A prediction of bone remodeling thanks to a mechanical signal on cells - Predizione del rimodellamento osseo a partire da un segnale meccanico sulle cellule

This text wants to explore the process of bone remodeling. The idea supported is that the signal, the cells acquire and which suggest them to change in their architectural conformation, is the potential difference on the free boundaries surfaces of collagen fibers. These ones represent the bone in the nanoscale. This work has as subject a multiscale model. Lots of studies have been made to try to discover the relationship between a macroscopic external bone load and the cellular scale. The tree first simulations have been a longitudinal, a flexion and a transversal compression force on a full longitudinal fiber 0-0 sample. The results showed first the great difference between a fully longitudinal stress and a flexion stress. Secondly a decrease in the potential difference has been observed in the transversal force configuration, suggesting that such a signal could be taken as the one, who leads the bone remodeling. To also exclude that the obtained results was not to attribute to a piezoelectric collagen effect and not to a mechanical load, different coupling analyses have been developed. Such analyses show this effect is really less important than the one the mechanical load is responsible of. At this point the work had to explore how bone remodeling could develop. The analyses involved different geometry and fibers percentage. Moreover at the beginning the model was to manually implement. The author, after an initial improvement of it, provided to implement a standalone version thanks to integration between Comsol Multiphysic, Matlab and Excel.

Morphological instability analysis of a misfit strained core-shell nanowire for the growth of quantum dots

Nell'ambito delle nanostrutture, un ruolo primario è svolto dai punti quantici. In questo lavoro siamo interessati all'analisi teorica del processo di creazione dei punti quantici: esso può avvenire per eteroepitassia, in particolare secondo il metodo studiato da Stranski-Krastanov. Un film di Germanio viene depositato su un substrato di Silicio in modo coerente, cioè senza dislocazioni, e, a causa del misfit tra le maglie dei due materiali, c'è un accumulo di energia elastica nel film. A una certa altezza critica questa energia del film può essere ridotta se il film si organizza in isole (punti quantici), dove la tensione può essere rilassata lateralmente. L'altezza critica dipende dai moduli di Young (E, υ), dal misfit tra le maglie (m) e dalla tensione superficiali (γ). Il trasporto di materiale nel film è portato avanti per diffusione superficiale. Il punto focale nell'analisi delle instabilità indotte dal misfit tra le maglie dei materiali è la ricerca delle caratteristiche che individuano il modo di crescita più rapido dei punti quantici. In questo lavoro siamo interessati ad un caso particolare: la crescita di punti quantici non su una superficie piana ma sulla superficie di un nanofilo quantico a geometria cilindrica. L'analisi delle instabilità viene condotta risolvendo le equazioni all'equilibrio: a tal fine sono state calcolate le distribuzioni del tensore delle deformazioni e degli sforzo di un nanofilo core-shell con una superficie perturbata al primo ordine rispetto all'ampiezza della perturbazione. L'analisi è stata condotta con particolari condizioni al contorno ed ipotesi geometriche, e diverse scelte dello stato di riferimento del campo degli spostamenti. Risolto il problema elastico, è stata studiata l'equazione dinamica di evoluzione descrivente la diffusione di superficie. Il risultato dell'analisi di instabilità è il tasso di crescita in funzione del numero d'onda q, con diversi valori del raggio del core, spessore dello shell e modo normale n, al fine di trovare il più veloce modo di crescita della perturbazione.