticamente la nuova realtà che emerge dai progressi delle bioscienze e, dopo aver identificato nella semantica dell’immunità e nel dominio sul movimento del corpo gli orientamenti concettuali che forniscono il significato essenziale alla biopolitica di Foucault, cerca di definire secondo una prospettiva propriamente sociologica la linea di separazione fra le pratiche immunitarie ed altre pratiche che non possono essere fatte rientrare nelle prime o, anche, il limite del discorso di Foucault davanti alle questioni poste da Habermas ed inerenti la programmazione genetica degli esseri viventi. Le pratiche genetiche, infatti, non sono propriamente immunitarie e, anzi, la stessa logica discorsiva intorno al gene non ha carattere immunitario, anche se può apportare benefici immunitari. La logica del gene modifica la forma del corpo, è generativa e rigenerativa, può ammettere ed includere, ma anche negare, la semantica biopolitica, i suoi oggetti e i suoi nessi. Gli oggetti della biopolitica sono ogni giorno di più affiancati dagli oggetti di questa dimensione radicalmente originale, per significati e significanti, dimensione che, con un neologismo, si può definire polisgenetica, ovvero sia una pratica governamentale sui generis, con importanti riflessi sul piano socio – criminologico. L’ultima parte della tesi riporta i risultati di recenti ricerche sociologiche sulla percezione sociale dell’ingegneria genetica e delle biotecnologie, nonché presenta i risultati dell’elaborazione delle interviste effettuate per la tesi di ricerca.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

L'Oratorio e la cura. Assistenza e medicina nella Roma dei papi (secc. XVI-XVII)

La tesi è incentrata sul rapporto tra una comunità religiosa maschile, la Congregazione dell'Oratorio di Roma dei secoli XVI e XVII, e il concetto di cura, mettendo in dialogo storia sociale, storia religiosa e storia della medicina. La prima parte indaga il coinvolgimento degli Oratoriani nella rete caritativa urbana, sottolineando il loro contributo nello sviluppo e nell'amministrazione di una serie di ospedali, ma anche il loro impegno pratico nella cura spirituale e corporale dei malati. La seconda parte prende in esame i professionisti sanitari che frequentavano l'Oratorio, inquadrando il loro rapporto con i padri nel quadro di una più ampia rete di connessioni sociali e politiche nella Roma pontificia. Inoltre, mettendo in rilievo le specificità di speziali, barbieri-chirurghi e medici, l'indagine considera il loro coinvolgimento nella vita religiosa della comunità e la messa a frutto del loro sapere, in ambito umanistico e anatomico. La terza parte studia il complesso rapporto dei sacerdoti con il proprio corpo e con la salute. Viene rilevato il peso delle condizioni sanitarie nell’accettazione di nuovi membri, i legami tra estetica, identità sociale e medicina, ma si prendono in considerazione anche l’ambigua funzione del cibo – inteso come strumento di ascesi che di cura – e il funzionamento concreto dell'organizzazione medica della comunità. Inoltre, un capitolo analizza la circolazione del sapere medico, evidenziando il ruolo della biblioteca, la raccolta e lo scambio di ricette mediche e l'importanza della spezieria comunitaria, mentre un altro capitolo si focalizza sui viaggi terapeutici e sulla pratica del termalismo. L'ultima parte è incentrata sulla peste romana del 1656-57, analizzando il modo in cui la Congregazione affrontò lo scoppio e lo sviluppo dell'epidemia, sia in casa che in città, per sottolineare il fragile e ambiguo equilibrio che definirono tra carità e tutela della salute.

Materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazioni nel campo dei beni culturali

Questo lavoro di tesi nasce da un progetto di ricerca promosso nel 2001 dal Prof. Leonardo Seccia (Seconda Facoltà di Ingegneria, sede di Forlì, e C.I.R.A.M., Università di Bologna), dal Prof. Nicola Santopuoli (Facoltà di Architettura Valle Giulia, Sapienza Università di Roma), dal Prof. Ingo Muller e dal Dott. André Musolff (Technical University Berlin, Facultat III, Thermodynamics). Tale progetto ha avuto come obiettivo lo studio, la progettazione e la realizzazione di un dispositivo di ancoraggio in lega a memoria di forma per il restauro di affreschi e mosaici parietali, che presentino distacchi più o meno evidenti fra gli strati di intonaco di supporto, proponendosi come mezzo efficace per la salvaguardia strutturale di tali zone variamente ammalorate. In particolare, è stata programmata una serie di prove di laboratorio per caratterizzare in modo preciso il comportamento del materiale prescelto, al fine di realizzare un prototipo rispondente alle caratteristiche di progetto ed anche per implementare un modello numerico sufficientemente realistico. A questo proposito, è stato anche approfondito il problema della scelta del modello costitutivo più adeguato. Successivamente, i risultati ottenuti sono stati impiegati nella progettazione e realizzazione di nuovi dispositivi in lega a memoria di forma da impiegare nel campo dei beni culturali, fra cui sistemi reversibili per il ricongiungimento di parti fratturate e sistemi di movimentazione intelligenti sia per lastre di protezione di superfici affrescate, sia per finestre da inserire in contesti museali per il controllo del microclima.