3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Coding of reaching in 3-D space

Many psychophysical studies suggest that target depth and direction during reaches are processed independently, but the neurophysiological support to this view is so far limited. Here, we investigated the representation of reach depth and direction by single neurons in an area of the medial posterior parietal cortex (V6A). Single-unit activity was recorded from V6A in two Macaca fascicularis monkeys performing a fixation-to-reach task to targets at different depths and directions. We found that in a substantial percentage of V6A neurons depth and direction signals jointly influenced fixation, planning and arm movement-related activity in 3D space. While target depth and direction were equally encoded during fixation, depth tuning became stronger during arm movement planning, execution and target holding. The spatial tuning of fixation activity was often maintained across epochs, and this occurred more frequently in depth. These findings support for the first time the existence of a common neural substrate for the encoding of target depth and direction during reaching movements in the posterior parietal cortex. Present results also highlight the presence in V6A of several types of cells that process independently or jointly eye position and arm movement planning and execution signals in order to control reaches in 3D space. It is possible that depth and direction influence also the metrics of the reach action and that this effect on the reach kinematic variables can account for the spatial tuning we found in V6A neural activity. For this reason, we recorded and analyzed behavioral data when one monkey performed reaching movements in 3-D space. We evaluated how the target spatial position, in particular target depth and target direction, affected the kinematic parameters and trajectories describing the motor action properties.

Contributo dei sistemi di fusione d'immagine mediante ecografia combinata con TAC e o RMN nella diagnosi del piccolo epatocarcinoma (< 2 cm) in pazienti con epatopatia cronica

L’ecografia è la metodica diagnostica più utilizzata come screening e follow-up nei pazienti epatopatici con o senza lesioni focali e questo grazie alle sue peculiari caratteristiche, che sono date dall’essere real-time, maneggevole, priva di radiazioni ionizzanti e con bassi costi. Tuttavia tale metodica se confrontata con la TC o la RMN, può avere importanti limiti, quali l’impossibilità di visualizzare piccole lesioni localizzate in aree anatomicamente “difficili” o in pazienti obesi, che sono già state identificate con altre tecniche, come la TC o la RMN. Per superare queste limitazioni sono stati introdotti dei sistemi di “fusione d’immagine” che consentono di sincronizzare in tempo reale una metodica real time con bassa risoluzione spaziale come l’ecografia ed una statica ad alta risoluzione come la TC o la RMN. Ciò si ottiene creando attorno al paziente un piccolo campo elettromagnetico costituito da un generatore e da un rilevatore applicato al trasduttore ecografico ed introducendo in un computer abbinato all’ecografo il “volume rendering” dell’addome del paziente ottenuto mediante TC multistrato o RM. Il preciso “ appaiamento spaziale “ delle due metodiche si ottiene individuando in entrambe lo stesso piano assiale di riferimento e almeno 3-4 punti anatomici interni. Tale sistema di fusione d’immagine potrebbe essere molto utile in campo epatologico nella diagnostica non invasiva del piccolo epatocarcinoma, che secondo le ultime linee guida, nei noduli di dimensioni fra 1 e 2 cm, richiede una concordanza nel comportamento contrastografico della lesione in almeno due tecniche d’immagine. Lo scopo del nostro lavoro è stato pertanto quello di valutare, in pazienti epatopatici, il contributo che tale sistema può dare nell’identificazione e caratterizzazione di lesioni inferiori a 20 mm, che erano già state identificate alla TC o alla RMN come noduli sospetti per HCC, ma che non erano stati visualizzati in ecografia convenzionale. L’eventuale re-identificazione con l’ecografia convenzionale dei noduli sospetti per essere HCC, può permettere di evitare, alla luce dei criteri diagnostici non invasivi un’ ulteriore tecnica d’immagine ed eventualmente la biopsia. Pazienti e Metodi: 17 pazienti cirrotici (12 Maschi; 5 Femmine), con età media di 68.9 +/- 6.2 (SD) anni, in cui la TC e la RMN con mezzo di contrasto avevano identificato 20 nuove lesioni focali epatiche, inferiori a 20 mm (13,6 +/- 3,6 mm), sospette per essere epatocarcinomi (HCC), ma non identificate all’ecografia basale (eseguita in cieco rispetto alla TC o alla RMN) sono stati sottoposti ad ecografia senza e con mezzo di contrasto, focalizzata su una zona bersaglio identificata tramite il sistema di fusione d’immagini, che visualizza simultaneamente le immagini della TC e della RMN ricostruite in modalità bidimensionale ( 2D), tridimensionale ( 3 D) e real-time. La diagnosi finale era stata stabilita attraverso la presenza di una concordanza diagnostica, secondo le linee guida internazionali o attraverso un follow-up nei casi di discordanza. Risultati: Una diagnosi non invasiva di HCC è stata raggiunta in 15/20 lesioni, inizialmente sospettate di essere HCC. Il sistema di fusione ha identificato e mostrato un comportamento contrastografico tipico in 12/15 noduli di HCC ( 80%) mentre 3/15 HCC (20%) non sono stati identificati con il sistema di fusione d’immagine. Le rimanenti 5/20 lesioni non sono state visualizzate attraverso i sistemi di fusione d’immagine ed infine giudicate come falsi positivi della TC e della RMN, poiché sono scomparse nei successivi mesi di follow-up e rispettivamente dopo tre, sei, nove, dodici e quindici mesi. Conclusioni: I nostri risultati preliminari mostrano che la combinazione del sistema di fusione dell’immagine associata all’ecografia senza e con mezzo di contrasto (CEUS), migliora il potenziale dell’ecografia nell’identificazione e caratterizzazione dell’HCC su fegato cirrotico, permettendo il raggiungimento di una diagnosi, secondo criteri non invasivi e slatentizzazndo casi di falsi positivi della TC e della RMN.

