Wood as a model material for medical biomaterials. In vivo and in vitro studies with bone and Betula pubescens Ehrh

Novel biomaterials are needed to fill the demand of tailored bone substitutes required by an ever‐expanding array of surgical procedures and techniques. Wood, a natural fiber composite, modified with heat treatment to alter its composition, may provide a novel approach to the further development of hierarchically structured biomaterials. The suitability of wood as a model biomaterial as well as the effects of heat treatment on the osteoconductivity of wood was studied by placing untreated and heat‐treated (at 220 C , 200 degrees and 140 degrees for 2 h) birch implants (size 4 x 7mm) into drill cavities in the distal femur of rabbits. The follow‐up period was 4, 8 and 20 weeks in all in vivo experiments. The flexural properties of wood as well as dimensional changes and hydroxyl apatite formation on the surface of wood (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood) were tested using 3‐point bending and compression tests and immersion in simulated body fluid. The effect of premeasurement grinding and the effect of heat treatment on the surface roughness and contour of wood were tested with contact stylus and non‐contact profilometry. The effects of heat treatment of wood on its interactions with biological fluids was assessed using two different test media and real human blood in liquid penetration tests. The results of the in vivo experiments showed implanted wood to be well tolerated, with no implants rejected due to foreign body reactions. Heat treatment had significant effects on the biocompatibility of wood, allowing host bone to grow into tight contact with the implant, with occasional bone ingrowth into the channels of the wood implant. The results of the liquid immersion experiments showed hydroxyl apatite formation only in the most extensively heat‐treated wood specimens, which supported the results of the in vivo experiments. Parallel conclusions could be drawn based on the results of the liquid penetration test where human blood had the most favorable interaction with the most extensively heat‐treated wood of the compared materials (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood). The increasing biocompatibility was inferred to result mainly from changes in the chemical composition of wood induced by the heat treatment, namely the altered arrangement and concentrations of functional chemical groups. However, the influence of microscopic changes in the cell walls, surface roughness and contour cannot be totally excluded. The heat treatment was hypothesized to produce a functional change in the liquid distribution within wood, which could have biological relevance. It was concluded that the highly evolved hierarchical anatomy of wood could yield information for the future development of bulk bone substitutes according to the ideology of bioinspiration. Furthermore, the results of the biomechanical tests established that heat treatment alters various biologically relevant mechanical properties of wood, thus expanding the possibilities of wood as a model material, which could include e.g. scaffold applications, bulk bone applications and serving as a tool for both mechanical testing and for further development of synthetic fiber reinforced composites.

Understanding the in vitro dissolution rate of glasses with respect to future clinical applications

