Πραγματοποιήθηκε πείραμα με στόχο τη μελέτη των περιβαλλοντικών συνθηκών πειραματικής καλλιέργειας ηλίανθου σε υπόστρωμα τέφρας. Για την μελέτη του θέματος εγκαταστάθηκε πειραματικός αγρός στην παραλιακή περιοχή του χωριού Μηλάκι του δήμου Ταμυνέων (Αλιβερίου) στο νομό Ευβοίας. Η σπορά του ηλίανθου έγινε με την φύτευση σπόρου με το χέρι στις 27 Απριλίου του 2009 σε δυο διαφορετικά υποστρώματα, της ήδη υπάρχουσας στην περιοχή, τέφρας και σε κανονικό εδαφικό υπόστρωμα το οποίο μεταφέρθηκε στην περιοχή. Για τις ανάγκες του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν και στα δυο υποστρώματα τα πιο κάτω εδαφοβελτιωτικά (γύψος, τύρφη, περλίτης, πριονίδι) καθώς και αναμείξεις αυτών. Η μέγιστη τιμή του ολικού ύψους των φυτών στο υπόστρωμα της τέφρας, παρατηρείται στις 18 Ιουλίου του 2009, ενώ για την παράμετρο της διαμέτρου των ανθοκεφαλών η μέγιστη τιμή της παρατηρείται στις 2 Αυγούστου του 2009. Τα ίδια συμπεράσματα προκύπτουν και από τα δεδομένα που ελήφθησαν από το κανονικό εδαφικό υπόστρωμα. Υπολογίστηκαν οι συντελεστές συσχέτισης των φυτικών παραμέτρων στα διάφορα πειραματικά πεδία. Αυτές έδειξαν ότι οι θετικές αλλά και οι αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ των ίδιων συγκρινόμενων παραμέτρων (Μεσοδιάστημα Κοτύλη – 1ο φύλλο, Μεσοδιάστημα 1ο φύλλο – 2ο φύλλο, Ολικό ύψος, Φυλλική επιφάνεια 1ου φύλλου, Φυλλική επιφάνεια 2ου φύλλου, Διάμετρος ανθοκεφαλής, Βάρος φυτού), είναι μεγαλύτερες στο υπόστρωμα της τέφρας από αυτό του κανονικού εδαφικού υποστρώματος. Εξαίρεση αποτελούν δυο περιπτώσεις, όπου στο υπόστρωμα της τέφρας εμφανίζεται αρνητική συσχέτιση ενώ στο κανονικό εδαφικό υπόστρωμα εμφανίζεται θετική συσχέτιση. Διαπιστώθηκε ότι στο υπόστρωμα της τέφρας, οι μεγαλύτερες τιμές των παραμέτρων που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος παρατηρήθηκαν στα πειραματικά τετράγωνα με τα παρακάτω εδαφοβελτιωτικά: T5A, G.T4A, G.T5A, G.T.PL3A και G.T.PL4A. Στο κανονικό εδαφικό υπόστρωμα, διαπιστώθηκε ότι οι μεγαλύτερες τιμές των παραμέτρων που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος παρατηρήθηκαν στα πειραματικά τετράγωνα με τα παρακάτω εδαφοβελτιωτικά: G.T5B, G.T.PL4B, G.T.PL5B, G.T.PL.PN4B και G.T.PL.PN5B. / An experiment was realised amining at the study of environmental conditions experimental growing of sunflower in sublayer of ash. For the study of this subject was installed experimental field in the coastal region of the village Milaki at the municipality Tamyneon (Aliveriou) in the prefecture of Evia. The seeding of sunflower became with the planting of seed by hands on 27 April 2009 in two different sublayers, the already existing in the region, ash and in regular territorial sublayer which was transported in the region. For the needs of experiment they were also used in the two sublayers the below ameliorative of ground (gypsum, peat, perlite, sawdust) as well as mixtures of these. The biggest price of the total height of plants in the sublayer of ash, is observed on 18 July 2009, while for the parameter of heads diameter her biggest price is observed on 2 August 2009. The same conclusions also result from the data that were received from the regular territorial sublayer. They were calculated the correlation factors of the plant parameters in the various experimental fields. These showed that positive but also negative correlations between the same compared parameters (Cotyledon – first leaf interval, First leaf – second leaf interval, Total height, Leaf surface of first leaf, Leaf surface of second leaf, Head diameter, Weight of plant) are bigger in the sublayer of the ash from that of the regular territorial sublayer. Exception constitutes two cases, where in the sublayer of ash is presented negative correlation while in the regular territorial sublayer is presented positive correlation. It was realised that in the sublayer of ash, the biggest prices of the parameters that were measured at the duration of experiment were observed in the experimental squares with the following ameliorative of ground: T5A, G.T4A, G.T5A, G.T.PL3A και G.T.PL4A. In the regular territorial sublayer, was realised that the biggest prices of the parameters that were measured at the duration of experiment were observed in the experimental squares with the following ameliorative of ground: G.T5B, G.T.PL4B, G.T.PL5B, G.T.PL.PN4B και G.T.PL.PN5B.

