L'uso degli acceleratori in medicina nucleare

In questo lavoro di tesi si indaga come gli acceleratori di particelle si siano rivelati di fondamentale utilità nel settore medico-sanitario, risolvendo problematiche fisiche ed economiche legate alla produzione di radioisotopi. Per riuscire ad effettuare procedure terapeutiche e diagnostiche di qualità senza ricondursi a tecniche invasive, sta diventando sempre più importante disporre di ciclotroni nelle vicinanze delle strutture ospedaliere. Di fronte alla carenza di radionuclidi e alla necessità di produrre nuovi radiofarmaci, il mondo si sta muovendo per affiancare ai pochi reattori nucleari rimasti operativi, progetti nati dalla collaborazione di diversi centri di ricerca. In particolare in Italia è in corso un progetto, il TECHN-OPS, portato avanti da diverse sezioni INFN (compreso quella di Bologna), che si pone l’obiettivo di supplire al bisogno di 99m-Tc sfruttando una rete limitata di ciclotroni (che utilizzano bersagli di molibdeno arricchito) e lo sviluppo di metodi di riciclo di 100-Mo e di ottimizzazione delle varie fasi di produzione.

The use of mobile single-sided NMR for the diagnosis of osteoporosis: a preliminary study

Una nuova ed originale tecnica è stata messa a punto, finalizzata alla realizzazione di una procedura per la diagnosi dell’osteoporosi, mediante l’utilizzo di scanner low field single-sided NMR. Tre differenti scanner (NMR MOLE, MOUSE PM 10 e MOUSE PM5) sono stati usati per determinare il Bone Volume-to-Total Volume ratio (BV/TV), parametro che fornisce indicazioni sulla microstruttura dell’osso. I risultati sono stati confrontati con le analisi micro-CT. Gli esperimenti sono stati condotti nel Lab. NMR del dipartimento DIFA di UNIBO e nel Lab. NMR della Victoria University di Wellington (NZ), durante un periodo di visita di cinque mesi, supportato da una borsa di studio della “Facoltà di Scienze” di UNIBO. Le analisi micro-CT sono state condotte presso il Lab. di Tecnologie Mediche dell’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna. La ricerca è stata parzialmente finanziata dalla “Fondazione del Monte di Bologna e Ravenna”. La caratterizzazione dell’osso trabecolare di campioni animali e dei tessuti che lo circondano (come cartilagine e muscolo) è stata condotta tramite mappe di correlazione T1-T2 e D-T2 , dove T1 e T2 sono, rispettivamente, il tempo di rilassamento longitudinale e trasversale del nucleo 1H, e D è il coefficiente di autodiffusione molecolare. E’ stata sviluppata una sequenza di impulsi (Diffusion-Weighted T1-T2) per ottenere mappe T1-T2 pesate in diffusione. I risultati hanno consentito di mettere a punto una procedura che elimina il segnale NMR proveniente da cartilagine e muscolo, rendendo più realistico lo scenario di applicazione in-vivo. I tre diversi dispositivi NMR hanno dato risultati consistenti tra loro e con le immagini micro-CT. L’intera catena di esperimenti condotti ha mostrato che dispositivi NMR single-sided possono essere usati per valutare il BV/TV di ossa trabecolari, con il vantaggio di essere portatili, a basso costo e non invasivi, permettendo campagne di screening della popolazione a rischio osteoporosi.

Two-dimensional relaxation-diffusion analysis to study water compartmentalization in cells by a single-sided NMR device

