Temporary teams learning and performance: the case of 3D printing technology in orthopaedic surgery

This dissertation contributes to the scholarly debate on temporary teams by exploring team interactions and boundaries.The fundamental challenge in temporary teams originates from temporary participation in the teams. First, as participants join the team for a short period of time, there is not enough time to build trust, share understanding, and have effective interactions. Consequently, team outputs and practices built on team interactions become vulnerable. Secondly, as team participants move on and off the teams, teams’ boundaries become blurred over time. It leads to uncertainty among team participants and leaders about who is/is not identified as a team member causing collective disagreement within the team. Focusing on the above mentioned challenges, we conducted this research in healthcare organisations since the use of temporary teams in healthcare and hospital setting is prevalent. In particular, we focused on orthopaedic teams that provide personalised treatments for patients using 3D printing technology. Qualitative and quantitative data were collected using interviews, observations, questionnaires and archival data at Rizzoli Orthopaedic Institute, Bologna, Italy. This study provides the following research outputs. The first is a conceptual study that explores temporary teams’ literature using bibliometric analysis and systematic literature review to highlight research gaps. The second paper qualitatively studies temporary relationships within the teams by collecting data using group interviews and observations. The results highlighted the role of short-term dyadic relationships as a ground to share and transfer knowledge at the team level. Moreover, hierarchical structure of the teams facilitates knowledge sharing by supporting dyadic relationships within and beyond the team meetings. The third paper investigates impact of blurred boundaries on temporary teams’ performance. Using quantitative data collected through questionnaires and archival data, we concluded that boundary blurring in terms of fluidity, overlap and dispersion differently impacts team performance at high and low levels of task complexity.

3D Printing and bioprinting of osteomimetic materials for 3D in vitro models and tissue repair applications

Bone disorders have severe impact on body functions and quality life, and no satisfying therapies exist yet. The current models for bone disease study are scarcely predictive and the options existing for therapy fail for complex systems. To mimic and/or restore bone, 3D printing/bioprinting allows the creation of 3D structures with different materials compositions, properties, and designs. In this study, 3D printing/bioprinting has been explored for (i) 3D in vitro tumor models and (ii) regenerative medicine. Tumor models have been developed by investigating different bioinks (i.e., alginate, modified gelatin) enriched by hydroxyapatite nanoparticles to increase printing fidelity and increase biomimicry level, thus mimicking the organic and inorganic phase of bone. High Saos-2 cell viability was obtained, and the promotion of spheroids clusters as occurring in vivo was observed. To develop new syntethic bone grafts, two approaches have been explored. In the first, novel magnesium-phosphate scaffolds have been investigated by extrusion-based 3D printing for spinal fusion. 3D printing process and parameters have been optimized to obtain custom-shaped structures, with competent mechanical properties. The 3D printed structures have been combined to alginate porous structures created by a novel ice-templating technique, to be loaded by antibiotic drug to address infection prevention. Promising results in terms of planktonic growth inhibition was obtained. In the second strategy, marine waste precursors have been considered for the conversion in biogenic HA by using a mild-wet conversion method with different parameters. The HA/carbonate ratio conversion efficacy was analysed for each precursor (by FTIR and SEM), and the best conditions were combined to alginate to develop a composite structure. The composite paste was successfully employed in custom-modified 3D printer for the obtainment of 3D printed stable scaffolds. In conclusion, the osteomimetic materials developed in this study for bone models and synthetic grafts are promising in bone field.

Radiation characteristics enhancement of planar structures using metasurfaces

In this thesis, the focus is on utilizing metasurfaces to improve radiation characteristics of planar structures. The study encompasses various aspects of metasurface applications, including enhancing antenna radiation characteristics and manipulating electromagnetic (EM) waves, such as polarization conversion and anomalous reflection. The thesis introduces the design of a single-port antenna with dual-mode operation, integrating metasurfaces. This antenna serves as the front-end for a next-generation tag, functioning as a position sensor with identification and energy harvesting capabilities. It operates in the lower European Ultra-Wideband (UWB) frequency range for communication/localization and the UHF band for wireless energy reception. The design aims for a low-profile stack-up that remains unaffected by background materials. Researchers worldwide are drawn to metasurfaces due to their EM wave manipulation capabilities. The thesis also demonstrates how a High-Impedance Surface (HIS) can enhance the antenna's versatility through metasurface application, including conformal design using 3D-printing technology, ensuring adaptability for various deformation and tracking/powering scenarios. Additionally, the thesis explores two distinct metasurface applications. One involves designing an angularly stable super-wideband Circular Polarization Converter (CPC) operating from 11 to 35GHz with an impressive relative impedance bandwidth of 104.3%. The CPC shows a stable response even at oblique incidences up to 40 degrees, with a Peak Cross-Polarization Ratio (PCR) exceeding 62% across the entire band. The second application focuses on an Intelligent Reflective Surface (IRS) capable of redirecting incoming waves in unconventional directions. Tunability is achieved through an artificially developed ferroelectric material (HfZrO) and distributed capacitive elements (IDC) to fine-tune impedance and phase responses at the meta-atom level. The IRS demonstrates anomalous reflection for normal incident waves. These innovative applications of metasurfaces offer promising advancements in antenna design, EM wave manipulation, and versatile wireless communication systems.

