Determinants of biological activity of nanomaterials in innate immunity cells: the role of aspect ratio, environmental contaminants and protein corona

As defined by the European Union, “ ’Nanomaterial’ (NM) means a natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or agglomerate, where, for 50 % or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm-100 nm ” (2011/696/UE). Given their peculiar physico-chemical features, nanostructured materials are largely used in many industrial fields (e.g. cosmetics, electronics, agriculture, biomedical) and their applications have astonishingly increased in the last fifteen years. Nanostructured materials are endowed with very large specific surface area that, besides making them very useful in many industrial processes, renders them very reactive towards the biological systems and, hence, potentially endowed with significant hazard for human health. For these reasons, in recent years, many studies have been focused on the identification of toxic properties of nanostructured materials, investigating, in particular, the mechanisms behind their toxic effects as well as their determinants of toxicity. This thesis investigates two types of nanostructured TiO2 materials, TiO2 nanoparticles (NP), which are yearly produced in tonnage quantities, and TiO2 nanofibres (NF), a relatively novel nanomaterial. Moreover, several preparations of MultiWalled Carbon Nanotubes (MWCNT), another nanomaterial widely present in many products, are also investigated.- Although many in vitro and in vivo studies have characterized the toxic properties of these materials, the identification of their determinants of toxicity is still incomplete. The aim of this thesis is to identify the structural determinants of toxicity, using several in vitro models. Specific fields of investigation have been a) the role of shape and the aspect ratio in the determination of biological effects of TiO2 nanofibres of different length; b) the synergistic effect of LPS and TiO2 NP on the expression of inflammatory markers and the role played therein by TLR-4; c) the role of functionalization and agglomeration in the biological effects of MWCNT. As far as biological effects elicited by TiO2 NF are concerned, the first part of the thesis demonstrates that long TiO2 nanofibres caused frustrated phagocytosis, cytotoxicity, hemolysis, oxidative stress and epithelial barrier perturbation. All these effects were mitigated by fibre shortening through ball-milling. However, short TiO2 NF exhibited enhanced ability to activate acute pro-inflammatory effects in macrophages, an effect dependent on phagocytosis. Therefore, aspect ratio reduction mitigated toxic effects, while enhanced macrophage activation, likely rendering the NF more prone to phagocytosis. These results suggest that, under in vivo conditions, short NF will be associated with acute inflammatory reaction, but will undergo a relatively rapid clearance, while long NF, although associated with a relatively smaller acute activation of innate immunity cells, are not expected to be removed efficiently and, therefore, may be associated to chronic inflammatory responses. As far as the relationship between the effects of TiO2 NP and LPS, investigated in the second part of the thesis, are concerned, TiO2 NP markedly enhanced macrophage activation by LPS through a TLR-4-dependent intracellular pathway. The adsorption of LPS onto the surface of TiO2 NP led to the formation of a specific bio-corona, suggesting that, when bound to TiO2 NP, LPS exerts a much more powerful pro-inflammatory effect. These data suggest that the inflammatory changes observed upon exposure to TiO2 NP may be due, at least in part, to their capability to bind LPS and, possibly, other TLR agonists, thus enhancing their biological activities. Finally, the last part of the thesis demonstrates that surface functionalization of MWCNT with amino or carboxylic groups mitigates the toxic effects of MWCNT in terms of macrophage activation and capability to perturb epithelial barriers. Interestingly, surface chemistry (in particular surface charge) influenced the protein adsorption onto the MWCNT surface, allowing to the formation of different protein coronae and the tendency to form agglomerates of different size. In particular functionalization a) changed the amount and the type of proteins adsorbed to MWCNT and b) enhanced the tendency of MWCNT to form large agglomerates. These data suggest that the different biological behavior of functionalized and pristine MWCNT may be due, at least in part, to the different tendency to form large agglomerates, which is significantly influenced by their different capability to interact with proteins contained in biological fluids. All together, these data demonstrate that the interaction between physico-chemical properties of nanostructured materials and the environment (cells + biological fluids) in which these materials are present is of pivotal importance for the understanding of the biological effects of NM. In particular, bio-persistence and the capability to elicit an effective inflammatory response are attributable to the interaction between NM and macrophages. However, the interaction NM-cells is heavily influenced by the formation at the nano-bio interface of specific bio-coronae that confer a novel biological identity to the nanostructured materials, setting the basis for their specific biological activities.

