Studio del metodo dell'assorbimento diretto della CO2 per l'analisi del radiocarbonio

L’attuale rilevanza rappresentata dalla stretta relazione tra cambiamenti climatici e influenza antropogenica ha da tempo posto l’attenzione sull’effetto serra e sul surriscaldamento planetario così come sull’aumento delle concentrazioni atmosferiche dei gas climaticamente attivi, in primo luogo la CO2. Il radiocarbonio è attualmente il tracciante ambientale per eccellenza in grado di fornire mediante un approccio “top-down” un valido strumento di controllo per discriminare e quantificare il diossido di carbonio presente in atmosfera di provenienza fossile o biogenica. Ecco allora che ai settori applicativi tradizionali del 14C, quali le datazioni archeometriche, si affiancano nuovi ambiti legati da un lato al settore energetico per quanto riguarda le problematiche associate alle emissioni di impianti, ai combustibili, allo stoccaggio geologico della CO2, dall’altro al mercato in forte crescita dei cosiddetti prodotti biobased costituiti da materie prime rinnovabili. Nell’ambito del presente lavoro di tesi è stato quindi esplorato il mondo del radiocarbonio sia dal punto di vista strettamente tecnico e metodologico che dal punto di vista applicativo relativamente ai molteplici e diversificati campi d’indagine. E’ stato realizzato e validato un impianto di analisi basato sul metodo radiometrico mediante assorbimento diretto della CO2 ed analisi in scintillazione liquida apportando miglioramenti tecnologici ed accorgimenti procedurali volti a migliorare le performance del metodo in termini di semplicità, sensibilità e riproducibilità. Il metodo, pur rappresentando generalmente un buon compromesso rispetto alle metodologie tradizionalmente usate per l’analisi del 14C, risulta allo stato attuale ancora inadeguato a quei settori applicativi laddove è richiesta una precisione molto puntuale, ma competitivo per l’analisi di campioni moderni ad elevata concentrazione di 14C. La sperimentazione condotta su alcuni liquidi ionici, seppur preliminare e non conclusiva, apre infine nuove linee di ricerca sulla possibilità di utilizzare questa nuova classe di composti come mezzi per la cattura della CO2 e l’analisi del 14C in LSC.