Advanced Functional Organic-Inorganic Hybrid (Nano)Materials: from Theranostics to Organic Electronics and Additive Manufacturing

This work is going to show the activities performed in the frame of my PhD studies at the University of Bologna, under the supervision of Prof. Mauro Comes Franchini, at the Department of Industrial Chemistry “Toso Montanari”. The main topic of this dissertation will be the study of organic-inorganic hybrid nanostructures and materials for advanced applications in different fields of materials technology and development such as theranostics, organic electronics and additive manufacturing, also known as 3D printing. This work is therefore divided into three chapters, that recall the fundamentals of each subject and to recap the state-of-the-art of scientific research around each topic. In each chapter, the published works and preliminary results obtained during my PhD career will be discussed in detail.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

Advanced Luminescent Materials for Technological Applications

This thesis focusses on the study of several luminescent materials and investigates some related technological applications. It is made of six chapters. Chapter 1 introduces a brief history, basic principles and applications of photoluminescence. Chapter 2 presents the photophysical properties of five benzoheterodiazole dyes. These molecules were incorporated in PMMA- and PDMS-based LSC-PV devices to determine the emission quantum yields, transmission, re-absorption and IPCE properties. DFT calculations were performed to investigate the structures and energy levels of these dyes. Chapter 3 concerns the preparation of a luminescent film to calibrate an ESA satellite that will monitor the fluorescence of terrestrial vegetation. ZnPc was selected as suitable dye to make the film. Ferrocene was selected as quencher to control the emission intensity. An industrial printing technology was used to produce large-area calibration sheets coated with green pigment that simulates the NIR reflectance of green plants in which the ZnPc is embedded. Photophysical properties of a series of alkynyl gold NHC complexes containing naphthalimide chromophore were studied in Chapter 4. All the compounds were studied in solution and solid state. Further investigations were carried out by incorporating these compounds in PMMA matrix to make films. XRD and DFT calculations were made to determine the structures and energy levels of the complexes. In chapter 5 we studied the photophysical properties of star-shaped molecular systems which can operate as molecular motors when attached onto surface, along with those of their related ligands/moieties in tetrahydrofuran solution. The photophysical properties of these molecular systems can show if they are suitable to operate as light-triggered molecular machines. Finally, chapter 6 concerns the photoluminescence behavior of three NHC half-sandwich Ir/Rh metal complexes. The photophysical properties of these compounds were examined in CH2Cl2 solutions and PMMA films. These complexes may prove potential candidates for organic phosphorescent materials.

Advanced Organic Materials: from Additive Manufacturing to Organic Electronics and Biomedical Applications

This manuscript represents an overview on the studies I was involved in during my PhD at the Industrial Chemistry Department “Toso Montanari”, in the ASOM (Advanced Smart Organic Materials) research group under the supervision of Prof. Letizia Sambri and Prof. Mauro Comes Franchini. Those research have been focused on the development of organic materials for advanced applications in different fields, among which organic electronics, additive manufacturing (3D Printing) and biomedical applications can be underlined.

Planning and assessment techniques for spine surgeries

The rate of diagnosis and treatment of degenerative spine disorders is increasing, increasing the need for surgical intervention. Posterior spine fusion is one surgical intervention used to treat various spine degeneration pathologies To minimize the risk of complications and provide patients with positive outcomes, preoperative planning and postsurgical assessment are necessary. This PhD aimed to investigate techniques for the surgical planning and assessment of spine surgeries. Three main techniques were assessed: stereophotogrammetric motion analysis, 3D printing of complex spine deformities and finite element analysis of the thoracolumbar spine. Upon reviewing the literature on currently available spine kinematics protocol, a comprehensive motion analysis protocol to measure the multi-segmental spine motion was developed. Using this protocol, the patterns of spine motion in patients before and after posterior spine fixation was mapped. The second part investigated the use of virtual and 3D printed spine models for the surgical planning of complex spine deformity correction. Compared to usual radiographic images, the printed model allowed optimal surgical intervention, reduced surgical time and provided better surgeon-patient communication. The third part assessed the use of polyetheretherketone rods auxiliary to titanium rods to reduce the stiffness of posterior spine fusion constructs. Using a finite element model of the thoracolumbar spine, the rods system showed a decrease in the overall stress of the uppermost instrumented vertebra when compared to regular fixation approaches. Finally, a retrospective biomechanical assessment of a lumbopelvic reconstruction technique was investigated to assess the patients' gait following the surgery, the implant deformation over the years and the extent of bony fusion between spine and implant. In conclusion, this thesis highlighted the need to provide surgeons with new planning and assessment techniques to better understand postsurgical complications. The methodologies investigated in this project can be used in the future to establish a patient-specific planning protocol.