Glass is a unique material with a long history. Several glass products are used daily in our everyday life, often unnoticed. Glass can be found not only in obvious applications such as tableware, windows, and light bulbs, but also in tennis rackets, windmill turbine blades, optical devices, and medical implants. The glasses used at present as implants are inorganic silica-based melt-derived compositions mainly for hard-tissue repair as bone graft substitute in dentistry and orthopedics. The degree of glass reactivity desired varies according to implantation situation and it is vital that the ion release from any glasses used in medical applications is controlled. Understanding the in vitro dissolution rate of glasses provides a first approximation of their behavior in vivo. Specific studies concerning dissolution properties of bioactive glasses have been relatively scarce and mostly concentrated to static condition studies. The motivation behind this work was to develop a simple and accurate method for quantifying the in vitro dissolution rate of highly different types of glass compositions with interest for future clinical applications. By combining information from various experimental conditions, a better knowledge of glass dissolution and the suitability of different glasses for different medical applications can be obtained. Thus, two traditional and one novel approach were utilized in this thesis to study glass dissolution. The chemical durability of silicate glasses was tested in water and TRIS-buffered solution at static and dynamic conditions. The traditional in vitro testing with a TRISbuffered solution under static conditions works well with bioactive or with readily dissolving glasses, and it is easy to follow the ion dissolution reactions. However, in the buffered solution no marked differences between the more durable glasses were observed. The hydrolytic resistance of the glasses was studied using the standard procedure ISO 719. The relative scale given by the standard failed to provide any relevant information when bioactive glasses were studied. However, the clear differences in the hydrolytic resistance values imply that the method could be used as a rapid test to get an overall idea of the biodegradability of glasses. The standard method combined with the ion concentration and pH measurements gives a better estimate of the hydrolytic resistance because of the high silicon amount released from a glass. A sensitive on-line analysis method utilizing inductively coupled plasma optical emission spectrometer and a flow-through micro-volume pH electrode was developed to study the initial dissolution of biocompatible glasses. This approach was found suitable for compositions within a large range of chemical durability. With this approach, the initial dissolution of all ions could be measured simultaneously and quantitatively, which gave a good overall idea of the initial dissolution rates for the individual ions and the dissolution mechanism. These types of results with glass dissolution were presented for the first time during the course of writing this thesis. Based on the initial dissolution patterns obtained with the novel approach using TRIS, the experimental glasses could be divided into four distinct categories. The initial dissolution patterns of glasses correlated well with the anticipated bioactivity. Moreover, the normalized surface-specific mass loss rates and the different in vivo models and the actual in vivo data correlated well. The results suggest that this type of approach can be used for prescreening the suitability of novel glass compositions for future clinical applications. Furthermore, the results shed light on the possible bioactivity of glasses. An additional goal in this thesis was to gain insight into the phase changes occurring during various heat treatments of glasses with three selected compositions. Engineering-type T-T-T curves for glasses 1-98 and 13-93 were stablished. The information gained is essential in manufacturing amorphous porous implants or for drawing of continuous fibers of the glasses. Although both glasses can be hot worked to amorphous products at carefully controlled conditions, 1-98 showed one magnitude greater nucleation and crystal growth rate than 13-93. Thus, 13-93 is better suited than 1-98 for working processes which require long residence times at high temperatures. It was also shown that amorphous and partially crystalline porous implants can be sintered from bioactive glass S53P4. Surface crystallization of S53P4, forming Na2O∙CaO∙2SiO2, was observed to start at 650°C. The secondary crystals of Na2Ca4(PO4)2SiO4, reported for the first time in this thesis, were detected at higher temperatures, from 850°C to 1000°C. The crystal phases formed affected the dissolution behavior of the implants in simulated body fluid. This study opens up new possibilities for using S53P4 to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the proportions of the different phases. The results obtained in this thesis give valuable additional information and tools to the state of the art for designing glasses with respect to future clinical applications. With the knowledge gained we can identify different dissolution patters and use this information to improve the tuning of glass compositions. In addition, the novel online analysis approach provides an excellent opportunity to further enhance our knowledge of glass behavior in simulated body conditions.

Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,

Techniques of radioautography for medical and biological research

Standard techniques for radioautography used in biological and medical research can be classified into three categories, i.e., macroscopic radioautography, light microscopic radioautography and electron microscopic radioautography. The routine techniques used in these three procedures are described. With regard to macroscopic radioautography, whole body radioautography is a standard technique which employs freezing and cryosectioning and can demonstrate organ distributions of both soluble and insoluble compounds. In contrast, in light and electron microscopic radioautography, soluble and insoluble techniques are separated. In order to demonstrate insoluble labeled compounds, conventional chemical fixations such as formalin for light microscopy or buffered glutaraldehyde and osmium tetroxide for both light and electron microscopy followed by dehydration, embedding and wet-mounting applications of radioautographic emulsions can be used. For the demonstration of soluble labeled compounds, however, cryotechniques such as cryofixation, cryosectioning, freeze-drying, freeze-substitution followed by dry-sectioning and dry-mounting radioautography should be employed both for light and electron microscopy. The outlines of these techniques, which should be utilized in various fields of biological and medical research, are described in detail

Measuring higher order optical aberrations of the human eye: techniques and applications

