Writing/erasing 3D micro and nano wrinkles in flexible elastomers for volatile organic compounds sensor

Micro/nano wrinkled patterns on cross-linked urethane/urea polymeric flexible free standing films with two soft segments, polypropylene oxide and polybutadiene, can be induced by UV-irradiation. The ability to write/erase these 3D structures, in a controlled manner, is the main focus of this work. The imprinting of the wrinkled structures was accomplished by swelling in an appropriate solvent followed by drying the membranes after the cross-linking process and UV irradiation. The surface tailoring of the elastomeric membranes was imaged by optical microscopy, scanning electronic microscopy and by atomic force microscopy. To erase the wrinkled structures the elastomers were swollen. The swelling as well as the sol/gel fraction and the UV radiation were tuned in order to control the wrinkles characteristics. It was found that the wrinkles wavelength, in the order of microns (1±0,25μm), was stamped by the UV radiation intensity and exposure time while the wrinkles' amplitude, in the order of nanometers (150-450 nm), was highly dependent on the swelling and sol/gel fraction. A prototype for volatile organic compounds detection was developed taking advantage of the unique 3D micro/nano wrinkles features.

Dynamic stiffness of the piled foundation of a onshore wind turbine

One of today's biggest concerns is the increase of energetic needs, especially in the developed countries. Among various clean energies, wind energy is one of the technologies that assume greater importance on the sustainable development of humanity. Despite wind turbines had been developed and studied over the years, there are phenomena that haven't been yet fully understood. This work studies the soil-structure interaction that occurs on a wind turbine's foundation composed by a group of piles that is under dynamic loads caused by wind. This problem assumes special importance when the foundation is implemented on locations where safety criteria are very demanding, like the case of a foundation mounted on a dike. To the phenomenon of interaction between two piles and the soil between them it's given the name of pile-soil-pile interaction. It is known that such behavior is frequency dependent, and therefore, on this work evaluation of relevant frequencies for the intended analysis is held. During the development of this thesis, two methods were selected in order to assess pile-soil-pile interaction, being one of analytical nature and the other of numerical origin. The analytical solution was recently developed and its called Generalized pile-soil-pile theory, while for the numerical method the commercial nite element software PLAXIS 3D was used. A study of applicability of the numerical method is also done comparing the given solution by the nite element methods with a rigorous solution widely accepted by the majority of the authors.

Criação de software para análise do batimento ciliar em peixe-zebra

O peixe-zebra é utilizado como modelo vertebrado para estudos in vivo de diversas patologias de origem genética. Neste trabalho pretendeu-se estudar a discinesia ciliar primária através do estudo in vivo do organizador da esquerda-direita destes peixes, conhecido por vesícula de Kupffer. Em particular, após análise de sequências de imagens captadas a alta velocidade, avaliou-se o com-portamento dinâmico de cílios normais e comparou-se com o de cílios com alte-rações genéticas com o objectivo de melhor compreender os processos que in-fluenciam a localização assimétrica dos órgãos internos, associados a esta doen-ça. De vídeos obtidos por microscopia de alta velocidade do interior da vesí-cula de Kupffer foram analisados 32 cílios, sendo 8 normais e os restantes cílios pertencentes a três alterações genéticas diferentes: subexpressão de Pkd2, so-brexpressão de Arl13b e mutação no gene deltaD. Para cada cílio calculou-se a frequência de batimento e caracterizou-se quantitativamente o movimento. Esta última análise teve como base a segmentação manual do cílio em quatro pontos definindo a base, o meio e a ponta. De seguida, estudou-se a dinâmica de cada uma das rectas constituídas por estas três estruturas ao longo do tempo. Com recurso à análise estatística ANOVA podemos comprovar diferenças no movi-mento entre os cílios alterados quando comparados com os normais. A análise da frequência demonstrou que todos os cílios estudados possu-em uma frequência média 34,9 Hz. Demonstrou-se ainda que, quando compa-rados com cílios normais, os cílios Pkd2 possuem um movimento 60% mais rí-gido, os Alr13b são caracterizados por amplitudes angulares 26% superiores no seu movimento e, por fim, a relação entre as amplitudes base/meio é 23% supe-rior nos cílios Delta D. Para implementar estes estudos, desenvolveu-se uma ferramenta baseada num plugin para ImageJ conjuntamente com códigos em R, que poderá vir a ser utilizada em investigações da discinesia ciliar primária em peixes-zebra.

