Caratterizzazione di un setup miniaturizzato per studi di elettrofisiologia

La messa a punto di tecniche come il patch clamp e la creazione di doppi strati lipidici artificiali (artificial bilayers) ha permesso di effettuare studi su canali ionici per valutarne la permeabilità, la selettività ionica, la dipendenza dal voltaggio e la cinetica, sia in ambito di ricerca, per analizzarne il funzionamento specifico, sia in quello farmaceutico, per studiare la risposta cellulare a nuovi farmaci prodotti. Tali tecniche possono essere inoltre impiegate nella realizzazione di biosensori, combinando così i vantaggi di specificità e sensibilità dei sistemi biologici alla veloce risposta quantitativa degli strumenti elettrochimici. I segnali in corrente che vengono rilevati con questi metodi sono dell’ordine dei pA e richiedono perciò l’utilizzo di strumentazioni molto costose e ingombranti per amplificarli, analizzarli ed elaborarli correttamente. Il gruppo di ricerca afferente al professor Tartagni della facoltà di ingegneria di Cesena ha sviluppato un sistema miniaturizzato che possiede molte delle caratteristiche richieste per questi studi. L’obiettivo della tesi riguarda la caratterizzazione sperimentale di tale sistema con prove di laboratorio eseguite in uno spazio ridotto e senza l’impiego di ulteriori strumentazioni ad eccezione del PC. In particolare le prove effettuate prevedono la realizzazione di membrane lipidiche artificiali seguita dall’inserimento e dallo studio del comportamento di due particolari canali ionici comunemente utilizzati per questa tipologia di studi: la gramicidina A, per la facilità d’inserimento nella membrana e per la bassa conduttanza del singolo canale, e l’α-emolisina, per l’attuale impiego nella progettazione e realizzazione di biosensori. Il presente lavoro si sviluppa in quattro capitoli di seguito brevemente riassunti. Nel primo vengono illustrate la struttura e le funzioni svolte dalla membrana cellulare, rivolgendo particolare attenzione ai fosfolipidi e alle proteine di membrana; viene inoltre descritta la struttura dei canali ionici utilizzati per gli esperimenti. Il secondo capitolo comprende una descrizione del metodo utilizzato per realizzare i doppi strati lipidici artificiali, con riferimento all’analogo elettrico che ne risulta, ed una presentazione della strumentazione utilizzata per le prove di laboratorio. Il terzo e il quarto capitolo sono dedicati all’elaborazione dei dati raccolti sperimentalmente: in particolare vengono prima analizzati quelli specifici dell’amplificatore, quali quelli inerenti il rumore che si somma al segnale utile da analizzare e la variabilità inter-prototipo, successivamente si studiano le prestazioni dell’amplificatore miniaturizzato in reali condizioni sperimentali e dopo aver inserito i canali proteici all’interno dei bilayers lipidici.

Stable laser and upgraded vacuum setup for an experiment with ultracold atoms

In questo lavoro ci si propone di descrivere la realizzazione di un sistema laser con cavit´a esterna e di un apparato da ultra-alto-vuoto, che verranno impiegati in un esperimento di miscele di atomi ultrafreddi che utilizza due specie atomiche di bosoni: 87Rb e 41K. Speciale attenzione viene rivolta verso le caratteristiche dello schema utilizzato e sul sistema di controllo in temperatura, che rendono questo sistema laser particolarmente stabile in frequenza e insensibile alle vibrazioni e variazioni di temperatura. Si sono poi analizzate le propriet´a dei materiali impiegati e delle procedure sperimentali adottate per la realizzazione del nuovo apparato da vuoto, al fine di garantire migliori prestazioni rispetto al sistema attualmente in uso.

Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP

Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Studio e ottimizzazione di un sistema automatico per il cambiamento del setup in un motoveicolo sportivo

In the racing field the possibility to change the suspension settings can improve the overall performance of motorcycles, adapting to any type of circuit, any driving style and any weather condition, increasing the feeling of the rider with the vehicle. The present study investigated the pressure and forces related to changes in the oil level inside of the front fork. Seeing the importance of the change of the oil level have been developed an automated device, to be installed in the forks of original sports motorcycles, with the function to vary the level of oil in an automatic way. This system, having the possibility to continuously change the partial setup, could allow the optimization of the forks in each sector of the track, through a unit that automates the change. The project of the system has been presented to teams and riders of national championships and they showed interest on it.

