Modelli matematici nella crescita e nel trattamento dei tumori

Questa tesi tratta di alcuni semplici modelli matematici, formulati in termini di equazioni differenziali ordinarie, riguardanti la crescita dei tumori e possibili trattamenti per contrastarla. Nel primo capitolo viene data un'introduzione sulla stabilità dei punti di equilibrio di sistemi di equazioni differenziali ordinarie, mentre nel secondo capitolo vengono affrontati e confrontati tre modelli ad una equazione: il modello esponenziale, il modello logistico e il modello di Gompertz. Si introducono poi due modelli a due equazioni differenziali: uno riguardante l'angiogenesi a due compartimenti e l'altro riguardante un modello lineare-quadratico applicato alla radiobiologia. Viene fatto poi un accenno ad un modello con equazioni alle derivate parziali. Infine, nell'ultimo capitolo, viene introdotto un modello a tre equazioni differenziali ordinarie a tre compartimenti in cui viene studiata l'interazione tra tre popolazioni di cellule: cellule immunitarie effettrici, cellule ospiti e cellule tumorali.

Evaluation of the microstructural pattern and mechanical behaviour of human metastatic vertebrae

La spina dorsale è uno dei principali siti di sviluppo di metastasi ossee. Queste alterano sia la composizione strutturale che il comportamento meccanico delle vertebre metastatiche, riducendone la resistenza meccanica ed aumentandone il rischio di rottura. Questo studio ha valutato la composizione microstrutturale ed il comportamento meccanico a rottura in specifiche regioni all’interno di vertebre metastatiche. 11 segmenti vertebrali da cadavere, costituiti da una vertebra sana ed una con metastasi (litica, mista o blastica), sono stati testati con carichi graduali di compressione e scansionati con microCT. Le deformazioni interne sono state misurate tramite un algoritmo globale di Digital Volume Correlation (DVC). I risultati dall’analisi microstrutturale hanno mostrato l’ influenza sulla microstruttura delle diverse tipologie di metastasi in corrispondenza della lesione, mentre le caratteristiche microstrutturali nelle regioni intorno alla lesione sono risultate simili a quelle delle vertebre sane. L’analisi delle deformazioni ha inoltre permesso di valutare l’ effetto delle diverse tipologie di metastasi nel compromettere la stabilità spinale. Le vertebre con metastasi litiche hanno raggiunto deformazioni maggiori in corrispondenza della lesione, regione meccanicamente più debole e con una microstruttura maggiormente compromessa a causa della metastasi. Le vertebre con metastasi blastiche hanno raggiunto deformazioni minori nella lesione, regione che ha mostrato una maggiore resistenza meccanica ai carichi, e deformazioni maggiori nelle zone più lontane. Le vertebre con metastasi miste hanno mostrato un comportamento meccanico non univoco, legato alla predominanza di una lesione sull’altra. Infatti, la posizione e la proporzione tra le due lesioni sembra influenzare il comportamento meccanico. I risultati di questo studio, una volta generalizzati, potrebbero portare alla spiegazione delle cause di instabilità meccanica nelle vertebre metastatiche.

Strategie innovative per la somministrazione della terapia chemioterapica attraverso l'utilizzo di nanogel polimerici

Il cancro è una delle malattie statisticamente più diffuse e una delle principali cause di morte nel mondo, con più di 300.000 nuove diagnosi annue solamente in Italia e con circa dieci milioni di decessi globali. A causa dell’elevata incidenza e dell’invecchiamento della popolazione, la ricerca di una soluzione a questa malattia assume una particolare importanza. Una delle terapie più frequentemente utilizzate per il trattamento del cancro è la chemioterapia, che possiede una rilevanza fondamentale e rimane ad oggi insostituibile. Tuttavia, questa terapia dal carattere sistemico presenta numerosi limiti che devono necessariamente essere risolti e tra le possibili soluzioni l’utilizzo di Drug Delivery Systems nanometrici rappresenta un approccio dalle elevate potenzialità. Tra i diversi nanocarrier, i nanogel polimerici si distinguono per l’ottima versatilità, biocompatibilità, biodegradabilità, stabilità in ambiente biologico e l’elevata capacità di incapsulamento. Questi nanovettori, che possiedono le caratteristiche tipiche degli idrogel e dei nanomateriali, sono dotati della capacità di incapsulare, trasportare e rilasciare in modo controllato farmaci chemioterapici dalle varie proprietà chimico-fisiche. Lo scopo di questa tesi è l’analisi delle caratteristiche di questi composti al fine di evidenziare come l’utilizzo dei nanogel polimerici nel trattamento chemioterapico possa risolvere alcuni dei principali problemi di questa terapia e migliorarne l’efficacia terapeutica. Per dimostrare quanto affermato, i risultati dell’utilizzo dei nanogel nel trattamento di alcune forme tumorali verranno mostrati e confrontati con quelli della chemioterapia convenzionale, con lo scopo di evidenziarne i vantaggi e i limiti ancora presenti.