Production and characterization of novel thermoplastic (nano)composite materials for additive manufacturing applications

The increasing environmental global regulations have directed scientific research towards more sustainable materials, even in the field of composite materials for additive manufacturing. In this context, the presented research is devoted to the development of thermoplastic composites for FDM application with a low environmental impact, focusing on the possibility to use wastes from different industrial processes as filler for the production of composite filaments for FDM 3D printing. In particular carbon fibers recycled by pyro-gasification process of CFRP scraps were used as reinforcing agent for PLA, a biobased polymeric matrix. Since the high value of CFs, the ability to re-use recycled CFs, replacing virgin ones, seems to be a promising option in terms of sustainability and circular economy. Moreover, wastes from different agricultural industries, i.e. wheat and rice production processes, were valorised and used as biofillers for the production of PLA-biocomposites. The integration of these agricultural wastes into PLA bioplastic allowed to obtain biocomposites with improved eco-sustainability, biodegradability, lightweight, and lower cost. Finally, the study of novel composites for FDM was extended towards elastomeric nanocomposite materials, in particular TPU reinforced with graphene. The research procedure of all projects involves the optimization of production methods of composite filaments with a particular attention on the possible degradation of polymeric matrices. Then, main thermal properties of 3D printed object are evaluated by TGA, DSC characterization. Additionally, specific heat capacity (CP) and Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE) measurements are useful to estimate the attitude of composites for the prevention of typical FDM issues, i.e. shrinkage and warping. Finally, the mechanical properties of 3D printed composites and their anisotropy are investigated by tensile test using distinct kinds of specimens with different printing angles with respect to the testing direction.

Optimizing fused deposition modelling: the impact of geometrical slicing parameters on mechanical properties

This comprehensive study explores the intricate world of 3D printing, with a focus on Fused Deposition Modelling (FDM). It sheds light on the critical factors that influence the quality and mechanical properties of 3D printed objects. Using an optical microscope with 40X magnification, the shapes of the printed beads is correlated to specific slicing parameters, resulting in a 2D parametric model. This mathematical model, derived from real samples, serves as a tool to predict general mechanical behaviour, bridging the gap between theory and practice in FDM printing. The study begins by emphasising the importance of geometric parameters such as layer height, line width and filament tolerance on the final printed bead geometry and the resulting theoretical effect on mechanical properties. The introduction of VPratio parameter (ratio between the area of the voids and the area occupied by printed material) allows the quantification of the variation of geometric slicing parameters on the improvement or reduction of mechanical properties. The study also addresses the effect of overhang and the role of filament diameter tolerances. The research continues with the introduction of 3D FEM (Finite Element Analysis) models based on the RVE (Representative Volume Element) to verify the results obtained from the 2D model and to analyse other aspects that affect mechanical properties and not directly observable with the 2D model. The study also proposes a model for the examination of 3D printed infill structures, introducing also an innovative methodology called “double RVE” which speeds up the calculation of mechanical properties and is also more computationally efficient. Finally, the limitations of the RVE model are shown and a so-called Hybrid RVE-based model is created to overcome the limitations and inaccuracy of the conventional RVE model and homogenization procedure on some printed geometries.

3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

Geomorphological and statistical analysis on Ravenna dune fields changes, based on Terrestrial Laser Technology

Coastal sand dunes represent a richness first of all in terms of defense from the sea storms waves and the saltwater ingression; moreover these morphological elements constitute an unique ecosystem of transition between the sea and the land environment. The research about dune system is a strong part of the coastal sciences, since the last century. Nowadays this branch have assumed even more importance for two reasons: on one side the born of brand new technologies, especially related to the Remote Sensing, have increased the researcher possibilities; on the other side the intense urbanization of these days have strongly limited the dune possibilities of development and fragmented what was remaining from the last century. This is particularly true in the Ravenna area, where the industrialization united to the touristic economy and an intense subsidence, have left only few dune ridges residual still active. In this work three different foredune ridges, along the Ravenna coast, have been studied with Laser Scanner technology. This research didn’t limit to analyze volume or spatial difference, but try also to find new ways and new features to monitor this environment. Moreover the author planned a series of test to validate data from Terrestrial Laser Scanner (TLS), with the additional aim of finalize a methodology to test 3D survey accuracy. Data acquired by TLS were then applied on one hand to test some brand new applications, such as Digital Shore Line Analysis System (DSAS) and Computational Fluid Dynamics (CFD), to prove their efficacy in this field; on the other hand the author used TLS data to find any correlation with meteorological indexes (Forcing Factors), linked to sea and wind (Fryberger's method) applying statistical tools, such as the Principal Component Analysis (PCA).