Indagine modellistica sulla tenuta idraulica delle difese arginali deputate alla protezione idraulica del territorio

La prima parte di questo lavoro di tesi tratta dell’interazione tra un bacino di laminazione e il sottostante acquifero: è in fase di progetto, infatti, la costruzione di una cassa di espansione sul torrente Baganza, a monte della città di Parma. L’obiettivo di tale intervento è di ridurre il rischio di esondazione immagazzinando temporaneamente, in un serbatoio artificiale, la parte più pericolosa del volume di piena che verrebbe rilasciata successivamente con portate che possono essere agevolmente contenute nel tratto cittadino del torrente. L’acquifero è stato preliminarmente indagato e monitorato permettendone la caratterizzazione litostratigrafica. La stratigrafia si può riassumere in una sequenza di strati ghiaioso-sabbiosi con successione di lenti d’argilla più o meno spesse e continue, distinguendo due acquiferi differenti (uno freatico ed uno confinato). Nel presente studio si fa riferimento al solo acquifero superficiale che è stato modellato numericamente, alle differenze finite, per mezzo del software MODFLOW_2005. L'obiettivo del presente lavoro è di rappresentare il sistema acquifero nelle condizioni attuali (in assenza di alcuna opera) e di progetto. La calibrazione è stata condotta in condizioni stazionarie utilizzando i livelli piezometrici raccolti nei punti d’osservazione durante la primavera del 2013. I valori di conducibilità idraulica sono stati stimati per mezzo di un approccio geostatistico Bayesiano. Il codice utilizzato per la stima è il bgaPEST, un software gratuito per la soluzione di problemi inversi fortemente parametrizzati, sviluppato sulla base dei protocolli del software PEST. La metodologia inversa stima il campo di conducibilità idraulica combinando osservazioni sullo stato del sistema (livelli piezometrici nel caso in esame) e informazioni a-priori sulla struttura dei parametri incogniti. La procedura inversa richiede il calcolo della sensitività di ciascuna osservazione a ciascuno dei parametri stimati; questa è stata valutata in maniera efficiente facendo ricorso ad una formulazione agli stati aggiunti del codice in avanti MODFLOW_2005_Adjoint. I risultati della metodologia sono coerenti con la natura alluvionale dell'acquifero indagato e con le informazioni raccolte nei punti di osservazione. Il modello calibrato può quindi essere utilizzato come supporto alla progettazione e gestione dell’opera di laminazione. La seconda parte di questa tesi tratta l'analisi delle sollecitazioni indotte dai percorsi di flusso preferenziali causati da fenomeni di piping all’interno dei rilevati arginali. Tali percorsi preferenziali possono essere dovuti alla presenza di gallerie scavate da animali selvatici. Questo studio è stato ispirato dal crollo del rilevato arginale del Fiume Secchia (Modena), che si è verificato in gennaio 2014 a seguito di un evento alluvionale, durante il quale il livello dell'acqua non ha mai raggiunto la sommità arginale. La commissione scientifica, la cui relazione finale fornisce i dati utilizzati per questo studio, ha attribuito, con molta probabilità, il crollo del rilevato alla presenza di tane di animali. Con lo scopo di analizzare il comportamento del rilevato in condizioni integre e in condizioni modificate dall'esistenza di un tunnel che attraversa il manufatto arginale, è stato realizzato un modello numerico 3D dell’argine mediante i noti software Femwater e Feflow. I modelli descrivono le infiltrazioni all'interno del rilevato considerando il terreno in entrambe le porzioni sature ed insature, adottando la tecnica agli elementi finiti. La tana è stata rappresentata da elementi con elevata permeabilità e porosità, i cui valori sono stati modificati al fine di valutare le diverse influenze sui flussi e sui contenuti idrici. Per valutare se le situazioni analizzate presentino o meno il verificarsi del fenomeno di erosione, sono stati calcolati i valori del fattore di sicurezza. Questo è stato valutato in differenti modi, tra cui quello recentemente proposto da Richards e Reddy (2014), che si riferisce al criterio di energia cinetica critica. In ultima analisi è stato utilizzato il modello di Bonelli (2007) per calcolare il tempo di erosione ed il tempo rimanente al collasso del rilevato.