In the present paper we discuss the development of "wave-front", an instrument for determining the lower and higher optical aberrations of the human eye. We also discuss the advantages that such instrumentation and techniques might bring to the ophthalmology professional of the 21st century. By shining a small light spot on the retina of subjects and observing the light that is reflected back from within the eye, we are able to quantitatively determine the amount of lower order aberrations (astigmatism, myopia, hyperopia) and higher order aberrations (coma, spherical aberration, etc.). We have measured artificial eyes with calibrated ametropia ranging from +5 to -5 D, with and without 2 D astigmatism with axis at 45º and 90º. We used a device known as the Hartmann-Shack (HS) sensor, originally developed for measuring the optical aberrations of optical instruments and general refracting surfaces in astronomical telescopes. The HS sensor sends information to a computer software for decomposition of wave-front aberrations into a set of Zernike polynomials. These polynomials have special mathematical properties and are more suitable in this case than the traditional Seidel polynomials. We have demonstrated that this technique is more precise than conventional autorefraction, with a root mean square error (RMSE) of less than 0.1 µm for a 4-mm diameter pupil. In terms of dioptric power this represents an RMSE error of less than 0.04 D and 5º for the axis. This precision is sufficient for customized corneal ablations, among other applications.

Design and applications of modified oligonucleotides

Oligonucleotides have a wide range of applications in fields such as biotechnology, molecular biology, diagnosis and therapy. However, the spectrum of uses can be broadened by introducing chemical modifications into their structures. The most prolific field in the search for new oligonucleotide analogs is the antisense strategy, where chemical modifications confer appropriate characteristics such as hybridization, resistance to nucleases, cellular uptake, selectivity and, basically, good pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. Combinatorial technology is another research area where oligonucleotides and their analogs are extensively employed. Aptamers, new catalytic ribozymes and deoxyribozymes are RNA or DNA molecules individualized from a randomly synthesized library on the basis of a particular property. They are identified by repeated cycles of selection and amplification, using PCR technologies. Modified nucleotides can be introduced either during the amplification procedure or after selection.

Development and applications of the SWAN rating scale for assessment of attention deficit hyperactivity disorder: a literature review

This study reviewed the use of the Strengths and Weaknesses of Attention-Deficit/Hyperactivity-symptoms and Normal-behaviors (SWAN) rating scale in diagnostic and evolutive approaches to attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) and in correlational studies of the disorder. A review of articles published in indexed journals from electronic databases was conducted and 61 articles on the SWAN scale were analyzed. From these, 27 were selected to a) examine use of SWAN in research on attention disorders and b) verify evidence of its usefulness in the areas of genetics, neuropsychology, diagnostics, psychiatric comorbidities, neuroimaging, pharmacotherapy, and to examine its statistical reliability and validity in studies of diverse populations. This review of articles indicated a growing use of the SWAN scale for diagnostic purposes, for therapy, and in research on areas other than ADHD, especially when compared with other reliable scales. Use of the scale in ADHD diagnosis requires further statistical testing to define its psychometric properties.

Clinical applications of retrograde autologous priming in cardiopulmonary bypass in pediatric cardiac surgery

Retrograde autologous priming (RAP) has been routinely applied in cardiac pediatric cardiopulmonary bypass (CPB). However, this technique is performed in pediatric patients weighing more than 20 kg, and research about its application in pediatric patients weighing less than 20 kg is still scarce. This study explored the clinical application of RAP in CPB in pediatric patients undergoing cardiac surgery. Sixty pediatric patients scheduled for cardiac surgery were randomly divided into control and experimental groups. The experimental group was treated with CPB using RAP, while the control group was treated with conventional CPB (priming with suspended red blood cells, plasma and albumin). The hematocrit (Hct) and lactate (Lac) levels at different perioperative time-points, mechanical ventilation time, hospitalization duration, and intraoperative and postoperative blood usage were recorded. Results showed that Hct levels at 15 min after CPB beginning (T2) and at CPB end (T3), and number of intraoperative blood transfusions were significantly lower in the experimental group (P<0.05). There were no significant differences in CPB time, aortic blocking time, T2-Lac value or T3-Lac between the two groups (P>0.05). Postoperatively, there were no significant differences in Hct (2 h after surgery), mechanical ventilation time, intensive care unit time, or postoperative blood transfusion between two groups (P>0.05). RAP can effectively reduce the hemodilution when using less or not using any banked blood, while meeting the intraoperative perfusion conditions, and decreasing the perioperative blood transfusion volume in pediatric patients.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Statistiques appliquées en chirurgie cardiaque adulte : analyses de survie et applications du “propensity score”

