Littérature scientifique sur le sujet « Tecniche termiche e spettroscopiche »

This research investigated someone of the main problems connected to the application of Tissue Engineering in the prosthetic field, in particular about the characterization of the scaffolding materials and biomimetic strategies adopted in order to promote the implant integration. The spectroscopic and thermal analysis techniques were usefully applied to characterize the chemico-physical properties of the materials such as – crystallinity; – relative composition in case of composite materials; – Structure and conformation of polymeric and peptidic chains; – mechanism and degradation rate; – Intramolecular and intermolecular interactions (hydrogen bonds, aliphatic interactions). This kind of information are of great importance in the comprehension of the interactions that scaffold undergoes when it is in contact with biological tissues; this information are fundamental to predict biodegradation mechanisms and to understand how chemico-physical properties change during the degradation process. In order to fully characterize biomaterials, this findings must be integrated by information relative to mechanical aspects and in vitro and in vivo behavior thanks to collaborations with biomedical engineers and biologists. This study was focussed on three different systems that correspond to three different strategies adopted in Tissue Engineering: biomimetic replica of fibrous 3-D structure of extracellular matrix (PCL-PLLA), incorporation of an apatitic phase similar to bone inorganic phase to promote biomineralization (PCL-HA), surface modification with synthetic oligopeptides that elicit the interaction with osteoblasts. The characterization of the PCL-PLLA composite underlined that the degradation started along PLLA fibres, which are more hydrophylic, and they serve as a guide for tissue regeneration. Moreover it was found that some cellular lines are more active in the colonization of the scaffold. In the PCL-HA composite, the weight ratio between the polymeric and the inorganic phase plays an essential role both in the degradation process and in the biomineralization of the material. The study of self-assembling peptides allowed to clarify the influence of primary structure on intermolecular and intermolecular interactions, that lead to the formation of the secondary structure and it was possible to find a new class of oligopeptides useful to functionalize materials surface. Among the analytical techniques used in this study, Raman vibrational spectroscopy played a major role, being non-destructive and non-invasive, two properties that make it suitable to degradation studies and to morphological characterization. Also micro-IR spectroscopy was useful in the comprehension of peptide structure on oxidized titanium: up to date this study was one of the first to employ this relatively new technique in the biomedical field.

This research investigated someone of the main problems connected to the application of Tissue Engineering in the prosthetic field, in particular about the characterization of the scaffolding materials and biomimetic strategies adopted in order to promote the implant integration. The spectroscopic and thermal analysis techniques were usefully applied to characterize the chemico-physical properties of the materials such as – crystallinity; – relative composition in case of composite materials; – Structure and conformation of polymeric and peptidic chains; – mechanism and degradation rate; – Intramolecular and intermolecular interactions (hydrogen bonds, aliphatic interactions). This kind of information are of great importance in the comprehension of the interactions that scaffold undergoes when it is in contact with biological tissues; this information are fundamental to predict biodegradation mechanisms and to understand how chemico-physical properties change during the degradation process. In order to fully characterize biomaterials, this findings must be integrated by information relative to mechanical aspects and in vitro and in vivo behavior thanks to collaborations with biomedical engineers and biologists. This study was focussed on three different systems that correspond to three different strategies adopted in Tissue Engineering: biomimetic replica of fibrous 3-D structure of extracellular matrix (PCL-PLLA), incorporation of an apatitic phase similar to bone inorganic phase to promote biomineralization (PCL-HA), surface modification with synthetic oligopeptides that elicit the interaction with osteoblasts. The characterization of the PCL-PLLA composite underlined that the degradation started along PLLA fibres, which are more hydrophylic, and they serve as a guide for tissue regeneration. Moreover it was found that some cellular lines are more active in the colonization of the scaffold. In the PCL-HA composite, the weight ratio between the polymeric and the inorganic phase plays an essential role both in the degradation process and in the biomineralization of the material. The study of self-assembling peptides allowed to clarify the influence of primary structure on intermolecular and intermolecular interactions, that lead to the formation of the secondary structure and it was possible to find a new class of oligopeptides useful to functionalize materials surface. Among the analytical techniques used in this study, Raman vibrational spectroscopy played a major role, being non-destructive and non-invasive, two properties that make it suitable to degradation studies and to morphological characterization. Also micro-IR spectroscopy was useful in the comprehension of peptide structure on oxidized titanium: up to date this study was one of the first to employ this relatively new technique in the biomedical field.

