TP perturbation of TN matrices and totally positive directions

Here, we define and consider (linear) TP-directions and TP-paths for a totally nonnegative matrix, in an effort to more deeply understand perturbation of a TN matrix to a TP matrix. We give circumstances in which a TP-direction exists and an example to show that they do not always exist. A strategy to give (nonlinear) TP-paths is given (and applied to this example). A long term goal is to understand the sparsest TP-perturbation for application to completion problems.

Multiphasic, multistructured and hierarchical strategies for cartilage regeneration

Cartilage tissue is a complex nonlinear, viscoelastic, anisotropic, and multiphasic material with a very low coefficient of friction, which allows to withstand millions of cycles of joint loading over decades of wear. Upon damage, cartilage tissue has a low self-reparative capacity due to the lack of neural connections, vascularization, and a latent pool of stem/chondroprogenitor cells. Therefore, the healing of articular cartilage defects remains a significant clinical challenge, affecting millions of people worldwide. A plethora of biomaterials have been proposed to fabricate devices for cartilage regeneration, assuming a wide range of forms and structures, such as sponges, hydrogels, capsules, fibers, and microparticles. In common, the fabricated devices were designed taking in consideration that to fully achieve the regeneration of functional cartilage it is mandatory a well-orchestrated interplay of biomechanical properties, unique hierarchical structures, extracellular matrix (ECM), and bioactive factors. In fact, the main challenge in cartilage tissue engineering is to design an engineered device able to mimic the highly organized zonal architecture of articular cartilage, specifically its spatiomechanical properties and ECM composition, while inducing chondrogenesis, either by the proliferation of chondrocytes or by stimulating the chondrogenic differentiation  of stem/chondro-progenitor cells. In this chapter we present the recent advances in the development of innovative and complex biomaterials that fulfill the required structural key elements for cartilage regeneration. In particular, multiphasic, multiscale, multilayered, and hierarchical strategies composed by single or multiple biomaterials combined in a welldefined structure will be addressed. Those strategies include biomimetic scaffolds mimicking the structure of articular cartilage or engineered scaffolds as models of research to fully understand the biological mechanisms that influence the regeneration of cartilage tissue.

Nonlinear behavior of gelatin networks reveals a hierarchical structure

We investigate the strain hardening behavior of various gelatin networks-namely physical gelatin gel, chemically cross-linked gelatin gel, and a hybrid gel made of a combination of the former two-under large shear deformations using the pre-stress, strain ramp, and large amplitude oscillations shear protocols. Further, the internal structures of physical gelatin gels and chemically cross-linked gelatin gels were characterized by small angle neutron scattering (SANS) to enable their internal structures to be correlated with their nonlinear rheology. The Kratky plots of SANS data demonstrate the presence of small cross-linked aggregates within the chemically cross-linked network whereas, in the physical gelatin gels, a relatively homogeneous structure is observed. Through model fitting to the scattering data, we were able to obtain structural parameters, such as the correlation length (ξ), the cross-sectional polymer chain radius (Rc) and the fractal dimension (df) of the gel networks. The fractal dimension df obtained from the SANS data of the physical and chemically cross-linked gels is 1.31 and 1.53, respectively. These values are in excellent agreement with the ones obtained from a generalized nonlinear elastic theory that has been used to fit the stress-strain curves. The chemical cross-linking that generates coils and aggregates hinders the free stretching of the triple helix bundles in the physical gels.

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.

Superhydrophobic surfaces as a tool for the fabrication of hierarchical spherical polymeric carriers

Hierarchical polymeric carriers with high encapsulation efficiencies are fabricated via a biocompatible strategy developed using superhydrophobic (SH) surfaces. The carries are obtained by the incorporation of cell/BSA-loaded dextran-methacrylate (DEXT-MA) microparticles into alginate (ALG) macroscopic beads. Engineered devices like these are expected to boost the development of innovative and customizable systems for biomedical and biotechnological purposes.

Bio-detoxification of mycotoxins by lactic acid bacteria from different food matrices

