The optical properties of metamaterials

This thesis studies the parametric investigation, polarisation dependence and characterization of fishnet structure at near infrared wavelengths. Detailed simulations are performed to understand the behaviour of the structure at near infrared and optical wavelengths. Simulations are performed to obtain negative refractive index of the fishnet structure formed from nanoimprint lithography (NIL) by taking into account the effect of substrate and polymethyl methacrylate (PMMA) beneath it. Two different structures have been designed and fabricated of varying dimensions using NIL and their resonant wavelength measured in the near infrared at 1.45 µm and 1.88 µm. Simulations suggest that a negative refractive index real part with the magnitude -0.24 is found at 1.53 µm and this decrease to a maximum magnitude of -0.57 at 1.9 µm. The PMMA and suppressed pillars are here responsible for the increasing material losses and limiting the value of negative refractive index. An analytical approach has been suggested to characterise fishnet structures at oblique incidence. The expressions for an absorbing medium are rewritten for an alternative definition of refractive index. The expressions are initially validated for a dielectric slab and a metal film. These results provide the possibility that this proposal may yield a general algorithm for obtaining the complex reflection and transmission coefficients for artificial structures. FDTD simulations have been extensively used in this thesis to understand the optical metamaterials and their characterization.

Estudio conformacional de péptidos modificados de las proteínas STARP, CelTOS, TRSP y SERA 5 de Plasmodium falciparum y su relación con una respuesta inmune en malaria

El desarrollo de una vacuna contra malaria es un área de exploración activa pero con enormes retos debido especialmente a la complejidad del ciclo del parásito. Así, es necesario bloquear las diferentes etapas de la invasión que tiene el Plasmodium falciparum y extraer de ellas la mayor información posible de la artillería que utiliza para su ataque. Para esto, péptidos de las proteínas STARP, CelTOS y TRSP (del esporozoito) y SERA 5 (del merozoito) que tienen alta afinidad de unión a células HepG2 y a glóbulos rojos respectivamente (conocidos como cHABPs), han sido modificados (conocidos como mHABPs), sintetizados y evaluados a nivel de respuesta inmune en monos Aotus así como estudiados en su conformación estructural por RMN de 1H. Los resultados muestran que los péptidos nativos no son inmunogénicos, pero pueden inducir altos títulos de anticuerpos cuando sus residuos críticos o sus vecinos son reemplazados por otro con un volumen y masa similar, pero diferente polaridad. El estudio conformacional pone de manifiesto que las estructuras de los péptidos nativos son diferentes de sus péptidos modificados ya sea que muestren regiones estructuradas más cortas o más largas o que no presenten ninguna, en comparación con sus análogos modificados altamente inmunogénicos. Las características estereoquímicas particulares en las cadenas laterales de algunos residuos de aminoácidos de estos péptidos modificados así como los rasgos fisicoquímicos parecen jugar un rol importante en la respuesta inmune apropiada cuando estos fueron inmunizados en grupos de monos Aotus confiriendo un avance al diseño de una vacuna contra malaria totalmente eficaz.

Tasso di crescita di Pinna nobilis (Mollusca: Bivalvia) in due popolazioni, a Calpe e nell'Isola di Tabarca (Alicante, Mediterraneo Occidentale)

La conoscenza del tasso di crescita di due popolazioni di Pinna nobilis, in due località del Mar Mediterraneo Occidentale, insieme ad una stima d’età, sono un requisito fondamentale per poter comprendere meglio la biologia e l’ecologia di questa specie, al fine di poter istituire specifiche misure di tutela e conservazione. L’obiettivo di questa tesi è quello di utilizzare lo studio della sclerocronologia per comprendere l’origine dei registri interni di crescita e giungere così ad informazioni più accurate sulle modalità di accrescimento. Le valve di individui morti di Pinna nobilis sono state prelevate in due zone della costa Valenciana (Spagna), Calpe e Isola di Tabarca, al fine di valutare la variabilità del processo di crescita. Dalle valve sono state create delle sezioni di 300µm, grazie all’utilizzo di una sega con lama a diamante. Tali sezioni sono state osservate allo stereo-microscopio a luce trasmessa in direzione antero-posteriore. Una stima d’età iniziale è stata effettuata tramite una conta delle lingue di madreperla individuate. Per una stima più precisa è stato analizzato anche lo spessore dello strato di calcite in prossimità dei tre registri interni di crescita più vecchi. Gli individui più longevi appartengono alla popolazione dell’Isola di Tabarca (età max= 25anni), mentre l’età massima raggiunta dagli individui della popolazione di Calpe è 17 anni. Per analizzare l’accrescimento degli individui è stata utilizzata l’equazione di crescita di Von Bertalanffy. Gli individui della popolazione di Calpe hanno un tasso di accrescimento più elevato rispetto a quelli della popolazione di Tabarca, con una lunghezza massima asintotica (Lmax) di 65.2cm per Calpe e 54.9cm per l’Isola di Tabarca. Tali risultati confermano l’esistenza di una forte variabilità di accrescimento fra popolazioni di siti diversi. Le cause son da ricercare nelle caratteristiche dell’area, come il livello trofico, l’esposizione alla forza di onde e correnti o all’impatto antropico.

