Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Closed hybrid hierarchical reservoirs based on the deconstruction of the cellular native microenvironment

The stem cell niche organization and dynamics provide valuable cues for the development of mimetic environments that could have potential to stimulate the regenerative process. We propose the use of biodegradable biomaterials to produce closed miniaturised structures able to encapsulate different cell types or bioactive molecules. In particular, capsules are fabricated using the so-called layer-by-layer technology, where the consecutive (nano-sized) layers are well stabilized by electrostatic interactions or other weak forces. Using alginate-based spherical templates containing cells or other elements (e.g. proteins, magnetic nanoparticles, microparticles) it is possible to produce liquefied capsules that may entrap the entire cargo under mild conditions. The inclusion of liquefied micropcapsules may be used to produce hierarchical compartmentalised systems for the delivery of bioactive agents. The presence of solid microparticles inside such capsules offers adequate surface area for adherent cell attachment increasing the biological performance of these hierarchical systems, while maintain both permeability and injectability. We demonstrated that the encapsulation of distinct cell types (including mesenchymal stem cells and endothelial cells) enhances the osteogenic capability of this system, that could be useful in bone tissue engineering applications.

Feasibility of internally stiffened thin-walled beams for industrial applications

Several types of internally reinforced thin-walled beams are subjected to a feasibility evaluation of its mechanical behavior for industrial applications. The adapting of already existing efficient sandwich geometries to hollow-box beams of larger dimensions may reveal promising results. Novel types of sandwich beams under bending and torsion uncoupled loadings are studied in terms of stiffness behavior in static analysis. For the analysis of the solutions, the models are built using the Finite Element Method (FEM) software ANSYS Mechanical APDL. The feasibility of the novel beams was determined by the comparison of the stiffness behavior of the novel hollow-box beams with conventional hollow-box beams. An efficiency parameter was defined in order to determine the feasibility. It is found that the novel geometries represent an excellent improvement under bending loadings, better than under torsion loadings. Nevertheless, for bending and torsion combined loadings, if bending loads are predominant, the beams can still be interesting for some applications, in particular those with mobile parts.

Route optimization and customization using real geographical data in Android mobile devices

Nowadays, there are several services and applications that allow users to locate and move to different tourist areas using a mobile device. These systems can be used either by internet or downloading an application in concrete places like a visitors centre. Although such applications are able to facilitate the location and the search for points of interest, in most cases, these services and applications do not meet the needs of each user. This paper aims to provide a solution by studying the main projects, services and applications, their routing algorithms and their treatment of the real geographical data in Android mobile devices, focusing on the data acquisition and treatment to improve the routing searches in off-line environments.

Optimization of floor cleaning coverage performance of a random path-planning mobile robot

Floor cleaning is a typical robot application. There are several mobile robots aviable in the market for domestic applications most of them with random path-planning algorithms. In this paper we study the cleaning coverage performances of a random path-planning mobile robot and propose an optimized control algorithm, some methods to estimate the are of the room, the evolution of the cleaning and the time needed for complete coverage.

Discovering the campus together: a mobile and computer-based learning experience

One of the most relevant difficulties faced by first-year undergraduate students is to settle into the educational environment of universities. This paper presents a case study that proposes a computer-assisted collaborative experience designed to help students in their transition from high school to university. This is done by facilitating their first contact with the campus and its services, the university community, methodologies and activities. The experience combines individual and collaborative activities, conducted in and out of the classroom, structured following the Jigsaw Collaborative Learning Flow Pattern. A specific environment including portable technologies with network and computer applications has been developed to support and facilitate the orchestration of a flow of learning activities into a single integrated learning setting. The result is a Computer-Supported Collaborative Blended Learning scenario, which has been evaluated with first-year university students of the degrees of Software and Audiovisual Engineering within the subject Introduction to Information and Communications Technologies. The findings reveal that the scenario improves significantly students’ interest in their studies and their understanding about the campus and services provided. The environment is also an innovative approach to successfully support the heterogeneous activities conducted by both teachers and students during the scenario. This paper introduces the goals and context of the case study, describes how the technology was employed to conduct the learning scenario, the evaluation methods and the main results of the experience.