La flavescenza dorata è una malattia di interesse globale che causa ogni anno ingenti danni alle coltivazioni e di conseguenza comporta sostanziali perdite economiche in viticoltura. Il primo obiettivo che questo elaborato si è posto è stato fornire uno strumento utile a identificare la malattia anche prima che essa manifesti i suoi sintomi; in quest’ottica la spettroscopia si è rivelata particolarmente promettente. In secondo luogo si è valutata se la distanza dal bosco potesse essere un fattore di incidenza della flavescenza dorata. Per quanto riguarda il primo aspetto, lo scopo è stato raggiunto con l’identificazione di diversi composti biochimici che potrebbero essere sfruttati come indicatori per l’identificazione del fitoplasma; anche la presenza di un’area boschiva potrebbe incidere nella diffusione della flavescenza dorata. È bene sottolineare che l’elaborato è stato svolto con una prospettiva agroecologica, cercando valide alternative ai metodi di lotta tradizionali che prevedono l’uso di composti chimici e lo sfalcio del cotico erboso, utile a garantire la sopravvivenza e la funzionalità di un ambiente agroecologico. Le conclusioni tratte stimolano indagini future, per approfondire le pionieristiche tematiche investigate.

Questa tesi si propone di studiare il degrado fotochimico dell’acido carminico, il colorante costituente principale della cocciniglia. La scelta di studiare questo colorante di origine animale è dovuta, non soltanto al suo largo impiego in campo artistico, sia come colorante tessile che in pittura fin dai tempi più antichi, ma anche al fatto che l’insetto da cui esso viene estratto, la cocciniglia appunto, vive su alcune specie di cactus presenti in diverse zone di centro e sud America, dove pertanto il suo utilizzo in campo artistico è largamente documentato. Le ricerche qui presentate sono state infatti svolte in Argentina e sono parte di un progetto più ampio che si propone di studiare anche i processi di degrado di altri due coloranti organici generalmente molto utilizzati in campo artistico: indaco e alizarina, riguardo ai quali in questa tesi si troveranno alcuni accenni. La realizzazione di uno studio di questo tipo nasce dalla consapevolezza dell’importanza che riveste la conoscenza dei meccanismi di degrado che interessano i materiali utilizzati nella produzione di opere d’arte al fine di ricercare strategie conservative efficaci e progettare e realizzare interventi puntuali. In questo progetto è stata studiata la fotodegradazione dell’acido carminico in soluzione acquosa irradiata a diverse lunghezze d’onda. La reazione è stata studiata mediante spettroscopia UV-Vis per monitorare l’evoluzione degli spettri di assorbimento durante l’irradiazione e spettroscopia di fluorescenza per registrare Matrici 3D di Eccitazione-Emissione e, in questo modo, costruire i profili cinetici attraverso una analisi chemiometrica; anche il contributo che le specie reattive di ossigeno che possono favorire il degrado sono state studiate. Lo scopo è quindi quello di fornire una analisi completa dalla fotodegradazione dell’acido carminico nella sua forma più semplice, che possa costituire una solida base per la caratterizzazione chimico-fisica di sistemi più complessi nei quali sia utilizzato l’acido carminico.