Modelação não linear de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio no software OpenSees

Os incêndios em edifícios representam um fenómeno que pode ter consequências devastadoras quando não controlado, não só em termos de perdas de vidas humanas, como em termos económicos. No passado, a ocorrência de incêndios de grandes dimensões mostrou os efeitos do fogo descontrolado nos edifícios, assim como a ineficiência dos meios de segurança ativa ao fogo. Nas últimas duas décadas, estas questões motivaram o estudo e compreensão da ação dos incêndios nas estruturas dos edifícios. Neste trabalho estuda-se a modelação da ação do fogo em estruturas metálicas e mistas, com o objetivo de contribuir para a sua melhor caracterização. A presente tese foca-se na validação e compreensão da implementação de análises termo-mecânicas a estruturas mistas no software de elementos finitos OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation), contribuindo assim para futuros estudos, não só de análises de estruturas mistas sujeitas a incêndio, mas também de análises de estruturas mistas sujeitas a eventos consecutivos, como sismo seguido de incêndio. Neste trabalho é feita uma breve descrição do fenómeno fogo, assim como dos processos inerentes à dinâmica de um incêndio que constituem uma fonte de incerteza para a modelação de cenários de incêndio num edifício. Posto isto, são abordados alguns modelos de incêndios presentes nos Eurocódigos, assim como o recente modelo de fogos móveis(“Travelling fires”). São realizados exemplos de aplicação no software e dois casos de estudo. O primeiro consiste na modelação de dois ensaios ao fogo realizados na Alemanha em 1986 em estruturas metálicas à escala 1/4. O segundo consiste na modelação de um ensaio ao fogo a uma viga de betão armado simplesmente apoiada, realizado no Instituto Superior Técnico em 2010. Os modelos numéricos desenvolvidos no OpenSees contabilizam as não linearidades físicas e geométricas, com elementos finitos de plasticidade distribuída e com uma formulação baseada em deslocamentos. Os resultados numéricos são então comparados com os experimentais, de modo a validar as análises termo-mecânicas no OpenSees.

A solution for estimates in software development projects

The Corporate world is becoming more and more competitive. This leads organisations to adapt to this reality, by adopting more efficient processes, which result in a decrease in cost as well as an increase of product quality. One of these processes consists in making proposals to clients, which necessarily include a cost estimation of the project. This estimation is the main focus of this project. In particular, one of the goals is to evaluate which estimation models fit the Altran Portugal software factory the most, the organization where the fieldwork of this thesis will be carried out. There is no broad agreement about which is the type of estimation model more suitable to be used in software projects. Concerning contexts where there is plenty of objective information available to be used as input to an estimation model, model-based methods usually yield better results than the expert judgment. However, what happens more frequently is not having this volume and quality of information, which has a negative impact in the model-based methods performance, favouring the usage of expert judgement. In practice, most organisations use expert judgment, making themselves dependent on the expert. A common problem found is that the performance of the expert’s estimation depends on his previous experience with identical projects. This means that when new types of projects arrive, the estimation will have an unpredictable accuracy. Moreover, different experts will make different estimates, based on their individual experience. As a result, the company will not directly attain a continuous growing knowledge about how the estimate should be carried. Estimation models depend on the input information collected from previous projects, the size of the project database and the resources available. Altran currently does not store the input information from previous projects in a systematic way. It has a small project database and a team of experts. Our work is targeted to companies that operate in similar contexts. We start by gathering information from the organisation in order to identify which estimation approaches can be applied considering the organization’s context. A gap analysis is used to understand what type of information the company would have to collect so that other approaches would become available. Based on our assessment, in our opinion, expert judgment is the most adequate approach for Altran Portugal, in the current context. We analysed past development and evolution projects from Altran Portugal and assessed their estimates. This resulted in the identification of common estimation deviations, errors, and patterns, which lead to the proposal of metrics to help estimators produce estimates leveraging past projects quantitative and qualitative information in a convenient way. This dissertation aims to contribute to more realistic estimates, by identifying shortcomings in the current estimation process and supporting the self-improvement of the process, by gathering as much relevant information as possible from each finished project.

Novo Software para análise do epitélio nasal humano

A discinesia ciliar primária (DCP) resulta de disfunção ciliar no ser humano, estando associada a um conjunto de sintomas muito diversificados. É uma doença respiratória rara caracterizada por infecções respiratórias, situs inversus, infertilidade e hidrocefalia. Em Portugal não existe nenhum centro de diagnóstico da doença. Mas a inten-ção de criar um surgiu, seguindo o método de centros de diagnóstico para DCP utilizado noutros países. Este diagnóstico consiste em recolher amostras dos cílios do nariz, através do método de escovagem nasal e obter a gravação do batimento das células ciliadas por uma câmara de alta velocidade acoplada a um microscópio com objectivas de alta resolução. É possível estudar a DCP através da análise do comportamento físico dos cílios, e, para uma melhor abordagem, foi desenvolvido um programa executável, em C#, para análise destas amostras. Este, após a escolha de uma zona de interesse da sequência de imagens pelo utilizador (ROI), detecta as frequências do bati-mento ciliar, indicando uma lista com as percentagens das frequências obtidas e cria um mapa de frequências do ROI. A ferramenta permite ainda calcular o comprimento do cílio e realizar um estudo do movimento do mesmo, algo que ainda não foi abordado por outros programas. O código desenvolvido permitirá, assim, obter um diagnóstico de DCP em Por-tugal, rápido e nalguns casos com um melhor desempenho do que a inspecção visual seguida noutros centros de diagnóstico.

