Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Étude de la variation de phase des fimbriae F1651, Pap et CS31A et de l'impact des régulateurs homologues de PapI

Les Escherichia coli pathogènes extra-intestinaux (ExPEC) sont responsables d’une grande variété de maladies. Plus particulièrement, certaines souches ExPEC, du sous-groupe d’E. coli uropathogènes, sont porteuses de fimbriae de type P. Cette famille d’adhésines est soumise à une régulation transcriptionnelle appelée variation de phase; un mécanisme du tout ou rien. Il s’agit d’une compétition entre deux protéines régulatrices : la Dam méthylase et la nucléoprotéine Lrp. Ce mécanisme est aussi soumis à l’influence des régulateurs locaux PapB et PapI, deux régulateurs essentiels. Afin d’étudier PapI et ses homologues ainsi que leur impact sur la variation de phase des fimbriae F1651, Pap et CS31A. Grâce à une fusion chromosomique entre la région régulatrice de clp et les gènes lacZYA, nous avons étudié l’effet, en trans, de PapI et FooI qui ont pu restaurer la variation de phase avec une forte tendance pour la phase OFF. Pour étudier l’action de ces protéines sur foo et pap, nous avons utilisé un système utilisant gfp comme gène rapporteur de l’activité des promoteurs des opérons pap et foo. Cela a permis d’observer la variation de phase au niveau cellulaire par cytométrie en flux et en temps réel par microscopie à fluorescence. Ces expériences ont confirmé que la population de cellules F1651 positives a un phénotype d’expression de F1651 partielle alors que les cellules Pap sont en majorité en phase OFF. PapI et FooI n’ont pas la même influence sur la variation de phase, puisque FooI favorise une plus grande fréquence de variation de phase.

Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

Dynamics of two coupled chaotic multimode Nd:YAG lasers with intracavity frequency doubling crystal

The effect of coupling two chaotic Nd:YAG lasers with intracavity KTP crystal for frequency doubling is numerically studied for the case of the laser operating in three longitudinal modes. It is seen that the system goes from chaotic to periodic and then to steady state as the coupling constant is increased. The intensity time series and phase diagrams are drawn and the Lyapunov characteristic exponent is calculated to characterize the chaotic and periodic regions.

Analysis of System Signals Based on Cross Recurrence Method for System Dynamics Characterization

Natural systems are inherently non linear. Recurrent behaviours are typical of natural systems. Recurrence is a fundamental property of non linear dynamical systems which can be exploited to characterize the system behaviour effectively. Cross recurrence based analysis of sensor signals from non linear dynamical system is presented in this thesis. The mutual dependency among relatively independent components of a system is referred as coupling. The analysis is done for a mechanically coupled system specifically designed for conducting experiment. Further, cross recurrence method is extended to the actual machining process in a lathe to characterize the chatter during turning. The result is verified by permutation entropy method. Conventional linear methods or models are incapable of capturing the critical and strange behaviours associated with the dynamical process. Hence any effective feature extraction methodologies should invariably gather information thorough nonlinear time series analysis. The sensor signals from the dynamical system normally contain noise and non stationarity. In an effort to get over these two issues to the maximum possible extent, this work adopts the cross recurrence quantification analysis (CRQA) methodology since it is found to be robust against noise and stationarity in the signals. The study reveals that the CRQA is capable of characterizing even weak coupling among system signals. It also divulges the dependence of certain CRQA variables like percent determinism, percent recurrence and entropy to chatter unambiguously. The surrogate data test shows that the results obtained by CRQA are the true properties of the temporal evolution of the dynamics and contain a degree of deterministic structure. The results are verified using permutation entropy (PE) to detect the onset of chatter from the time series. The present study ascertains that this CRP based methodology is capable of recognizing the transition from regular cutting to the chatter cutting irrespective of the machining parameters or work piece material. The results establish this methodology to be feasible for detection of chatter in metal cutting operation in a lathe.

Hysteresis in a system driven by either generalized force or displacement variables: martensitic phase transition in single-crystalline Cu-Zn-Al

We report on experiments aimed at comparing the hysteretic response of a Cu-Zn-Al single crystal undergoing a martensitic transition under strain-driven and stress-driven conditions. Strain-driven experiments were performed using a conventional tensile machine while a special device was designed to perform stress-driven experiments. Significant differences in the hysteresis loops were found. The strain-driven curves show reentrant behavior yield point which is not observed in the stress-driven case. The dissipated energy in the stress-driven curves is larger than in the strain-driven ones. Results from recently proposed models qualitatively agree with experiments.