System-level Support for Mobile Ad hoc Communications: an Algorithmic & Practical Approach

A mobile ad hoc network (MANET) is a decentralized and infrastructure-less network. This thesis aims to provide support at the system-level for developers of applications or protocols in such networks. To do this, we propose contributions in both the algorithmic realm and in the practical realm. In the algorithmic realm, we contribute to the field by proposing different context-aware broadcast and multicast algorithms in MANETs, namely six-shot broadcast, six-shot multicast, PLAN-B and ageneric algorithmic approach to optimize the power consumption of existing algorithms. For each algorithm we propose, we compare it to existing algorithms that are either probabilistic or context-aware, and then we evaluate their performance based on simulations. We demonstrate that in some cases, context-aware information, such as location or signal-strength, can improve the effciency. In the practical realm, we propose a testbed framework, namely ManetLab, to implement and to deploy MANET-specific protocols, and to evaluate their performance. This testbed framework aims to increase the accuracy of performance evaluation compared to simulations, while keeping the ease of use offered by the simulators to reproduce a performance evaluation. By evaluating the performance of different probabilistic algorithms with ManetLab, we observe that both simulations and testbeds should be used in a complementary way. In addition to the above original contributions, we also provide two surveys about system-level support for ad hoc communications in order to establish a state of the art. The first is about existing broadcast algorithms and the second is about existing middleware solutions and the way they deal with privacy and especially with location privacy. - Un réseau mobile ad hoc (MANET) est un réseau avec une architecture décentralisée et sans infrastructure. Cette thèse vise à fournir un support adéquat, au niveau système, aux développeurs d'applications ou de protocoles dans de tels réseaux. Dans ce but, nous proposons des contributions à la fois dans le domaine de l'algorithmique et dans celui de la pratique. Nous contribuons au domaine algorithmique en proposant différents algorithmes de diffusion dans les MANETs, algorithmes qui sont sensibles au contexte, à savoir six-shot broadcast,six-shot multicast, PLAN-B ainsi qu'une approche générique permettant d'optimiser la consommation d'énergie de ces algorithmes. Pour chaque algorithme que nous proposons, nous le comparons à des algorithmes existants qui sont soit probabilistes, soit sensibles au contexte, puis nous évaluons leurs performances sur la base de simulations. Nous montrons que, dans certains cas, des informations liées au contexte, telles que la localisation ou l'intensité du signal, peuvent améliorer l'efficience de ces algorithmes. Sur le plan pratique, nous proposons une plateforme logicielle pour la création de bancs d'essai, intitulé ManetLab, permettant d'implémenter, et de déployer des protocoles spécifiques aux MANETs, de sorte à évaluer leur performance. Cet outil logiciel vise à accroître la précision desévaluations de performance comparativement à celles fournies par des simulations, tout en conservant la facilité d'utilisation offerte par les simulateurs pour reproduire uneévaluation de performance. En évaluant les performances de différents algorithmes probabilistes avec ManetLab, nous observons que simulateurs et bancs d'essai doivent être utilisés de manière complémentaire. En plus de ces contributions principales, nous fournissons également deux états de l'art au sujet du support nécessaire pour les communications ad hoc. Le premier porte sur les algorithmes de diffusion existants et le second sur les solutions de type middleware existantes et la façon dont elles traitent de la confidentialité, en particulier celle de la localisation.