Studio cinematico dell'articolazione del gomito e valutazione del carrying angle durante l'esercizio fisico

Questo progetto di ricerca, è stato sviluppato per studiare le caratteristiche anatomofunzionali che definiscono l’articolazione del gomito, ed in modo articolare la presenza dell’angolazione valga che origina dalla diversa orientazione degli assi meccanici dell’avambraccio e del braccio e, denominata in letteratura come carrying angle. L’obiettivo principale di questo lavoro - meglio espresso nei diversi capitoli - è stato, quello di identificare un nuovo approccio di misura per la stima di questo angolo, utilizzabile sia per gli studi di biomeccanica articolare, che per gli studi di analisi del movimento per l’arto superiore. Il primo obiettivo è stato quello di scegliere un algoritmo di calcolo che rispettasse le caratteristiche dell’articolazione, ed in modo particolare abile a minimizzare gli errori introdotti sia nella fase di acquisizione dei punti di repere anatomici, che in quella legata alla predizione del movimento di flesso-estensione, con un modello matematico. Per questo motivo abbiamo dovuto realizzare una serie di misure in un primo tempo su due cadaveri di arto superiore, poi, seguendo le regole classiche per la validazione dell’approccio metodologico adottato, si sono realizzate misure in-vivo, prima in massima estensione e poi durante il movimento. Inizialmente abbiamo pensato di comparare le misure lineari relative alle ampiezze del braccio (ampiezza tra l’epicondilo laterale e mediale) e dell’avambraccio (ampiezza tra lo stiloide ulnare e radiale) con quelle ottenute mediante un antropometro; successivamente dopo aver verificato la ripetibilità tra i diversi operatori nell’ acquisizione dei punti di repere anatomici con il digitalizzatore Faro Arm, abbiamo comparato le misure ottenute relative al carrying angle con quelle di un goniometro standard, classicamente utilizzato nella pratica clinica per la definizione dei range di movimento dell’arto superiore. Infine, considerando la bontà delle misure ottenute, abbiamo riproposto tale metodologia con stumenti stereofotogrammetrici per l’analisi del movimento (VICON System), ottenendo la stessa stabilit`a nell’andamento del carrying angle in funzione della flessione, sia come riportato dagli studi in letteratura, sia come riscontrato nel nostro studio in-vitro. In conclusione, questo lavoro di ricerca ha evidenziato (sia per i risultati ottenuti, che per la elevata numerosità dei soggetti testati), come gli esseri umani presentino una grande variabilità individuale nel valore di questo angolo, e di come questo possa aiutare per la corretta definizione di un modello 3-D dell’arto superiore. Pertanto, gli studi futuri sulla biomeccanica dell’arto superiore dovrebbero includere sempre la valutazione di questa misura.

Studio di biomateriali usati come scaffold per Tissue Engineering e loro caratterizzazione con tecniche spettroscopiche vibrazionali e di analisi termica

This research investigated someone of the main problems connected to the application of Tissue Engineering in the prosthetic field, in particular about the characterization of the scaffolding materials and biomimetic strategies adopted in order to promote the implant integration. The spectroscopic and thermal analysis techniques were usefully applied to characterize the chemico-physical properties of the materials such as – crystallinity; – relative composition in case of composite materials; – Structure and conformation of polymeric and peptidic chains; – mechanism and degradation rate; – Intramolecular and intermolecular interactions (hydrogen bonds, aliphatic interactions). This kind of information are of great importance in the comprehension of the interactions that scaffold undergoes when it is in contact with biological tissues; this information are fundamental to predict biodegradation mechanisms and to understand how chemico-physical properties change during the degradation process. In order to fully characterize biomaterials, this findings must be integrated by information relative to mechanical aspects and in vitro and in vivo behavior thanks to collaborations with biomedical engineers and biologists. This study was focussed on three different systems that correspond to three different strategies adopted in Tissue Engineering: biomimetic replica of fibrous 3-D structure of extracellular matrix (PCL-PLLA), incorporation of an apatitic phase similar to bone inorganic phase to promote biomineralization (PCL-HA), surface modification with synthetic oligopeptides that elicit the interaction with osteoblasts. The characterization of the PCL-PLLA composite underlined that the degradation started along PLLA fibres, which are more hydrophylic, and they serve as a guide for tissue regeneration. Moreover it was found that some cellular lines are more active in the colonization of the scaffold. In the PCL-HA composite, the weight ratio between the polymeric and the inorganic phase plays an essential role both in the degradation process and in the biomineralization of the material. The study of self-assembling peptides allowed to clarify the influence of primary structure on intermolecular and intermolecular interactions, that lead to the formation of the secondary structure and it was possible to find a new class of oligopeptides useful to functionalize materials surface. Among the analytical techniques used in this study, Raman vibrational spectroscopy played a major role, being non-destructive and non-invasive, two properties that make it suitable to degradation studies and to morphological characterization. Also micro-IR spectroscopy was useful in the comprehension of peptide structure on oxidized titanium: up to date this study was one of the first to employ this relatively new technique in the biomedical field.