Plataforma online de partilha e comparação de software para análise de imagens da retina

Nesta Tese foi desenvolvida uma plataforma online multiutilizador, que tem como objetivo principal comparar algoritmos de análise de imagens para de-terminar o seu grau de eficácia. Um exemplo de aplicação é a comparação de algoritmos de análise de imagens da retina para deteção de drusas. A compa-ração é feita considerando um dos algoritmos como referência padrão e sobre o este são avaliados os restantes. O funcionamento da plataforma é semelhante à de um fórum, onde é possível a um utilizador criar tópicos publicando imagens e seu descritivo. Após a cria-ção do tópico qualquer utilizador pode visualizar o mesmo, dando a hipótese de comentar ou de acrescentar imagens processadas com os seus próprios al-goritmos de análise. Com o aumento de imagens processadas, obtém-se uma base de dados de algoritmos de análise de imagens sobre a qual é possível avaliar o seu grau de eficácia. A plataforma pretende também criar comunidades onde os utilizadores pos-sam interagir uns com os outros comentando sobre os tópicos, contribuindo assim para o melhoramento dos algoritmos. Deste modo, além de uma base de dados que qualquer utilizador pode usar, obtém-se uma fonte de informação disponibilizada por outros profissionais da área.

O uso do software de edição áudio Audacity 2.0.5: aprendizagens decorrentes da sua utilização

Contém CD com áudio como anexo

Produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais

A Engenharia de Tecidos surge da necessidade recorrente de regenerar ou recriar órgãos e tecidos danificados devido a vários tipos de trauma. A carência de funcionalidades resultante pode ser resolvida através da implantação de substitutos bio-sintéticos. O presente trabalho consiste na produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais com futura aplicação em substituintes ósseos sintéticos para fraturas de não-união. O substituinte ósseo consiste numa estrutura denominada Inverse colloidal crystal (ICC), em que a sua organização singular resulta numa homogénea proliferação celular e num aumento das propriedades mecânicas, quando comparada com outros substituintes. O primeiro passo para a obtenção desta estrutura é a produção de microesferas de poliestireno, por uma técnica baseada em microfluídica. Posteriormente as microesferas são empacotadas resultando numa estrutura coesa com ligações entre microesferas vizinhas. O preenchimento dos espaços vazios entre microesferas pelo biomaterial pretendido e posterior remoção das microesferas dá origem à estrutura porosa do ICC. ICCs poliméricos (ϕCs = 1,00) e compósitos (ϕCs = 0,86 e ϕHA = 0,14; ϕCs = 0,67 e ϕHA = 0,33; ϕCs = ϕHA = 0,50) são produzidos e as suas propriedades mecânicas são testadas através de ensaios de compressão e comparadas com outros substituintes sintéticos. Para avaliação do comportamento dos materiais em contacto com meio biológico, foram realizados testes de citotoxicidade que revelaram uma viabilidade celular acima dos 80% em todos os ICCs.

Development of 3D in vitro models for prediction of hepatic metabolism and toxicity

The development of human cell models that recapitulate hepatic functionality allows the study of metabolic pathways involved in toxicity and disease. The increased biological relevance, cost-effectiveness and high-throughput of cell models can contribute to increase the efficiency of drug development in the pharmaceutical industry. Recapitulation of liver functionality in vitro requires the development of advanced culture strategies to mimic in vivo complexity, such as 3D culture, co-cultures or biomaterials. However, complex 3D models are typically associated with poor robustness, limited scalability and compatibility with screening methods. In this work, several strategies were used to develop highly functional and reproducible spheroid-based in vitro models of human hepatocytes and HepaRG cells using stirred culture systems. In chapter 2, the isolation of human hepatocytes from resected liver tissue was implemented and a liver tissue perfusion method was optimized towards the improvement of hepatocyte isolation and aggregation efficiency, resulting in an isolation protocol compatible with 3D culture. In chapter 3, human hepatocytes were co-cultivated with mesenchymal stem cells (MSC) and the phenotype of both cell types was characterized, showing that MSC acquire a supportive stromal function and hepatocytes retain differentiated hepatic functions, stability of drug metabolism enzymes and higher viability in co-cultures. In chapter 4, a 3D alginate microencapsulation strategy for the differentiation of HepaRG cells was evaluated and compared with the standard 2D DMSO-dependent differentiation, yielding higher differentiation efficiency, comparable levels of drug metabolism activity and significantly improved biosynthetic activity. The work developed in this thesis provides novel strategies for 3D culture of human hepatic cell models, which are reproducible, scalable and compatible with screening platforms. The phenotypic and functional characterization of the in vitro systems performed contributes to the state of the art of human hepatic cell models and can be applied to the improvement of pre-clinical drug development efficiency of the process, model disease and ultimately, development of cell-based therapeutic strategies for liver failure.