Demonstration Project 85, Video Imagery Systems for Highway Applications, HR-1047, 1990

The report describes the state of the art video equipment used and experiences gained from the 6,800 mile field test. The first objective of this project was to determine if laser disc equipment could capture and store usable roadway images while operating in a mobile environment. The second objective was to evaluate methods of using optical disc storage and retrieval features to enhance highway planning and design function. Several highway departments have attempted to use video technology to replace the traditional 16 and 35 mm film format used in photologging. These attempts have met with limited success because of the distortion caused by video technology not being capable of dealing with highway speeds. The distortion has caused many highway signs to be unreadable and, therefore, clients have labeled the technology unusable. Two methods of using optical laser disc storage and retrieval have been successfully demonstrated by Wisconsin and Connecticut Departments of Transportation. Each method provides instantaneous retrieval and linking of images with other information. However, both methods gather the images using 35 mm film techniques. The 35 mm film image is then transferred to laser disc. Eliminating the film conversion to laser disc has potential for saving $4 to $5 per logging mile. In addition to a cost savings, the image would be available immediately as opposed to delays caused by film developing and transferring to laser disc. In June and November of 1986 Iowa DOT staff and cooperating equipment suppliers demonstrated the concept of direct image capture. The results from these tests were promising and an FHWA Demonstration program established. Since 1986 technology advancements have been incorporated into the design that further improve the image quality originally demonstrated.

JXTA security in mobile constrained devices

JXME is the JXTA protocols implementation formobile devices using J2ME. Two different flavors of JXME have been implemented, each one specific for a particular set of devices, according to their capabilities. The main value of JXME is its simplicity to create peer-to-peer (P2P) applications in limited devices. In addition to assessing JXME functionalities, it is also important to realize the default security level provided. This paper presents a brief analysis of the current state of security in JXME, focusing on the JXME-Proxied version, identifies existing vulnerabilities and proposes further improvements in this field.

Wireless Application Test Bed and Simulations for Broadband Mobile Communications Systems

Langattoman laajakaistaisen tietoliikennetekniikan kehittyminen on herättänyt kiinnostuksen sen ammattimaiseen hyödyntämiseen yleisen turvallisuuden ja kriisinhallinnan tarpeisiin. Hätätilanteissa usein olemassa olevat kiinteät tietoliikennejärjestelmät eivät ole ollenkaan käytettävissä tai niiden tarjoama kapasiteetti ei ole riittävä. Tästä syystä on noussut esiin tarve nopeasti toimintakuntoon saatettaville ja itsenäisille langattomille laajakaistaisille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tarkoitus tutkia langattomia ad hoc monihyppy -verkkoja yleisen turvallisuuden tarpeiden pohjalta ja toteuttaa testialusta, jolla voidaan demonstroida sekä tutkia tällaisen järjestelmän toimintaa käytännössä. Työssä tutkitaan pisteestä pisteeseen sekä erityisesti pisteestä moneen pisteeseen suoritettavaa tietoliikennettä. Mittausten kohteena on testialustan tiedonsiirtonopeus, lähetysteho ja vastaanottimen herkkyys. Näitä tuloksia käytetään simulaattorin parametreina, jotta simulaattorin tulokset olisivat mahdollisimman aidot ja yhdenmukaiset testialustan kanssa. Sen jälkeen valitaan valikoima yleisen turvallisuuden vaatimusten mukaisia ohjelmia ja sovellusmalleja, joiden suorituskyky mitataan erilaisten reititysmenetelmien alaisena sekä testialustalla että simulaattorilla. Tuloksia arvioidaan ja vertaillaan. Multicast monihyppy -video päätettiin sovelluksista valita tutkimusten pääkohteeksi ja sitä sekä sen ominaisuuksia on tarkoitus myös oikeissa kenttäkokeissa.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Java Specification Request development on a mobile device