Numerical Simulation of Two-Part Underwater Towing System

The motion instability is an important issue that occurs during the operation of towed underwater vehicles (TUV), which considerably affects the accuracy of high precision acoustic instrumentations housed inside the same. Out of the various parameters responsible for this, the disturbances from the tow-ship are the most significant one. The present study focus on the motion dynamics of an underwater towing system with ship induced disturbances as the input. The study focus on an innovative system called two-part towing. The methodology involves numerical modeling of the tow system, which consists of modeling of the tow-cables and vehicles formulation. Previous study in this direction used a segmental approach for the modeling of the cable. Even though, the model was successful in predicting the heave response of the tow-body, instabilities were observed in the numerical solution. The present study devises a simple approach called lumped mass spring model (LMSM) for the cable formulation. In this work, the traditional LMSM has been modified in two ways. First, by implementing advanced time integration procedures and secondly, use of a modified beam model which uses only translational degrees of freedoms for solving beam equation. A number of time integration procedures, such as Euler, Houbolt, Newmark and HHT-α were implemented in the traditional LMSM and the strength and weakness of each scheme were numerically estimated. In most of the previous studies, hydrodynamic forces acting on the tow-system such as drag and lift etc. are approximated as analytical expression of velocities. This approach restricts these models to use simple cylindrical shaped towed bodies and may not be applicable modern tow systems which are diversed in shape and complexity. Hence, this particular study, hydrodynamic parameters such as drag and lift of the tow-system are estimated using CFD techniques. To achieve this, a RANS based CFD code has been developed. Further, a new convection interpolation scheme for CFD simulation, called BNCUS, which is blend of cell based and node based formulation, was proposed in the study and numerically tested. To account for the fact that simulation takes considerable time in solving fluid dynamic equations, a dedicated parallel computing setup has been developed. Two types of computational parallelisms are explored in the current study, viz; the model for shared memory processors and distributed memory processors. In the present study, shared memory model was used for structural dynamic analysis of towing system, distributed memory one was devised in solving fluid dynamic equations.

A System for Offline Recognition of Handwritten Characters in Malayalam Script

In this paper, we propose a handwritten character recognition system for Malayalam language. The feature extraction phase consists of gradient and curvature calculation and dimensionality reduction using Principal Component Analysis. Directional information from the arc tangent of gradient is used as gradient feature. Strength of gradient in curvature direction is used as the curvature feature. The proposed system uses a combination of gradient and curvature feature in reduced dimension as the feature vector. For classification, discriminative power of Support Vector Machine (SVM) is evaluated. The results reveal that SVM with Radial Basis Function (RBF) kernel yield the best performance with 96.28% and 97.96% of accuracy in two different datasets. This is the highest accuracy ever reported on these datasets

Studies on the interaction of two level atoms with quantized electromagnetic field

The present study described about the interaction of a two level atom and squeezed field with time varying frequency. By applying a sinusoidal variation in the frequency of the field, the randomness in population inversion is reduced and the collapses and periodic revivals are regained. Quantum optics is an emerging field in physics which mainly deals with the interaction of atoms with quantised electromagnetic fields. Jaynes-Cummings Model (JCM) is a key model among them, which describes the interaction between a two level atom and a single mode radiation field. Here the study begins with a brief history of light, atom and their interactions. Also discussed the interaction between atoms and electromagnetic fields. The study suggest a method to manipulate the population inversion due to interaction and control the randomness in it, by applying a time dependence on the frequency of the interacting squeezed field.The change in behaviour of the population inversion due to the presence of a phase factor in the applied frequency variation is explained here.This study also describes the interaction between two level atom and electromagnetic field in nonlinear Kerr medium. It deals with atomic and field state evolution in a coupled cavity system. Our results suggest a new method to control and manipulate the population of states in two level atom radiation interaction,which is very essential for quantum information processing.We have also studied the variation of atomic population inversion with time, when a two level atom interacts with light field, where the light field has a sinusoidal frequency variation with a constant phase. In both coherent field and squeezed field cases, the population inversion variation is completely different from the phase zero frequency modulation case. It is observed that in the presence of a non zero phase φ, the population inversion oscillates sinusoidally.Also the collapses and revivals gradually disappears when φ increases from 0 to π/2. When φ = π/2 the evolution of population inversion is identical to the case when a two level atom interacts with a Fock state. Thus, by applying a phase shifted frequency modulation one can induce sinusoidal oscillations of atomic inversion in linear medium, those normally observed in Kerr medium. We noticed that the entanglement between the atom and field can be controlled by varying the period of the field frequency fluctuations. The system has been solved numerically and the behaviour of it for different initial conditions and different susceptibility values are analysed. It is observed that, for weak cavity coupling the effect of susceptibility is minimal. In cases of strong cavity coupling, susceptibility factor modifies the nature in which the probability oscillates with time. Effect of susceptibility on probability of states is closely related to the initial state of the system.

