Innovative Homogeneous and Heterogeneous Systems for Electrochemically Generated Luminescence Investigations: Towards One-Dimensional ECL

My research PhD work is focused on the Electrochemically Generated Luminescence (ECL) investigation of several different homogeneous and heterogeneous systems. ECL is a redox induced emission, a process whereby species, generated at electrodes, undergo a high-energy electron transfer reaction to form excited states that emit light. Since its first application, the ECL technique has become a very powerful analytical tool and has widely been used in biosensor transduction. ECL presents an intrinsically low noise and high sensitivity; moreover, the electrochemical generation of the excited state prevents scattering of the light source: for all these characteristics, it is an elective technique for ultrasensitive immunoassay detection. The majority of ECL systems involve species in solution where the emission occurs in the diffusion layer near to the electrode surface. However, over the past few years, an intense research has been focused on the ECL generated from species constrained on the electrode surface. The aim of my work is to study the behavior of ECL-generating molecular systems upon the progressive increase of their spatial constraints, that is, passing from isolated species in solution, to fluorophores embedded within a polymeric film and, finally, to patterned surfaces bearing “one-dimensional” emitting spots. In order to describe these trends, I use different “dimensions” to indicate the different classes of compounds. My thesis was mostly developed in the electrochemistry group of Bologna with the supervision of Prof Francesco Paolucci and Dr Massimo Marcaccio. With their help and also thanks to their long experience in the molecular and supramolecular ECL fields and in the surface investigations using scanning probe microscopy techniques, I was able to obtain the results herein described. Moreover, during my research work, I have established a new collaboration with the group of Nanobiotechnology of Prof. Robert Forster (Dublin City University) where I spent a research period. Prof. Forster has a broad experience in the biomedical field, especially he focuses his research on film surfaces biosensor based on the ECL transduction. This thesis can be divided into three sections described as follows: (i) in the fist section, homogeneous molecular and supramolecular ECL-active systems, either organic or inorganic species (i.e., corannulene, dendrimers and iridium metal complex), are described. Driving force for this kind of studies includes the search for new luminophores that display on one hand higher ECL efficiencies and on the other simple mechanisms for modulating intensity and energy of their emission in view of their effective use in bioconjugation applications. (ii) in the second section, the investigation of some heterogeneous ECL systems is reported. Redox polymers comprising inorganic luminophores were described. In such a context, a new conducting platform, based on carbon nanotubes, was developed aimed to accomplish both the binding of a biological molecule and its electronic wiring to the electrode. This is an essential step for the ECL application in the field of biosensors. (iii) in the third section, different patterns were produced on the electrode surface using a Scanning Electrochemical Microscopy. I developed a new methods for locally functionalizing an inert surface and reacting this surface with a luminescent probe. In this way, I successfully obtained a locally ECL active platform for multi-array application.

Predittori precoci di outcome neurologico nei neonati affetti da Encefalopatia Ipossico-Ischemica sottoposti a trattamento ipotermico. Studio combinato Elettroencefalogramma ad integrazione di ampiezza e Spettroscopia nel vicino infrarosso

Background: Brain cooling (BC) represents the elective treatment in asphyxiated newborns. Amplitude Integrated Electroencephalography (aEEG) and Near Infrared Spectroscopy (NIRS) monitoring may help to evaluate changes in cerebral electrical activity and cerebral hemodynamics during hypothermia. Objectives: To evaluate the prognostic value of aEEG time course and NIRS data in asphyxiated cooled infants. Methods: 12 term neonates admitted to our NICU with moderate-severe Hypoxic-Ischemic Encephalopathy (HIE) underwent selective BC. aEEG and NIRS monitoring were started as soon as possible and maintained during the whole hypothermic treatment. Follow-up was scheduled at regular intervals; adverse outcome was defined as death, cerebral palsy (CP) or global quotient < 88.7 at Griffiths’ Scale. Results: 2/12 infants died, 2 developed CP, 1 was normal at 6 months of age and then lost at follow-up and 7 showed a normal outcome at least at 1 year of age. The aEEG background pattern at 24 hours of life was abnormal in 10 newborns; only 4 of them developed an adverse outcome, whereas the 2 infants with a normal aEEG developed normally. In infants with adverse outcome NIRS showed a higher Tissue Oxygenation Index (TOI) than those with normal outcome (80.0±10.5% vs 66.9±7.0%, p=0.057; 79.7±9.4% vs 67.1±7.9%, p=0.034; 80.2±8.8% vs 71.6±5.9%, p=0.069 at 6, 12 and 24 hours of life, respectively). Conclusions: The aEEG background pattern at 24 hours of life loses its positive predictive value after BC implementation; TOI could be useful to predict early on infants that may benefit from other innovative therapies.