Costruzione di uno scaffold vascolarizzato per la chirurgia ortopedica

Specific aims The aim is to improve the treatment of the bone losses at the metacarpal bones level (both diaphysis and epiphysis) combining microsurgery, tissue engineering and biomaterials, so to minimize the donor side morbidity and optimize healing and outcomes. Methods Pre-operative controlateral X-ray or 3-D CT to allow custom-made HA scaffolds. Cement as temporary spacer in acute lesion and monitoring of infective risks. Treatment of the bone loss recurring to pre-fabricated or custom-made HA scaffolds, adding platelet gel or growth factor OP1. Stable synthesis. Control group with auto/omografts. Outcome indices: % of bone-union; finger TAM, Kapandji, DASH score; NMR and Scintigraphy at 180 days for revascularisation and bio-substitution of the scaffold. Preliminary results The authors just treated 6 patients, 4 males and 2 females, with an average age of 38.5 yrs, affected by segmental bone losses at the hand and wrist, recurring to pre-fabricated not vascularised scaffolds. In all cases the synthesis was performed with angular stability plates and a stable synthesis achieved. All patients have been controlled at a mean follow-up of 10.5 months (from 2 to 16 ). In all case but one the bone-scaffold osteo-integration was achieved at an average of 38 days at the hand, and 46 days at the wrist. The outcome studies, according to the DASH score, finger TAM, and Kapandji, were good and excellent in 5 cases, poor in one.