Synthesis, Characterization and Applications of Modified TiO2 Systems

This thesis is divided in to 9 chapters and deals with the modification of TiO2 for various applications include photocatalysis, thermal reaction, photovoltaics and non-linear optics. Chapter 1 involves a brief introduction of the topic of study. An introduction to the applications of modified titania systems in various fields are discussed concisely. Scope and objectives of the present work are also discussed in this chapter. Chapter 2 explains the strategy adopted for the synthesis of metal, nonmetal co-doped TiO2 systems. Hydrothermal technique was employed for the preparation of the co-doped TiO2 system, where Ti[OCH(CH3)2]4, urea and metal nitrates were used as the sources for TiO2, N and metals respectively. In all the co-doped systems, urea to Ti[OCH(CH3)2]4 was taken in a 1:1 molar ratio and varied the concentration of metals. Five different co-doped catalytic systems and for each catalysts, three versions were prepared by varying the concentration of metals. A brief explanation of physico-chemical techniques used for the characterization of the material was also presented in this chapter. This includes X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, FTIR analysis, Thermo Gravimetric Analysis, Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), Scanning Electron Microscopy(SEM), UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET Surface Area Measurements and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Chapter 3 contains the results and discussion of characterization techniques used for analyzing the prepared systems. Characterization is an inevitable part of materials research. Determination of physico-chemical properties of the prepared materials using suitable characterization techniques is very crucial to find its exact field of application. It is clear from the XRD pattern that photocatalytically active anatase phase dominates in the calcined samples with peaks at 2θ values around 25.4°, 38°, 48.1°, 55.2° and 62.7° corresponding to (101), (004), (200), (211) and (204) crystal planes (JCPDS 21-1272) respectively. But in the case of Pr-N-Ti sample, a new peak was observed at 2θ = 30.8° corresponding to the (121) plane of the polymorph brookite. There are no visible peaks corresponding to dopants, which may be due to their low concentration or it is an indication of the better dispersion of impurities in the TiO2. Crystallite size of the sample was calculated from Scherrer equation byusing full width at half maximum (FWHM) of the (101) peak of the anatase phase. Crystallite size of all the co-doped TiO2 was found to be lower than that of bare TiO2 which indicates that the doping of metal ions having higher ionic radius into the lattice of TiO2 causes some lattice distortion which suppress the growth of TiO2 nanoparticles. The structural identity of the prepared system obtained from XRD pattern is further confirmed by Raman spectra measurements. Anatase has six Raman active modes. Band gap of the co-doped system was calculated using Kubelka-Munk equation and that was found to be lower than pure TiO2. Stability of the prepared systems was understood from thermo gravimetric analysis. FT-IR was performed to understand the functional groups as well as to study the surface changes occurred during modification. EDX was used to determine the impurities present in the system. The EDX spectra of all the co-doped samples show signals directly related to the dopants. Spectra of all the co-doped systems contain O and Ti as the main components with low concentrations of doped elements. Morphologies of the prepared systems were obtained from SEM and TEM analysis. Average particle size of the systems was drawn from histogram data. Electronic structures of the samples were identified perfectly from XPS measurements. Chapter 4 describes the photocatalytic degradation of herbicides Atrazine and Metolachlor using metal, non-metal co-doped titania systems. The percentage of degradation was analyzed by HPLC technique. Parameters such as effect of different catalysts, effect of time, effect of catalysts amount and reusability studies were discussed. Chapter 5 deals with the photo-oxidation of some anthracene derivatives by co-doped catalytic systems. These anthracene derivatives come underthe category of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Due to the presence of stable benzene rings, most of the PAH show strong inhibition towards biological degradation and the common methods employed for their removal. According to environmental protection agency, most of the PAH are highly toxic in nature. TiO2 photochemistry has been extensively investigated as a method for the catalytic conversion of such organic compounds, highlighting the potential of thereof in the green chemistry. There are actually two