Indagine biomeccanica del dispositivo di fissazione esterna Rekrea per l'allungamento degli arti

L'allungamento controllato monofocale viene eseguito nel caso di discrepanze della lunghezza degli arti. Il dispositivo Rekrea, ideato e realizzato dall'azienda Citieffe, viene utilizzato per lo svolgimento di tale trattamento. La stabilità del sistema di fissazione esterna è un fattore cruciale per il successo di un trattamento di allungamento osseo ma difficile da raggiungere in quanto dipendente da numerose variabili. Nello specifico, questo lavoro di tesi verte sullo studio del comportamento meccanico dei singoli morsetti Small e Standard e dell'innovativa configurazione Tandem impiegati in due contesti clinici particolari: i pazienti acondroplasici ed il trattamento di allungamento di tibia. A seguito di una iniziale ricerca bibliografica, sono state pianificate e svolte delle prove meccaniche di diverse configurazioni per caratterizzare il comportamento di tali dispositivi. Attraverso un'analisi dei risultati ottenuti è stato evidenziato quanto il singolo morsetto Small conferisca un'elevata rigidezza del costrutto e permetta di ridurre la distanza morsetto - analogo osseo. In più è stato evidenziato come la configurazione Tandem sia risultata un buon sostituto del morsetto Sandwich ed in particolare, come l'utilizzo di tre viti ossee conferisca una maggiore rigidezza del costrutto.

Caratterizzazione biomeccanica sperimentale di un dispositivo protesico osteointegrato per amputati transfemorali

Le protesi con invasatura per amputati transfemorali sono considerate il gold standard di riferimento. Esse possono indurre numerose problematiche. Per far fronte a ciò sono state sviluppate delle protesi chiamate protesi osteointegrate. Non essendo ancora presenti standard specifici per i test meccanici riguardanti queste protesi, l’obiettivo generale dello studio è stato quello di definire un metodo di prova ripetibile per determinare le proprietà di resistenza di uno stelo protesico osteointegrato e l’interazione dello stelo protesico con l’osso. In particolare, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio della stabilità meccanica e dell’integrità di una protesi per amputati transfemorali. Inoltre, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio delle deformazioni sulla superficie dell’osso con impiantata la protesi. Per il raggiungimento di tale obiettivo sono stati condotti degli studi sulle normative ISO e sui carichi a cui è sottoposto il femore durante lo svolgimento di azioni di vita quotidiana. In seguito, è stato progettato un primo prototipo concettuale di stelo protesico personalizzato da utilizzare per mettere a punto le prove utilizzando un femore composito. Sono state svolte delle prove meccaniche di presso-flessione sul dispositivo protesico e sul dispositivo protesico impiantato nell’osso. Sono state quindi valutate le deformazioni massime sulla superficie dell’osso in corrispondenza dei picchi di carico massimo raggiunto. I metodi definiti per lo svolgimento della prova meccanica sul dispositivo protesico e della prova meccanica sull’osso con il dispositivo impiantato consentono di effettuare delle prove meccaniche ripetibili e riproducibili. Tali prove consentono di valutare la resistenza a fatica dello stelo protesico e le deformazioni superficiali dell’osso nel quale è impiantato.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Applicazioni sperimentali di conglomerati bituminosi drenanti a ridotto impatto ambientale