Valutazione del rischio idraulico, compreso il fallimento delle difese, mediante metodo probabilistico: rottura del Secchia del 19 gennaio 2014

Obbiettivo della tesi è sviluppare un metodo che valuti la probabilità di rottura arginale nella stesura delle mappe di pericolosità e di rischio alluvione. Ad oggi le mappe di pericolosità, redatte dagli enti regionali, considerano solo la probabilità di superamento dell’argine da parte del livello idrico (overtopping) e non il cedimento dello stesso a causa dell’instabilizzazione dovuta all’innalzamento del livello del fiume. Per la presente tesi si è scelto come caso di studio la rottura dell’argine destro del fiume Secchia del 19 gennaio 2014, presso la frazione di San Matteo, comune di Modena. Questo caso di rottura arginale è particolarmente interessante, poiché dopo l’accaduto la regione Emilia-Romagna ha predisposto una commissione tecnica per valutare le cause dell'evento. La commissione ha quindi predisposto una serie di indagini i cui dati saranno di fondamentale importanza nella presente tesi. Utilizzando, infatti, questo caso di cedimento arginale come esempio si è potuto innanzitutto ricostruire il fenomeno che ha provocato il fallimento dell’argine e ricalcolare il rischio inondazione sulle zone allagate considerando la probabilità di fallimento del sistema arginale. Per fare ciò, si sono inizialmente eseguite varie modellazioni idrauliche, sul corpo arginale, per stabilire gli spostamenti della tavola d’acqua e i valori di pressione interstiziale dei pori al variare dei tiranti idrici utilizzando il software SEEP/W. Successivamente si è utilizzato SLOPE/W allo scopo di verificate le probabilità di cedimento dell'argine in relazione alle modellazioni idrauliche effettuate con SEEP/W. Una volta ricavate le probabilità di rottura alle varie quote idriche con SLOPE/W, le si è riportate su un foglio di calcolo Excel e ricavata la curva di fragilità dell'argine e calcolato le probabilità di accadimento degli eventi alluvionali. Dopo di ciò attraverso l’utilizzo del software CA2D si sono modellate le mappe di alluvione per i vari eventi e con l’ausilio di Qgis si sono ricavate le mappe di pericolosità e calcolato il rischio sugli edifici interessati.

Sismicità e pericolosità sismica del Bolognese

L’obiettivo di questa tesi è quello di inquadrare la sismicità e la pericolosità sismica nella zona del Bolognese studiandola dal punto di vista geologico e tettonico, analizzando i terremoti passati e classificandola, infine, dal punto di vista del rischio sismico.

Il terremoto del 24 agosto 2014 a Napa (California, USA): rilievo degli effetti di sito