methods for the removal of pollutants from the ecosystem. Complete mineralization is the one way to remove pollutants. Conversion of toxic compounds to another compound having toxicity less than the initial starting compound is the second way. Here in this chapter, we are concentrating on the second aspect. The catalysts used were Gd(1wt%)-N-Ti, Pd(1wt%)-N-Ti and Ag(1wt%)-N-Ti. Here we were very successfully converted all the PAH to anthraquinone, a compound having diverse applications in industrial as well as medical fields. Substitution of 10th position of desired PAH by phenyl ring reduces the feasibility of photo reaction and produced 9-hydroxy 9-phenyl anthrone (9H9PA) as an intermediate species. The products were separated and purified by column chromatography using 70:30 hexane/DCM mixtures as the mobile phase and the resultant products were characterized thoroughly by 1H NMR, IR spectroscopy and GCMS analysis. Chapter 6 elucidates the heterogeneous Suzuki coupling reaction by Cu/Pd bimetallic supported on TiO2. Sol-Gel followed by impregnation method was adopted for the synthesis of Cu/Pd-TiO2. The prepared system was characterized by XRD, TG-DTG, SEM, EDX, BET Surface area and XPS. The product was separated and purified by column chromatography using hexane as the mobile phase. Maximum isolated yield of biphenyl of around72% was obtained in DMF using Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti as the catalyst. In this reaction, effective solvent, base and catalyst were found to be DMF, K2CO3 and Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti respectively. Chapter 7 gives an idea about the photovoltaic (PV) applications of TiO2 based thin films. Due to energy crisis, the whole world is looking for a new sustainable energy source. Harnessing solar energy is one of the most promising ways to tackle this issue. The present dominant photovoltaic (PV) technologies are based on inorganic materials. But the high material, low power conversion efficiency and manufacturing cost limits its popularization. A lot of research has been conducted towards the development of low-cost PV technologies, of which organic photovoltaic (OPV) devices are one of the promising. Here two TiO2 thin films having different thickness were prepared by spin coating technique. The prepared films were characterized by XRD, AFM and conductivity measurements. The thickness of the films was measured by Stylus Profiler. This chapter mainly concentrated on the fabrication of an inverted hetero junction solar cell using conducting polymer MEH-PPV as photo active layer. Here TiO2 was used as the electron transport layer. Thin films of MEH-PPV were also prepared using spin coating technique. Two fullerene derivatives such as PCBM and ICBA were introduced into the device in order to improve the power conversion efficiency. Effective charge transfer between the conducting polymer and ICBA were understood from fluorescence quenching studies. The fabricated Inverted hetero junction exhibited maximum power conversion efficiency of 0.22% with ICBA as the acceptor molecule. Chapter 8 narrates the third order order nonlinear optical properties of bare and noble metal modified TiO2 thin films. Thin films were fabricatedby spray pyrolysis technique. Sol-Gel derived Ti[OCH(CH3)2]4 in CH3CH2OH/CH3COOH was used as the precursor for TiO2. The precursors used for Au, Ag and Pd were the aqueous solutions of HAuCl4, AgNO3 and Pd(NO3)2 respectively. The prepared films were characterized by XRD, SEM and EDX. The nonlinear optical properties of the prepared materials were investigated by Z-Scan technique comprising of Nd-YAG laser (532 nm,7 ns and10 Hz). The non-linear coefficients were obtained by fitting the experimental Z-Scan plot with the theoretical plots. Nonlinear absorption is a phenomenon defined as a nonlinear change (increase or decrease) in absorption with increasing of intensity. This can be mainly divided into two types: saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA). Depending on the pump intensity and on the absorption cross- section at the excitation wavelength, most molecules show non- linear absorption. With increasing intensity, if the excited states show saturation owing to their long lifetimes, the transmission will show SA characteristics. Here absorption decreases with increase of intensity. If, however, the excited state has strong absorption compared with that of the ground state, the transmission will show RSA characteristics. Here in our work most of the materials show SA behavior and some materials exhibited RSA behavior. Both these properties purely depend on the nature of the materials and alignment of energy states within them. Both these SA and RSA have got immense applications in electronic devices. The important results obtained from various studies are presented in chapter 9.