In questo lavoro di tesi è presentato un metodo per lo studio della compartimentalizzazione dell’acqua in cellule biologiche, mediante lo studio dell’autodiffusione delle molecole d’acqua tramite uno strumento NMR single-sided. Le misure sono state eseguite nel laboratorio NMR all’interno del DIFA di Bologna. Sono stati misurati i coefficienti di autodiffusione di tre campioni in condizione bulk, ottenendo risultati consistenti con la letteratura. È stato poi analizzato un sistema cellulare modello, Saccharomyces cerevisiae, allo stato solido, ottimizzando le procedure per l’ottenimento di mappe di correlazione 2D, aventi come assi il coefficiente di autodiffusione D e il tempo di rilassamento trasversale T2. In questo sistema l’acqua è confinata e l’autodiffusione è ristretta dalle pareti cellulari, si parla quindi di coefficiente di autodiffusione apparente, Dapp. Mediante le mappe sono state individuate due famiglie di nuclei 1H. Il campione è stato poi analizzato in diluizione in acqua distillata, confermando la separazione del segnale in due distinte famiglie. L’utilizzo di un composto chelato, il CuEDTA, ha permesso di affermare che la famiglia con il Dapp maggiore corrisponde all’acqua esterna alle cellule. L’analisi dei dati ottenuti sulle due famiglie al variare del tempo lasciato alle molecole d’acqua per la diffusione hanno portato alla stima del raggio dei due compartimenti: r=2.3±0.2µm per l’acqua extracellulare, r=0.9±0.1µm per quella intracellulare, che è probabilmente acqua scambiata tra gli organelli e il citoplasma. L’incertezza associata a tali stime tiene conto soltanto dell’errore nel calcolo dei parametri liberi del fit dei dati, è pertanto una sottostima, dovuta alle approssimazioni connesse all’utilizzo di equazioni valide per un sistema poroso costituito da pori sferici connessi non permeabili. Gli ordini di grandezza dei raggi calcolati sono invece consistenti con quelli osservabili dalle immagini ottenute con il microscopio ottico.

Dosimetria interna da inalazione in Medicina Nucleare

Scopo di questo lavoro è l’individuazione di una metodica che permetta la valutazione dosimetrica interna dei lavoratori in Medicina Nucleare, dell’I.R.S.T. I radionuclidi impiegati hanno elevata volatilità e tempi di dimezzamento molto brevi quindi, diventa di fondamentale importanza la misura della concentrazione in aria. come radioisotopo d'interesse è stato considerato il F-18. Per la misura della contaminazione in aria è stato utilizzato un sistema progettato dall’azienda MecMurphil (MP-AIR). L’aria attraversa un beaker Marinelli, posto in un pozzetto schermato in piombo (5/6 cm di spessore più rivestimento in rame di 3 mm) nel quale è inserito un rivelatore a scintillazione NaI(Tl) a basso fondo in modalità di campionamento continuo. Attraverso il software MAIR-C, collegato al rivelatore, è stato possibile calibrarlo in energia, FWHM e efficienza. I locali analizzati, poiché quotidianamente frequentati dal personale, sono: Laboratorio caldo, Corridoio, Attesa calda, Camere degenza, e Radiofarmacia. Mediante l’uso di fogli di calcolo, è stata determinata la concentrazione media presente nei diversi locali. I risultati ottenuti hanno mostrato che la concentrazione massima di F-18 è nella radiofarmacia.Le persone con accesso ai locali “caldi” sono state classificate, sulla base delle attività da loro svolte in: medici, TSRM, infermieri e radiofarmacisti. Per ognuna di queste figure è stato stimato il tempo di permanenza all’interno dei locali.Si è proceduto, poi, alla validazione del metodo utilizzato per il calcolo della dose interna per inalazione, applicando quanto riportato nella pubblicazione I.C.R.P. 66, che ha come scopo principale quello di determinare i limiti annuali d’introduzione dei radionuclidi per i lavoratori.Le metodiche, applicate al solo radioisotopo F-18, permettono di ricavare una prima stima della dose inalata dagli operatori, aprendo un’ ampia gamma di possibili sviluppi futuri.

Studio sulla saturazione magnetica delle corone nelle macchine asincrone mediante analisi ad elementi finiti

Questa tesi si propone di analizzare l’influenza della scelta dello spessore della corona statorica sulla saturazione magnetica in un motore asincrono. I dati su cui si basa questo studio sono stati ricavati dall'analisi condotta mediante metodi a Elementi Finiti, utilizzando software appropriati. In conclusione, ci siamo posti di verificare la validità del modello teorico, confrontandolo con i risultati ottenuti sperimentalmente.

Stratificazione di metalli ed ormoni in blubber e melone di Stenella coeruleoalba e correlazione con lo stato di salute degli animali