La possibilità di realizzare materiali mesoporosi sotto forma di film sottili è particolarmente interessante, grazie alle possibilità di avere allo stesso tempo un sistema con caratteristiche completamente controllabili e con le proprietà intrinseche dei film sottili. Inoltre, una grande varietà di sistemi inorganici o ibridi può essere ottenuta facilmente con metodi basati sull’evaporazione e possono essere studiati approfonditamente tramite tecniche in-situ. Il controllo delle variabili chimiche e di trattamento permette anche di realizzare e riprodurre facilmente una grande varietà di matrici di oggetti con pori funzionalizzati. In questo lavoro di dottorato, tecniche sperimentali ben assestate, come lo scattering di raggi X ad angolo radente (SAXS) e la microscopia elettronica in trasmissione (TEM), sono state utilizzate per caratterizzare con precisione la simmetria strutturale della fase mesoporosa di film sottili e membrane sia di silice che di ibridi organici-inorganici ottenuti con tecnica sol-gel, attraverso l’autoassemblaggio indotto per evaporazione (EISA) e deposizione per immersione (dip-coating). Per la prima volta, la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) risolta in tempo (rapid-scan) è stata usata in-situ per studiare la cinetica delle reazioni di policondensazione durante la formazione del film. La tecnica FTIR si è rivelata molto potente per comprendere in grande dettaglio i processi chimico-fisici che avvengono durante la formazione del film. È stata anche applicata in-situ simultaneamente alla tecnica SAXS per ottenere sia le informazioni strutturali che chimiche e ha permesso di stabilire l’importante ruolo dell’acqua e dell’etanolo nella formazione delle micelle e nell’organizzazione della mesostruttura nel tempo. Questi risultati ci hanno indotto a investigare in grande dettaglio i processi di evaporazione dell’acqua e dell’etanolo e come sono influenzati dalle condizioni ambientali (es. l’umidità), che giocano un ruolo fondamentale nelle proprietà finali dei film depositati. L’efficacia della tecnica infrarossa è stata confermata anche applicandola all’imaging FTIR risolto in tempo per studiare l’effetto “macchia di caffè” in un sistema puro solvente-soluto. Per ultimo, è stato dimostrato che è possibile realizzare matrici di oggetti mesoporosi funzionalizzati di dimensione e forma controllate, integrando la litografia deep X-ray e la scrittura dip-pen. È stato possibile controllare la qualità dell’intero processo produttivo tramite tecniche di caratterizzazione attualmente disponibili in una moderna facility di luce di sincrotrone. L’aver applicato con successo queste tecniche bottom-up e top-down permette di prevedere lo sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione di materiali mesoporosi con particolari funzionalità, come DNA nano-spotting e sistemi lab-on-a-chip.
The possibility of processing mesoporous materials as thin films is especially interesting, due to the combined properties of a thoroughly tailored pore system and the inherent features of thin films. Moreover, a wide variety of inorganic or hybrid frameworks can be easily obtained by evaporation-based methods and thoroughly studied by in-situ techniques. The control of chemical and processing variables also permits the easy creation and reproduction of an amazing library of functional-pore arrays. In this doctorate work, well assessed experimental techniques, as small-angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM), have been used to characterize thoroughly the mesophase symmetry of silica and hybrid organic-inorganic films and membranes obtained by sol-gel processing, through evaporation-induced self-assembly (EISA) and dip-coating. For the first time, time-resolved rapid-scan Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy has been used in-situ to study the kinetics of polycondensation reactions during film formation. The FTIR technique has shown to be very powerful to understand in great detail the chemical-physical processes that take place during film formation. It has been applied in-situ also simultaneously with SAXS, to have both the structural and chemical information and it has allowed to establish the important role of ethanol and water related to micelle formation and mesostructure organization with time. These results have led us to investigate in great detail the evaporation processes of water and ethanol and how they are influenced by the environmental conditions (i.e., relative humidity), which play a fundamental role in the final properties of the as-deposited mesoporous film. The power of the IR technique has been confirmed also by its application as time-resolved FTIR imaging to study the “coffee-stain” effect in a pure solvent-solute system. Finally, it has been shown that it is possible to fabricate mesoporous functionalized arrays with controlled size and shape by integrating deep X-ray lithography with dip-pen writing. It has been possible to control the quality of the whole production process by means of characterization techniques currently available in a modern synchrotron facility. The successful application of these bottom-up and top-down techniques allows to envisage new fabrication technologies of functional mesoporous materials for applications, such as DNA nano-spotting or lab-on-a-chip devices.

The aim of this work is to propose and to validate measurement methods specifically suited for the analysis of teeth’s mechanical proprieties and dentist applications. The innovation introduced in this work is so in the main part methodological. I worked in order to obtain results interesting for the dentists, but also correct under the metrological point of view.
Lo scopo di questo lavoro di tesi, realizzato in stretta collaborazione con la Clinica Odontostomatologica dell’Università Politecnica delle Marche e con diverse aziende del settore, è quello di applicare tecniche di misura ad ambiti di specifico interesse odontoiatrico. L’innovazione presente in questa tesi risiede sia nelle specifiche tecniche di misura utilizzate che, e soprattutto, nell’approccio metodologico seguito. Si è voluto infatti garantire che fossero di interesse sia i risultati delle misure effettuate sia i metodi di misura scelti.