Risultati funzionali a lungo termine dopo sutura o plicatura del diaframma

Obbiettivo. Analizzare la funzionalità polmonare e diaframmatica dopo interventi di plicatura del diaframma con rete di rinforzo peri-costale eseguiti per relaxatio e riparazione di ernia transdiaframmatica cronica mediante riduzione e sutura diretta. Metodi. Dal 1996 al 2010, 10 pazienti con relaxatio unilaterale del diaframma e 6 pazienti con ernia transdiaframmatica cronica misconosciuta sono stati sottoposti a chirurgia elettiva. Gli accertamenti preoperatori e al follow-up di 12 mesi includevano prove di funzionalità respiratoria, misura della pressione massimale inspiratoria alla bocca in clino e ortostatismo, emogasanlisi, TC del torace e dispnea score. Risultati. I pazienti dei due gruppi non differivano in termini di funzionalità respiratoria preoperatoria nè di complicanze postoperatorie; al follow-up a 12 mesi il gruppo Eventrazione mostrava un significativo aumento del FEV1% (+18,2 – p<0.001), FVC% (+12,8 – p<0.001), DLCO% (+6,84 – p=0,04) e pO2 (+9,8 mmHg – p<0.001). Al contrario nrl gruppo Ernia solo il miglioramento della pO2 era significativo (+8.3 – p=0.04). Sebbene la massima pressione inspiratoria (PImax) fosse aumentata in entrambi i gruppi al follow-up, i pazienti operati per ernia mostravano un miglioramento limitato con persistente caduta significativa della PImax dall’ortostatismo al clinostatismo (p<0.001). Il Transitional dyspnoea score è stato concordante con tali miglioramenti pur senza differenze significative tra i due gruppi. La TC del torace ha evidenziato una sopraelevazione dell’emidiaframma suturato, senza recidiva di ernia, mentre i pazienti sottoposti a plicatura hanno mantenuto l’ipercorrezione. Conclusioni. L’utilizzo di un rinforzo protesico è sicuro e sembra assicurare risultati funzionali migliori a distanza in termini di flussi respiratori e di movimento paradosso del diaframma (valutato mediante PImax). Lacerazioni estese del diaframma coinvolgenti le branche principali di suddivisione del nervo frenico si associano verosimilmente a una relaxatio che può quindi ridurre il guadagno funzionale a lungo termine se non adeguatamente trattata mediante l’utilizzo di un rinforzo protesico.

Determinants of cesarean delivery, a population-based study in the Emilia Romagna Region