Il lavoro di questa tesi è frutto dell’esperienza maturata in quattro mesi di tirocinio presso l’U.S. Geological Survey di Menlo Park, da ottobre 2015 a gennaio 2016. Durante questo periodo sono state eseguite quattro campagne di raccolta dati sismici e geotecnici presso la città di Napa, ove, il 24 agosto 2014, si è verificato un terremoto di magnitudo momento pari a 6.0. Quest’area è stata interessata in precedenza da terremoti minori, il più significativo dei quali risulta essere il terremoto di Yountville del 2000 di magnitudo momento pari a 5.1. I rilievi macrosismici, effettuati immediatamente dopo il terremoto di Napa del 2014, hanno fornito una classificazione dettagliata delle strutture danneggiate nel distretto colpito. Obiettivo di questa tesi è comprendere se la distribuzione dei danni osservata sia legata anche alle caratteristiche geologiche locali (effetti di sito), oltre che alla vicinanza all’epicentro. A questo scopo sono state acquisite 63 misure sismiche passive a stazione singola e 4 prove di sismica attiva multicanale, la cui inversione congiunta ha permesso di creare mappe dei riflettori sismici principali sotto le zone interessate dal terremoto. Allo stesso tempo tali mappe, interpretate alla luce della cartografia geologica, hanno permesso di costruire sezioni geologiche e di identificare le corrispondenze tra riflettori geologici e riflettori sismici. Si è così potuto osservare che le zone più pesantemente danneggiate dal terremoto sono quelle che ricadono ove si sono misurate amplificazioni per risonanza in medio-alta frequenza (> 3 Hz) mentre scarsi danni si sono registrati nelle aree caratterizzate da roccia affiorante (e curve di amplificazione per risonanza piatte) e danni minori nelle zone contraddistinte solo da bedrock sismico profondo. La distribuzione del danno, evidenziatosi prevalentemente dove le frequenze proprie di vibrazione del suolo sono mediamente sopra 3 Hz, risulta compatibile con gli intervalli di frequenza attesi per le strutture residenziali tipiche di Napa Valley, che sono costituite da 2-3 piani fuori terra, in legno e di altezza non superiore ai 10 metri.

Caratterizzazione, analisi a ritroso e di stabilità attuale di uno scorrimento traslativo in Marnoso Arenacea (Casola Valsenio, RA)

Il lavoro di tesi consiste nella caratterizzazione, nell’analisi a ritroso e di stabilità attuale di un fenomeno franoso avvenuto a Casola Valsenio, in provincia di Ravenna. La caratterizzazione è comprensiva di analisi geomorfologica dell’area, indagine sismo-stratigrafica e indagine geotecnica di laboratorio. Quindi è stato definito il meccanismo di rottura della frana e sono stati cartografati gli elementi morfologici costituenti l’area di frana. L’indagine geofisica si basa su tecniche ad onde di superficie e include misure tromografiche di rumore sismico ambientale e misure attive multicanale. Queste forniscono, rispettivamente, le curve H/V e gli spettri di velocità di fase e di gruppo, dalle quali è possibile ricavare informazioni di carattere stratigrafico. La caratterizzazione fisico meccanica del materiale pelitico marnoso, prelevato sul piano di scorrimento basale, include analisi granulometrica, determinazione dei limiti di consistenza e test di taglio anulare per ottenere il valore di angolo di attrito residuo. Le informazioni ottenute dalle indagini hanno consentito di definire il modello geologico tecnico del fenomeno, che viene rappresentato rispetto a quattro sezioni, tre relative alla situazione attuale e una relativa al versante prefrana. Sulla base di questi sono state condotte delle analisi a ritroso, che hanno consentito di ricavare le condizioni idrauliche del versante al momento della rottura, per differenti combinazioni di geometria del cuneo e diagramma di spinta dell’acqua. Grazie ai risultati ottenuti in modalità backward, sono state effettuate le analisi di stabilità della scarpata attuale, aventi lo scopo di determinare la distanza orizzontale tra scarpata e frattura di trazione che determinerebbe una situazione di instabilità. Infine sono state condotte analisi di sensitività rispetto ai parametri geometrici del cuneo, di resistenza del materiale e di riempimento idraulico della frattura dii trazione.