Τα λύματα είναι επικίνδυνα για το πληθυσμό και το περιβάλλον γι’αυτό είναι απαραίτητη η επεξεργασία τους πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες. Η συγκέντρωση του φωσφόρου και του αζώτου αυξάνεται σημαντικά στα λύματα τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα θρεπτικά συστατικά ευθύνονται άμεσα για τον ευτροφισμό. Αυτό που χρειάζεται δεν είναι μόνο η ελαχιστοποίηση του φωσφόρου αλλά και η ανακύκλωση του. Μια νέα μέθοδος απομάκρυνσης του φωσφόρου ως ανακυκλώσιμο προϊόν είναι η κρυσταλλοποίηση του στρουβίτη. Τα πλεονεκτήματα αυτής της ανάκτησης είναι η ταυτόχρονη και αποδοτική μείωση του P και του N, η χρήση του στρουβίτη ως βραδέως αποδεσμευόμενου λιπάσματος, η εξοικονόμηση πρώτων υλών και η εφαρμογή για την σταθεροποίηση αμμωδών η χαλαρά συνδεδεμένων εδαφών. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη κινητικής της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου, η διερεύνηση του ετερογενούς σχηματισμού στρουβίτη σε υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και κάποιες δοκιμές συσσωμάτωσης άμμου, σίλικας και ανθρακικού ασβεστίου σε κλίνες. Μελετήθηκε η κινητική της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου σε συνθήκες pH κοντά στο 9.0 χωρίς υπόστρωμα, με υπόστρωμα, και σε σταθερό υπερκορεσμό παρουσία υποστρώματος. Το υπόστρωμα το οποίο χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα ήταν σε όλες τις περιπτώσεις σίλικα. Στην παρούσα μελέτη τα υπέρκορα διαλύματα περιλάμβαναν μόνον ισομοριακές συγκεντρώσεις των ιόντων MgP 2+ P, POB4PB 3- P και NHB4PB + P τα οποία και αντιστοιχούν στο καταβυθιζόμενο στερεό. Στους 25P ο PC και σε ποσότητες υποστρώματος 0.05, 0.1, 0.2 g καταβυθίζονται λευκοί ορθορομβικοί κρύσταλλοι στρουβίτη. Βρέθηκε ότι οι χρόνοι επαγωγής οι οποίοι προηγούνται του σχηματισμού των υπερκρίσιμων πυρήνων αυξάνονται απότομα με την μείωση του υπερκορεσμού των διαλυμάτων. Στα πειράματα pH≈9.0 κατά την διάρκεια της καταβύθισης, παρουσία σίλικας οι συγκεντρώσεις μαγνησίου και φωσφορικών ελαττώνονταν ενώ στα πειράματα σταθερού υπερκορεσμού παρέμεναν σχεδόν σταθερές με αποτέλεσμα την συνεχή ανάκτηση φωσφόρου πάνω στο υπόστρωμα. Από την ανάλυση των φασμάτων για τα στερεά που σχηματίσθηκαν σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού διασπιστώθηκε ότι σχηματίσθηκε αποκλειστικά στρουβίτης. Και στις τρεις σειρές πειραμάτων προσδιορίσθηκε ο αριθμός των δομικών μονάδων που αποτελούν τον κρίσιμο πυρήνα στο στάδιο της πυρηνογένεσης. Χωρίς υπόστρωμα βρέθηκε 10.0 ενώ με υπόστρωμα βρέθηκε 7.0. Αυτό οφείλεται στο ότι η παρουσία υποστρώματος βοηθά στο σχηματισμό των κρίσιμων πυρήνων του κρυστάλλου. Επίσης βρέθηκε ότι η εξάρτηση του ρυθμού σχηματισμού στρουβίτη από την ποσότητα του υποστρώματος δεν συνηγορεί στην υπόθεση της δευτερογενούς πυρηνογενέσεως λόγω της μείωσης του ρυθμού αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος. Το αποτέλεσμα αυτό σε συνδυασμό με την αύξηση των χρόνων επαγωγής αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος, οδηγεί στην εύλογη υπόθεση περί επιβραδυντικής δράσης του υποστρώματος λόγω μόλυνσης η οποία πιθανόν να απελευθερώνεται στο διάλυμα. Σε χαμηλότερους βαθμούς υπερκορεσμού, θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση της ποσότητας του υποστρώματος στον χρόνο επαγωγής ο οποίος απαιτείται για τον σχηματισμό του υπερκρίσιμου πυρήνα στρουβίτη. Στις συνθήκες αυτές η ανάπτυξη του στρουβίτη γίνεται επιλεκτικά στο υπόστρωμα της σίλικα. Τώρα όσο αφορά τα πειράματα με τις κλίνες από ανοξείδωτο χάλυβα είχαμε μόνο τη δημιουργία στρουβίτη στην κλίνη που περιείχε άμμο. Στις κλίνες από πλαστικό τα πειράματα έδειξαν ότι ναι μεν γίνεται εναπόθεση πρισματικών κρυσταλλιτών στρουβίτη στους κόκκους όλων των υποστρωμάτων αλλά οι ποσότητες οι οποίες σχηματίσθηκαν ήσαν πολύ μικρές σε βαθμό ώστε να μη είναι δυνατή η ταυτοποίηση των σχηματιζόμενων κρυσταλλικών στερεών με φυσικοχημικές