Gli interventi sostitutivi nei confronti degli enti territoriali

La ricerca ha perseguito l’obiettivo di individuare e definire il potere di un ente territoriale di sostituire, tramite i suoi organi o atti, quelli ordinari degli enti territoriali minori, per assumere ed esercitare compiutamente, in situazioni straordinarie, le funzioni proprie di questi. Dogmaticamente potremmo distinguere due generali categorie di sostituzione: quella amministrativa e quella legislativa, a seconda dell’attività giuridica nella quale il sostituto interviene. Nonostante tale distinzione riguardi in generale il rapporto tra organi o enti della stessa o di differenti amministrazioni, con eguale o diverso grado di autonomia; la ricerca ha mirato ad analizzare le due summenzionate categorie con stretto riferimento agli enti territoriali. I presupposti, l’oggetto e le modalità di esercizio avrebbero consentito ovviamente di sottocatalogare le due generali categorie di sostituzione, ma un’indagine volta a individuare e classificare ogni fattispecie di attività sostitutiva, più che un’attività complessa, è sembrata risultare di scarsa utilità. Più proficuo è parso il tentativo di ricostruire la storia e l’evoluzione del menzionato istituto, al fine di definire e comprendere i meccanismi che consentono l’attività sostitutiva. Nel corso della ricostruzione non si è potuto trascurare che, all’interno dell’ordinamento italiano, l’istituto della sostituzione è nato nel diritto amministrativo tra le fattispecie che regolavano l’esercizio della funzione amministrativa indiretta. La dottrina del tempo collocava la potestà sostitutiva nella generale categoria dei controlli. La sostituzione, infatti, non avrebbe avuto quel valore creativo e propulsivo, nel mondo dell’effettualità giuridica, quell’energia dinamica ed innovatrice delle potestà attive. La sostituzione rappresentava non solo la conseguenza, ma anche la continuazione del controllo. Le fattispecie, che la menzionata dottrina analizzava, rientravano principalmente all’interno di due categorie di sostituzione: quella disposta a favore dello Stato contro gli inadempimenti degli enti autarchici – principalmente il comune – nonché la sostituzione operata all’interno dell’organizzazione amministrativa dal superiore gerarchico nei confronti del subordinato. Già in epoca unitaria era possibile rinvenire poteri sostitutivi tra enti, la prima vera fattispecie di potestà sostitutiva, era presente nella disciplina disposta da diverse fattispecie dell'allegato A della legge 20 marzo 1856 n. 2248, sull'unificazione amministrativa del Regno. Tentativo del candidato è stato quello, quindi, di ricostruire l'evoluzione delle fattispecie sostitutive nella stratificazione normativa che seguì con il T.U. della legge Comunale e Provinciale R.D. 4 febbraio 1915 e le successive variazioni tra cui il R.D.L. 30 dicembre 1923. Gli istituti sostitutivi vennero meno (di fatto) con il consolidarsi del regime fascista. Il fascismo, che in un primo momento aveva agitato la bandiera delle autonomie locali, non tardò, come noto, una volta giunto al potere, a seguire la sua vera vocazione, dichiarandosi ostile a ogni proposito di decentramento e rafforzando, con la moltiplicazione dei controlli e la soppressione del principio elettivo, la già stretta dipendenza delle comunità locali dallo Stato. Vennero meno i consigli liberamente eletti e al loro posto furono insediati nel 1926 i Podestà e i Consultori per le Amministrazioni comunali; nel 1928 i Presidi e i Rettorati per le Amministrazioni Provinciali, tutti organi nominati direttamente o indirettamente dall’Amministrazione centrale. In uno scenario di questo tipo i termini autarchia e autonomia risultano palesemente dissonanti e gli istituti di coordinamento tra Stato ed enti locali furono ad esso adeguati; in tale ordinamento, infatti, la sostituzione (pur essendo ancora presenti istituti disciplinanti fattispecie surrogatorie) si presentò come un semplice rapporto interno tra organi diversi, di uno stesso unico potere e non come esso è in realtà, anello di collegamento tra soggetti differenti con fini comuni (Stato - Enti autarchici); per semplificare, potremmo chiederci, in un sistema totalitario come quello fascista, in cui tutti gli interessi sono affidati all’amministrazione centrale, chi dovrebbe essere il sostituito. Il potere sostitutivo (in senso proprio) ebbe una riviviscenza nella normativa post-bellica, come reazione alla triste parentesi aperta dal fascismo, che mise a nudo i mali e gli abusi dell’accentramento statale. La suddetta normativa iniziò una riforma in favore delle autonomie locali; infatti, come noto, tutti i partiti politici assunsero posizione in favore di una maggiore autonomia degli enti territoriali minori e ripresero le proposte dei primi anni dell’Unità di Italia avanzate dal Minghetti, il quale sentiva l’esigenza dell’istituzione di un ente intermedio tra Stato e Province, a cui affidare interessi territorialmente limitati: la Regione appunto. Emerge piuttosto chiaramente dalla ricerca che la storia politica e l’evoluzione del diritto pubblico documentano come ad una sempre minore autonomia locale nelle politiche accentratrici dello Stato unitario prima, e totalitario poi, corrisponda una proporzionale diminuzione di istituti di raccordo come i poteri sostitutivi; al contrario ad una sempre maggiore ed evoluta autonomia dello Stato regionalista della Costituzione del 1948 prima, e della riforma del titolo V oggi, una contestuale evoluzione e diffusione di potestà sostitutive. Pare insomma che le relazioni stato-regioni, regioni-enti locali che la sostituzione presuppone, sembrano rappresentare (ieri come oggi) uno dei modi migliori per comprendere il sistema delle autonomie nell’evoluzione della stato regionale e soprattutto dopo la riforma apportata dalla legge costituzionale 18 ottobre 2001, n. 3. Dalla preliminare indagine storica un altro dato, che pare emergere, sembra essere la constatazione che l'istituto nato e giustificato da esigenze di coerenza e efficienza dell'azione amministrativa sia stato trasferito nell'ambio delle relazioni tra stato e autonomie territoriali. Tale considerazione sembra essere confermata dal proseguo dell’indagine, ed in particolare dai punti di contatto tra presupposti e procedure di sostituzione nell’analisi dell’istituto. Nonostante, infatti, il Costituente non disciplinò poteri sostitutivi dello Stato o delle regioni, al momento di trasferire le competenze amministrative alle regioni la Corte costituzionale rilevò il problema della mancanza di istituti posti a garantire gli interessi pubblici, volti ad ovviare alle eventuali inerzie del nuovo ente territoriale. La presente ricerca ha voluto infatti ricostruire l’ingresso dei poteri sostitutivi nel ordinamento costituzionale, riportando le sentenze del Giudice delle leggi, che a partire dalla sentenza n. 142 del 1972 e dalla connessa pronuncia n. 39 del 1971 sui poteri di indirizzo e coordinamento dello Stato, pur non senza incertezze e difficoltà, ha finito per stabilire un vero e proprio “statuto” della sostituzione con la sentenza n. 177 del 1988, individuando requisiti sostanziali e procedurali, stimolando prima e correggendo successivamente gli interventi del legislatore. Le prime fattispecie sostitutive furono disciplinate con riferimento al rispetto degli obblighi comunitari, ed in particolare con l’art. 27 della legge 9 maggio 1975, n. 153, la quale disciplina, per il rispetto dell’autonomia regionale, venne legittimata dalla stessa Corte nella sentenza n. 182 del 1976. Sempre con riferimento al rispetto