L’immissione di sostanze chimiche nell'ambiente marino è fonte di grandi preoccupazioni in tutto il mondo e in particolare nel Mar Mediterraneo, un bacino semichiuso in cui si concentrano forti pressioni demografiche, urbane e industriali. I cetacei sono suscettibili allo stress chimico e tendono ad accumulare nei propri tessuti corporei grandi quantità di contaminanti tossici come i metalli pesanti. Il presente lavoro si è concentrato sulla possibile relazione tra gli elementi traccia (Hg, As, Cu, Cd, Se, Pb) e gli ormoni (T3, T4, cortisolo) individuati nel blubber e nel melone di Stenella coeruleoalba. I 34 individui analizzati sono stati trovati spiaggiati lungo le coste di Liguria, Campania e Calabria tra il 2014 e il 2019. Per i metalli pesanti si è fatta una digestione acida a microonde dei tessuti e infine una spettroscopia di emissione al plasma (ICP-OES). Per l’analisi degli ormoni è stato eseguito il test ELISA. Lo studio ha rivelato la validità delle matrici impiegate, blubber e melone, nella ricerca degli elementi prestabiliti. Non si evidenziano tuttavia significative differenze nei livelli di metalli e di ormoni in funzione della profondità di campionamento nel blubber. Sono però stati osservati delle interessanti relazioni tra i contaminanti e lo stato di salute degli animali che hanno confermato il potenziale immunotossico dei metalli pesanti. Quindi, si può ritenere che la presente ricerca abbia dimostrato come il monitoraggio non invasivo di blubber da specie altamente protette può fornire valide informazioni relativamente al loro stato di salute e di esposizione a contaminanti. Una conoscenza più approfondita degli effetti dei metalli pesanti sull’omeostasi ormonale per riuscire a stabilire una relazione dose – effetto, e di come questa relazione poi si rifletta sullo stato di salute dell’animale, risulta di fondamentale importanza nell’ottica di attuazione di piani di conservazione della specie minacciata.

A single-sided NMR approach to study structural differences of bovine articular tissue

This thesis work has been developed in collaboration between the Department of Physics and Astronomy of the University of Bologna and the IRCCS Rizzoli Orthopedic Institute during an internship period. The study aims to investigate the sensitivity of single-sided NMR in detecting structural differences of the articular cartilage tissue and their correlation with mechanical behavior. Suitable cartilage indicators for osteoarthritis (OA) severity (e.g., water and proteoglycans content, collagen structure) were explored through four NMR parameters: T2, T1, D, and Slp. Structural variations of the cartilage among its three layers (i.e., superficial, middle, and deep) were investigated performing several NMR pulses sequences on bovine knee joint samples using the NMR-MOUSE device. Previously, cartilage degradation studies were carried out, performing tests in three different experimental setups. The monitoring of the parameters and the best experimental setup were determined. An NMR automatized procedure based on the acquisition of these quantitative parameters was implemented, tested, and used for the investigation of the layers of twenty bovine cartilage samples. Statistical and pattern recognition analyses on these parameters have been performed. The results obtained from the analyses are very promising: the discrimination of the three cartilage layers shows very good results in terms of significance, paving the way for extensive use of NMR single-sided devices for biomedical applications. These results will be also integrated with analyses of tissue mechanical properties for a complete evaluation of cartilage changes throughout OA disease. The use of low-priced and mobile devices towards clinical applications could concern the screening of diseases related to cartilage tissue. This could have a positive impact both economically (including for underdeveloped countries) and socially, providing screening possibilities to a large part of the population.

Modellazione sperimentale e numerica del comportamento delle interfacce tra sabbia e acciaio

Nell’analisi del comportamento delle fondazioni profonde, è cruciale comprendere la relazione che governa il legame sforzo-deformazione quando si innesca uno scorrimento relativo tra il terreno e altri materiali di costruzione. Quando tra terreno e struttura insorge uno scorrimento relativo, vi è la formazione di una zona denominata “banda di taglio”, essa è una porzione di terreno costituita da un sottile strato posto a diretto contatto con la superficie di un materiale avente caratteristiche meccaniche differenti. L'interazione struttura-terreno avviene a causa della mobilitazione di una forza agente in direzione tangenziale alla superficie di contatto tra i due mezzi. Lo studio dei problemi d'interfaccia è rilevante per tutte quelle strutture la cui resistenza allo scorrimento risulta essere una componente predominante nei riguardi della risposta della fondazione nel suo complesso. Il presente lavoro di tesi ha come oggetto l’analisi sperimentale e la modellazione del comportamento meccanico della sabbia Rohsand 3152 a contatto con superfici d’acciaio di diversa ruvidezza. Tale tema di studio si inserisce in un più ampio programma di ricerca sullo studio del comportamento di pali battuti a punta aperta in terreni granulari sottoposti a sforzi assiali. L'obiettivo principale della tesi è quello di analizzare e interpretare i dati delle prove di laboratorio condotte su Rohsand 3152 e implementare un modello costitutivo elasto-plastico, capace di cogliere tutti gli aspetti che influenzano il comportamento d'interfaccia in condizioni di carico monotono.