Eyetracking: analisi della user interface di una pagina web

Negli ultimi vent'anni con lo sviluppo di Internet, il modo di comunicare tra le persone �è totalmente cambiato. Grazie a Internet si sono ridotte le distanze e soprattutto tramite i siti web le aziende hanno una propria vetrina sul mondo sempre accessibile. Tutto ci�ò ha portato a nuovi comportamenti da parte dei consumatori che divengono sempre pi�u esigenti nella vastità di informazioni presenti sul Web. Perciò è necessario che le web companies riescano a produrre website efficienti e usabili per favorire l'interazione con l'utente. Inoltre il web ha avuto una rapida espansione per quanto concerne le metodologie di sviluppo e analisi del comportamento del consumatore. Si cercano sempre nuovi spunti per poter acquisire quello che �è il percorso di un utente affinché porti a termine una determinata azione nel proprio dominio. Per questo motivo, oltre agli strumenti gi�à consolidati come il riempimento di questionari o il tracking per mezzo di piattaforme come Google Analytics, si �è pensato di andare oltre e cercare di analizzare ancora pi�u a fondo il "consumAttore". Grazie ad un eye-tracker �è possibile riconoscere quelli che sono i modelli cognitivi che riguardano il percorso di ricerca, valutazione e acquisto di un prodotto o una call to action, e come i contenuti di una web application influenzano l'attenzione e la user experience. Pertanto l'obiettivo che si pone questo studio �è quello di poter misurare l'engagement della navigazione utente di una web application e, nel caso fosse necessario, ottimizzare i contenuti al suo interno. Per il rilevamento delle informazioni necessarie durante l'esperimento, mi sono servito di uno strumento a supporto delle decisioni, ovvero un eye-tracker e della successiva somministrazione di questionari.

Internet of Things collaborativo: progettazione ed analisi di una piattaforma di aggregazione di dati sensoristici

Internet ha rivoluzionato il modo di comunicare degli individui. Siamo testimoni della nascita e dello sviluppo di un'era caratterizzata dalla disponibilità di informazione libera e accessibile a tutti. Negli ultimi anni grazie alla diffusione di smartphone, tablet e altre tipologie di dispositivi connessi, è cambiato il fulcro dell'innovazione spostandosi dalle persone agli oggetti. E' così che nasce il concetto di Internet of Things, termine usato per descrivere la rete di comunicazione creata tra i diversi dispositivi connessi ad Internet e capaci di interagire in autonomia. Gli ambiti applicativi dell'Internet of Things spaziano dalla domotica alla sanità, dall'environmental monitoring al concetto di smart cities e così via. L'obiettivo principale di tale disciplina è quello di migliorare la vita delle persone grazie a sistemi che siano in grado di interagire senza aver bisogno dell'intervento dell'essere umano. Proprio per la natura eterogenea della disciplina e in relazione ai diversi ambiti applicativi, nell'Internet of Things si può incorrere in problemi derivanti dalla presenza di tecnologie differenti o di modalità eterogenee di memorizzazione dei dati. A questo proposito viene introdotto il concetto di Internet of Things collaborativo, termine che indica l'obiettivo di realizzare applicazioni che possano garantire interoperabilità tra i diversi ecosistemi e tra le diverse fonti da cui l'Internet of Things attinge, sfruttando la presenza di piattaforme di pubblicazione di Open Data. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di creare un sistema per l'aggregazione di dati da due piattaforme, ThingSpeak e Sparkfun, con lo scopo di unificarli in un unico database ed estrarre informazioni significative dai dati tramite due tecniche di Data Mining: il Dictionary Learning e l'Affinity Propagation. Vengono illustrate le due metodologie che rientrano rispettivamente tra le tecniche di classificazione e di clustering.

Il concetto di funzione: storia, applicazioni, sviluppi

Il concetto di funzione è tra i più rilevanti, ma anche tra i più controversi concetti matematici. In questo lavoro di tesi si è esaminato questo concetto a partire dalle sue origini fino ad arrivare alla definizione bourbakista, che è quella insegnata a tutti gli studenti a partire dalla scuola secondaria fino ad arrivare all'università. Successivamente si è analizzato in che modo questo delicato concetto viene presentato agli studenti delle scuole secondarie di secondo grado, osservando come le recenti Indicazioni Nazionali e Linee Guida danno suggerimenti per affrontare questo argomento, anche esaminando alcuni libri di testo. Infine si è descritto come il concetto di funzione abbia preso, in tempi relativamente recenti, un respiro più ampio dando luogo all'analisi funzionale, laddove le funzioni non sono più viste come corrispondenza punto a punto ma come oggetti che vengono osservati globalmente. Si considereranno infatti nuovi spazi i cui elementi sono funzioni.

