Biomedical and industrial applications of atmospheric pressure non-equilibrium plasmas

This dissertation will be focused on the characterization of an atmospheric pressure plasma jet source with an application oriented diagnostic approach and the description of processes supported by this plasma source. The plasma source investigated is a single electrode plasma jet. Schlieren images, optical emission spectra, temperature and heat flux profiles are analyzed to deeply investigate the fluid dynamic, the chemical composition and the thermal output of the plasma generated with a nanosecond-pulsed high voltage generator. The maximum temperature measured is about 45 °C and values close to the room temperature are reached 10 mm down the source outlet, ensuring the possibility to use the plasma jet for the treatment of thermosensitive materials, such as, for example, biological substrate or polymers. Electrospinning of polymeric solution allows the production of nanofibrous non-woven mats and the plasma pre-treatment of the solutions leads to the realization of defect free nanofibers. The use of the plasma jet allows the electrospinnability of a non-spinnable poly(L-lactic acid) (PLLA) solution, suitable for the production of biological scaffold for the wound dressing.

Stenodactilina e lanceolina: due nuove potenti “ribosome-inactivating proteins” bicatenarie. Purificazione, caratterizzazione chimico-fisica e studio dei meccanismi citotossici

Two lectins, called lanceolin and stenodactylin, were purified by affinity chromatography on CL Sepharose 6B from the caudices of the Passifloraceae Adenia lanceolata and Adenia stenodactyla, respectively. They are glycoproteins with Mw of 61,243 (lanceolin) and 63,131 daltons (stenodactylin), consisting of an enzymatic A chain linked to a larger B chain with lectin properties, with N-terminal amino acid sequences similar to that of volkensin, the toxic lectin from Adenia volkensii. These two lectins agglutinate red blood cells, inhibit protein synthesis in a cell-free system as well as in whole cells, and depurinate ribosomes and DNA, but not tRNA or poly(A). They are highly toxic to cells, in which they induce apoptosis and strongly inhibit protein synthesis, and to mice, with LD50s 8.16 mg/kg (lanceolin) and 2.76 mg/kg (stenodactylin) at 48 hours after administration. Thus, lanceolin and stenodactylin have all the properties of the toxic type 2 ribosomeinactivating proteins (RIPs). Further experiments were conducted in order to clarify the effects of these RIPs in cells. We investigated the cronological relationship between cytotoxic activity, indirectly evaluated as inhibition of protein synthesis, and loss of cell viability in NB100 cell line. The induction of apoptosis was assessed by determining caspases 3 and 7 levels, which increase 8-16 hours earlier than the beginning of protein synthesis inhibition. This suggest that the arrest of protein synthesis is not a central event in the pathway of cell poisoning by RIPs. The high toxicity and the induction of cell death only by apoptosis and not by necrosis in two muscular cell lines (TE671 and RD/18) suggest that lanceolin and stenodactylin may be potential candidates for experimental chemoablation in strabism and blepharospasm. These results show that lanceolin and stenodactylin are amongst the most potent toxins of plant origin.

Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.

Una prospettiva storico-filosofica sull'evoluzione del curricolo di fisica nella scuola: problemi e innovazioni pedagogiche

Negli ultimi vent’anni sono state proposte al livello internazionale alcune analisi dei problemi per le scienze nella scuola e diverse strategie per l’innovazione didattica. Molte ricerche hanno fatto riferimento a una nuova nozione di literacy scientifica, quale sapere fondamentale dell’educazione, indipendente dalle scelte professionali successive alla scuola. L’ipotesi di partenza di questa ricerca sostiene che alcune di queste analisi e l’idea di una nuova literacy scientifica di tipo non-vocazionale mostrino notevoli limiti quando rapportate al contesto italiano. Le specificità di quest’ultimo sono state affrontate, innanzitutto, da un punto di vista comparativo, discutendo alcuni documenti internazionali sull’insegnamento delle scienze. Questo confronto ha messo in luce la difficoltà di ottenere un insieme di evidenze chiare e definitive sui problemi dell’educazione scientifica discussi da questi documenti, in particolare per quanto riguarda i dati sulla crisi delle vocazioni scientifiche e sull’attitudine degli studenti verso le scienze. Le raccomandazioni educative e alcuni progetti curricolari internazionali trovano degli ostacoli decisivi nella scuola superiore italiana anche a causa di specificità istituzionali, come particolari principi di selezione e l’articolazione dei vari indirizzi formativi. Il presente lavoro si è basato soprattutto su una ricostruzione storico-pedagogica del curricolo di fisica, attraverso l’analisi delle linee guida nazionali, dei programmi di studio e di alcuni rappresentativi manuali degli ultimi decenni. Questo esame del curricolo “programmato” ha messo in luce, primo, il carattere accademico della fisica liceale e la sua debole rielaborazione culturale e didattica, secondo, l’impatto di temi e problemi internazionali sui materiali didattici. Tale impatto ha prodotto dei cambiamenti sul piano delle finalità educative e degli strumenti di apprendimento incorporati nei manuali. Nonostante l’evoluzione di queste caratteristiche del curricolo, tuttavia, l’analisi delle conoscenze storico-filosofiche utilizzate dai manuali ha messo in luce la scarsa contestualizzazione culturale della fisica quale uno degli ostacoli principali per l’insegnamento di una scienza più rilevante e formativa.