RNA Interference and cyclooxygenase-2 (COX-2) regulation in colon cancer cells

Despite new methods and combined strategies, conventional cancer chemotherapy still lacks specificity and induces drug resistance. Gene therapy can offer the potential to obtain the success in the clinical treatment of cancer and this can be achieved by replacing mutated tumour suppressor genes, inhibiting gene transcription, introducing new genes encoding for therapeutic products, or specifically silencing any given target gene. Concerning gene silencing, attention has recently shifted onto the RNA interference (RNAi) phenomenon. Gene silencing mediated by RNAi machinery is based on short RNA molecules, small interfering RNAs (siRNAs) and microRNAs (miRNAs), that are fully o partially homologous to the mRNA of the genes being silenced, respectively. On one hand, synthetic siRNAs appear as an important research tool to understand the function of a gene and the prospect of using siRNAs as potent and specific inhibitors of any target gene provides a new therapeutical approach for many untreatable diseases, particularly cancer. On the other hand, the discovery of the gene regulatory pathways mediated by miRNAs, offered to the research community new important perspectives for the comprehension of the physiological and, above all, the pathological mechanisms underlying the gene regulation. Indeed, changes in miRNAs expression have been identified in several types of neoplasia and it has also been proposed that the overexpression of genes in cancer cells may be due to the disruption of a control network in which relevant miRNA are implicated. For these reasons, I focused my research on a possible link between RNAi and the enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) in the field of colorectal cancer (CRC), since it has been established that the transition adenoma-adenocarcinoma and the progression of CRC depend on aberrant constitutive expression of COX-2 gene. In fact, overexpressed COX-2 is involved in the block of apoptosis, the stimulation of tumor-angiogenesis and promotes cell invasion, tumour growth and metastatization. On the basis of data reported in the literature, the first aim of my research was to develop an innovative and effective tool, based on the RNAi mechanism, able to silence strongly and specifically COX-2 expression in human colorectal cancer cell lines. In this study, I firstly show that an siRNA sequence directed against COX-2 mRNA (siCOX-2), potently downregulated COX-2 gene expression in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and inhibited PMA-induced angiogenesis in vitro in a specific, non-toxic manner. Moreover, I found that the insertion of a specific cassette carrying anti-COX-2 shRNA sequence (shCOX-2, the precursor of siCOX-2 previously tested) into a viral vector (pSUPER.retro) greatly increased silencing potency in a colon cancer cell line (HT-29) without activating any interferon response. Phenotypically, COX-2 deficient HT-29 cells showed a significant impairment of their in vitro malignant behaviour. Thus, results reported here indicate an easy-to-use, powerful and high selective virus-based method to knockdown COX-2 gene in a stable and long-lasting manner, in colon cancer cells. Furthermore, they open up the possibility of an in vivo application of this anti-COX-2 retroviral vector, as therapeutic agent for human cancers overexpressing COX-2. In order to improve the tumour selectivity, pSUPER.retro vector was modified for the shCOX-2 expression cassette. The aim was to obtain a strong, specific transcription of shCOX-2 followed by COX-2 silencing mediated by siCOX-2 only in cancer cells. For this reason, H1 promoter in basic pSUPER.retro vector [pS(H1)] was substituted with the human Cox-2 promoter [pS(COX2)] and with a promoter containing repeated copies of the TCF binding element (TBE) [pS(TBE)]. These promoters were choosen because they are partculary activated in colon cancer cells. COX-2 was effectively silenced in HT-29 and HCA-7 colon cancer cells by using enhanced pS(COX2) and pS(TBE) vectors. In particular, an higher siCOX-2 production followed by a stronger inhibition of Cox-2 gene were achieved by using pS(TBE) vector, that represents not only the most effective, but also the most specific system to downregulate COX-2 in colon cancer cells. Because of the many limits that a retroviral therapy could have in a possible in vivo treatment of CRC, the next goal was to render the enhanced RNAi-mediate COX-2 silencing more suitable for this kind of application. Xiang and et al. (2006) demonstrated that it is possible to induce RNAi in mammalian cells after infection with engineered E. Coli strains expressing Inv and HlyA genes, which encode for two bacterial factors needed for successful transfer of shRNA in mammalian cells. This system, called “trans-kingdom” RNAi (tkRNAi) could represent an optimal approach for the treatment of colorectal cancer, since E. Coli in normally resident in human intestinal flora and could easily vehicled to the tumor tissue. For this reason, I tested the improved COX-2 silencing mediated by pS(COX2) and pS(TBE) vectors by using tkRNAi system. Results obtained in HT-29 and HCA-7 cell lines were in high agreement with data previously collected after the transfection of pS(COX2) and pS(TBE) vectors in the same cell lines. These findings suggest that tkRNAi system for COX-2 silencing, in particular mediated by pS(TBE) vector, could represent a promising tool for the treatment of colorectal cancer. Flanking the studies addressed to the setting-up of a RNAi-mediated therapeutical strategy, I proposed to get ahead with the comprehension of new molecular basis of human colorectal cancer. In particular, it is known that components of the miRNA/RNAi pathway may be altered during the progressive development of colorectal cancer (CRC), and it has been already demonstrated that some miRNAs work as tumor suppressors or oncomiRs in colon cancer. Thus, my hypothesis was that overexpressed COX-2 protein in colon cancer could be the result of decreased levels of one or more tumor suppressor miRNAs. In this thesis, I clearly show an inverse correlation between COX-2 expression and the human miR- 101(1) levels in colon cancer cell lines, tissues and metastases. I also demonstrate that the in vitro modulating of miR-101(1) expression in colon cancer cell lines leads to significant variations in COX-2 expression, and this phenomenon is based on a direct interaction between miR-101(1) and COX-2 mRNA. Moreover, I started to investigate miR-101(1) regulation in the hypoxic environment since adaptation to hypoxia is critical for tumor cell growth and survival and it is known that COX-2 can be induced directly by hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Surprisingly, I observed that COX-2 overexpression induced by hypoxia is always coupled to a significant decrease of miR-101(1) levels in colon cancer cell lines, suggesting that miR-101(1) regulation could be involved in the adaption of cancer cells to the hypoxic environment that strongly characterize CRC tissues.

L'eredità di Aldo Rossi nella Penisola Iberica. La costruzione della città e il progetto contemporaneo