Lactic acid bacteria (LAB) play a key role in the biopreservation of a wide range of fermented food products, such as yogurt, cheese, fermented milks, meat, fish, vegetables (sauerkraut, olives and pickles), certain beer brands, wines and silage, allowing their safe consumption, which gave to these bacteria a GRAS (Generally Recognised as Safe) status. Besides that, the use of LAB in food and feed is a promising strategy to reduce the exposure to dietary mycotoxins, improving their shelf life and reducing health risks, given the unique mycotoxin decontaminating characteristic of some LAB. Mycotoxins present carcinogenic, mutagenic, teratogenic, neurotoxic and immunosuppressive effects over animals and Humans, being the most important ochratoxin A (OTA), aflatoxins (AFB1), trichothecenes, zearalenone (ZEA), fumonisin (FUM) and patulin. In a previous work of our group it was observed OTA biodegradation by some strains of Pediococcus parvulus isolated from Douro wines. So, the aim of this study was to enlarge the screening of the biodetoxification over more mycotoxins besides OTA, including AFB1, and ZEA. This ability was checked in a collection of LAB isolated from vegetable (wine, olives, fruits and silage) and animal (milk and dairy products, sausages) sources. All LAB strains were characterized phenotypically (Gram, catalase) and genotypically. Molecular characterisation of all LAB strains was performed using genomic fingerprinting by MSP- PCR with (GTG)5 and csM13 primers. The identification of the isolates was confirmed by 16S rDNA sequencing. To study the ability of LAB strains to degrade OTA, AFB1 and ZEA, a MRS broth medium was supplemented with 2.0 g/mL of each mycotoxin. For each strain, 2 mL of MRS supplemented with the mycotoxins was inoculated in triplicate with 109 CFU/mL. The culture media and bacterial cells were extracted by the addition of an equal volume of acetonitrile/methanol/acetic acid (78:20:2 v/v/v) to the culture tubes. A 2 mL sample was then collected and filtered into a clean 2 mL vial using PP filters with 0.45 m pores. The samples were preserved at 4 °C until HPLC analysis. Among LAB tested, 10 strains isolated from milk were able to eliminate AFB1, belonging to Lactobacillus casei (7), Lb. paracasei (1), Lb. plantarum (1) and 1 to Leuconostoc mesenteroides. Two strains of Enterococcus faecium and one of Ec. faecalis from sausage eliminated ZEA. Concerning to strains of vegetal origin, one Lb. plantarum isolated from elderberry fruit, one Lb. buchnerii and one Lb. parafarraginis both isolated from silage eliminated ZEA. Other 2 strains of Lb. plantarum from silage were able to degrade both ZEA and OTA, and 1 Lb. buchnerii showed activity over AFB1. These enzymatic activities were also verified genotypically through specific gene PCR and posteriorly confirmed by sequencing analysis. In conclusion, due the ability of some strains of LAB isolated from different sources to eliminate OTA, AFB1 and ZEA one can recognize their potential biotechnological application to reduce the health hazards associated with these mycotoxins. They may be suitable as silage inoculants or as feed additives or even in food industry.

Hierarchical modelling of timber reference properties using probabilistic methods: Maximum Likelihood Method, Bayesian Methods and Probability Networks

In recent decades, an increased interest has been evidenced in the research on multi-scale hierarchical modelling in the field of mechanics, and also in the field of wood products and timber engineering. One of the main motivations for hierar-chical modelling is to understand how properties, composition and structure at lower scale levels may influence and be used to predict the material properties on a macroscopic and structural engineering scale. This chapter presents the applicability of statistic and probabilistic methods, such as the Maximum Likelihood method and Bayesian methods, in the representation of timber’s mechanical properties and its inference accounting to prior information obtained in different importance scales. These methods allow to analyse distinct timber’s reference properties, such as density, bending stiffness and strength, and hierarchically consider information obtained through different non, semi or destructive tests. The basis and fundaments of the methods are described and also recommendations and limitations are discussed. The methods may be used in several contexts, however require an expert’s knowledge to assess the correct statistic fitting and define the correlation arrangement between properties.

Development of nanohydrogels as a vehicle for the release of bioactive compounds in food matrices

PhD in Chemical and Biological Engineering

Ganadería de precisión 1. Desarrollo de un sistema electrónico para construir matrices genealógicas aplicables al mejoramiento animal en diversas especies (Programa: sustentabilidad productiva de pequeños rumiantes en áreas desfavorables - supprad).

El mejoramiento animal tiene como función modificar genéticamente una población animal con un fin económico determinado. Las herramientas que se utilizan son: evaluación genética, selección y/o esquemas de apareamiento. La evaluación genética se realiza obteniendo información (marcadores) que predice el genotipo del animal que no es registrable directamente. Estos marcadores son el fenotipo o información física del animal y algún predictor del genotipo que puede ser un marcador químico o la relación de parentesco con otro animal (padre-madre, hermanos, progenie). El uso de los marcadores genéticos para determinar la genealogía está en desarrollo actualmente pero resulta extremadamente costoso para ciertos niveles de producción. Por otra parte, los dispositivos electrónicos ensayados hasta el momento no han resultado muy eficientes, por lo tanto se propone para este proyecto desarrollar un sistema electrónico de identificación animal que permita construir matrices de genealogía para la evaluación genética de reproductores de las diferentes especies en condiciones de producción extensivas. El proyecto se desarrollará entre especialistas en Mejoramiento Animal e Ingenieros Electrónicos, en un aporte multidisciplinario a la solución del problema de establecer la filiación a través del armado del par macho-hembra durante el servicio natural de las distintas especies y el par madre-cría en algún momento luego del parto. La solución propuesta consiste en la implementación de dispositivos electrónicos activos (microcontrolador y tranceptor de radiofrecuencia alimentados a batería) dispuestos como nodos de una red de sensores inalambricos. Estos dispositivos serán colocados a través de collares en los animales tomados como objeto de estudio y mediante el continuo intercambio de informacion entre ellos se generará una matriz de datos que permita a posterior establecer la relación que existe entre ellos a traves de la determinacion de la periodicidad de sus cercanías relativas.