degli obblighi comunitari intervenne l’art. 6 c. 3°, D.P.R. 24 luglio 1977, n. 616. La stessa norma va segnalata per introdurre (all’art. 4 c. 3°) una disciplina generale di sostituzione in caso di inadempimento regionale nelle materie delegate dallo Stato. Per il particolare interesse si deve segnalare il D.M. 21 settembre 1984, sostanzialmente recepito dal D.L. 27 giugno 1985, n. 312 (disposizioni urgenti per la tutela delle zone di particolare interesse ambientale), poi convertito in legge 8 agosto 1985, n. 431 c.d. legge Galasso. Tali disposizioni riaccesero il contenzioso sul potere sostitutivo innanzi la Corte Costituzionale, risolto nelle sentt. n. 151 e 153 del 1986. Tali esempi sembrano dimostrare quello che potremmo definire un dialogo tra legislatore e giudice della costituzionalità nella definizione dei poteri sostitutivi; il quale culminò nella già ricordata sent. n. 177 del 1988, nella quale la Corte rilevò che una legge per prevedere un potere sostitutivo costituzionalmente legittimo deve: essere esercitato da parte di un organo di governo; nei confronti di attività prive di discrezionalità nell’an e presentare idonee garanzie procedimentali in conformità al principio di leale collaborazione. Il modello definito dalla Corte costituzionale sembra poi essere stato recepito definitivamente dalla legge 15 marzo 1997, n. 59, la quale per prima ha connesso la potestà sostitutiva con il principio di sussidiarietà. Detta legge sembra rappresentare un punto di svolta nell’indagine condotta perché consente di interpretare al meglio la funzione – che già antecedentemente emergeva dallo studio dei rapporti tra enti territoriali – dei poteri sostitutivi quale attuazione del principio di sussidiarietà. La legge costituzionale 18 ottobre 2001, n. 3, ha disciplinato all’interno della Costituzione ben due fattispecie di poteri sostitutivi all’art. 117 comma 5 e all’art. 120 comma 2. La “lacuna” del 1948 necessitava di essere sanata – in tal senso erano andati anche i precedenti tentativi di riforma costituzionale, basti ricordare l’art. 58 del progetto di revisione costituzionale presentato dalla commissione D’Alema il 4 novembre 1997 – i disposti introdotti dal riformatore costituzionale, però, non possono certo essere apprezzati per la loro chiarezza e completezza. Le due richiamate disposizioni costituzionali, infatti, hanno prodotto numerose letture. Il dibattito ha riguardato principalmente la natura delle due fattispecie sostitutive. In particolare, si è discusso sulla natura legislativa o amministrativa delle potestà surrogatorie e sulla possibilità da parte del legislatore di introdurre o meno la disciplina di ulteriori fattispecie sostitutive rispetto a quelle previste dalla Costituzione. Con particolare riferimento all’art. 120 c. 2 Cost. sembra semplice capire che le difficoltà definitorie siano state dovute all’indeterminatezza della fattispecie, la quale attribuisce al Governo il potere sostitutivo nei confronti degli organi (tutti) delle regioni, province, comuni e città metropolitane. In particolare, la dottrina, che ha attribuito all’art. 120 capoverso la disciplina di un potere sostitutivo sulle potestà legislative delle Regioni, è partita dalla premessa secondo la quale detta norma ha una funzione fondamentale di limite e controllo statale sulle Regioni. La legge 18 ottobre 2001 n. 3 ha, infatti, variato sensibilmente il sistema dei controlli sulle leggi regionali, con la modificazione degli artt. 117 e 127 della Costituzione; pertanto, il sistema dei controlli dopo la riforma del 2001, troverebbe nel potere sostitutivo ex art. 120 la norma di chiusura. Sul tema è insistito un ampio dibattito, al di là di quello che il riformatore costituzionale avrebbe dovuto prevedere, un’obiezione (più delle altre) pare spingere verso l’accoglimento della tesi che propende per la natura amministrativa della fattispecie in oggetto, ovvero la constatazione che il Governo è il soggetto competente, ex art. 120 capoverso Cost., alla sostituzione; quindi, se si intendesse la sostituzione come avente natura legislativa, si dovrebbe ritenere che il Costituente abbia consentito all’Esecutivo, tosto che al Parlamento, l’adozione di leggi statali in sostituzione di quelle regionali. Suddetta conseguenza sembrerebbe comportare una palese violazione dell’assetto costituzionale vigente. Le difficoltà interpretative dell’art. 120 Cost. si sono riversate sulla normativa di attuazione della riforma costituzionale, legge 5 giugno 2003, n. 131. In particolare nell’art. 8, il quale ha mantenuto un dettato estremamente vago e non ha preso una chiara e netta opzione a favore di una della due interpretazione riportate circa la natura della fattispecie attuata, richiamando genericamente che il potere sostitutivo si adotta “Nei casi e per le finalità previsti dall'articolo 120” Cost. Di particolare interesse pare essere, invece, il procedimento disciplinato dal menzionato art. 8, il quale ha riportato una procedura volta ad attuare quelle che sono state le indicazioni della Corte in materia. Analogamente agli anni settanta ed ottanta, le riportate difficoltà interpretative dell’art. 120 Cost. e, più in generale il tema dei poteri sostitutivi dopo la riforma del 2001, sono state risolte e definite dal giudice della costituzionalità. In particolare, la Corte sembra aver palesemente accolto (sent. n. 43 del 2004) la tesi sulla natura amministrativa del potere sostitutivo previsto dall’art. 120 c. 2 Cost. Il giudice delle leggi ha tra l’altro fugato i dubbi di chi, all’indomani della riforma costituzionale del 2001, aveva letto nel potere sostitutivo, attribuito dalla riformata Costituzione al Governo, l’illegittimità di tutte quelle previsioni legislative regionali, che disponevano ipotesi di surrogazione (da parte della regione) nei confronti degli enti locali. La Corte costituzionale, infatti, nella già citata sentenza ha definito “straordinario” il potere di surrogazione attribuito dall’art. 120 Cost. allo Stato, considerando “ordinare” tutte quelle fattispecie sostitutive previste dalla legge (statale e regionale). Particolarmente innovativa è la parte dell'indagine in cui la ricerca ha verificato in concreto la prassi di esercizio della sostituzione statale, da cui sono sembrate emergere numerose tendenze. In primo luogo significativo sembra essere il numero esiguo di sostituzioni amministrative statali nei confronti delle amministrazioni regionali; tale dato sembra dimostrare ed essere causa della scarsa “forza” degli esecutivi che avrebbero dovuto esercitare la sostituzione. Tale conclusione sembra trovare conferma nell'ulteriore dato che sembra emergere ovvero i casi in cui sono stati esercitati i poteri sostitutivi sono avvenuti tutti in materie omogenee (per lo più in materia di tutela ambientale) che rappresentano settori in cui vi sono rilevanti interessi pubblici di particolare risonanza nell'opinione pubblica. Con riferimento alla procedura va enfatizzato il rispetto da parte dell'amministrazione sostituente delle procedure e dei limiti fissati tanto dal legislatore quanto nella giurisprudenza costituzionale al fine di rispettare l'autonomia dell'ente sostituito. Dalla ricerca emerge che non è stato mai esercitato un potere sostitutivo direttamente ex art. 120 Cost., nonostante sia nella quattordicesima (Governo Berlusconi) che nella quindicesima legislatura (Governo Prodi) con decreto sia stata espressamente conferita al Ministro per gli affari regionali la competenza a promuovere l’“esercizio coordinato e coerente dei poteri e rimedi previsti in caso di inerzia o di inadempienza, anche ai