Studio dell'anisotropia magnetica di bistrati ibridi ferromagnete-organico

L’anisotropia magnetica di film sottili ferromagnetici è un parametro fondamentale nel campo della spintronica. Recenti lavori hanno dimostrato che la formazione di un’interfaccia tra film sottili ferromagnetici e materiali organici è in grado di modificare, l’anisotropia magnetica del costituente inorganico. Questa specifica interfaccia è stata definita spinterface ed è di grande interesse in un’ottica di ingegnerizzazione delle proprietà magnetiche di dispositivi spintronici. Pertanto, in questo lavoro di tesi ho analizzato l’anisotropia magnetica di un film policristallino di Cobalto ricoperto da una molecola organica largamente utilizzata in dispositivi spintronici e optoelettronici, la Gallio-chinolina (Gaq3), con l’obiettivo di verificare il ruolo della molecola nella definizione delle proprietà magnetiche dello strato di Cobalto. Per valutare l’impatto della formazione di spinterface, ho confrontato i risultati sperimentali con quelli ottenuti per un bistrato di riferimento Cobalto/Alluminio (Co/Al). Per comprendere i risultati sperimentali introdurrò nel primo capitolo i concetti fondamentali del magnetismo di film sottili, in particolare i vari contributi di anisotropia magnetica, il concetto di dominio magnetico e il modello di Stoner Wohlfarth. Il secondo capitolo verrà dedicato alla descrizione del concetto di spinterface e come questa interfaccia possa modificare le proprietà magnetiche dei film sottili. Nel terzo capitolo verranno descritte le tecniche di deposizione in Ultra Alto Vuoto con cui sono stati realizzati i bistrati Co/Gaq3 e Co/Al mentre nel quarto capitolo descriver`o il funzionamento del magnetometro MOKE, lo strumento con cui ho studiato l’anisotropia magnetica dei campioni prodotti. I dati sperimentali e la loro discussione saranno presentati nel quinto capitolo dove ho verificato la presenza di effetti di spinterface attraverso l’osservazione di un aumento della coercitività del campione Co/Gaq3.

Valutazione dello stato dell'acqua nei formaggi a diverso grado di salatura e stagionatura mediante TD-NMR

L’obiettivo iniziale di questo lavoro era quello di studiare il fenomeno della proteolisi nel formaggio, al variare del tempo di stagionatura e di salatura, mediante lo studio dello stato dell’acqua, con una metodica non distruttiva e innovativa per questa tematica: il TD-NMR. I formaggi oggetto di studio sono stati prodotti con un impianto pilota presente in Dipartimento, con lo stesso latte, nella stessa giornata e nelle medesime condizioni di caseificazione. Il primo passo è stato quello di assegnare un nome alle 4 popolazioni di protoni corrispondenti alle 4 curve esponenziali in cui si traducevano i risultati di T2. Dato che gli studi bibliografici consultati non erano concordi su questo aspetto e nessuno aveva svolto esperimenti che potessero confermare le supposizioni formulate, abbiamo proceduto all’analisi di un formaggio simile ai nostri campioni, addizionato di una soluzione dopante a base di Fe(III)Cl2. Questo passaggio ci ha permesso di identificare i tipi di molecole rappresentati dalle 4 popolazioni. Successivamente siamo stati in grado di fare ipotesi concrete sull’evoluzione dei risultati di T2 e intensità relativa al variare del tempo di stagionatura e di salatura. Dalle nostre osservazioni è emerso che è possibile correlare l’andamento di T2 e I a quello di diversi parametri che caratterizzano il formaggio. Le ipotesi emerse da questo studio sono solamente intuizioni preliminari riguardo l’impiego di questo metodo di analisi per il formaggio, che però ha la potenzialità di essere molto utile nella ricerca e anche nell’industria. Si tratta infatti di un metodo caratterizzato da estrema facilità nella preparazione dei campioni, che può essere adattato ad analisi non distruttive e che impiega uno strumento molto economico rispetto ad altri tipi di analisi NMR. Possiamo inoltre concludere che, avendo messo a punto questi aspetti di base, l’interpretazione dei dati sarà senz’altro più semplice rispetto ad altre analisi NMR.