Antioxidantes de matrices vegetales regionales concentrados con tecnologías de alto vacío

El objetivo general de este proyecto es el de estudiar la recuperación de nutracéuticos y antioxidantes a partir de orégano y romero, tanto evitando su perdida durante el procesamiento como mediante su extracción y concentración utilizando tecnologías eficientes y no contaminantes. Se fraccionarán los aceites esenciales y oleoresinas, por destilación molecular para obtener productos de alto contenido en nutracéuticos. Se estudiará la extracción-separación de nutracéuticos de un modo teórico-experimental. Se realizarán determinaciones experimentales de cada una de las operaciones, para distintos valores de las variables operativas más relevantes a efectos de estudiar su influencia y lograr la optimización de las operaciones. Se utilizarán los modelos de Redes Neuronales Artificiales para el modelado y optimizacion de las operaciones implementadas.

Procesos oxidativos en matrices alimentarias complejas. Oxidative processes in complex food matrices.

Las reacciones bioquímicas que ocurren como consecuencia del tratamiento y almacenamiento de los alimentos, mejoran la seguridad alimentaria, las propiedades sensoriales y la vida útil. Sin embargo, el tratamiento térmico, la exposición a la luz y el oxígeno pueden causar daño oxidativo a los lípidos y proteínas. Los procesos oxidativos de matrices complejas tienen características distintivas que no se manifiestan cuando los componentes son sometidos a oxidación individualmente. La hipótesis de trabajo es que la oxidación de proteínas en matrices alimentarias complejas altera la estructura y las propiedades funcionales de las proteínas y, que las modificaciones que se producen varían según las condiciones de procesamiento y de la composición química del alimento. Nuestros estudios intentan demostrar que el estado oxidativo de las proteínas de un alimento es un parámetro importante para la evaluación de las propiedades funcionales, sensoriales y nutricionales de un producto lácteo. El objetivo general del proyecto es el estudio de los procesos de oxidación de matrices alimentarias complejas (la leche, miel) y su relación con distintos procesos y materiales utilizados en la industria. Es decir, nos proponemos estudiar las consecuencias funcionales y biológicas (calidad nutricional, coagulación) de la oxidación proteica en modelos experimentales “in vitro” y en productos comerciales. 1. Estudiar los fenómenos de peroxidación proteica en leche entera y descremada sometida a los distintos procesos tecnológicos de la producción de leche y queso a escala laboratorio. Se realizarán las mismas experiencias con albúmina sérica y con proteínas aisladas de suero de leche para comparar diferencias entre una matriz compleja y una simple. 2. Determinar la relación entre oxidación y composición proteica de la leche, y los cambios en las fracciones proteicas aisladas (caseínas y beta-lactoglobulina). 3. Analizar el impacto de los procesos tecnológicos a nivel de producción primaria (composición proteica y estado de oxidación) en los indicadores de inflamación (contenido de células somáticas y proteína C Reactiva) y de estado redox (capacidad antioxidante de los productos lácteos y nivel de carbonilos de proteinas). 4. Comparar las características de composición química y el estado de oxidación de leche provenientes de las tres regiones (Buenos Aires, Santa Fe y Córdoba) que conforman la cuenca láctea Argentina. Este objetivo se realizará conjuntamente con los integrantes de nuestro grupo de investigación que trabajan en el Laboratorio de Control de Calidad de la Escuela Superior de Lechería. 5. Determinar los metabolitos secundarios de mieles uniflorales propuestos como responsables de la capacidad antioxidante de estas (polifenoles) y como indicadores de su origen botánico. 6. Valorar la capacidad antioxidante total de mieles uniflorales. 7. Validar los métodos analíticos y semicuantitativos utilizados y a utilizar en el presente proyecto teniendo en cuenta lo efectos de matrices típico de los fluidos biológicos y las mezclas. El estudio de las modificaciones oxidativas de matrices complejas es un tema que es importante tanto desde el punto de vista del conocimiento básico como del aplicado. Nosotros creemos que el presente proyecto aportará conocimiento sobre las características de las vías oxidativas de proteínas en matrices complejas y que podrá ser utilizado para diseñar estrategias productivas tendientes a disminuir el deterioro de la calidad de la leche debido a la exposición a energía radiante. Parte de la experiencia ganada por el grupo ha sido ya volcada a subsanar dificultades y problemas de oxidación y deterioro de la calidad de alimentos. Además, se contribuirá a discernir la paradoja que existe en el área sobre las propiedades oxidantes/antioxidantes de los polifenoles y la relación entre estas y el estado oxidativo de un alimento. The biochemical reactions that occur as a result of food treatment and storage, improve food security, sensory properties and shelf life. Heat treatment, exposure to light and oxygen can cause oxidative damage to lipids and proteins. Oxidative processes in complex matrices display distinctive features that do not appear when the components are individually subjected to oxidation. The hypothesis is that protein oxidation in complex food matrices alters the structure and functional properties of proteins and that the modifications vary according to process conditions and food composition. The main goal is to study oxidation of complex food matrices (milk, honey) with different processes and materials used in the industry. The specific aims are: 1. To study protein oxidation in whole milk and skim subject to various technological processes. The same experiences will be done with serum albumin and isolated whey proteins to compare complex and simple matrices. 2. To determine the relationship between oxidation and milk protein composition, and changes in casein and beta-lactoglobulin. 3. Analyze the impact of technological processes at the level of primary production on markers of inflammation and redox (antioxidant capacity and protein carbonyls). 4. Compare characteristics of chemical composition and oxidation state of milk. 5. Determine secondary metabolites of honey responsible for the antioxidant capacity of these. 6. To evaluate the total antioxidant capacity unifloral honey. This project will provide knowledge about characteristics of oxidative pathways of proteins in complex matrices that can be used to design production strategies aimed at reduce the deterioration of milk quality. Also, it would help to discern the paradox that exists on the oxidants/antioxidants properties of polyphenols and the relationship between these and the oxidative status of a food.

