Analysis of diffusion process in fractured reservoirs using fractional derivative approach

The fractal geometry is used to model of a naturally fractured reservoir and the concept of fractional derivative is applied to the diffusion equation to incorporate the history of fluid flow in naturally fractured reservoirs. The resulting fractally fractional diffusion (FFD) equation is solved analytically in the Laplace space for three outer boundary conditions. The analytical solutions are used to analyze the response of a naturally fractured reservoir considering the anomalous behavior of oil production. Several synthetic examples are provided to illustrate the methodology proposed in this work and to explain the diffusion process in fractally fractured systems.

Numerical analysis of the initial conditions in fractional systems

Fractional dynamics is a growing topic in theoretical and experimental scientific research. A classical problem is the initialization required by fractional operators. While the problem is clear from the mathematical point of view, it constitutes a challenge in applied sciences. This paper addresses the problem of initialization and its effect upon dynamical system simulation when adopting numerical approximations. The results are compatible with system dynamics and clarify the formulation of adequate values for the initial conditions in numerical simulations.

The key role of coligands in novel ruthenium(II)-cyclopentadienyl bipyridine derivatives: ranging from non-cytotoxic to highly cytotoxic compounds

A new family of eight ruthenium(II)-cyclopentadienyl bipyridine derivatives, bearing nitrogen, sulfur, phosphorous and carbonyl sigma bonded coligands, has been synthesized. Compounds bearing nitrogen bonded coligands were found to be unstable in aqueous solution, while the others presented appropriate stabilities for the biologic assays and pursued for determination of IC50 values in ovarian (A2780) and breast (MCF7 and MDAMB231) human cancer cell lines. These studies were also carried out for the [5: HSA] and [6: HSA] adducts (HSA=human serum albumin) and a better performance was found for the first case. Spectroscopic, electrochemical studies by cyclic voltammetry and density functional theory calculations allowed us to get some understanding on the electronic flow directions within the molecules and to find a possible clue concerning the structural features of coligands that can activate bipyridyl ligands toward an increased cytotoxic effect. X-ray structure analysis of compound [Ru(η(5)-C5H5)(bipy)(PPh3)][PF6] (7; bipy=bipyridine) showed crystallization on C2/c space group with two enantiomers of the [Ru(η(5)-C5H5)(bipy)(PPh3)](+) cation complex in the racemic crystal packing.

Reply to: Comments on “Particle Swarm Optimization with Fractional-Order Velocity”

We agree with Ling-Yun et al. [5] and Zhang and Duan comments [2] about the typing error in equation (9) of the manuscript [8]. The correct formula was initially proposed in [6, 7]. The formula adopted in our algorithms discussed in our papers [1, 3, 4, 8] is, in fact, the following: ...

Some pioneers of the applications of fractional calculus

In the last decades fractional calculus (FC) became an area of intensive research and development. This paper goes back and recalls important pioneers that started to apply FC to scientific and engineering problems during the nineteenth and twentieth centuries. Those we present are, in alphabetical order: Niels Abel, Kenneth and Robert Cole, Andrew Gemant, Andrey N. Gerasimov, Oliver Heaviside, Paul Lévy, Rashid Sh. Nigmatullin, Yuri N. Rabotnov, George Scott Blair.

Fractional Order Generalized Information

This paper formulates a novel expression for entropy inspired in the properties of Fractional Calculus. The characteristics of the generalized fractional entropy are tested both in standard probability distributions and real world data series. The results reveal that tuning the fractional order allow an high sensitivity to the signal evolution, which is useful in describing the dynamics of complex systems. The concepts are also extended to relative distances and tested with several sets of data, confirming the goodness of the generalization.

Rhapsody in fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

Riesz potential versus fractional Laplacian

This paper starts by introducing the Grünwald–Letnikov derivative, the Riesz potential and the problem of generalizing the Laplacian. Based on these ideas, the generalizations of the Laplacian for 1D and 2D cases are studied. It is presented as a fractional version of the Cauchy–Riemann conditions and, finally, it is discussed with the n-dimensional Laplacian.