Optical instruments for space missions work in hostile environment, it’s thus necessary to accurately study the effects of ambient parameters variations on the equipment. In particular, optical instruments are very sensitive to ambient conditions, especially temperature. This variable can cause dilatation and misalignment of the optical elements, and can also lead to rise of dangerous stresses in the optics. Their displacements degrade the quality of the sampled images. In this work the optics and mountings of a stereo-camera for the BepiColombo mission are modelled and processed by a thermo-mechanical FEM analysis, reproducing expected operative conditions. The output is elaborated into a MATLAB optimisation code, based on non-linear least square algorithm to determine the equation of the best fitting nth polynomial or spherical surfaces of the deformed lenses and mirrors; model accuracy is 10-8 m. The obtained mathematical surface representations are then directly imported into ZEMAX for sequential raytrace analysis. The results are spot diagrams, chief ray coordinates on the detector, MTF curves and Diffraction Encircled Energy variations due to simulated thermal loads. This helps also to design and compare different optical housing systems for a feasible solution. Different types of lenses and prisms constraints have been designed and analysed. The results show the preferable use of kinematic constraints instead of glue to correctly operate the instrument to maintaine in focus in orbit around Mercury considering an operative temperature between -20°C and +30°C.
Gli strumenti ottici che vengono utilizzati nelle missioni spaziali risentono delle variazione delle condizioni ambientali, per questo è necessario studiare l’effetto di queste ultime sull’equipaggiamento. In particolare gli strumenti ottici sono molto sensibili alle variazioni di temperatura, perché questa grandezza può causare la deformazione e il disalinneamento delle ottiche, inoltre può comportare l’insorgere di tensioni rilevanti che possono provocare la loro rottura. In questa tesi sono state effettuate delle analisi termo-elastiche utilizzando un software ad elementi finite (Nastran) riproducendo le condizioni operative in cui si troverà la stereocamera coinvolta nella missione BepiColombo. I risultati delle analisi sono stati elaborati in MATLAB per determinare le equazioni matematiche delle superfici degli elementi ottici deformati utilizzando un’ottimizzazione non lineare ai minimi quadrati, e considerando equazioni polinomiali, sferiche e planari. Le superfici matematiche sono state importate in un software raytrace (ZEMAX) per poter verificare la performance ottica dello strumento. I risultati mostrano come le variazioni di temperatura influenzino gli Spot Diagrams, la Diffraction Ensquare Energy e le curve MTF. Per migliorare la risposta del telescopio ai carichi termici sono stati ideati dei vincoli cinematici, il loro utilizzo compromette molto meno la performance della stereocamera rispetto a vincoli rigidi per le ottiche. È stata valutata l’influenza delle variazioni dei parametri ottici (focale, spostamento del centro ottico, spostamento degli Spot Diagrams sul piano immagine e distorsioni) sulla ricostruzione della profondità della superficie di Mercurio utilizzando la propagazione dell’incertezza secondo le metodologie GUM e Monte Carlo. Infine è stato ideato unsetup strumentale per determinare gli spostamenti e le rotazioni di alcuni elementi ottici della sterocamera in camera di vuoto riproducendo le condizioni operative dello strumento.

I materiali luminescenti aventi dimensioni nell’ordine di grandezza dei nanometri, come Nanoparticelle (NPs) che presentano proprietà di Upconversion (UC) o Quantum Dots (QDs), sono attualmente molto studiati per le loro interessanti proprietà, trovando possibili applicazioni in campo biomedico come marcatori ottici, ad esempio come bio-sensori, per il bio-imaging e nel drug delivery. In particolare UC-NPs possono essere utilizzate per ottenere un elevato contrasto nella tecnica di imaging eliminando il rilevante problema dell'autofluorescenza tissutale e permettendo, quindi, di ottenere una maggiore accuratezza nella misura. Lo studio dell'interazione tra NPs e bio-molecole ha coinvolto, nei recenti anni, molti campi di ricerca. Tali interazioni permettono di ottenere nuove ed importanti proprietà per le NPs, come un comportamento idrofilico, bio-compatibilità e bio-degradabilità, che permettono, inoltre, di acquisire una miglior conoscenza sul processo di internalizzazione del bio-nanomateriale da parte delle cellule. La specificità delle bio-molecole permette anche di ottenere differenti bio-distribuzioni del bio-nanomateriale. Queste nuove proprietà migliorano, quindi, le possibili applicazioni delle NPs in campo biomedico. I processi di Energy Transfer (ET), tra due sistemi, coinvolgono l'assorbimento di luce da parte di un partner, detto donatore, che trasferisce l'energia immagazzinata all'altro partner, detto accettore, il quale, di conseguenza, emette l'energia sotto forma luminosa. Tale ET può avvenire mediante processi di tipo radiativo o non-radiativo, dipendenti dalle caratteristiche del sistema. Un esempio di ET è quella che viene definita come FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer, che è un processo fisico distanza-dipendente. L’utilizzo dei processi ET permettono l’analisi di una grande varietà di fenomeni biologici. I fluorofori comunemente utilizzati come donatori e accettori appartengono ad un gruppo di proteine auto-fluorescenti chiamate genericamente GFPs (Green Fluorescent Protein). In particolare le tecniche di imaging basate sull'ET utilizzando GFPs, sono state molto importanti per la determinazione dell'organizzazione cellulare e per tracciare i movimenti di differenti proteine all'interno delle cellule stesse. In questo lavoro studiamo l'interazione tra differenti tipi di Nanoparticelle e GFP, in particolare il processo di Energy Transfer da UC-NPs/QDs a GFP utilizzando varie tecniche spettroscopiche, come spettroscopia di assorbimento ed emissione, e anche tecniche calorimetriche, come ITC (Isotermal Titration Calorimetry). ITC è una tecnica molto promettente che permette di investigare la termodinamica relativa all'interazione tra due sistemi, nel nostro caso tra UC-NPs/QDs e GFP.