Nykyaikaiset Java-teknologiaa sisältävät matkapuhelimet kehittyvät vauhdikkaasti prosessoritehon, muistin määrän sekä uusien käyttöjärjestelmäversioiden tarjoamien ominaisuuksien myötä. Laitteiden näyttöjen koko tulee pysymään pienenä,mutta silti moninaista multimediasisältöä äänen, videon ja kuvan osilta voidaanhuomattavasti parantaa JSR 234:n eli kehittyneen multimedialaajennuksen avulla.Erityisesti edistyneet ääniominaisuudet ovat tervetullut lisä, sillä viime aikojen kehitys matkapuhelimissa on saanut aikaan niiden muuntumisen myös kannettavaksi musiikkisoittimiksi. Diplomityössä JSR 234 -spesifikaation tietty osa kehitettiin ympäristössä, joka koostui Series 60 -ohjelmistoalustankolmannesta versiosta sekä Symbian OS v9.1 käyttöjärjestelmästä. Tuloksena syntynyt Java-rajapinta tarjoaa sovelluskehittäjille yksinkertaisemman lähestymistavan Symbianin efektirajapintaan piilottaen samalla alla olevan käyttöjärjestelmänmonimutkaisuuden. Toteutuksen täytyy olla läpikotaisin testattu, jotta voidaan varmentua sen noudattavan tarkkaan JSR 234 -spesifikaatiota. Työssä on esitelty useita eri testausmenetelmiä tarkoituksena saavuttaa projektissa paras mahdollinen laatu.

Cryo-negative staining: advantages and applications for three-dimensional electron microscopy of biological macromolecules

Les échantillons biologiques ne s?arrangent pas toujours en objets ordonnés (cristaux 2D ou hélices) nécessaires pour la microscopie électronique ni en cristaux 3D parfaitement ordonnés pour la cristallographie rayons X alors que de nombreux spécimens sont tout simplement trop << gros D pour la spectroscopie NMR. C?est pour ces raisons que l?analyse de particules isolées par la cryo-microscopie électronique est devenue une technique de plus en plus importante pour déterminer la structure de macromolécules. Néanmoins, le faible rapport signal-sur-bruit ainsi que la forte sensibilité des échantillons biologiques natifs face au faisceau électronique restent deux parmi les facteurs limitant la résolution. La cryo-coloration négative est une technique récemment développée permettant l?observation des échantillons biologiques avec le microscope électronique. Ils sont observés à l?état vitrifié et à basse température, en présence d?un colorant (molybdate d?ammonium). Les avantages de la cryo-coloration négative sont étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus révèlent que les problèmes majeurs peuvent êtres évités par l?utilisation de cette nouvelle technique. Les échantillons sont représentés fidèlement avec un SNR 10 fois plus important que dans le cas des échantillons dans l?eau. De plus, la comparaison de données obtenues après de multiples expositions montre que les dégâts liés au faisceau électronique sont réduits considérablement. D?autre part, les résultats exposés mettent en évidence que la technique est idéale pour l?analyse à haute résolution de macromolécules biologiques. La solution vitrifiée de molybdate d?ammonium entourant l?échantillon n?empêche pas l?accès à la structure interne de la protéine. Finalement, plusieurs exemples d?application démontrent les avantages de cette technique nouvellement développée.<br/><br/>Many biological specimens do not arrange themselves in ordered assemblies (tubular or flat 2D crystals) suitable for electron crystallography, nor in perfectly ordered 3D crystals for X-ray diffraction; many other are simply too large to be approached by NMR spectroscopy. Therefore, single-particles analysis has become a progressively more important technique for structural determination of large isolated macromolecules by cryo-electron microscopy. Nevertheless, the low signal-to-noise ratio and the high electron-beam sensitivity of biological samples remain two main resolution-limiting factors, when the specimens are observed in their native state. Cryo-negative staining is a recently developed technique that allows the study of biological samples with the electron microscope. The samples are observed at low temperature, in the vitrified state, but in presence of a stain (ammonium molybdate). In the present work, the advantages of this novel technique are investigated: it is shown that cryo-negative staining can generally overcome most of the problems encountered with cryo-electron microscopy of vitrified native suspension of biological particles. The specimens are faithfully represented with a 10-times higher SNR than in the case of unstained samples. Beam-damage is found to be considerably reduced by comparison of multiple-exposure series of both stained and unstained samples. The present report also demonstrates that cryo-negative staining is capable of high- resolution analysis of biological macromolecules. The vitrified stain solution surrounding the sample does not forbid the access to the interna1 features (ie. the secondary structure) of a protein. This finding is of direct interest for the structural biologist trying to combine electron microscopy and X-ray data. developed electron microscopy technique. Finally, several application examples demonstrate the advantages of this newly