Descrizione, tema e obiettivi della ricerca La ricerca si propone lo studio delle possibili influenze che la teoria di Aldo Rossi ha avuto sulla pratica progettuale nella Penisola Iberica, intende quindi affrontare i caratteri fondamentali della teoria che sta alla base di un metodo progettuale ed in particolar modo porre l'attenzione alle nuove costruzioni quando queste si confrontano con le città storiche. Ha come oggetto principale lo studio dei documenti, saggi e scritti riguardanti il tema della costruzione all'interno delle città storiche. Dallo studio di testi selezionati di Aldo Rossi sulla città si vuole concentrare l'attenzione sull'influenza che tale teoria ha avuto nei progetti della Penisola Iberica, studiare come è stata recepita e trasmessa successivamente, attraverso gli scritti di autori spagnoli e come ha visto un suo concretizzarsi poi nei progetti di nuove costruzioni all'interno delle città storiche. Si intende restringere il campo su un periodo ed un luogo precisi, Spagna e Portogallo a partire dagli anni Settanta, tramite la lettura di un importante evento che ha ufficializzato il contatto dell'architetto italiano con la Penisola Iberica, quale il Seminario di Santiago de Compostela tenutosi nel 1976. Al Seminario parteciparono numerosi architetti che si confrontarono su di un progetto per la città di Santiago e furono invitati personaggi di fama internazionale a tenere lezioni introduttive sul tema di dibattito in merito al progetto e alla città storica. Il Seminario di Santiago si colloca in un periodo storico cruciale per la Penisola Iberica, nel 1974 cade il regime salazarista in Portogallo e nel 1975 cade il regime franchista in Spagna ed è quindi di rilevante importanza capire il legame tra l'architettura e la nuova situazione politica. Dallo studio degli interventi, dei progetti che furono prodotti durante il Seminario, della relazione tra questo evento ed il periodo storico in cui esso va contestualizzato, si intende giungere alla individuazione delle tracce della reale presenza di tale eredità. Presupposti metodologici. Percorso e strumenti di ricerca La ricerca può quindi essere articolata in distinte fasi corrispondenti per lo più ai capitoli in cui si articola la tesi: una prima fase con carattere prevalentemente storica, di ricerca del materiale per poter definire il contesto in cui si sviluppano poi le vicende oggetto della tesi; una seconda fase di impronta teorica, ossia di ricerca bibliografica del materiale e delle testimonianze che provvedono alla definizione della reale presenza di effetti scaturiti dai contatti tra Rossi e la Penisola Iberica, per andare a costruire una eredità ; una terza fase che entra nel merito della composizione attraverso lo studio e la verifica delle prime due parti, tramite l'analisi grafica applicata ad uno specifico esempio architettonico selezionato; una quarta fase dove il punto di vista viene ribaltato e si indaga l'influenza dei luoghi visitati e dei contatti intrattenuti con alcuni personaggi della Penisola Iberica sull'architettura di Rossi, ricercandone i riferimenti. La ricerca è stata condotta attraverso lo studio di alcuni eventi selezionati nel corso degli anni che si sono mostrati significativi per l'indagine, per la risonanza che hanno avuto sulla storia dell'architettura della Penisola. A questo scopo si sono utilizzati principalmente tre strumenti: lo studio dei documenti, le pubblicazioni e le riviste prodotte in Spagna, gli scritti di Aldo Rossi in merito, e la testimonianza diretta attraverso interviste di personaggi chiave. La ricerca ha prodotto un testo suddiviso per capitoli che rispetta l'organizzazione in fasi di lavoro. A seguito di determinate condizioni storiche e politiche, studiate nella ricerca a supporto della tesi espressa, nella Penisola Iberica si è verificato il diffondersi della necessità e del desiderio di guardare e prendere a riferimento l'architettura europea e in particolar modo quella italiana. Il periodo sul quale viene focalizzata l'attenzione ha inizio negli anni Sessanta, gli ultimi prima della caduta delle dittature, scenario dei primi viaggi di Aldo Rossi nella Penisola Iberica. Questi primi contatti pongono le basi per intense e significative relazioni future. Attraverso l'approfondimento e la studio dei materiali relativi all'oggetto della tesi, si è cercato di mettere in luce il contesto culturale, l'attenzione e l'interesse per l'apertura di un dibattito intorno all'architettura, non solo a livello nazionale, ma europeo. Ciò ha evidenziato il desiderio di innescare un meccanismo di discussione e scambio di idee, facendo leva sull'importanza dello sviluppo e ricerca di una base teorica comune che rende coerente i lavori prodotti nel panorama architettonico iberico, seppur ottenendo risultati che si differenziano gli uni dagli altri. E' emerso un forte interesse per il discorso teorico sull'architettura, trasmissibile e comunicabile, che diventa punto di partenza per un metodo progettuale. Ciò ha reso palese una condivisione di intenti e l'assunzione della teoria di Aldo Rossi, acquisita, diffusa e discussa, attraverso la pubblicazione dei suoi saggi, la conoscenza diretta con l'architetto e la sua architettura, conferenze, seminari, come base teorica su cui fondare il proprio sapere architettonico