Cesarean Delivery (CD) rates are rising in many parts of the world. In order to define strategies to reduce them, it is important to explore the role of clinical and organizational factors. This thesis has the objective to describe the contemporary CD practice and study clinical and organizational variables as determinants of CD in all women who gave birth between 2005 and June 2010 in the Emilia Romagna region (Italy). All hospital discharge abstracts of women who delivered between 2005 and mid 2010 in the region were selected and linked with birth certificates. In addition to descriptive statistics, in order to study the role of clinical and organizational variables (teaching or non-teaching hospital, birth volumes, time and day of delivery) multilevel Poisson regression models and a classification tree were used. A substantial inter-hospital variability in CD rate was found, and this was only partially explained by the considered variables. The most important risk factors of CD were: previous CD (RR 4,95; 95%CI: 4,85-5,05), cord prolapse (RR 3,51; 95% CI:2,96-4,16), and malposition/malpresentation (RR 2,72; 95%CI: 2,66-2,77). Delivery between 7 pm and 7 am and during non working days protect against CD in all subgroups including those with a small number of elective CDs while delivery at a teaching hospital and birth volumes were not statistically significant risk factors. The classification tree shows that previous CD and malposition/malpresentation are the most important variables discriminating between high and low risk of CD. These results indicate that other not considered factors might explain CD variability and do not provide clear evidence that small hospitals have a poor performance in terms of CD rate. Some strategies to reduce CD could be found by focusing on the differences in delivery practice between day and night and between working and no-working day deliveries.

Recupero della funzione renale in pazienti con acute kidney injury (AKI) sottoposti a terapia sostitutiva renale

L’insufficienza renale acuta(AKI) grave che richiede terapia sostitutiva, è una complicanza frequente nelle unità di terapia intensiva(UTI) e rappresenta un fattore di rischio indipendente di mortalità. Scopo dello studio é stato valutare prospetticamente, in pazienti “critici” sottoposti a terapie sostitutive renali continue(CRRT) per IRA post cardiochirurgia, la prevalenza ed il significato prognostico del recupero della funzione renale(RFR). Pazienti e Metodi:Pazienti(pz) con AKI dopo intervento di cardiochirurgia elettivo o in emergenza con disfunzione di due o più organi trattati con CRRT. Risultati:Dal 1996 al 2011, 266 pz (M 195,F 71, età 65.5±11.3aa) sono stati trattati con CRRT. Tipo di intervento: CABG(27.6%), dissecazione aortica(33%), sostituzione valvolare(21.1%), CABG+sostituzione valvolare(12.6%), altro(5.7%). Parametri all’inizio del trattamento: BUN 86.1±39.4, creatininemia(Cr) 3.96±1.86mg/dL, PAM 72.4±13.6mmHg, APACHE II score 30.7±6.1, SOFAscore 13.7±3. RIFLE: Risk (11%), Injury (31.4%), Failure (57.6%). AKI oligurica (72.2%), ventilazione meccanica (93.2%), inotropi (84.5%). La sopravvivenza a 30 gg ed alla dimissione è stata del 54.2% e del 37.1%. La sopravvivenza per stratificazione APACHE II: <24=85.1 e 66%, 25-29=63.5 e 48.1%, 30-34=51.8 e 31.8%, >34=31.6 e 17.7%. RFR ha consentito l’interruzione della CRRT nel 87.8% (86/98) dei survivors (Cr 1.4±0.6mg/dL) e nel 14.5% (24/166) dei nonsurvivors (Cr 2.2±0.9mg/dL) con un recupero totale del 41.4%. RFR è stato osservato nel 59.5% (44/74) dei pz non oligurici e nel 34.4% dei pz oligurici (66/192). La distribuzione dei pz sulla base dei tempi di RFR è stata:<8=38.2%, 8-14=20.9%, 15-21=11.8%, 22-28=10.9%, >28=18.2%. All’analisi multivariata, l’oliguria, l’età e il CV-SOFA a 7gg dall’inizio della CRRT si sono dimostrati fattori prognostici sfavorevoli su RFR(>21gg). RFR si associa ad una sopravvivenza elevata(78.2%). Conclusioni:RFR significativamente piu frequente nei pz non oligurici si associa ad una sopravvivenza alla dimissione piu elevata. La distribuzione dei pz in rapporto ad APACHE II e SOFAscore dimostra che la sopravvivenza e RFR sono strettamente legati alla gravità della patologia.