Investigation of interaction between native and impurity defects in ZnSe

Zinc selenide is a prospective material for optoelectronics. The fabrication of ZnSe­based light-emitting diodes is hindered by complexity of p-type doping of the component materials. The interaction between native and impurity defects, the tendency of doping impurity to form associative centres with native defects and the tendency to self-compensation are the main factors impeding effective control of the value and type of conductivity. The thesis is devoted to the study of the processes of interaction between native and impurity defects in zinc selenide. It is established that the Au impurity has the most prominent amphoteric properties in ZnSe among Cu, Ag and Au impurities, as it forms a great number of both Au; donors and Auz„ acceptors. Electrical measurements show that Ag and Au ions introduced into vacant sites of the Zn sublattice form simple single-charged Agz„+ and Auzn+ states with d1° electron configuration, while Cu ions can form both single-charged Cuz„ (d1) and double-charged Cuzr`+ (d`o) centres. Amphoteric properties of Ag and Au transition metals stimulated by time are found for the first time from both electrical and luminescent measurements. A model that explains the changes in electrical and luminescent parameters by displacement of Ag ions into interstitial sites due to lattice deformation forces is proposed. Formation of an Ag;-donor impurity band in ZnSe samples doped with Ag and stored at room temperature is also studied. Thus, the properties of the doped samples are modified due to large lattice relaxation during aging. This fact should be taken into account in optoelectronic applications of doped ZnSe and related compounds.

Component Architecture for Context-Aware Applications

Mobiililaitteisiin tehdyt sovellukset ovat nykyään laajassa käytössä. Mobiilisovellukset tarjoavat käyttäjälleen usein tietyn ennalta määritellyn toiminnallisuuden eivätkä ne pysty mukautumaan vaihtelevaan käyttöympäristöönsä. Jos sovellus olisi tietoinen käyttöympäristöstään ja sen muutoksista, se voisi tarjota käyttäjälleen tilanteeseen sopivia ominaisuuksia. Käyttöympäristöstään tietoiset hajautetut sovellukset tarvitsevat kuitenkin huomattavasti perinteisiä sovelluksia monimutkaisemman arkkitehtuurin toimiakseen. Tässä työssä esitellään hajautetuille ja kontekstitietoisille sovelluksille tarkoitettu ohjelmistoarkkitehtuuri. Työ perustuu Oulun yliopiston CAPNET-tutkimusprojektissa kehitettyyn, mobiilisovelluksille tarkoitettuun arkkitehtuuriin. Tämän työn tarkoituksena on tarjota ratkaisuja niihin puutteisiin, jotka tulivat esille CAPNET-arkkitehtuurin kehitys- ja testausvaiheessa. Esimerkiksi arkkitehtuurin komponenttien määrittelyä tulisi tarkentaa ja ne tulisi jakaa horisontaalisiin kerroksiin niiden ominaisuuksien ja alustariippuvuuden mukaisesti. Työssä luodaan katsaus olemassa oleviin teknologioihin jotka tukevat hajautettujen ja kontekstitietoisten järjestelmien kehittämistä. Myös niiden soveltumista CAPNET-arkkitehtuuriin analysoidaan. Työssä esitellään CAPNET-arkkitehtuuri ja ehdotetaan uutta arkkitehtuuria ja komponenttien kerrosjaottelua. Ehdotuksessa arkkitehtuurin komponentit ja järjestelmän rakenne määritellään ja mallinnetaan UML-menetelmällä. Työn tuloksena on arkkitehtuurimäärittely, joka jakaa nykyisen arkkitehtuurin komponentit kerroksiin. Komponenttien rajapinnat on määritelty selkeästi ja tarkasti. Työ tarjoaa myös projektiryhmälle hyvän lähtökohdan uuden arkkitehtuurin suunnittelulle ja toteuttamiselle.