ed il processo metodologico progettuale da applicare di volta in volta negli interventi concreti. Si è giunti così alla definizione di determinati eventi che hanno permesso di entrare nel profondo della questione e di sondare la relazione tra Rossi e la Penisola Iberica, il materiale fornito dallo studio di tali episodi, quali il I SIAC, la diffusione della rivista "2C. Construccion de la Ciudad", la Coleccion Arquitectura y Critica di Gustavo Gili, hanno poi dato impulso per il reperimento di una rete di ulteriori riferimenti. E' stato possibile quindi individuare un gruppo di architetti spagnoli, che si identificano come allievi del maestro Rossi, impegnato per altro in quegli anni nella formazione di una Scuola e di un insegnamento, che non viene recepito tanto nelle forme, piuttosto nei contenuti. I punti su cui si fondano le connessioni tra l'analisi urbana e il progetto architettonico si centrano attorno due temi di base che riprendono la teoria esposta da Rossi nel saggio L'architettura della città : - relazione tra l'area-studio e la città nella sua globalità, - relazione tra la tipologia edificatoria e gli aspetti morfologici. La ricerca presentata ha visto nelle sue successive fasi di approfondimento, come si è detto, lo sviluppo parallelo di più tematiche. Nell'affrontare ciascuna fase è stato necessario, di volta in volta, operare una verifica delle tappe percorse precedentemente, per mantenere costante il filo del discorso col lavoro svolto e ritrovare, durante lo svolgimento stesso della ricerca, gli elementi di connessione tra i diversi episodi analizzati. Tale operazione ha messo in luce talvolta nodi della ricerca rimasti in sospeso che richiedevano un ulteriore approfondimento o talvolta solo una rivisitazione per renderne possibile un più proficuo collegamento con la rete di informazioni accumulate. La ricerca ha percorso strade diverse che corrono parallele, per quanto riguarda il periodo preso in analisi: - i testi sulla storia dell'architettura spagnola e la situazione contestuale agli anni Settanta - il materiale riguardante il I SIAC - le interviste ai partecipanti al I SIAC - le traduzioni di Gustavo Gili nella Coleccion Arquitectura y Critica - la rivista "2C. Construccion de la Ciudad" Esse hanno portato alla luce una notevole quantità di tematiche, attraverso le quali, queste strade vengono ad intrecciarsi e a coincidere, verificando l'una la veridicità dell'altra e rafforzandone il valore delle affermazioni. Esposizione sintetica dei principali contenuti esposti dalla ricerca Andiamo ora a vedere brevemente i contenuti dei singoli capitoli. Nel primo capitolo Anni Settanta. Periodo di transizione per la Penisola Iberica si è cercato di dare un contesto storico agli eventi studiati successivamente, andando ad evidenziare gli elementi chiave che permettono di rintracciare la presenza della predisposizione ad un cambiamento culturale. La fase di passaggio da una condizione di chiusura rispetto alle contaminazioni provenienti dall'esterno, che caratterizza Spagna e Portogallo negli anni Sessanta, lascia il posto ad un graduale abbandono della situazione di isolamento venutasi a creare intorno al Paese a causa del regime dittatoriale, fino a giungere all'apertura e all'interesse nei confronti degli apporti culturali esterni. E' in questo contesto che si gettano le basi per la realizzazione del I Seminario Internazionale di Architettura Contemporanea a Santiago de Compostela, del 1976, diretto da Aldo Rossi e organizzato da César Portela e Salvador Tarragó, di cui tratta il capitolo secondo. Questo è uno degli eventi rintracciati nella storia delle relazioni tra Rossi e la Penisola Iberica, attraverso il quale è stato possibile constatare la presenza di uno scambio culturale e l'importazione in Spagna delle teorie di Aldo Rossi. Organizzato all'indomani della caduta del franchismo, ne conserva una reminescenza formale. Il capitolo è organizzato in tre parti, la prima si occupa della ricostruzione dei momenti salienti del Seminario Proyecto y ciudad historica, dagli interventi di architetti di fama internazionale, quali lo stesso Aldo Rossi, Carlo Aymonino, James Stirling, Oswald Mathias Ungers e molti altri, che si confrontano sul tema delle città storiche, alle giornate seminariali dedicate all’elaborazione di un progetto per cinque aree individuate all’interno di Santiago de Compostela e quindi dell’applicazione alla pratica progettuale dell’inscindibile base teorica esposta. Segue la seconda parte dello stesso capitolo riguardante La selezione di interviste ai partecipanti al Seminario. Esso contiene la raccolta dei colloqui avuti con alcuni dei personaggi che presero parte al Seminario e attraverso le loro parole si è cercato di approfondire la materia, in particolar modo andando ad evidenziare l’ambiente culturale in cui nacque l’idea del Seminario, il ruolo avuto nella diffusione della teoria di Aldo Rossi in Spagna e la ripercussione che ebbe nella pratica costruttiva. Le diverse interviste, seppur rivolte a persone che oggi vivono in contesti distanti e che in seguito a questa esperienza collettiva hanno intrapreso strade diverse, hanno fatto emergere aspetti comuni, tale unanimità ha dato ancor più importanza al valore di testimonianza offerta. L’elemento che risulta più evidente è il