Effetto dell'analgesia epidurale sulla progressione della testa fetale valutata mediante ecografia 3D

Introduzione: L'analgesia epidurale è stata messa in correlazione con l'aumento della durata del secondo stadio del travaglio e del tasso di utilizzo della ventosa ostetrica. Diversi meccanismi sono stati ipotizzati, tra cui la riduzione di percezione della discesa fetale, della forza di spinta e dei riflessi che promuovono la progressione e rotazione della testa fetale nel canale del parto. Tali parametri sono solitamente valutati mediante esame clinico digitale, costantemente riportato essere poco accurato e riproducibile. Su queste basi l'uso dell'ecografia in travaglio, con introduzione di diversi parametri ecografici di valutazione della discesa della testa fetale, sono stati proposti per supportare la diagnosi clinica nel secondo stadio del travaglio. Scopi dello studio: studiare effetto dell’analgesia epidurale sulla progressione della testa fetale durante il II stadio del travaglio valutata mediante ecografia intrapartum. Materiali e metodi: una serie di pazienti nullipare a basso rischio a termine (37+0-42+0) sono state reclutate in modo prospettico nella sala parto del nostro Policlinico Universitario. In ciascuna di esse abbiamo acquisito un volume ecografico ogni 20 minuti dall’inizio della fase attiva del secondo stadio fino al parto ed una serie di parametri ecografici sono stati ricavati in un secondo tempo (angolo di progressione, distanza di progressione distanza testa sinfisi pubica e midline angle). Tutti questi parametri sono stati confrontati ad ogni intervallo di tempo nei due gruppi. Risultati: 71 pazienti totali, di cui 41 (57.7%) con analgesia epidurale. In 58 (81.7%) casi il parto è stato spontaneo, mentre in 8 (11.3%) e 5 (7.0%) casi rispettivamente si è ricorsi a ventosa ostetrica o taglio cesareo. I valori di tutti i parametri ecografici misurati sono risultati sovrapponibili nei due gruppi in tutti gli intervalli di misurazione. Conclusioni: la progressione della testa fetale valutata longitudinalmente mediante ecografia 3D non sembra differire significativamente nelle pazienti con o senza analgesia epidurale.

La partecipazione popolare nell'esperienza dei referendum comunali

I Comuni incarnano idealmente delle piazze in cui il dibattito politico può svilupparsi in assenza di particolari filtri ed intermediazioni, con un rapporto diretto tra cittadini ed istituzioni. Essi costituiscono uno snodo di centrale importanza nell'esercizio della sovranità popolare e, al contempo, sono terreno fertile per la sperimentazione di modelli di partecipazione democratica. Prendendo come punto di vista l'esperienza dei Comuni italiani, si è scelto di focalizzare l'attenzione su uno degli strumenti “istituzionali” – nonché uno tra i più tradizionali – di partecipazione popolare, ovvero il referendum, nelle diverse forme ed accezioni che rientrano nel campo semantico di tale espressione. Questa è generalmente impiegata per indicare tutte quelle votazioni popolari non elettive su questioni politicamente rilevanti, formulate attraverso un quesito con due o più risposte alternative tra loro. L'analisi della disciplina legislativa degli istituti di partecipazione negli enti locali e lo studio delle disposizioni statutarie e regolamentari previste dai singoli Comuni, nonché le informazioni raccolte da alcuni casi di studio, rappresentano, in questo contesto, l'occasione per indagare le caratteristiche peculiari dell'istituto referendario, la sua effettività ed il suo impatto sulla forma di governo. In particolare, si è verificata positivamente la compatibilità del referendum, classificato dalla prevalente dottrina come istituto di democrazia diretta, con le forme attuali di democrazia rappresentativa. Si è tentato, altresì, un accostamento ai concetti di democrazia partecipativa e deliberativa, evidenziando come manchi del tutto, nel procedimento referendario (che pure è dotato di massima inclusività) un momento di confronto “deliberativo”. Il raffronto tra le esperienze riscontrate nei diversi Comuni ha consentito, inoltre, di ricercare le cause di alcuni aspetti critici (scarsa affluenza, mancata trasformazione del voto in decisioni politiche, aumento del conflitto) e, al contempo, di individuarne possibili soluzioni, tracciate sulla scorta delle migliori pratiche rilevate.