Tabelle di Young e statistiche sulle permutazioni

La presente tesi è suddivisa in due parti: nella prima parte illustriamo le definizioni e i relativi risultati della teoria delle tabelle di Young, introdotte per la prima volta nel 1900 da Alfred Young; mentre, nella seconda parte, diamo la nozione di numeri Euleriani e di Polinomi Euleriani. Nel primo capitolo abbiamo introdotto i concetti di diagramma di Young e di tabelle di Young standard. Inoltre, abbiamo fornito la formula degli uncini per contare le tabelle di Young della stessa forma. Il primo capitolo è focalizzato sul teorema di Robinson-Schensted, che stabilisce una corrispondenza biunivoca tra le permutazioni di Sn e le coppie di tabelle di Young standard della stessa forma. Ne deriva un'importante conseguenza che consiste nel poter trovare in modo efficiente la massima sottosequenza crescente di una permutazione. Una volta definite le operazioni di evacuazione e "le jeu de taquin" relative alle tabelle di Young, illustriamo una serie di risultati riferibili alla corrispondenza biunivoca R-S che variano in base alla permutazione che prendiamo in considerazione. In particolare, enunciamo il teorema di simmetria di M.P.Schüztenberger, che dimostriamo attraverso la costruzione geometrica di Viennot. Nel secondo capitolo, dopo aver dato la definizione di discesa di una permutazione, descriviamo altre conseguenze della corrispondenza biunivoca R-S: vediamo così che esiste una relazione tra le discese di una permutazione e la coppia di tabelle di Young associata. Abbiamo trattato approfonditamente i numeri Euleriani, indicati con A(n,k) = ]{σ ∈ Sn;d(σ) = k}, dove d(σ) indica il numero di discese di una permutazione. Descriviamo le loro proprietà e simmetrie e vediamo che sono i coefficienti di particolari polinomi, detti Polinomi Euleriani. Infine, attraverso la nozione di eccedenza di una permutazione e la descrizione della mappa di Foata arriviamo a dimostrare un importante risultato: A(n,k) conta anche il numero di permutazioni di Sn con k eccedenze.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Il ruolo della matematica nella meccanica quantistica in un approccio interdisciplinare per la scuola secondaria

Questo lavoro di tesi nasce all’interno del nucleo di ricerca in didattica della fisica dell’Università di Bologna, coordinato dalla professoressa Olivia Levrini e che coinvolge docenti di matematica e fisica dei Licei, assegnisti di ricerca e laureandi. Negli ultimi anni il lavoro del gruppo si è concentrato sullo studio di una possibile risposta all'evidente e pressante difficoltà di certi docenti nell'affrontare gli argomenti di meccanica quantistica che sono stati introdotti nelle indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico, dovuta a cause di vario genere, fra cui l'intrinseca complessità degli argomenti e l'inefficacia di molti libri di testo nel presentarli in modo adeguato. In questo contesto, la presente tesi si pone l’obiettivo di affrontare due problemi specifici di formalizzazione matematica in relazione a due temi previsti dalle Indicazioni Nazionali: il tema della radiazione di corpo nero, che ha portato Max Planck alla prima ipotesi di quantizzazione, e l’indeterminazione di Heisenberg, con il cambiamento di paradigma che ha costituito per l’interpretazione del mondo fisico. Attraverso un confronto diretto con le fonti, si cercherà quindi di proporre un percorso in cui il ruolo del protagonista sarà giocato dagli aspetti matematici delle teorie analizzate e dal modo in cui gli strumenti della matematica hanno contribuito alla loro formazione, mantenendo un costante legame con le componenti didattiche. Proprio in quest'ottica, ci si accorgerà della forte connessione fra i lavori di Planck e Heisenberg e due aspetti fondamentali della didattica della matematica: l'interdisciplinarietà con la fisica e il concetto di modellizzazione. Il lavoro finale sarà quindi quello di andare ad analizzare, attraverso un confronto con le Indicazioni Nazionali per il Liceo Scientifico e con alcune esigenze emerse dagli insegnanti, le parti e i modi in cui la tesi risponde a queste richieste.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.