lascito teorico, di molto prevalente rispetto a quello progettuale che si è andato mescolando di volta in volta con la tradizione e l’esperienza dei cosiddetti allievi di Aldo Rossi. Negli stessi anni comincia a farsi strada l’importanza del confronto e del dibattito circa i temi architettonici e nel capitolo La fortuna critica della teoria di Aldo Rossi nella Penisola Iberica è stato affrontato proprio questo rinnovato interesse per la teoria che in quegli anni si stava diffondendo. Si è portato avanti lo studio delle pubblicazioni di Gustavo Gili nella Coleccion Arquitectura y Critica che, a partire dalla fine degli anni Sessanta, pubblica e traduce in lingua spagnola i più importanti saggi di architettura, tra i quali La arquitectura de la ciudad di Aldo Rossi, nel 1971, e Comlejidad y contradiccion en arquitectura di Robert Venturi nel 1972. Entrambi fondamentali per il modo di affrontare determinate tematiche di cui sempre più in quegli anni si stava interessando la cultura architettonica iberica, diventando così ¬ testi di riferimento anche nelle scuole. Le tracce dell’influenza di Rossi sulla Penisola Iberica si sono poi ricercate nella rivista “2C. Construccion de la Ciudad” individuata come strumento di espressione di una teoria condivisa. Con la nascita nel 1972 a Barcellona di questa rivista viene portato avanti l’impegno di promuovere la Tendenza, facendo riferimento all’opera e alle idee di Rossi ed altri architetti europei, mirando inoltre al recupero di un ruolo privilegiato dell’architettura catalana. A questo proposito sono emersi due fondamentali aspetti che hanno legittimato l’indagine e lo studio di questa fonte: - la diffusione della cultura architettonica, il controllo ideologico e di informazione operato dal lavoro compiuto dalla rivista; - la documentazione circa i criteri di scelta della redazione a proposito del materiale pubblicato. E’ infatti attraverso le pubblicazioni di “2C. Construccion de la Ciudad” che è stato possibile il ritrovamento delle notizie sulla mostra Arquitectura y razionalismo. Aldo Rossi + 21 arquitectos españoles, che accomuna in un’unica esposizione le opere del maestro e di ventuno giovani allievi che hanno recepito e condiviso la teoria espressa ne “L’architettura della città”. Tale mostra viene poi riproposta nella Sezione Internazionale di Architettura della XV Triennale di Milano, la quale dedica un Padiglione col titolo Barcelona, tres epocas tres propuestas. Dalla disamina dei progetti presentati è emerso un interessante caso di confronto tra le Viviendas para gitanos di César Portela e la Casa Bay di Borgo Ticino di Aldo Rossi, di cui si è occupato l’ultimo paragrafo di questo capitolo. Nel corso degli studi è poi emerso un interessante risvolto della ricerca che, capovolgendone l’oggetto stesso, ne ha approfondito gli aspetti cercando di scavare più in profondità nell’analisi della reciproca influenza tra la cultura iberica e Aldo Rossi, questa parte, sviscerata nell’ultimo capitolo, La Penisola Iberica nel “magazzino della memoria” di Aldo Rossi, ha preso il posto di quello che inizialmente doveva presentarsi come il risvolto progettuale della tesi. Era previsto infatti, al termine dello studio dell’influenza di Aldo Rossi sulla Penisola Iberica, un capitolo che concentrava l’attenzione sulla produzione progettuale. A seguito dell’emergere di un’influenza di carattere prettamente teorica, che ha sicuramente modificato la pratica dal punto di vista delle scelte architettoniche, senza però rendersi esplicita dal punto di vista formale, si è preferito, anche per la difficoltà di individuare un solo esempio rappresentativo di quanto espresso, sostituire quest’ultima parte con lo studio dell’altra faccia della medaglia, ossia l’importanza che a sua volta ha avuto la cultura iberica nella formazione della collezione dei riferimenti di Aldo Rossi. L’articolarsi della tesi in fasi distinte, strettamente connesse tra loro da un filo conduttore, ha reso necessari successivi aggiustamenti nel percorso intrapreso, dettati dall’emergere durante la ricerca di nuovi elementi di indagine. Si è pertanto resa esplicita la ricercata eredità di Aldo Rossi, configurandosi però prevalentemente come un’influenza teorica che ha preso le sfumature del contesto e dell’esperienza personale di chi se ne è fatto ricevente, diventandone così un continuatore attraverso il proprio percorso autonomo o collettivo intrapreso in seguito. Come suggerisce José Charters Monteiro, l’eredità di Rossi può essere letta attraverso tre aspetti su cui si basa la sua lezione: la biografia, la teoria dell’architettura, l’opera. In particolar modo per quanto riguarda la Penisola Iberica si può parlare dell’individuazione di un insegnamento riferito alla seconda categoria, i suoi libri di testo, le sue partecipazioni, le traduzioni. Questo è un lascito che rende possibile la continuazione di un dibattito in merito ai temi della teoria dell’architettura, della sue finalità e delle concrete applicazioni nelle opere, che ha permesso il verificarsi di una apertura mentale che mette in relazione l’architettura con altre discipline umanistiche e scientifiche, dalla politica, alla sociologia, comprendendo l’arte, le città la morfologia, la topografia, mediate e messe in relazione proprio attraverso l’architettura.