La salvaguardia ambientale, intesa come la capacità di garantire nel futuro la stabilità di un ecosistema, i processi ecologici che lo interessano e la sua biodiversità, costituiscono i pilastri fondamentali del concetto moderno di sostenibilità. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di fornire informazioni in merito all’utilizzo di granulato di conglomerato bituminoso e di scorie d’acciaieria, all’interno di miscele prodotte a caldo per strati di usura drenanti. Si è proceduto ad analizzare le caratteristiche meccaniche e prestazionali di due miscele di conglomerato bituminoso, confezionate una con percentuali di scorie d’acciaieria al suo interno, ed una con percentuali sia di scorie d’acciaieria sia di granulato di conglomerato bituminoso. La prima fase della sperimentazione si è concentrata nella calibrazione della quantità di materiali da inserire all’interno delle due miscele. Successivamente, la seconda fase della sperimentazione ha coinvolto i test di caratterizzazione per entrambe le miscele confrontandole con le prestazioni date della miscela di riferimento. Le due miscele di conglomerato bituminoso a ridotto impatto ambientale sono risultate paragonabili, in termini di prestazioni, alla miscela di riferimento e idonee al rispetto delle principali caratteristiche prestazionali imposte dal capitolato speciale d’appalto di Autostrade per l’Italia.

Rilevamento geologico della zona del Passo Rolle (TN) con elementi di geomeccanica

Nel lavoro vengono presentati i risultati del rilevamento geologico svolto nell'area di San Martino di Castrozza, nel mese di giugno 2022, durante il campo geologico. L'approfondimento tematico verte sull'analisi di stabilità di versante nel Monte Castellazzo. Gli studi sono stati accompagnati dal rilevamento geomeccanico che ha permesso di determinare i parametri necessari alla caratterizzazione dell'ammasso e alle verifiche cinematiche, e mediante un softwere di plottare i dati in degli stereoneit per definire gli eventi di instabilità associati ad ogni settore del Monte Castellazzo.

Analisi strutturale del cerchione in materiale composito del veicolo solare Emilia 5

La finalità della tesi è quella di poter progettare il cerchione del veicolo solare "Emilia 5" in materiale composito. Questa auto è l’evoluzione della "Emilia 4", sviluppata dalla squadra Onda Solare in collaborazione con l’Università di Bologna, con cui sono state vinte molte gare. Tramite software (Ansys) è stato realizzato il modello virtuale del cerchione in fibra di carbonio e, con l'ausilio dell'analisi agli elementi finiti, ne è stata verificata la stabilità, sottoponendolo a cinque condizioni di carico diverse. Lo studio approfondisce le tematiche riguardanti i materiali compositi, il concetto di sequenza di laminazione e come varia la distribuzione delle tensioni al variare di esse. In particolare, viene analizzato con attenzione lo studio tramite software della sequenza di laminazione che permette di ottenere i risultati migliori per il tipo di applicazione. Infine, vengono confrontati i dati ottenuti dalle simulazioni effettuate, per l'analisi e lo studio dei dati significativi.

Miscele del poli(ottilene 2,5-furanoato) e poli(trietilene 2,5-furanoato) per imballaggi alimentari flessibili, ad alta barriera e compostabili

Nel presente progetto di tesi sono state preparate e studiate delle miscele polimeriche di poli(ottilene 2,5-furanoato) (POF) e il poli(trietilene 2,5-furanoato) (PTEF) a diversa composizione allo scopo di ottenere materiali adatti al packaging alimentare flessibile e sostenibile. I due omopolimeri sono stati sintetizzati mediante policondensazione in massa, ed in seguito sono state preparate le miscele fisiche per solvent casting, processate in forma di film per pressofusione. Dopo una completa caratterizzazione molecolare, i materiali realizzati sono stati caratterizzati morfologicamente (SEM), termicamente (TGA e DSC), strutturalmente (WAXS), meccanicamente (prove a trazione), e ne sono studiate le proprietà barriera. Le miscele sono risultate immiscibili ma comunque caratterizzate da buona compatibilità e stabilità termica. Considerando che il POF è un materiale gommoso e semicristallino mentre il PTEF è gommoso ma amorfo, le miscele presentano caratteristiche meccaniche coerenti con la loro composizione: in particolare, al diminuire della porzione cristallizabile POF e all’aumentare della porzione gommosa PTEF, si registra un progressivo aumento degli allungamenti a rottura e una diminuzione del modulo elastico. Inoltre, nelle blend contenenti il 50 e il 60% di PTEF, le performance barriera risultano migliori di quasi due ordini di grandezza rispetto a quelle dell’omopolimero POF. Per quanto riguarda le prove di compostaggio, le miscele con una quantità di POF superiore al 50% non subiscono degradazione, mentre si registra una totale compostabilità per le due miscele più ricche in PTEF.