GANADERÍA DE PRECISIÓN. DESARROLLO DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO PARA CONSTRUIR MATRICES GENEALÓGICAS APLICABLES AL MEJORAMIENTO ANIMAL EN DIVERSAS ESPECIES.

El mejoramiento animal tiene como función modificar genéticamente una población animal con un fin económico determinado. Las herramientas que se utilizan son: evaluación genética, selección y/o esquemas de apareamiento. La evaluación genética se realiza obteniendo información (marcadores) que predice el genotipo del animal que no es registrable directamente. Estos marcadores son el fenotipo o información física del animal y algún predictor del genotipo que puede ser un marcador químico o la relación de parentesco con otro animal. El uso de los marcadores genéticos para determinar la genealogía está en desarrollo actualmente pero resulta extremadamente costoso para ciertos niveles de producción. Los dispositivos electrónicos ensayados hasta el momento no han resultado muy eficientes, por lo tanto se propone para este proyecto desarrollar un sistema electrónico de identificación animal que permita construir matrices de genealogía para la evaluación genética de reproductores de las diferentes especies en condiciones de producción extensivas. El proyecto se desarrollará entre especialistas en mejoramiento animal e ingenieros electrónicos, en un aporte multidisciplinario a la solución del problema de establecer la filiación a través del armado del para macho-hembra durante el servicio natural de las distintas especies y el par madre-cría en algún momento luego del parto. La solución propuesta consiste en la implementación de dispositivos electrónicos activos (microcontrolador y tranceptor de radiofrecuencia alimentados a batería) dispuestos como nodos de una red de sensores inalambricos. Estos dispositivos serán colocados en los animales tomados como objeto de estudio, y mediante el continuo intercambio de informacion entre ellos se genera una matriz de datos que permita a posterior establecer la relación que existe entre ellos a traves de la determinacion de la periodicidad de sus cercanias relativas.

Optimal designs for the prediction in hierarchical random coefficient regression models

Magdeburg, Univ., Fak. für Mathematik, Diss., 2015

Semigroups of matrices of intermediate growth

Finitely generated linear semigroups over a field K that have intermediate growth are considered. New classes of such semigroups are found and a conjecture on the equivalence of the subexponential growth of a finitely generated linear semigroup S and the nonexistence of free noncommutative subsemigroups in S, or equivalently the existence of a nontrivial identity satisfied in S, is stated. This ‘growth alternative’ conjecture is proved for linear semigroups of degree 2, 3 or 4. Certain results supporting the general conjecture are obtained. As the main tool, a new combinatorial property of groups is introduced and studied.