Fractional calculus analysis of the cosmic microwave background

Cosmic microwave background (CMB) radiation is the imprint from an early stage of the Universe and investigation of its properties is crucial for understanding the fundamental laws governing the structure and evolution of the Universe. Measurements of the CMB anisotropies are decisive to cosmology, since any cosmological model must explain it. The brightness, strongest at the microwave frequencies, is almost uniform in all directions, but tiny variations reveal a spatial pattern of small anisotropies. Active research is being developed seeking better interpretations of the phenomenon. This paper analyses the recent data in the perspective of fractional calculus. By taking advantage of the inherent memory of fractional operators some hidden properties are captured and described.

Biological activity of well defined hydantoin derivatives on efflux pump systems of bacteria and cancer cells

A multi-resistência a antibióticos e medicamentos usados em quimioterapia é um dos grandes problemas com os quais as instituições de saúde se debatem hoje em dia. A acção provocada por bombas de efluxo é uma das suas causas. Estas bombas têm uma importância fundamental, uma vez que, ao expelirem todo o tipo de tóxicos para o exterior das células, também expelem medicamentos, fazendo com que estes não tenham o efeito desejado dentro delas. As bombas de efluxo são transportadores que se encontram nas membranas de todo o tipo de células. Existem dois grandes tipos de bombas de efluxo: as primárias e as secundárias. As primeiras conferem multi-resistência principalmente em células eucariotas, como as células do cancro em humanos, tendo como função a mediação da repulsa de substâncias tóxicas por intermédio da hidrólise de ATP. A primeira a ser descoberta e mais estudada destas bombas foi a ABCB1 que é o gene que codifica a glicoproteína-P (P de permeabilidade). Enquanto as secundárias, que são a maior fonte de multi-resistência em bactérias, promovem a extrusão de substâncias tóxicas através da força motriz de protões. Neste tipo de bombas são conhecidas quatro famílias principais, das quais uma das mais importantes é a superfamília RND, uma vez que inclui a bomba AcrAB-TolC, que é muito importante no metabolismo xenobiótico de bactérias Gramnegativas, nomeadamente a E.coli. Com o objectivo de reverter a multi-resistência, tanto em células eucariotas como procariotas, têm-se desenvolvido estratégias de combate que envolvem a descoberta de substâncias que inibam as bombas de efluxo. Assim sendo, ao longo dos tempos têm sido descobertas variadas substâncias que cumprem este objectivo. É o caso, por exemplo, dos derivados de fluoroquinolonas usados como inibidores de bombas de efluxo em bactérias ou do Tamoxifen, utilizado na terapia de pacientes com cancro da mama. Um dos grupos de substâncias estudados para o desenvolvimento de possíveis compostos que actuem como reversores de multi-resistência são os compostos derivados de hidantoínas. Estes, são conhecidos por possuírem uma grande variedade de propriedades bioquímicas e farmacológicas, sendo portanto usados para tratarem algumas doenças em humanos, como a epilepsia. Nestes, estão englobados compostos com actividade anti-convulsão que constitui a sua grande mais-valia e, dependente da substituição no anel que os constitui, uma grande variedade de outras propriedades farmacológicas como a anti-fungica, a anti-arritmica, a anti-viral, a anti-diabética ou por exemplo a antagonização de determinados receptores, como os da serotonina. Apesar de pouco usados em estudos experimentais para desenvolver substâncias anti-carcinogénicas, existem alguns estudos com este efeito. Objectivos: O presente projecto envolve o estudo de bombas de efluxo primárias e secundárias, em células eucariotas e procariotas, respectivamente. Em bactérias, foram usados quatro modelos experimentais: Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus faecalis ATCC 29212, E. coli AG 100 e Salmonella Enteritidis NCTC 13349. Em células de cancro foram usadas, células T de linfoma de rato parentais e células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1. O principal objectivo deste estudo foi a pesquisa de novos moduladores de bombas de efluxo presentes em bactérias e células do cancro, tentando assim contribuir para o desenvolvimento de novos agentes farmacológicos que consigam reverter a multi-resistência a medicamentos. Assim sendo foram testados trinta compostos derivados de hidantoínas: SZ-2, SZ-7, LL-9, BS-1, JH-63, MN-3, TD-7k, GG-5k, P3, P7, P10, P11, RW-15b, AD-26, RW-13, AD-29, KF-2, PDPH-3, Mor-1, KK-XV, Thioam-1, JHF-1, JHC-2, JHP-1, Fur-2, GL-1, GL-7, GL-14, GL-16, GL-18. Como forma de atingir estes objectivos, a actividade biológica dos trinta compostos derivados de hidantoínas foi avaliada nas quatro estirpes de bactérias da seguinte forma: foram determinadas as concentrações mínimas inibitórias dos trinta compostos como forma de definir as concentrações em que os compostos seriam utilizados. Os compostos foram posteriormente testadas com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo, que é um substrato comum em bombas de efluxo bacterianas, desenvolvido por Viveiros et al. A actividade biológica dos compostos derivados de hidantoínas nas células de cancro foi demonstrada por diferentes métodos. O efeito anti-proliferativo e citotóxico dos trinta compostos foi avaliado nas células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1 pelo método de thiazolyl de tetrazólio (MTT). Como o brometo de etídeo também é expelido pelos transportadores ABC, estes compostos foram posteriormente testados com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo desenvolvido por Spengler et al nos dois diferentes tipos de células eucariotas. Resultados: A maioria dos compostos derivados de hidantoínas foi eficaz na modulação de bombas de efluxo, nas duas estirpes de bactérias Gram-negativas e nos dois diferentes tipos de células T de linfoma. Em contraste com estes resultados, nas duas estirpes de células Gram-positivas, a maioria dos compostos tiveram pouco efeito na inibição de bombas de efluxo ou até nenhum, em muitos dos casos. De uma maneira geral os melhores compostos nas diferentes estirpes de bactérias foram: Thioam-1, SZ-2, P3, Rw-15b, AD-26, AD-29, GL-18, GL-7, KF-2, SZ-7, MN-3, GL-16 e GL- 14. Foram portanto estes os compostos que provocaram maior acumulação de brometo de etídeo, inibindo assim com maior eficácia as bombas de efluxo. No presente estudo, a maioria dos compostos conseguiu inibir a resistência provocada pela bomba de efluxo ABCB1, tanto nas células parentais bem como nas células que sobre-expressam esta bomba, causando a acumulação de brometo de etídeo dentro das células. As células que sobreexpressam a bomba ABCB1 foram posteriormente testadas com citometria de fluxo que é a técnica padrão para pesquisa de inibidores de bombas de efluxo. Os compostos que foram mais efectivos na inibição da bomba ABCB1, causando assim maior acumulação de brometo de etídeo nas células que sobre-expressam esta bomba foram: PDPH-3, GL-7, KK-XV, AD-29, Thioam-1, SZ-7, KF-2, MN-3, RW-13, LL-9, P3, AD-26, JH-63 e RW- 15b. Este facto não corroborou totalmente os resultados da citometria de fluxo uma vez que os moduladores que provocaram maior inibição da bomba ABCB1 foram o MN-3, JH-63 e o BS-1, sendo que o último não foi seleccionado como um bom composto usando o método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo. Conclusão: Os compostos derivados de hidantoínas testados tiveram maior efeito nas estirpes de bactérias Gram-negativas do que nas Gram-positivas. Relativamente às células eucariotas, as estruturas mais activas apresentam substituintes aromáticos bem como alguns fragmentos aminicos terciários.