Sintesi e caratterizzazione di complessi di zinco per applicazione in campo agronomico

Il presente elaborato finale si inserisce in un progetto di ricerca, svolto in collaborazione con il gruppo di ricerca di chimica metallorganica e l’azienda Biolchim S.p.A, volto alla sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di zinco, solubili in acqua, da impiegare nel campo agronomico come fertilizzanti. Diversi leganti sono stati studiati per la creazione di chelati di zinco, tra cui acido citrico, amminoacidi quali glicina ed alanina e acido o-idrossimandelico. La stabilità dei diversi complessi sintetizzati è stata studiata in funzione di vari range di pH e temperatura, così da valutarne la resistenza in condizioni simili a quelle reali in suolo. I prodotti solidi sono stati caratterizzati tramite IR-ATR e NMR; i complessi di zinco citrato e zinco-acido o-idrossi mandelico sono stati studiati mediante spettrometria di massa e un’analisi elementare.

Sintesi assistita al microonde di nanoparticelle Au/Pt per applicazioni catalitiche

Negli ultimi decenni la necessità di salvaguardare l’ambiente ha portato ad un importante sviluppo dei processi catalitici con particolare attenzione agli aspetti di sostenibilità e impatto ambientale. Le nanoparticelle metalliche, note per le ottime proprietà catalitiche, ricoprono un ruolo fondamentale nel settore della catalisi. Al fine di innescare effetti sinergici e ottenere catalizzatori più performanti, la ricerca si sta orientando verso lo studio di nanoparticelle bimetalliche o multicomponente. Questo lavoro di tesi presenta la sintesi di nanoparticelle di Au, Pt e AuPt applicabili in catalisi e preparate mediante un processo a basso impatto ambientale assistito da microonde. Un’estesa caratterizzazione chimicofisica dei prodotti (DLS/ELS, UV-VIS, ICP-OES, XRD; TEM-EDS) ha consentito di ottimizzare le sintesi rispetto a distribuzione granulometrica, stabilità colloidale, resa di reazione e composizione di fase. Per AuPt NPs si sono sviluppate due preparazioni finalizzate all’ottenimento di diverse nanostrutture, core-shell e leghe. Infine, le prestazioni catalitiche dei campioni preparati sono state valutate mediante idrogenazione di 4-nitrofenolo (4-NP) a 4-amminofenolo (4-AP) in presenza di NaBH4, una reazione modello utilizzata per testare l'attività catalitica di nanometalli. Il campione in lega, Au97.5Pt2.5, e il campione core-shell, Au90@Pt10, hanno evidenziato effetti sinergici positivi con una migliore attività catalitica rispetto ai monometalli.

Funzionalità delle proteine e ossidazione lipidica e proteica in filetti di branzino salati dopo trattamento con campi elettrici pulsati

Il presente lavoro di tesi ha avuto lo scopo di valutare l’effetto del trattamento con campi elettrici pulsati sulla funzionalità delle proteine e sul livello di ossidazione lipidica e proteica di filetti di branzino (Dicentrarchus labrax) durante 12 giorni di conservazione refrigerata. A tale scopo, un totale di 50 filetti è stato sottoposto a salagione mediante salamoia contenente il 5% di NaCl per 24 ore e successivamente diviso in 2 gruppi sperimentali (n=25/gruppo): CONT, filetti non sottoposti a trattamento e PEF, filetti trattati con campi elettrici pulsati aventi intensità di 0,6 kV/cm, ampiezza degli impulsi di 10 μs per un tempo totale di trattamento pari a 10 s. I filetti sono stati confezionati in atmosfera protettiva (20% di CO2 e 80% di N2) e conservati a temperatura di refrigerazione per i 12 giorni successivi. Nel complesso, i risultati ottenuti suggeriscono come il trattamento PEF non abbia esercitato un effetto né migliorativo né peggiorativo sulla funzionalità delle proteine, determinata tramite analisi della solubilità, risultato piuttosto inatteso data la potenzialità del PEF di migliorare la funzionalità proteica. Si può ipotizzare che il processo di salatura a cui sono stati sottoposti i campioni possa avere in qualche modo mascherato un possibile effetto positivo del trattamento a causa della solubilizzazione delle proteine avvenuta già in fase di salatura. Inoltre, nonostante il PEF possa innescare fenomeni ossidativi a carico della matrice lipidica e proteica, in questo studio non sono state osservate modificazioni, suggerendo come il trattamento non abbia alterato la stabilità ossidativa dei filetti. In conclusione, i risultati ottenuti nel presente studio sono da considerarsi positivi, in quanto è possibile evincere come il trattamento effettuato abbia consentito di migliorare le rese di processo, senza però influenzare la stabilità ossidativa di lipidi e proteine, lasciando quindi inalterata la funzionalità delle stesse.