Introduction of a novel dose saving acquisition mode for the PortalVision aS500 EPID to facilitate on-line patient setup verification

In external beam radiotherapy, electronic portal imaging becomes more and more an indispensable tool for the verification of the patient setup. For the safe clinical introduction of high dose conformal radiotherapy like intensity modulated radiation therapy, on-line patient setup verification is a prerequisite to ensure that the planned dosimetric coverage of the tumor volume is actually realized in the patient. Since the direction of setup fields often deviates from the direction of the treatment beams, extra dose is delivered to the patient during the acquisition of these portal images which may reach clinical relevance. The aim of this work was to develop a new acquisition mode for the PortalVision aS500 electronic portal imaging device from Varian Medical Systems that allows one to take portal images with reduced dose while keeping good image quality. The new acquisition mode, called RadMode, selectively enables and disables beam pulses during image acquisition allowing one to stop wasting valuable dose during the initial acquisition of "reset frames." Images of excellent quality can be taken with 1 MU only. This low dose per image facilitates daily setup verification with considerably reduced extra dose.

Direct combination of nanoparticle fabrication and exposure to lung cell cultures in a closed setup as a method to simulate accidental nanoparticle exposure of humans

The tremendous application potential of nanosized materials stays in sharp contrast to a growing number of critical reports of their potential toxicity. Applications of in vitro methods to assess nanoparticles are severely limited through difficulties in exposing cells of the respiratory tract directly to airborne engineered nanoparticles. We present a completely new approach to expose lung cells to particles generated in situ by flame spray synthesis. Cerium oxide nanoparticles from a single run were produced and simultaneously exposed to the surface of cultured lung cells inside a glovebox. Separately collected samples were used to measure hydrodynamic particle size distribution, shape, and agglomerate morphology. Cell viability was not impaired by the conditions of the glovebox exposure. The tightness of the lung cell monolayer, the mean total lamellar body volume, and the generation of oxidative DNA damage revealed a dose-dependent cellular response to the airborne engineered nanoparticles. The direct combination of production and exposure allows studying particle toxicity in a simple and reproducible way under environmental conditions.

Use of gold markers for setup in image-guided fractionated high-dose-rate brachytherapy as a monotherapy for prostate cancer

BACKGROUND AND PURPOSE: In order to use a single implant with one treatment plan in fractionated high-dose-rate brachytherapy (HDR-B), applicator position shifts must be corrected prior to each fraction. The authors investigated the use of gold markers for X-ray-based setup and position control between the single fractions. PATIENTS AND METHODS: Caudad-cephalad movement of the applicators prior to each HDR-B fraction was determined on radiographs using two to three gold markers, which had been inserted into the prostate as intraprostatic reference, and one to two radiopaque-labeled reference applicators. 35 prostate cancer patients, treated by HDR-B as a monotherapy between 10/2003 and 06/2006 with four fractions of 9.5 Gy each, were analyzed. Toxicity was scored according to the CTCAE Score, version 3.0. Median follow-up was 3 years. RESULTS: The mean change of applicators positions compared to baseline varied substantially between HDR-B fractions, being 1.4 mm before fraction 1 (range, -4 to 2 mm), -13.1 mm before fraction 2 (range, -36 to 0 mm), -4.1 mm before fraction 3 (range, -21 to 9 mm), and -2.6 mm at fraction 4 (range, -16 to 9 mm). The original position of the applicators could be readjusted easily prior to each fraction in every patient. In 18 patients (51%), the applicators were at least once readjusted > 10 mm, however, acute or late grade > or = 2 genitourinary toxicity was not increased (p = 1.0) in these patients. CONCLUSION: Caudad position shifts up to 36 mm were observed. Gold markers represent a valuable tool to ensure setup accuracy and precise dose delivery in fractionated HDR-B monotherapy of prostate cancer.

How the Entrepreneurial Top Management Team Setup Influences Firm Performance and the Ability to Raise Capital: A Literature Review

This paper reviews research findings on entrepreneurial top management teams within the last 20 years. It concentrates on team-based management factors and their influence on a new venture’s growth and ability to raise capital. This paper integrates recent findings and provides an overview of the current state of research. Moreover, it contributes to the overall topic by proposing five clusters of major team-specific influences, derives determinants of success and failure, and reveals recommendations for further research.