Il ruolo della metafora nella comunicazione della fisica contemporanea

Il presente lavoro si rivolge all’analisi del ruolo delle forme metaforiche nella divulgazione della fisica contemporanea. Il focus è sugli aspetti cognitivi: come possiamo spiegare concetti fisici formalmente complessi ad un audience di non-esperti senza ‘snaturarne’ i significati disciplinari (comunicazione di ‘buona fisica’)? L’attenzione è sulla natura stessa della spiegazione e il problema riguarda la valutazione dell’efficacia della spiegazione scientifica a non-professionisti. Per affrontare tale questione, ci siamo orientati alla ricerca di strumenti formali che potessero supportarci nell’analisi linguistica dei testi. La nostra attenzione si è rivolta al possibile ruolo svolto dalle forme metaforiche nella costruzione di significati disciplinarmente validi. Si fa in particolare riferimento al ruolo svolto dalla metafora nella comprensione di nuovi significati a partire da quelli noti, aspetto fondamentale nel caso dei fenomeni di fisica contemporanea che sono lontani dalla sfera percettiva ordinaria. In particolare, è apparsa particolarmente promettente come strumento di analisi la prospettiva della teoria della metafora concettuale. Abbiamo allora affrontato il problema di ricerca analizzando diverse forme metaforiche di particolare rilievo prese da testi di divulgazione di fisica contemporanea. Nella tesi viene in particolare discussa l’analisi di un case-study dal punto di vista della metafora concettuale: una analogia di Schrödinger per la particella elementare. I risultati dell’analisi suggeriscono che la metafora concettuale possa rappresentare uno strumento promettente sia per la valutazione della qualità delle forme analogiche e metaforiche utilizzate nella spiegazione di argomenti di fisica contemporanea che per la creazione di nuove e più efficaci metafore. Inoltre questa prospettiva di analisi sembra fornirci uno strumento per caratterizzare il concetto stesso di ‘buona fisica’. Riteniamo infine che possano emergere altri risultati di ricerca interessanti approfondendo l’approccio interdisciplinare tra la linguistica e la fisica.

Attivita' fisica adattata nella riabilitazione post-ictus: Risultati al follow-up di 12 mesi

L’ictus è un importante problema di salute pubblica, è causa di morte e disabilità nella popolazione anziana. La necessità di strategie di prevenzione secondaria e terziaria per migliorare il funzionamento post-ictus e prevenire o ritardare altre condizioni disabilitanti, ha portato l’Italia a sviluppare un intervento di Attività Fisica Adattata (AFA) per l’ictus, che permettesse di migliorare gli esiti della riabilitazione. Obiettivo dello studio è di valutare se l’AFA unita all’Educazione Terapeutica (ET), rispetto al trattamento riabilitativo standard, migliora il funzionamento e la qualità di vita in pazienti con ictus. Studio clinico non randomizzato, in cui sono stati valutati 229 pazienti in riabilitazione post-ictus, 126 nel gruppo sperimentale (AFA+ET) e 103 nel gruppo di controllo. I pazienti sono stati valutati al baseline, a 4 e a 12 mesi di follow-up. Le misure di esito sono il cambiamento a 4 mesi di follow-up (che corrisponde a 2 mesi post-intervento nel gruppo sperimentale) di: distanza percorsa, Berg Balance Scale, Short Physical Performance Battery, e Motricity Index. Le variabili misurate a 4 e a 12 mesi di follow-up sono: Barthel Index, Geriatric Depression Scale, SF-12 e Caregiver Strain Index. La distanza percorsa, la performance fisica, l’equilibrio e il punteggio della componente fisica della qualità di vita sono migliorate a 4 mesi nel gruppo AFA+ET e rimasti stabili nel gruppo di controllo. A 12 mesi di follow-up, il gruppo AFA+ET ottiene un cambiamento maggiore, rispetto al gruppo di controllo, nell’abilità di svolgimento delle attività giornaliere e nella qualità di vita. Infine il gruppo AFA+ET riporta, nell’ultimo anno, un minor numero di fratture e minor ricorso a visite riabilitative rispetto al gruppo di controllo. I risultati confermano che l’AFA+ET è efficace nel migliorare le condizioni cliniche di pazienti con ictus e che gli effetti, soprattutto sulla riabilitazione fisica, sono mantenuti anche a lungo termine.

Modelling, diagnostics and experimental analysis of plasma assisted processes for material treatment

This work presents results from experimental investigations of several different atmospheric pressure plasmas applications, such as Metal Inert Gas (MIG) welding and Plasma Arc Cutting (PAC) and Welding (PAW) sources, as well as Inductively Coupled Plasma (ICP) torches. The main diagnostic tool that has been used is High Speed Imaging (HSI), often assisted by Schlieren imaging to analyse non-visible phenomena. Furthermore, starting from thermo-fluid-dynamic models developed by the University of Bologna group, such plasma processes have been studied also with new advanced models, focusing for instance on the interaction between a melting metal wire and a plasma, or considering non-equilibrium phenomena for diagnostics of plasma arcs. Additionally, the experimental diagnostic tools that have been developed for industrial thermal plasmas have been used also for the characterization of innovative low temperature atmospheric pressure non equilibrium plasmas, such as dielectric barrier discharges (DBD) and Plasma Jets. These sources are controlled by few kV voltage pulses with pulse rise time of few nanoseconds to avoid the formation of a plasma arc, with interesting applications in surface functionalization of thermosensitive materials. In order to investigate also bio-medical applications of thermal plasma, a self-developed quenching device has been connected to an ICP torch. Such device has allowed inactivation of several kinds of bacteria spread on petri dishes, by keeping the substrate temperature lower than 40 degrees, which is a strict requirement in order to allow the treatment of living tissues.