μεθόδους όπως η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ. / It is known that waste water are dangerous also for population and environment. That is the reason why their treatment considers being necessary before their disposal to water bodies. In recent years, concentrations of nitrogen and phosphorous in waste water increased significantly. Large quantities of these nutrients present in waste water is one of the main causes of eutrophication. The solution to this problem could not only be the reduction of phosphorous concentration in wastewater but also it’s recycle. A new method for phosphorous removal as a recyclable product is the strouvite’s crystallization. Some of the advantages of strouvite’s recovery are: the simultaneous and effective reduction of phosphorous and nitrogen, the use of strouvite as a slow-release fertilizer, the saving of raw materials in the fertilizer industry and it’s application for stabilization of sand or corrosive soil. This review studies, the kinetics of the spontaneous precipitation of struvite in aqueous solution of synthetic waste water, the examination of heterogeneous formation of struvite in substrate of SiOB2B and some tests of incorporation of sand, silica and CaCOB3B in beds. Τhe kinetics of spontaneous precipitation of struvite in a water solution of synthetic waste water was also investigated in pH ~ 9.0 without substrate, with substrate and in constant super saturation with presence of substrate. The substrate that was used in all experiments was silica. In present essay the supersaturated solutions contained only stoichiometric concentrations of MgP 2+ P, POB4PB 3- P and NHB4PB + P ions, with corresponding to the sinked solid body. At 25P ο PC temperature and 0.05, 0.1, 0.2 g of substrate, white orthorhombic crystalline struvite were precipitated spontaneously. It was found that induction times preceding to the formation of the critical cells rise dramatically with the reduction of supersaturation of the solutions. In experiments that took place with the presence of silica, where pH≈9.0, during precipitation, the concentrations of MgP 2+ P, POB4PB 3- P ions reduced while in experiments of steady supersaturation concentrations were almost unchanged resulting to continuous recovery of phosphorous on the substrate. From spectra analysis of the formed solids in conditions of steady supersaturation was found that the only product was strouvite. In all three series of experiments was specified the number of the structural units consisting the critical cell in the stage of cell formation. In experiments without substrate was found 10.0 while in experiments with substrate was found 7.0. This can be easily explained, as it is known that the presence of substrate helps in the formation of critical cells of the crystals. As far as it concerns the experiments with bed from stainless steel, struvite was formed only in bed, which contained sand. In beds made of plastic, experiments showed that we have deposition of strouvite crystals in all substrate, but produced quantities were so small that the identification of solid crystals with physico chemical methods such us X-ray diffraction patterns (XRD), was not possible. It was found that the relationship between formation rate of struvite and the quantity of substrate, does not stand up for the hypothesis of secondary cell formation, because of the reduction of the rate, increasing the quantity of the substrate. Above result, in combination with rise of the induction time, and the quantity of the substrate, leads to the hypothesis for retardant act of the substrate, because of contamination. In smaller grade of supersaturation it was not observed significant influence of the quantity of the substrate, to the induction time. In that condition, the upgrowth of struvite is selectively to the silica substrate.