Numerical and analytical vibro-acoustic modelling of porous materials: the Cell Method for poroelasticity and the case of inclusions

Porous materials are widely used in many fields of industrial applications, to achieve the requirements of noise reduction, that nowadays derive from strict regulations. The modeling of porous materials is still a problematic issue. Numerical simulations are often problematic in case of real complex geometries, especially in terms of computational times and convergence. At the same time, analytical models, even if partly limited by restrictive simplificative hypotheses, represent a powerful instrument to capture quickly the physics of the problem and general trends. In this context, a recently developed numerical method, called the Cell Method, is described, is presented in the case of the Biot's theory and applied for representative cases. The peculiarity of the Cell Method is that it allows for a direct algebraic and geometrical discretization of the field equations, without any reduction to a weak integral form. Then, the second part of the thesis presents the case of interaction between two poroelastic materials under the context of double porosity. The idea of using periodically repeated inclusions of a second porous material into a layer composed by an original material is described. In particular, the problem is addressed considering the efficiency of the analytical method. A analytical procedure for the simulation of heterogeneous layers based is described and validated considering both conditions of absorption and transmission; a comparison with the available numerical methods is performed. ---------------- I materiali porosi sono ampiamente utilizzati per diverse applicazioni industriali, al fine di raggiungere gli obiettivi di riduzione del rumore, che sono resi impegnativi da norme al giorno d'oggi sempre più stringenti. La modellazione dei materiali porori per applicazioni vibro-acustiche rapprensenta un aspetto di una certa complessità. Le simulazioni numeriche sono spesso problematiche quando siano coinvolte geometrie di pezzi reali, in particolare riguardo i tempi computazionali e la convergenza. Allo stesso tempo, i modelli analitici, anche se parzialmente limitati a causa di ipotesi semplificative che ne restringono l'ambito di utilizzo, rappresentano uno strumento molto utile per comprendere rapidamente la fisica del problema e individuare tendenze generali. In questo contesto, un metodo numerico recentemente sviluppato, il Metodo delle Celle, viene descritto, implementato nel caso della teoria di Biot per la poroelasticità e applicato a casi rappresentativi. La peculiarità del Metodo delle Celle consiste nella discretizzazione diretta algebrica e geometrica delle equazioni di campo, senza alcuna riduzione a forme integrali deboli. Successivamente, nella seconda parte della tesi viene presentato il caso delle interazioni tra due materiali poroelastici a contatto, nel contesto dei materiali a doppia porosità. Viene descritta l'idea di utilizzare inclusioni periodicamente ripetute di un secondo materiale poroso all'interno di un layer a sua volta poroso. In particolare, il problema è studiando il metodo analitico e la sua efficienza. Una procedura analitica per il calcolo di strati eterogenei di materiale viene descritta e validata considerando sia condizioni di assorbimento, sia di trasmissione; viene effettuata una comparazione con i metodi numerici a disposizione.