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

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

Timeliness, efficiency and public procurement in hip surgery in Italy

Considering different perspectives, the scope of this thesis is to investigate how to improve healthcare resources allocation and the provision efficiency for hip surgeries, a resource-intensive operation, among the most frequently performed on the elderly, with a trend in volume that is increasing in years due to population aging. Firstly, the effect of Time-To-Surgery (TTS) on mortality for hip fracture patients is investigated. The analysis attempts to account for TTS endogeneity due to the inability to fully control for variables affecting patient delay – e.g. patient severity. Exploiting an instrumental variable model, where being admitted on Friday or Saturday predicts longer TTS, findings show exogenous TTS does not have a significant effect on mortality. Thus suggesting surgeons prioritize patients effectively, neutralizing the adverse impact of longer TTS. Then, the volume-outcome relation for total hip replacement surgery is analyzed, seeking to account for selective referral, which may be present in elective surgery context, and induce reverse causality issue in the volume-outcome relation. The analysis employs a conditional choice model where patient travel distance from all regions' hospitals is used as a hospital choice predictor. Findings show the exogenous hospital volume significantly decreases adverse outcomes probability, especially in the short run. Finally, the change in public procurement design enforced in the Romagna LHA (Italy) is exploited to assess its impact on hip prostheses cost, surgeons' implant choice, and patient health outcomes. Hip prostheses are the major cost-driver of hip replacement surgeries, hence it is crucial to design the public tender such that implant prices are minimized, but cost-containment policies have to be weighted with patient well-being. Evidence shows that a cost reduction occurred without a significant surgeons’ choices impact. Positive or no effect of surgeons specialization is found on patients outcomes after the new procurement introduction.

Left Ventricle Modification After Endovascular Aortic Repair

INTRODUCTION Endograft deployment is a well-known cause of arterial stiffness increase as well as arterial stiffness increase represent a recognized cardiovascular risk factor. A harmful effect on cardiac function induced by the endograft deployment should be investigated. Aim of this study was to evaluate the impact of endograft deployment on the arterial stiffness and cardiac geometry of patients treated for aortic aneurysm in order to detect modifications that could justify an increased cardiac mortality at follow-up. MATHERIALS AND METHODS Over a period of 3 years, patients undergoing elective EVAR for infrarenal aortic pathologies in two university centers in Emilia Romagna were examined. All patients underwent pre-operative and six-months post-operative Pulse Wave Velocity (PWV) examination using an ultrasound-based method performed by vascular surgeons together with trans-thoracic echocardiography examination in order to evaluate cardiac chambers geometry before and after the treatment. RESULTS 69 patients were enrolled. After 36 months, 36 patients (52%) completed the 6 months follow-up examination.The ultrasound-based carotid-femoral PWV measurements performed preoperatively and 6 months after the procedure revealed a significant postoperative increase of cf-PWV (11,6±3,6 m/sec vs 12,3±8 m/sec; p.value:0,037).Postoperative LVtdV (90±28,3 ml/m2 vs 99,1±29,7 ml/m2; p.value:0.031) LVtdVi (47,4±15,9 ml/m2 vs 51,9±14,9 ml/m2; p.value:0.050), IVStd (12±1,5 mm vs 12,1±1,3 mm; p.value:0,027) were significantly increased if compared with preoperative measures.Postoperative E/A (0,76±0,26 vs 0,6±0,67; p.value:0,011), E’ lateral (9,5±2,6 vs 7,9±2,6; p.value:0,024) and A’ septal (10,8±1,5 vs 8,9±2; p.value0,005) were significantly reduced if compared with preoperative measurements CONCLUSION The endovascular treatment of the abdominal aorta causes an immediate and significant increase of the aortic stiffness.This increase reflects negatively on patients’ cardiac geometry inducing left ventricle hypertrophy and mild diastolic disfunction after just 6 months from endograft’s implantation.Further investigations and long-term results are necessary to access if this negative remodeling could affect the cardiac outcome of patient treated using the endovascular approach.