L'objectif principal de ce travail est d’étudier en profondeur certaines techniques biostatistiques avancées en recherche évaluative en chirurgie cardiaque adulte. Les études ont été conçues pour intégrer les concepts d'analyse de survie, analyse de régression avec “propensity score”, et analyse de coûts. Le premier manuscrit évalue la survie après la réparation chirurgicale de la dissection aigüe de l’aorte ascendante. Les analyses statistiques utilisées comprennent : analyses de survie avec régression paramétrique des phases de risque et d'autres méthodes paramétriques (exponentielle, Weibull), semi-paramétriques (Cox) ou non-paramétriques (Kaplan-Meier) ; survie comparée à une cohorte appariée pour l’âge, le sexe et la race utilisant des tables de statistiques de survie gouvernementales ; modèles de régression avec “bootstrapping” et “multinomial logit model”. L'étude a démontrée que la survie s'est améliorée sur 25 ans en lien avec des changements dans les techniques chirurgicales et d’imagerie diagnostique. Le second manuscrit est axé sur les résultats des pontages coronariens isolés chez des patients ayant des antécédents d'intervention coronarienne percutanée. Les analyses statistiques utilisées comprennent : modèles de régression avec “propensity score” ; algorithme complexe d'appariement (1:3) ; analyses statistiques appropriées pour les groupes appariés (différences standardisées, “generalized estimating equations”, modèle de Cox stratifié). L'étude a démontrée que l’intervention coronarienne percutanée subie 14 jours ou plus avant la chirurgie de pontages coronariens n'est pas associée à des résultats négatifs à court ou long terme. Le troisième manuscrit évalue les conséquences financières et les changements démographiques survenant pour un centre hospitalier universitaire suite à la mise en place d'un programme de chirurgie cardiaque satellite. Les analyses statistiques utilisées comprennent : modèles de régression multivariée “two-way” ANOVA (logistique, linéaire ou ordinale) ; “propensity score” ; analyses de coûts avec modèles paramétriques Log-Normal. Des modèles d’analyse de « survie » ont également été explorés, utilisant les «coûts» au lieu du « temps » comme variable dépendante, et ont menés à des conclusions similaires. L'étude a démontrée que, après la mise en place du programme satellite, moins de patients de faible complexité étaient référés de la région du programme satellite au centre hospitalier universitaire, avec une augmentation de la charge de travail infirmier et des coûts.

Pleine conscience, régulation émotionnelle et psychose : états des connaissances et applications cliniques

Cette thèse est divisée en trois parties principales, ayant toutes trait à la régulation des émotions ou à l'efficacité des interventions issues de la troisième vague des thérapies cognitives comportementales, en particulier chez les personnes ayant des symptômes psychotiques. La thèse est composée d'un chapitre de livre rédigé en francais, de quatre articles rédigés en anglais (introduction, deux méta-analyses et une étude pilote) et d’une discussion générale rédigée en anglais. L'introduction, déjà publiée sous le format d’un chapitre de livre (et d’un article) constitue un examen exhaustif de la littérature portant sur la régulation des émotions dans la schizophrénie et dans les autres troubles psychotiques. Les individus présentant une schizophrénie présentent des dérégulations, indépendantes l’une de l’autre, dans les trois domaines distincts suivants: l’expression des émotions, le traitement des emotions, et l’expérience émotionnelle. Cette première partie de la thèse recommande fortement l'intégration des stratégies de régulation des émotions, notamment celles de la troisième vague des thérapies cognitives comportementales telles que la pleine conscience, l'acceptation et la compassion, dans le traitement des personnes souffrant de psychose. Dans la deuxième partie de la thèse, deux méta-analyses examinant l'efficacité des stratégies de la troisième vague des traitements cognitifs comportementaux dans la régulation des émotions sont présentées. La première méta-analyse vise à examiner l'efficacité de la thérapie basée sur la pleine conscience pour tous les troubles psychologiques ainsi que pour les conditions médicales. La deuxième méta-analyse porte plus spécifiquement sur l'efficacité des stratégies de la troisième vague pour la psychose. Les résultats des deux méta-analyses démontrent des tailles d'effet entre modérées et larges, avec un effet plus marqué sur les symptômes affectifs, notamment l'anxiété, la dépression et la détresse. En outre, les stratégies étudiées (la pleine conscience, l'acceptation et la compassion) sont des fortes modératrices positives de l'efficacité des traitements. Ces résultats suggèrent que ces stratégies sont efficaces dans la régulation des émotions, du moins lorsqu'elles sont mesurées au sein de grands bassins de participants, y compris les personnes souffrant de psychose. La troisième partie de la thèse implique le développement et la validation préliminaire d'une nouvelle intervention de groupe pour des individus en début de psychose à l'aide d'une combinaison de stratégies d'acceptation, de compassion et de la pleine conscience. Douze individus ont participé à cette étude pilote. Les résultats démontrent la faisabilité et l'acceptabilité du traitement. Des améliorations significatives dans la régulation des émotions et dans les symptômes affectifs sont observées, et sont potentiellement liées à l'intervention. Globalement, la thèse offre un soutien empirique du rôle de la régulation émotionnelle dans le traitement des personnes atteintes de troubles psychotiques. Plus de recherches sont nécessaires pour valider l'efficacité du nouveau traitement.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Fabrication and Characterization of Dye Sensitized Polymer Films for Holographic Applications