Technical innovations for the diagnosis and the rehabilitation of motor and perceptive impairments of the child with Cerebral Palsy

The treatment of the Cerebral Palsy (CP) is considered as the “core problem” for the whole field of the pediatric rehabilitation. The reason why this pathology has such a primary role, can be ascribed to two main aspects. First of all CP is the form of disability most frequent in childhood (one new case per 500 birth alive, (1)), secondarily the functional recovery of the “spastic” child is, historically, the clinical field in which the majority of the therapeutic methods and techniques (physiotherapy, orthotic, pharmacologic, orthopedic-surgical, neurosurgical) were first applied and tested. The currently accepted definition of CP – Group of disorders of the development of movement and posture causing activity limitation (2) – is the result of a recent update by the World Health Organization to the language of the International Classification of Functioning Disability and Health, from the original proposal of Ingram – A persistent but not unchangeable disorder of posture and movement – dated 1955 (3). This definition considers CP as a permanent ailment, i.e. a “fixed” condition, that however can be modified both functionally and structurally by means of child spontaneous evolution and treatments carried out during childhood. The lesion that causes the palsy, happens in a structurally immature brain in the pre-, peri- or post-birth period (but only during the firsts months of life). The most frequent causes of CP are: prematurity, insufficient cerebral perfusion, arterial haemorrhage, venous infarction, hypoxia caused by various origin (for example from the ingestion of amniotic liquid), malnutrition, infection and maternal or fetal poisoning. In addition to these causes, traumas and malformations have to be included. The lesion, whether focused or spread over the nervous system, impairs the whole functioning of the Central Nervous System (CNS). As a consequence, they affect the construction of the adaptive functions (4), first of all posture control, locomotion and manipulation. The palsy itself does not vary over time, however it assumes an unavoidable “evolutionary” feature when during growth the child is requested to meet new and different needs through the construction of new and different functions. It is essential to consider that clinically CP is not only a direct expression of structural impairment, that is of etiology, pathogenesis and lesion timing, but it is mainly the manifestation of the path followed by the CNS to “re”-construct the adaptive functions “despite” the presence of the damage. “Palsy” is “the form of the function that is implemented by an individual whose CNS has been damaged in order to satisfy the demands coming from the environment” (4). Therefore it is only possible to establish general relations between lesion site, nature and size, and palsy and recovery processes. It is quite common to observe that children with very similar neuroimaging can have very different clinical manifestations of CP and, on the other hand, children with very similar motor behaviors can have completely different lesion histories. A very clear example of this is represented by hemiplegic forms, which show bilateral hemispheric lesions in a high percentage of cases. The first section of this thesis is aimed at guiding the interpretation of CP. First of all the issue of the detection of the palsy is treated from historical viewpoint. Consequently, an extended analysis of the current definition of CP, as internationally accepted, is provided. The definition is then outlined in terms of a space dimension and then of a time dimension, hence it is highlighted where this definition is unacceptably lacking. The last part of the first section further stresses the importance of shifting from the traditional concept of CP as a palsy of development (defect analysis) towards the notion of development of palsy, i.e., as the product of the relationship that the individual however tries to dynamically build with the surrounding environment (resource semeiotics) starting and growing from a different availability of resources, needs, dreams, rights and duties (4). In the scientific and clinic community no common classification system of CP has so far been universally accepted. Besides, no standard operative method or technique have been acknowledged to effectively assess the different disabilities and impairments exhibited by children with CP. CP is still “an artificial concept, comprising several causes and clinical syndromes that have been grouped together for a convenience of management” (5). The lack of standard and common protocols able to effectively diagnose the palsy, and as a consequence to establish specific treatments and prognosis, is mainly because of the difficulty to elevate this field to a level based on scientific evidence. A solution aimed at overcoming the current incomplete treatment of CP children is represented by the clinical systematic adoption of objective tools able to measure motor defects and movement impairments. A widespread application of reliable instruments and techniques able to objectively evaluate both the form of the palsy (diagnosis) and the efficacy of the treatments provided (prognosis), constitutes a valuable method able to validate care protocols, establish the efficacy of classification systems and assess the validity of definitions. Since the ‘80s, instruments specifically oriented to the analysis of the human movement have been advantageously designed and applied in the context of CP with the aim of measuring motor deficits and, especially, gait deviations. The gait analysis (GA) technique has been increasingly used over the years to assess, analyze, classify, and support the process of clinical decisions making, allowing for a complete investigation of gait with an increased temporal and spatial resolution. GA has provided a basis for improving the outcome of surgical and nonsurgical treatments and for introducing a new modus operandi in the identification of defects and functional adaptations to the musculoskeletal disorders. Historically, the first laboratories set up for gait analysis developed their own protocol (set of procedures for data collection and for data reduction) independently, according to performances of the technologies available at that time. In particular, the stereophotogrammetric systems mainly based on optoelectronic technology, soon became a gold-standard for motion analysis. They have been successfully applied especially for scientific purposes. Nowadays the optoelectronic systems have significantly improved their performances in term of spatial and temporal resolution, however many laboratories continue to use the protocols designed on the technology available in the ‘70s and now out-of-date. Furthermore, these protocols are not coherent both for the biomechanical models and for the adopted collection procedures. In spite of these differences, GA data are shared, exchanged and interpreted irrespectively to the adopted protocol without a full awareness to what extent these protocols are compatible and comparable with each other. Following the extraordinary advances in computer science and electronics, new systems for GA no longer based on optoelectronic technology, are now becoming available. They are the Inertial and Magnetic Measurement Systems (IMMSs), based on miniature MEMS (Microelectromechanical systems) inertial sensor technology. These systems are cost effective, wearable and fully portable motion analysis systems, these features gives IMMSs the potential to be used both outside specialized laboratories and to consecutive collect series of tens of gait cycles. The recognition and selection of the most representative gait cycle is then easier and more reliable especially in CP children, considering their relevant gait cycle variability. The second section of this thesis is focused on GA. In particular, it is firstly aimed at examining the differences among five most representative GA protocols in order to assess the state of the art with respect to the inter-protocol variability. The design of a new protocol is then proposed and presented with the aim of achieving gait analysis on CP children by means of IMMS. The protocol, named ‘Outwalk’, contains original and innovative solutions oriented at obtaining joint kinematic with calibration procedures extremely comfortable for the patients. The results of a first in-vivo validation of Outwalk on healthy subjects are then provided. In particular, this study was carried out by comparing Outwalk used in combination with an IMMS with respect to a reference protocol and an optoelectronic system. In order to set a more accurate and precise comparison of the systems and the protocols, ad hoc methods were designed and an original formulation of the statistical parameter coefficient of multiple correlation was developed and effectively applied. On the basis of the experimental design proposed for the validation on healthy subjects, a first assessment of Outwalk, together with an IMMS, was also carried out on CP children. The third section of this thesis is dedicated to the treatment of walking in CP children. Commonly prescribed treatments in addressing gait abnormalities in CP children include physical therapy, surgery (orthopedic and rhizotomy), and orthoses. The orthotic approach is conservative, being reversible, and widespread in many therapeutic regimes. Orthoses are used to improve the gait of children with CP, by preventing deformities, controlling joint position, and offering an effective lever for the ankle joint. Orthoses are prescribed for the additional aims of increasing walking speed, improving stability, preventing stumbling, and decreasing muscular fatigue. The ankle-foot orthosis (AFO), with a rigid ankle, are primarily designed to prevent equinus and other foot deformities with a positive effect also on more proximal joints. However, AFOs prevent the natural excursion of the tibio-tarsic joint during the second rocker, hence hampering the natural leaning progression of the whole body under the effect of the inertia (6). A new modular (submalleolar) astragalus-calcanear orthosis, named OMAC, has recently been proposed with the intention of substituting the prescription of AFOs in those CP children exhibiting a flat and valgus-pronated foot. The aim of this section is thus to present the mechanical and technical features of the OMAC by means of an accurate description of the device. In particular, the integral document of the deposited Italian patent, is provided. A preliminary validation of OMAC with respect to AFO is also reported as resulted from an experimental campaign on diplegic CP children, during a three month period, aimed at quantitatively assessing the benefit provided by the two orthoses on walking and at qualitatively evaluating the changes in the quality of life and motor abilities. As already stated, CP is universally considered as a persistent but not unchangeable disorder of posture and movement. Conversely to this definition, some clinicians (4) have recently pointed out that movement disorders may be primarily caused by the presence of perceptive disorders, where perception is not merely the acquisition of sensory information, but an active process aimed at guiding the execution of movements through the integration of sensory information properly representing the state of one’s body and of the environment. Children with perceptive impairments show an overall fear of moving and the onset of strongly unnatural walking schemes directly caused by the presence of perceptive system disorders. The fourth section of the thesis thus deals with accurately defining the perceptive impairment exhibited by diplegic CP children. A detailed description of the clinical signs revealing the presence of the perceptive impairment, and a classification scheme of the clinical aspects of perceptual disorders is provided. In the end, a functional reaching test is proposed as an instrumental test able to disclosure the perceptive impairment. References 1. Prevalence and characteristics of children with cerebral palsy in Europe. Dev Med Child Neurol. 2002 Set;44(9):633-640. 2. Bax M, Goldstein M, Rosenbaum P, Leviton A, Paneth N, Dan B, et al. Proposed definition and classification of cerebral palsy, April 2005. Dev Med Child Neurol. 2005 Ago;47(8):571-576. 3. Ingram TT. A study of cerebral palsy in the childhood population of Edinburgh. Arch. Dis. Child. 1955 Apr;30(150):85-98. 4. Ferrari A, Cioni G. The spastic forms of cerebral palsy : a guide to the assessment of adaptive functions. Milan: Springer; 2009. 5. Olney SJ, Wright MJ. Cerebral Palsy. Campbell S et al. Physical Therapy for Children. 2nd Ed. Philadelphia: Saunders. 2000;:533-570. 6. Desloovere K, Molenaers G, Van Gestel L, Huenaerts C, Van Campenhout A, Callewaert B, et al. How can push-off be preserved during use of an ankle foot orthosis in children with hemiplegia? A prospective controlled study. Gait Posture. 2006 Ott;24(2):142-151.