Analytics and optimization for emergency healthcare processes

This thesis deals with the analysis and management of emergency healthcare processes through the use of advanced analytics and optimization approaches. Emergency processes are among the most complex within healthcare. This is due to their non-elective nature and their high variability. This thesis is divided into two topics. The first one concerns the core of emergency healthcare processes, the emergency department (ED). In the second chapter, we describe the ED that is the case study. This is a real case study with data derived from a large ED located in northern Italy. In the next two chapters, we introduce two tools for supporting ED activities. The first one is a new type of analytics model. Its aim is to overcome the traditional methods of analyzing the activities provided in the ED by means of an algorithm that analyses the ED pathway (organized as event log) as a whole. The second tool is a decision-support system, which integrates a deep neural network for the prediction of patient pathways, and an online simulator to evaluate the evolution of the ED over time. Its purpose is to provide a set of solutions to prevent and solve the problem of the ED overcrowding. The second part of the thesis focuses on the COVID-19 pandemic emergency. In the fifth chapter, we describe a tool that was used by the Bologna local health authority in the first part of the pandemic. Its purpose is to analyze the clinical pathway of a patient and from this automatically assign them a state. Physicians used the state for routing the patients to the correct clinical pathways. The last chapter is dedicated to the description of a MIP model, which was used for the organization of the COVID-19 vaccination campaign in the city of Bologna, Italy.

Applicazione di un protocollo ERAS nel paziente onco-geriatrico candidato a chirurgia colo-rettale: esperienza della Chirurgia Generale dell’Ospedale di Faenza

Premessa: Enhanced Recovery After Surgery (ERAS) riduce le complicanze e accorcia il recupero nei pazienti sottoposti a chirurgia per tumore del colon-retto. I pazienti più anziani sono spesso esclusi dai programmi ERAS a causa della difficoltà nell'applicazione dei protocolli stabiliti. Lo scopo dello studio è stato valutare i benefici di ERAS nei pazienti anziani sottoposti a chirurgia colorettale elettiva e valutare i risultati a breve termine. Metodi: studio monocentrico osservazionale prospettico condotto da febbraio 2021 a luglio 2022. Sono stati inclusi tutti i pazienti di età ≥ 70 anni sottoposti a chirurgia colorettale elettiva. I risultati e le complicanze postoperatorie dei pazienti trattati secondo il nostro protocollo ERAS sono stati confrontati con un gruppo di pazienti < 70 anni sottoposti a intervento chirurgico per cancro del colon-retto nello stesso periodo. Risultati: abbiamo incluso un totale di 186 pazienti (104 ≥ 70 anni vs. 82 < 70 anni). Un terzo dei pazienti di entrambi i gruppi non ha sviluppato complicanze perioperatorie (65,4% vs. 67,0%, p = 0,880). Ugualmente non sono state osservate differenze nell’incidenza di complicanze di grado I-II (31,7% vs. 28,0%) né digrado III-IV (1,9% vs. 4,9%) secondo Dindo-Clavien tra i due gruppi (p = 0,389). Il tasso di leak anastomotico e il reintervento non sono risultati statisticamente differenti tra i due gruppi: 3,8% vs. 4,9% (p = 0,733) e 1,0% vs. 3,6% (p = 0,322) rispettivamente pazienti ≥ 70 anni vs. < 70 anni. I temi di degenza media sono stati di 5.1±4.3 vs. 4.6±4.2, (p = 0.427), mentre i tassi di riammissione sono rimasti inalterati. La mortalità a 90 giorni è risultata del 2,8% vs. 0% (p = 0,256). Conclusioni: nella nostra esperienza i pazienti ≥ 70 anni affetti da tumore del colon-retto dovrebbero seguire routinariamente un programma ERAS prevedendo gli stessi benefici degli altri gruppi di età.