Development of new biomaterials based on liquid crystalline phases of cellulose derivatives

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Numerical analysis of the initial conditions in fractional systems

Fractional dynamics is a growing topic in theoretical and experimental scientific research. A classical problem is the initialization required by fractional operators. While the problem is clear from the mathematical point of view, it constitutes a challenge in applied sciences. This paper addresses the problem of initialization and its effect upon dynamical system simulation when adopting numerical approximations. The results are compatible with system dynamics and clarify the formulation of adequate values for the initial conditions in numerical simulations.

Fractional Order Generalized Information

This paper formulates a novel expression for entropy inspired in the properties of Fractional Calculus. The characteristics of the generalized fractional entropy are tested both in standard probability distributions and real world data series. The results reveal that tuning the fractional order allow an high sensitivity to the signal evolution, which is useful in describing the dynamics of complex systems. The concepts are also extended to relative distances and tested with several sets of data, confirming the goodness of the generalization.

Rhapsody in Fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

Fractional Dynamics of Computer Virus Propagation

We propose a fractional model for computer virus propagation. The model includes the interaction between computers and removable devices. We simulate numerically the model for distinct values of the order of the fractional derivative and for two sets of initial conditions adopted in the literature. We conclude that fractional order systems reveal richer dynamics than the classical integer order counterpart. Therefore, fractional dynamics leads to time responses with super-fast transients and super-slow evolutions towards the steady-state, effects not easily captured by the integer order models.