β-lactams from their structural features to their biological applications

β-lactam compounds represent an important class of four-membered cyclic amides (azetidin-2-ones) thanks to their valuable and varied biological activities. The presence of a β-lactam ring in a series of bioactive molecules targeting different proteins, allows us to consider the azetidin-2-one a privileged structure. The constrained four-membered cyclic amide could easily undergo ring-opening reactions by nucleophilic residues in the active sites of enzymes and this is the mechanism suggested for antibacterial activity; moreover, the rigid core structure could favour and actually enhance directional noncovalent bonding for an effective ligand−receptor recognition. Nowadays monocyclic β-lactams are known as anticancer, antidiabetic, anti-tubercular, anti-inflammatory agents and as ligands of integrin receptors. In order to consider different facets of 4-azetidin-2-ones, this theis will be divided into two sections: the first one will be dedicated to the design, synthesis and characterization of biological active β-lactams (new β-lactam based integrin ligands and their different applications and novel N-thio-alkyl substituted azetidinones for the treatment of Tuberculosis); the second one instead, will be based on two projects which consider two different proprieties of β-lactams: stereochemistry, evaluated by biocatalytic methods and reactivity at C-4 position. In the first case we want to obtain enantiomerically pure 4-acetoxy-2-azetidinone, useful for synthesis of stereo-chemically defined bioactive β-lactams, while in the second case we want to study in which conditions the nucleophilic substitutions occur. A final section will be instead dedicated to the research project conducted in Philochem AG, Zurich, under the supervision of Prof. Dario Neri and Dr. Samuele Cazzamalli, based on the study of new cleavable disulfide linkers for small molecule drug conjugates targeting Fibroblast activation protein (FAP).

Percezione depth guidata mediante proiezione virtuale di pattern

L’utilizzo di informazioni di profondità è oggi di fondamentale utilità per molteplici settori applicativi come la robotica, la guida autonoma o assistita, la realtà aumentata e il monitoraggio ambientale. I sensori di profondità disponibili possono essere divisi in attivi e passivi, dove i sensori passivi ricavano le informazioni di profondità dall'ambiente senza emettere segnali, bensì utilizzando i segnali provenienti dall'ambiente (e.g., luce solare). Nei sensori depth passivi stereo è richiesto un algoritmo per elaborare le immagini delle due camere: la tecnica di stereo matching viene utilizzata appunto per stimare la profondità di una scena. Di recente la ricerca si è occupata anche della sinergia con sensori attivi al fine di migliorare la stima della depth ottenuta da un sensore stereo: si utilizzano i punti affidabili generati dal sensore attivo per guidare l'algoritmo di stereo matching verso la soluzione corretta. In questa tesi si è deciso di affrontare questa tematica da un punto di vista nuovo, utilizzando un sistema di proiezione virtuale di punti corrispondenti in immagini stereo: i pixel delle immagini vengono alterati per guidare l'algoritmo ottimizzando i costi. Un altro vantaggio della strategia proposta è la possibilità di iterare il processo, andando a cambiare il pattern in ogni passo: aggregando i passi in un unico risultato, è possibile migliorare il risultato finale. I punti affidabili sono ottenuti mediante sensori attivi (e.g. LiDAR, ToF), oppure direttamente dalle immagini, stimando la confidenza delle mappe prodotte dal medesimo sistema stereo: la confidenza permette di classificare la bontà di un punto fornito dall'algoritmo di matching. Nel corso della tesi sono stati utilizzati sensori attivi per verificare l'efficacia della proiezione virtuale, ma sono state anche effettuate analisi sulle misure di confidenza: lo scopo è verificare se le misure di confidenza possono rimpiazzare o assistere i sensori attivi.

Dispositivi organ-on-chip per l' ingegnerizzazione di tessuto cardiaco destinato allo screening farmacologico

Negli ultimi anni, nell' ambito dell' ingegneria dei tessuti, ha avuto un rapido aumento la generazione di tessuti cardiaci miniaturizzati, per lo studio della fisiologia cardiaca e delle patologie. In questa tesi, viene analizzato un processo di realizzazione di un dispositivo heart-on-a-chip recentemente pubblicato da Jayne et al. Per il processo di fabbricazione dei dispositivi è stata utilizzata una combinazione di Soft Lithography e Direct Laser Writing (DLW). Quest' ultima, in particolare, ha fornito due importanti caratteristiche ai dispositivi deputati alla semina cellulare: una struttura curva lungo l’ asse verticale e strutture 3D di diverse altezze sullo stesso piano. Tramite DLW sono stati realizzati anche precisi punti di adesione per le cellule staminali pluripotenti indotte, che hanno consentito di controllare la geometria dei tessuti ingegnerizzati. In particolare, oltre al processo di fabbricazione, in questo lavoro vengono anche illustrate le procedure necessarie al fine di calibrare i microsensori utilizzati per monitorare i costrutti. La prima fase della calibrazione si occupa di determinare la responsività meccanica dei sensori di spostamento, mentre la seconda valuta quella dei sensori elettrici, deputati alla conversione di spostamenti in variazioni di resistenza elettrica.

Metodo di calibrazione ottica per sistemi di lenti ipercentriche

Calibrazione di lente percientrica. Scrittura del codice di calibrazione in Python e utilizzo della libreria OpenCV. L' obbiettivo della tesi consisteva nel definire un modello matematico che potesse rappresentare le caratteristiche della lente pericentrica. Una volta fatto ciò sono state eseguite diverse prove sperimentali con l'obbiettivo di validare i risultati ottenuti. Come primo passo si è prodotto lo sviluppo planare di oggetti cilindrici acquisiti con la lente . successivamente sono state svolte alcune misure sugli sviluppi ottenuti. Infine si è implementato un sistema di calibrazione stereo per determinare la validità dell'algoritmo impiegato per la singola telecamera.