Holographic technology is at the dawn of quick evolution in various new areas including holographic data storage, holographic optical elements, artificial intelligence, optical interconnects, optical correlators, commerce, medical practice, holographic weapon sight, night vision goggles and games etc. One of the major obstacles for the success of holographic technology to a large extent is the lack of suitable recording medium. Compared with other holographic materials such as dichromated gelatin and silver halide emulsions, photopolymers have the great advantage of recording and reading holograms in real time and the spectral sensitivity could be easily shifted to the type of recording laser used by simply changing the sensitizing dye. Also these materials possess characteristics such as good light sensitivity, real time image development, large dynamic range, good optical properties, format flexibility, and low cost. This thesis describes the attempts made to fabricate highly economic photopolymer films for various holographic applications. In the present work, Poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (vinyl chloride) (PVC) are selected as the host polymer matrices and methylene blue (MB) is used as the photosensitizing dye. The films were fabricated using gravity settling method. No chemical treatment or pre/post exposures were applied to the films. As the outcome of the work, photopolymer films with more than 70% efficiency, a permanent recording material which required no fixing process, a reusable recording material etc. were fabricated.

Development of active microwave imaging techniques for applications in mammography

Breast cancer is the most common non - skin malignancy in women and a leading cause of female morality. A potentially important strategy for reducing this menace is the detection at an early stage . The invention of non-invasive and non-ionizing microwave technique, to reveal the internal structure of biological objects was a break through in the field of medical diagnostics. Electrical properties of biological tissues and their interaction with electromagmetic waves have direct impact on human life. This thesis focuses on theoretical and experimental investigations of active microwave imaging techniques for breast cancer detection.

Studies on Metallocene Polyolefin and Polyvinyl Chloride for Blood and Blood Component Storage Applications

Plasticized poly(vinyl chloride) (pPVC), although a major player in the medical field, is at present facing lot of criticism due to some of its limitations like the leaching out of the toxic plasticizer, di ethylhexyl phthalate (DEHP) to the medium and the emission of an environmental pollutant,dioxin gas,at the time of the post use disposal of PVC Products by incineration. Due to these reasons, efforts are on to reduce the use of pPVC considerably in the medical field and to find viable alternative materials. The present study has been undertaken in this context to find a suitable material for the manufacture of medical aids in place of pPVC. The main focus of this study has been to find out a non-DEHP material as plasticizer for pPVC and another suitable material for the complete repalcement of pPVC for blood/ blood component storage applications.Two approaches have been undertaken for this purpose-(1)the controversial plasticizer, DEHP has been partially replaced by polymeric plasticizers(2) an alternative material, namely, metallocene polyolefin (mPO) has been used and suitably modified to match the properties of flexible PVC used for blood and blood component storage applications.