fini dell'esercizio del potere sostitutivo del Governo di cui all'art. 120 della Costituzione”. Tale conclusione, però, non lascia perplessi, bensì, piuttosto, sembra rappresentare la conferma della “straordinarietà” della fattispecie sostitutiva costituzionalizzata. Infatti, in via “ordinaria” lo Stato prevede sostituzioni per mezzo di specifiche disposizioni di legge o addirittura per mezzo di decreti legge, come di recente il D.L. 09 ottobre 2006, n. 263 (Misure straordinarie per fronteggiare l'emergenza nel settore dei rifiuti nella regione Campania. Misure per la raccolta differenziata), che ha assegnato al Capo del Dipartimento della protezione civile della Presidenza del Consiglio dei Ministri “le funzioni di Commissario delegato per l'emergenza nel settore dei rifiuti nella regione Campania per il periodo necessario al superamento di tale emergenza e comunque non oltre il 31 dicembre 2007”. Spesso l’aspetto interessante che sembra emergere da tali sostituzioni, disposte per mezzo della decretazione d’urgenza, è rappresentato dalla mancata previsione di diffide o procedure di dialogo, perché giustificate da casi di estrema urgenza, che spesso spingono la regione stessa a richiedere l’intervento di surrogazione. Del resto è stata la stessa Corte costituzionale a legittimare, nei casi di particolare urgenza e necessità, sostituzioni prive di dialogo e strumenti di diffida nella sent. n. 304 del 1987. Particolare attenzione è stata data allo studio dei poteri sostitutivi regionali. Non solo perché meno approfonditi in letteratura, ma per l’ulteriore ragione che tali fattispecie, disciplinate da leggi regionali, descrivono i modelli più diversi e spingono ad analisi di carattere generale in ordine alla struttura ed alla funzione dei poteri sostitutivi. Esse sembrano rappresentare (in molti casi) modelli da seguire dallo stesso legislatore statale, si vedano ad esempio leggi come quella della regione Toscana 31 ottobre 2001, n. 53, artt. 2, 3, 4, 5, 7; legge regione Emilia-Romagna 24 marzo 2004, n. 6, art. 30, le quali recepiscono i principi sviluppati dalla giurisprudenza costituzionale e scandiscono un puntuale procedimento ispirato alla collaborazione ed alla tutela delle attribuzioni degli enti locali. La ricerca di casi di esercizio di poter sostitutivi è stata effettuata anche con riferimento ai poteri sostitutivi regionali. I casi rilevati sono stati numerosi in particolare nella regione Sicilia, ma si segnalano anche casi nelle regioni Basilicata ed Emilia-Romagna. Il dato principale, che sembra emergere, pare essere che alle eterogenee discipline di sostituzione corrispondano eterogenee prassi di esercizio della sostituzione. Infatti, alle puntuali fattispecie di disciplina dei poteri sostitutivi dell’Emilia-Romagna corrispondono prassi volte ad effettuare la sostituzione con un delibera della giunta (organo di governo) motivata, nel rispetto di un ampio termine di diffida, nonché nella ricerca di intese volte ad evitare la sostituzione. Alla generale previsione della regione Sicilia, pare corrispondere un prassi sostitutiva caratterizzata da un provvedimento del dirigente generale all’assessorato per gli enti locali (organo di governo?), per nulla motivato, salvo il richiamo generico alle norme di legge, nonché brevi termini di diffida, che sembrano trovare la loro giustificazione in note o solleciti informati che avvisano l’ente locale della possibile sostituzione. In generale il fatto che in molti casi i poteri sostitutivi siano stimolati per mezzo dell’iniziativa dei privati, sembra dimostrare l’attitudine di tal istituto alla tutela degli interessi dei singoli. I differenti livelli nei quali operano i poteri sostitutivi, il ruolo che la Corte ha assegnato a tali strumenti nell’evoluzione della giurisprudenza costituzionale, nonché i dati emersi dall’indagine dei casi concreti, spingono ad individuare nel potere sostitutivo uno dei principali strumenti di attuazione del principio di sussidiarietà, principio quest’ultimo che sembra rappresentare – assieme ai corollari di proporzionalità, adeguatezza e leale collaborazione – la chiave di lettura della potestà sostitutiva di funzioni amministrative. In tal senso, come detto, pare emergere dall’analisi di casi concreti come il principio di sussidiarietà per mezzo dei poteri sostitutivi concretizzi quel fine, a cui l’art. 118 cost. sembra mirare, di tutela degli interessi pubblici, consentendo all’ente sovraordinato di intervenire laddove l’ente più vicino ai cittadini non riesca. Il principio di sussidiarietà sembra essere la chiave di lettura anche dell’altra categoria della sostituzione legislativa statale. L’impossibilità di trascurare o eliminare l’interesse nazionale, all’interno di un ordinamento regionale fondato sull’art. 5 Cost., sembra aver spino la Corte costituzionale ad individuare una sorta di “potere sostitutivo legislativo”, attraverso il (seppur criticabile) meccanismo introdotto per mezzo della sent. 303 del 2003 e della cosiddetta “chiamata i sussidiarietà”. Del resto adattare i principi enucleati nella giurisprudenza costituzionale a partire dalla sent. n. 117 del 1988 alla chiamata in sussidiarietà e i limiti che dal principio di leale collaborazione derivano, sembra rappresentare un dei modi (a costituzione invariata) per limitare quello che potrebbe rappresentare un meccanismo di rilettura dell’art. 117 Cost. ed ingerenza dello stato nelle competenze della regioni. Nonostante le sensibili differenze non si può negare che lo strumento ideato dalla Corte abbia assunto le vesti della konkurrierende gesetzgebung e, quindi, di fatto, di un meccanismo che senza limiti e procedure potrebbe rappresentare uno strumento di interferenza e sostituzione della stato nelle competenze regionali. Tali limiti e procedure potrebbero essere rinvenuti come detto nelle procedure di sostituzione scandite nelle pronunce del giudice delle leggi. I risultati che si spera emergeranno dalla descritta riflessione intorno ai poteri sostitutivi e il conseguente risultato circa lo stato del regionalismo italiano, non sembrano, però, rappresentare un punto di arrivo, bensì solo di partenza. I poteri sostitutivi potrebbero infatti essere oggetto di futuri interventi di riforma costituzionale, così come lo sono stati in occasione del tentativo di riforma del 2005. Il legislatore costituzionale nel testo di legge costituzionale approvato in seconda votazione a maggioranza assoluta (recante “Modifiche alla Parte II della Costituzione” e pubblicato in gazzetta ufficiale n. 269 del 18-11-2005) pareva aver fatto un scelta chiara sostituendo il disposto “Il Governo può sostituirsi a organi delle Regioni, delle città metropolitane, delle Province e dei Comuni” con “Lo Stato può sostituirsi alle Regioni, alle città metropolitane, alle Province e ai Comuni nell'esercizio delle funzioni loro attribuite dagli articoli 117 e 118”. Insomma si sarebbe introdotto quello strumento che in altri Paesi prende il nome di Supremacy clause o Konkurrierende Gesetzgebung, ma quali sarebbero state le procedure e limiti che lo Stato avrebbe dovuto rispettare? Il dettato che rigidamente fissa le competenze di stato e regioni, assieme alla reintroduzione espressa dell’interesse nazionale, non avrebbe ridotto eccessivamente l’autonomia regionale? Tali interrogativi mirano a riflettere non tanto intorno a quelli che potrebbero essere gli sviluppi dell’istituto dei poteri sostitutivi. Piuttosto essi sembrano rappresenterebbe l’ulteriore punto di vista per tentare di comprendere quale percorso avrebbe potuto (o potrebbe domani) prendere il regionalismo italiano.