Electrochemical simulation of phase I metabolism for 21 drugs using four different working electrodes in an automated screening setup with MS detection.

BACKGROUND Electrochemical conversion of xenobiotics has been shown to mimic human phase I metabolism for a few compounds. MATERIALS & METHODS Twenty-one compounds were analyzed with a semiautomated electrochemical setup and mass spectrometry detection. RESULTS The system was able to mimic some metabolic pathways, such as oxygen gain, dealkylation and deiodination, but many of the expected and known metabolites were not produced. CONCLUSION Electrochemical conversion is a useful approach for the preparative synthesis of some types of metabolites, but as a screening method for unknown phase I metabolites, the method is, in our opinion, inferior to incubation with human liver microsomes and in vivo experiments with laboratory animals, for example.

Assessment of patient setup errors in IGRT in combination with a six degrees of freedom couch

PURPOSE The range of patient setup errors in six dimensions detected in clinical routine for cranial as well as for extracranial treatments, were analyzed while performing linear accelerator based stereotactic treatments with frameless patient setup systems. Additionally, the need for re-verification of the patient setup for situations where couch rotations are involved was analyzed for patients treated in the cranial region. METHODS AND MATERIALS A total of 2185 initial (i.e. after pre-positioning the patient with the infrared system but before image guidance) patient setup errors (1705 in the cranial and 480 in the extracranial region) obtained by using ExacTrac (BrainLAB AG, Feldkirchen, Germany) were analyzed. Additionally, the patient setup errors as a function of the couch rotation angle were obtained by analyzing 242 setup errors in the cranial region. Before the couch was rotated, the patient setup error was corrected at couch rotation angle 0° with the aid of image guidance and the six degrees of freedom (6DoF) couch. For both situations attainment rates for two different tolerances (tolerance A: ± 0.5mm, ± 0.5°; tolerance B: ± 1.0 mm, ± 1.0°) were calculated. RESULTS The mean (± one standard deviation) initial patient setup errors for the cranial cases were -0.24 ± 1.21°, -0.23 ± 0.91° and -0.03 ± 1.07° for the pitch, roll and couch rotation axes and 0.10 ± 1.17 mm, 0.10 ± 1.62 mm and 0.11 ± 1.29 mm for the lateral, longitudinal and vertical axes, respectively. Attainment rate (all six axes simultaneously) for tolerance A was 0.6% and 13.1% for tolerance B, respectively. For the extracranial cases the corresponding values were -0.21 ± 0.95°, -0.05 ± 1.08° and -0.14 ± 1.02° for the pitch, roll and couch rotation axes and 0.15 ± 1.77 mm, 0.62 ± 1.94 mm and -0.40 ± 2.15 mm for the lateral, longitudinal and vertical axes. Attainment rate (all six axes simultaneously) for tolerance A was 0.0% and 3.1% for tolerance B, respectively. After initial setup correction and rotation of the couch to treatment position a re-correction has to be performed in 77.4% of all cases to fulfill tolerance A and in 15.6% of all cases to fulfill tolerance B. CONCLUSION The analysis of the data shows that all six axes of a 6DoF couch are used extensively for patient setup in clinical routine. In order to fulfill high patient setup accuracies (e.g. for stereotactic treatments), a 6DoF couch is recommended. Moreover, re-verification of the patient setup after rotating the couch is required in clinical routine.

Nonlinear quasi-static finite element simulations predict in vitro strength of human proximal femora assessed in a dynamic sideways fall setup

Osteoporotic proximal femur fractures are caused by low energy trauma, typically when falling on the hip from standing height. Finite element simulations, widely used to predict the fracture load of femora in fall, usually include neither mass-related inertial effects, nor the viscous part of bone's material behavior. The aim of this study was to elucidate if quasi-static non-linear homogenized finite element analyses can predict in vitro mechanical properties of proximal femora assessed in dynamic drop tower experiments. The case-specific numerical models of thirteen femora predicted the strength (R2=0.84, SEE=540 N, 16.2%), stiffness (R2=0.82, SEE=233 N/mm, 18.0%) and fracture energy (R2=0.72, SEE=3.85 J, 39.6%); and provided fair qualitative matches with the fracture patterns. The influence of material anisotropy was negligible for all predictions. These results suggest that quasi-static homogenized finite element analysis may be used to predict mechanical properties of proximal femora in the dynamic sideways fall situation.