Lambrusco Grasparossa di Castelvetro: effetti della microfiltrazione sulle caratteristiche chimiche e sensoriali

Che si parli di tempi passati o del presente, la parola Lambrusco ha sempre avuto la capacità di suscitare notevole curiosità in chi vi si imbatteva. Si voglia perché esso rappresenta uno dei vini italiani con i più alti volumi di produzione, o perché per anni è stato (ed è tuttora) tra i maggiormente esportati in tutto il mondo, o ancora perché si tratta di un vino rosso con le bollicine, attributo tanto originale quanto unico. Questa tesi si propone di presentare sommariamente il vitigno Lambrusco Grasparossa descrivendone gli aspetti storici ma soprattutto quelli territoriali e agronomici, in riferimento ad un’azienda specifica a conduzione famigliare situata nell’areale di Castelvetro di Modena; si farà riferimento dunque alla Denominazione Lambrusco Grasparossa di Castelvetro. L’obiettivo sperimentale della tesi è quello di studiare, attraverso opportune analisi chimico-fisiche ed indagini organolettiche, la differenza tra un Lambrusco Grasparossa che ha subito un processo di microfiltrazione tangenziale in fase di pre-imbottigliamento ed uno che invece è stato imbottigliato senza la filtrazione, in seguito ad una lunga fase di stabilizzazione a freddo. In particolar modo si è cercato di valutare le differenze chimico-fisiche in termini di fenoli totali, profilo del colore e stabilità, oltre alle differenze organolettiche, evidenziate grazie a degustazioni svolte da tecnici professionisti. L’interesse verso questo tipo di indagine è scaturito dalla volontà di comprendere fino a che punto i due campioni potessero differire l’uno dall’altro e valutare, eventualmente, di eliminare l’utilizzo della filtrazione sterile prima dell’imbottigliamento per questo tipo di vino. Tutto ciò potrebbe snellire il processo di vinificazione al fine di: ridurre lo stress sul vino, alleggerire la lavorazione, accorciare i tempi di lavorazione, portare ad un minor consumo di acqua ed energia e ridurre i costi.

Modellamenti matematici per la diffusione e il controllo delle infezioni da virus: aspetti analitici e numerici

In questa tesi si affronta analiticamente il problema della stabilità di modelli a più specie interagenti, in campo epidemiologico, per la diffusione ed il controllo di infezioni da virus. Vengono considerati non solo modelli governati da Sistemi Dinamici, ma anche modelli parabolici del tipo Diffusione e Reazione. Partendo dal modello pioneristico SIR di Kermak-McKendrick si affrontano in modo approfondito tutti gli aspetti matematici che permettono di prevenire e controllare la formazione e la gravità di una possibile epidemia. Il modello viene poi articolato con l'aggiunta di considerazioni sulla variazione demografica della popolazione, indicato per questo motivo con il termine endemico. Si generalizza poi questo modello a due possibili applicazioni, includendo nella prima gli effetti della vaccinazione, ottenendo così il nuovo sistema dinamico SIRV. La seconda rappresenta invece uno studio avvenuto agli inizi dell'epidemia da COVID-19, quando i vaccini non erano ancora disponibili. Successivamente viene presentato il recente studio di Bellomo, estensione del modello prototipo per la diffusione di virus, un sistema di tipo Diffusione-Reazione con equazione di tipo diffusione-drift, in cui vengono connessi due aspetti importanti: la propagazione di virus e la chemotassi, in forte analogia con il modello SIR e derivante dalla logica del modello pioneristico di Keller-Segel. Infine, a completamento dello studio analitico, vengono proposti alcuni strumenti dell'analisi numerica, utilizzando l'ambiente MATLAB sul classico modello SIR e su altri due modelli che lo generalizzano per tener conto in un primo tempo della diffusione spaziale della coppia SI e poi solo di S, ma con effetto drift, guidato da I.