Development of 3D Cancer Cell Models to Test Metabolic Interventions as an Anticancer Strategy

In recent years, it has become evident that the role of mitochondria in the metabolic rewiring is essential for cancer development and progression. The metabolic profile during tumorigenesis has been performed mainly in traditional 2D cell models, including cell lines of various lineages and phenotypes. Although useful in many ways, their relevance can be often debatable, as they lack the interactions between different cells of the tumour microenvironment and/or interaction with the extracellular matrix 1,2. Improved models are now being developed using 3D cell culture technology, contributing with increased physiological relevance 3,4. In this work, we improved a method for the generation of 3D models from healthy and tumour colon tissue, based on organoid technology, and performed their molecular and biochemical characterization and validation. Further, in-plate cryopreservation was applied to these models, and optimal results were obtained in terms of cell viability and functionality of the cryopreserved models. We also cryopreserved colon fibroblasts with the aim to introduce them in a co-culture cryopreserved model with organoids. This technology allows the conversion of cell models into “plug and play” formats. Therefore, cryopreservation in-plate facilitates the accessibility of specialized cell models to cell-based research and application, in cases where otherwise such specialized models would be out of reach. Finally, we briefly explored the field of bioprinting, by testing a new matrix to support the growth of colon tumour organoids, which revealed promising preliminary results. To facilitate the reader, we organized this thesis into chapters, divided by the main points of work which include development, characterization and validation of the model, commercial output, and associated applications. Each chapter has a brief introduction, followed by results and discussion and a final conclusion. The thesis has also a general discussion and conclusion section in the end, which covers the main results obtained during this work.

Perceiving the 3d world from single images

Depth represents a crucial piece of information in many practical applications, such as obstacle avoidance and environment mapping. This information can be provided either by active sensors, such as LiDARs, or by passive devices like cameras. A popular passive device is the binocular rig, which allows triangulating the depth of the scene through two synchronized and aligned cameras. However, many devices that are already available in several infrastructures are monocular passive sensors, such as most of the surveillance cameras. The intrinsic ambiguity of the problem makes monocular depth estimation a challenging task. Nevertheless, the recent progress of deep learning strategies is paving the way towards a new class of algorithms able to handle this complexity. This work addresses many relevant topics related to the monocular depth estimation problem. It presents networks capable of predicting accurate depth values even on embedded devices and without the need of expensive ground-truth labels at training time. Moreover, it introduces strategies to estimate the uncertainty of these models, and it shows that monocular networks can easily generate training labels for different tasks at scale. Finally, it evaluates off-the-shelf monocular depth predictors for the relevant use case of social distance monitoring, and shows how this technology allows to overcome already existing strategies limitations.

3D bioprinted organ models for drug screening

In recent years, 3D bioprinting has emerged as an innovative and versatile technology able to produce in vitro models that resemble the native spatial organization of organ tissues, by employing or more bioinks composed of various types of cells suspended in hydrogels. Natural and semi-synthetic hydrogels are extensively used for 3D bioprinting models since they can mimic the natural composition of the tissues, they are biocompatible and bioactive with customizable mechanical properties, allowing to support cell growth. The possibility to tailor hydrogels mechanical properties by modifying the chemical structures to obtain photo-crosslinkable materials, while maintaining their biocompatibility and biomimicry, make their use versatile and suitable to simulate a broad spectrum of physiological features. In this PhD Thesis, 3D bioprinted in vitro models with tailored mechanical properties and physiologically-like features were fabricated. AlgMa-based bioinks were employed to produce a living platform with gradient stiffness, with the aim to create an easy to handle and accessible biological tool to evaluate mechanobiology. In addition, GelMa, collagen and IPN of GelMa and collagen were used as bioinks to fabricate a proof-of-concept of 3D intestinal barrier, which include multiple cell components and multi-layered structure. A useful rheological guide to drive users to the selection of the suitable bioinks for 3D bioprinting and to correlate the model’s mechanical stability after crosslinking is proposed. In conclusion, a platform capable to reproduce models with physiological gradient stiffness was developed and the fabrication of 3D bioprinted intestinal models displaying a good hierarchical structure and cells composition was fully reported and successfully achieved. The good biological results obtained demonstrated that 3D bioprinting can be used for the fabrications of 3D models and that the mechanical properties of the external environment plays a key role on the cell pathways, viability and morphology.