Produção e caracterização de espumas 3D obtidas por electrofiação para aplicação em engenharia de tecidos

A produção de estruturas tridimensionais poliméricas tem sido foco de estudo por parte da Engenharia de Células e Tecidos, pelo que mimetizam melhor as condições in vivo dos tecidos. A conjugação das propriedades eléctricas com arquitectura 3D permite uma regeneração tecidual mais eficaz. Desta forma este estudo incidiu na construção de scaffolds, que conjugasse as propriedades mecânicas, eléctricas e biológicas num só suporte. O processo utilizado para produção de scaffolds baseou-se na electrofiação de soluções poliméricas de PCL (8% m/m) com incorporação de óxido de grafeno em diferentes concentrações: 0.01%, 0.1% e 0.25% (m/V). Foram avaliados os parâmetros de electrofiação que permitiram a organização tridimensional. A composição química e a morfologia das membranas foram avaliadas por FTIR-ATR e por microscopia electrónica de varrimento (MEV), respectivamente. Através de ensaios de tracção e de permeabilidade estudou-se a influência de óido de grafeno na matriz polimérica. Foram feitas experiências de redução de óxido de grafeno nas fibras electrofiadas, tanto nas membranas como das espumas, através do uso de vapores de hidrazina. Este mecanismo mostrou-se ineficaz, uma vez que afectou a sua morfologia. As espumas foram avaliadas quanto à sua bioactividade e propriedades mecânicas (ensaios de compressão). Também foram realizados testes de viabilidade celular nas membranas e de adesão celular nas espumas, de forma a avaliar o seu potencial para aplicação biomédica. Os resultados destes ensaios revelaram que óxido de grafeno não apresenta efeitos citotóxicos para o organismo e a sua presença promove a adesão celular ao scaffold.

Performance of the Vitek 2 system software version 5.03 in the bacterial identification and antimicrobial susceptibility test: evaluation study of clinical and reference strains of Gram-positive cocci

Introduction. The genera Enterococcus, Staphylococcus and Streptococcus are recognized as important Gram-positive human pathogens. The aim of this study was to evaluate the performance of Vitek 2 in identifying Gram-positive cocci and their antimicrobial susceptibilities. Methods. One hundred four isolates were analyzed to determine the accuracy of the automated system for identifying the bacteria and their susceptibility to oxacillin and vancomycin. Results. The system correctly identified 77.9% and 97.1% of the isolates at the species and genus levels, respectively. Additionally, 81.8% of the Vitek 2 results agreed with the known antimicrobial susceptibility profiles. Conclusion. Vitek 2 correctly identified the commonly isolated strains; however, the limitations of the method may lead to ambiguous findings.

User-centric product derivation in software product lines

Software Product Line (SPL) engineering aims at achieving efficient development of software products in a specific domain. New products are obtained via a process which entails creating a new configuration specifying the desired product’s features. This configuration must necessarily conform to a variability model, that describes the scope of the SPL, or else it is not viable. To ensure this, configuration tools are used that do not allow invalid configurations to be expressed. A different concern, however, is making sure that a product addresses the stakeholders’ needs as best as possible. The stakeholders may not be experts on the domain, so they may have unrealistic expectations. Also, the scope of the SPL is determined not only by the domain but also by limitations of the development platforms. It is therefore possible that the desired set of features goes beyond what is possible to currently create with the SPL. This means that configuration tools should provide support not only for creating valid products, but also for improving satisfaction of user concerns. We address this goal by providing a user-centric configuration process that offers suggestions during the configuration process, based on the use of soft constraints, and identifying and explaining potential conflicts that may arise. Suggestions help mitigating stakeholder uncertainty and poor domain knowledge, by helping them address well known and desirable domain-related concerns. On the other hand, automated conflict identification and explanation helps the stakeholders to understand the trade-offs required for realizing their vision, allowing informed resolution of conflicts. Additionally, we propose a prototype-based approach to configuration, that addresses the order-dependency issues by allowing the complete (or partial) specification of the features in a single step. A subsequent resolution process will then identify possible repairs, or trade-offs, that may be required for viabilization.