Vascular wall stem cells. Selection and conditioning of progenitors useful for cell therapy. A pathological case study

The arterial wall contains MSCs with mesengenic and angiogenic abilities. These multipotent precursors have been isolated from variously-sized human adult segments, belying the notion that vessel wall is a relatively quiescent tissue. Recently, our group identified in normal human arteries a vasculogenic niche and subsequently isolated and characterized resident MSCs (VW-MSCs) with angiogenic ability and multilineage potential. To prove that VW-MSCs are involved in normal and pathological vascular remodeling, we used a long-term organ culture system; this method was of critical importance to follow spontaneous 3-D vascular remodeling without any influence of blood cells. Next we tried to identify and localize in situ the VW-MSCs and to understand their role in the vascular remodeling in failed arterial homografts. Subsequently, we isolated this cell population and tested in vitro their multilineage differentiation potential through immunohistochemical, immunofluorescence, RT-PCR and ultrastructural analysis. From 25-30cm2 of each vascular wall homograft sample, we isolated a cell population with MSCs properties; these cells expressed MSC lineage molecules (CD90, CD44, CD105, CD29, CD73), stemness (Notch-1, Oct-4, Sca-1, Stro-1) and pericyte markers (NG2) whilst were negative for hematopoietic and endothelial markers (CD34, CD133, CD45, KDR, CD146, CD31 and vWF). MSCs derived from failed homografts (H-MSCs) exhibited adipogenic, osteogenic and chondrogenic potential but scarce propensity to angiogenic and leiomyogenic differentiation. The present study demonstrates that failed homografts contain MSCs with morphological, phenotypic and functional MSCs properties; H-MSCs are long-lived in culture, highly proliferating and endowed with prompt ability to differentiate into adipocytes, osteocytes and chondrocytes; compared with VW-MSCs from normal arteries, H-MSCs show a failure in angiogenic and leiomyogenic differentiation. A switch in MSCs plasticity could be the basis of pathological remodeling and contribute to aneurysmal failure of arterial homografts. The study of VW-MSCs in a pathological setting indicate that additional mechanisms are involved in vascular diseases; their knowledge will be useful for opening new therapeutic options in cardiovascular diseases.

Numerical simulation of ion transport through ion channels and solid-state nanopores

Ion channels are pore-forming proteins that regulate the flow of ions across biological cell membranes. Ion channels are fundamental in generating and regulating the electrical activity of cells in the nervous system and the contraction of muscolar cells. Solid-state nanopores are nanometer-scale pores located in electrically insulating membranes. They can be adopted as detectors of specific molecules in electrolytic solutions. Permeation of ions from one electrolytic solution to another, through a protein channel or a synthetic pore is a process of considerable importance and realistic analysis of the main dependencies of ion current on the geometrical and compositional characteristics of these structures are highly required. The project described by this thesis is an effort to improve the understanding of ion channels by devising methods for computer simulation that can predict channel conductance from channel structure. This project describes theory, algorithms and implementation techniques used to develop a novel 3-D numerical simulator of ion channels and synthetic nanopores based on the Brownian Dynamics technique. This numerical simulator could represent a valid tool for the study of protein ion channel and synthetic nanopores, allowing to investigate at the atomic-level the complex electrostatic interactions that determine channel conductance and ion selectivity. Moreover it will provide insights on how parameters like temperature, applied voltage, and pore shape could influence ion translocation dynamics. Furthermore it will help making predictions of conductance of given channel structures and it will add information like electrostatic potential or ionic concentrations throughout the simulation domain helping the understanding of ion flow through membrane pores.

Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Preparation of new crystal forms via photochemical, mechanochemical and sol-gel methods

This work of thesis involves various aspects of crystal engineering. Chapter 1 focuses on crystals containing crown ether complexes. Aspects such as the possibility of preparing these materials by non-solution methods, i.e. by direct reaction of the solid components, thermal behavior and also isomorphism and interconversion between hydrates are taken into account. In chapter 2 a study is presented aimed to understanding the relationship between hydrogen bonding capability and shape of the building blocks chosen to construct crystals. The focus is on the control exerted by shape on the organization of sandwich cations such as cobalticinium, decamethylcobalticinium and bisbenzenchromium(I) and on the aggregation of monoanions all containing carboxylic and carboxylate groups, into 0-D, 1-D, 2-D and 3-D networks. Reactions conducted in multi-component molecular assemblies or co-crystals have been recognized as a way to control reactivity in the solid state. The [2+2] photodimerization of olefins is a successful demonstration of how templated solid state synthesis can efficiently synthesize unique materials with remarkable stereoselectivity and under environment-friendly conditions. A demonstration of this synthetic strategy is given in chapter 3. The combination of various types of intermolecular linkages, leading to formation of high order aggregation and crystalline materials or to a random aggregation resulting in an amorphous precipitate, may not go to completeness. In such rare cases an aggregation process intermediate between crystalline and amorphous materials is observed, resulting in the formation of a gel, i.e. a viscoelastic solid-like or liquid-like material. In chapter 4 design of new Low Molecular Weight Gelators is presented. Aspects such as the relationships between molecular structure, crystal packing and gelation properties and the application of this kind of gels as a medium for crystal growth of organic molecules, such as APIs, are also discussed.

Origin and variability of PM10 and atmospheric radiotracers at the WMO-GAW station of Mt. Cimone (1998-2011) and in the central Po Valley

Particulate matter is one of the main atmospheric pollutants, with a great chemical-environmental relevance. Improving knowledge of the sources of particulate matter and of their apportionment is needed to handle and fulfill the legislation regarding this pollutant, to support further development of air policy as well as air pollution management. Various instruments have been used to understand the sources of particulate matter and atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), hosting a global WMO-GAW station. Thanks to its characteristics, this location is suitable investigate the regional and long-range transport of polluted air masses on the background Southern-Europe free-troposphere. In particular, PM10 data sampled at the station in the period 1998-2011 were analyzed in the framework of the main meteorological and territorial features. A receptor model based on back trajectories was applied to study the source regions of particulate matter. Simultaneous measurements of atmospheric radionuclides Pb-210 and Be-7 acquired together with PM10 have also been analysed to acquire a better understanding of vertical and horizontal transports able to affect atmospheric composition. Seasonal variations of atmospheric radiotracers have been studied both analysing the long-term time series acquired at the measurement site as well as by means of a state-of-the-art global 3-D chemistry and transport model. Advection patterns characterizing the circulation at the site have been identified by means of clusters of back-trajectories. Finally, the results of a source apportionment study of particulate matter carried on in a midsize town of the Po Valley (actually recognised as one of the most polluted European regions) are reported. An approach exploiting different techniques, and in particular different kinds of models, successfully achieved a characterization of the processes/sources of particulate matter at the two sites, and of atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone.

Development of novel multi-substituted apatite nanophases with advanced functionalities for bone regeneration

In the field of bone substitutes is highly researched an innovative material able to fill gaps with high mechanical performances and able to stimulate cell response, permitting the complete restoration of the bone portion. In this respect, the synthesis of new bioactive materials able to mimic the compositional, morphological and mechanical features of bone is considered as the elective approach for effective tissue regeneration. Hydroxyapatite (HA) is the main component of the inorganic part of bone. Additionally ionic substitution can be performed in the apatite lattice producing different effects, depending from the selected ions. Magnesium, in substitution of calcium, and carbonate, in substitution of phosphate, extensively present in the biological bones, are able to improve properties naturally present in the apatitic phase, (i.e. biomimicry, solubility e osteoinductive properties). Other ions can be used to give new useful properties, like antiresorptive or antimicrobial properties, to the apatitic phase. This thesis focused on the development of hydroxyapatite nanophases with multiple ionic substitutions including gallium, or zinc ions, in association with magnesium and carbonate, with the purpose to provide double synergistic functionality as osteogenic and antibacterial biomaterial. Were developed bioactive materials based on Sr-substituted hydroxyapatite in the form of sintered targets. The obtained targets were treated with Pulsed Plasma Deposition (PED) resulting in the deposition of thin film coatings able to improve the roughness and wettability of PEEK, enhancing its osteointegrability. Were investigated heterogeneous gas-solid reactions, addressed to the biomorphic transformations of natural 3D porous structures into bone scaffolds with biomimetic composition and hierarchical organization, for application in load-bearing sites. The kinetics of the different reactions of the process were optimized to achieve complete and controlled phase transformation, maintaining the original 3-D morphology. Massive porous scaffolds made of ion-substituted hydroxyapatite and bone-mimicking structure were developed and tested in 3-D cell culture models.