Synthesis of Modified Amino Acids and Insertion in Peptides and Mimetics. Structural Aspects and Impact on Biological Activity.

I studied the effects exerted by the modifications on structures and biological activities of the compounds so obtained. I prepared peptide analogues containing unusual amino acids such as halogenated, alkylated (S)- or (R)-tryptophans, useful for the synthesis of mimetics of the endogenous opioid peptide endomorphin-1, or 2-oxo-1,3-oxazolidine-4-carboxylic acids, utilized as pseudo-prolines having a clear all-trans configuration of the preceding peptide bond. The latter gave access to a series of constrained peptidomimetics with potential interest in medicinal chemistry and in the field of the foldamers. In particular, I have dedicated much efforts to the preparation of cyclopentapeptides containing D-configured, alfa-, or beta-aminoacids, and also of cyclotetrapeptides including the retro-inverso modification. The conformational analyses confirmed that these cyclic compounds can be utilized as rigid scaffolds mimicking gamma- or beta-turns, allowing to generate new molecular and 3D diversity. Much work has been dedicated to the structural analysis in solution and in the receptor-bound state, fundamental for giving a rationale to the experimentally determined bioactivity, as well as for predicting the activity of virtual compounds (in silico pre-screen). The conformational analyses in solution has been done mostly by NMR (2D gCosy, Roesy, VT, molecular dynamics, etc.). A special section is dedicated to the prediction of plausible poses of the ligands when bound to the receptors by Molecular Docking. This computational method proved to be a powerful tool for the investigation of ligand-receptor interactions, and for the design of selective agonists and antagonists. Another practical use of cyclic peptidomimetics was the synthesis and biological evaluation of cyclic analogues of endomorphin-1 lacking in a protonable amino group. The studies revealed that a inverse type II beta-turn on D-Trp-Phe constituted the bioactive conformation.

Generalized Differential Quadrature Finite Element Method applied to Advanced Structural Mechanics

Over the years the Differential Quadrature (DQ) method has distinguished because of its high accuracy, straightforward implementation and general ap- plication to a variety of problems. There has been an increase in this topic by several researchers who experienced significant development in the last years. DQ is essentially a generalization of the popular Gaussian Quadrature (GQ) used for numerical integration functions. GQ approximates a finite in- tegral as a weighted sum of integrand values at selected points in a problem domain whereas DQ approximate the derivatives of a smooth function at a point as a weighted sum of function values at selected nodes. A direct appli- cation of this elegant methodology is to solve ordinary and partial differential equations. Furthermore in recent years the DQ formulation has been gener- alized in the weighting coefficients computations to let the approach to be more flexible and accurate. As a result it has been indicated as Generalized Differential Quadrature (GDQ) method. However the applicability of GDQ in its original form is still limited. It has been proven to fail for problems with strong material discontinuities as well as problems involving singularities and irregularities. On the other hand the very well-known Finite Element (FE) method could overcome these issues because it subdivides the computational domain into a certain number of elements in which the solution is calculated. Recently, some researchers have been studying a numerical technique which could use the advantages of the GDQ method and the advantages of FE method. This methodology has got different names among each research group, it will be indicated here as Generalized Differential Quadrature Finite Element Method (GDQFEM).

Validation of a new method to assess the long-term Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Activity using hair glucocorticoids as biomarkers. - Studies on pigs and laboratory Sprague-Dawley Rats

The evaluation of chronic activity of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis is critical for determining the impact of chronic stressful situations. The potential use of hair glucocorticoids as a non-invasive, retrospective, biomarker of long term HPA activity is of great interest, and it is gaining acceptance in humans and animals. However, there are still no studies in literature examining hair cortisol concentration in pigs and corticosterone concentration in laboratory rodents. Therefore, we developed and validated, for the first time, a method for measuring hair glucocorticoids concentration in commercial sows and in Sprague-Dawley rats. Our preliminary data demonstrated: 1) a validated and specific washing protocol and extraction assay method with a good sensitivity in both species; 2) the effect of the reproductive phase, housing conditions and seasonality on hair cortisol concentration in sows; 3) similar hair corticosterone concentration in male and female rats; 4) elevated hair corticosterone concentration in response to chronic stress manipulations and chronic ACTH administration, demonstrating that hair provides a good direct index of HPA activity over long periods than other indirect parameters, such adrenal or thymus weight. From these results we believe that this new non-invasive tool needs to be applied to better characterize the overall impact in livestock animals and in laboratory rodents of chronic stressful situations that negatively affect animals welfare. Nevertheless, further studies are needed to improve this methodology and maybe to develop animal models for chronic stress of high interest and translational value in human medicine.

Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.