H αλόγιστη απόρριψη των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων στο περιβάλλον προκαλεί σοβαρά προβλήματα παγκοσμίως. Πολλά από αυτά όπως π.χ. τυρόγαλα περιέχουν θρεπτικά συστατικά τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν από μικροοργανισμούς προς παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε ο ζυμομύκητας Kluyveromyces marxianus για την ζύμωση συνθετικού μέσου με λακτόζη συγκέντρωσης ανάλογης με εκείνη του τυρογάλακτος (~5% w/v) προς παραγωγή αιθανόλης. Προσδιορίσθηκαν οι βέλτιστες φυσικοχημικές συνθήκες και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε pH 7 και 30οC επιτυγχάνεται μέγιστη ταχύτητα ζύμωσης και συγκέντρωση αιθανόλης. Στις ίδιες συνθήκες, μέτρηση του ρυθμού πρόσληψης λακτόζης επισημασμένης με 14C από τον μικροοργανισμό έδειξε ότι αυτός σχετίζεται άμεσα με την κινητική της ζύμωσης. / Τhe indiscriminate disposal of agro waste in the environment causes serious problems worldwide. However, many of them for example whey, contain nutrients which can be used by microorganisms in order to produce products with high value. In this study is being used the yeast Kluyveromyces Marxianus for the fermentation of synthetic substrate of lactose with lactose concentration similar to that of the whey (~5% w/v) for ethanol production. Having determined the optimal physicochemical conditions and the results showed that at pH 7 and 30οC achieved a maximum speed of fermentation and ethanol concentration. Under the same conditions, measuring the rate of uptake of 14C-labeled lactose by the microorganism showed that this is directly related to the kinetics of fermentation

Η παρούσα εργασία βασίστηκε πάνω στο λογισμικό προσομοίωσης BreastSimulator που αναπτύχθηκε στην μονάδα Βιοϊατρικής Τεχνολογίας του εργαστηρίου Ιατρικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Πατρών. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα προσομοίωσης αναφέρεται πρώτη φορά το 2002 και από τότε συνεχώς γίνονται προσπάθειες βελτίωσής του ως προς την ρεαλιστικότητα των μαστογραφικών εικόνων που αυτό παράγει. Η τελευταία έκδοση του εισάγει μια καινοτομία ως προς την παραγωγή του μαστογραφικού υποστρώματος με έναν νέο αλγόριθμο ο οποίος στην συγκεκριμένη εργασία συγκρίνεται και αξιολογείται από γιατρούς ακτινολόγους ως περισσότερο ρεαλιστικός σε σχέση με τον προηγούμενο. Η καινοτομία που εισάγει ο νέος αλγόριθμος σε σχέση με έναν προγενέστερο του εργαστηρίου μας οποία αφορά στο μαστογραφικό υπόστρωμα, το οποίο αποτελεί το σύνολο του λιπώδους, ινώδους και συνδετικού ιστού οι οποίοι δεν είναι σαφώς μοντελοποιημένοι όπως τα υπόλοιπα ανατομικά στοιχεία. Στον νέο αλγόριθμο το μαστογραφικό υπόστρωμα μοντελοποιείται εξαρχής ως τρισδιάστατο, στοιχείο ιδιαίτερα σημαντικό για την βελτίωση του αποτελέσματος προσομοίωσης μαστογραφικής εικόνας που πλέον είναι πολύ περισσότερο ρεαλιστική. Ο στόχος της εργασίας αυτής ήταν η παραγωγή ψηφιακών, «εικονικών» μοντέλων μαστού με τη χρήση του BreastSimulator με ρεαλιστικό αποτέλεσμα. Μετά την διαδικασία παραγωγής των μοντέλων μαστού, έγινε προσομοίωση της μαστογραφικής λήψης αυτών και είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή μαστογραφικών εικόνων χωρίς συμπίεση του μαστού. Με τον βελτιωμένο αλγόριθμο προσομοίωσης παρήχθησαν μοντέλα μαστού διαφόρων μεγεθών και πυκνοτήτων. Οι παράμετροι των πιο ρεαλιστικών μοντέλων συγκεντρώθηκαν σε μια βάση δεδομένων στην οποία μπορούν να ανατρέξουν μελλοντικοί χρήστες του λογισμικού για πειραματικές μελέτες. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης δείχνουν ότι οι εικόνες που παρήχθησαν με τον νέο αλγόριθμο προσομοίωσης του μαστογραφικού υποστρώματος υπερέχουν σαφώς του προγενέστερου ως προς τη ρεαλιστικότητα. Οι εικόνες από τον νέο αλγόριθμο αξιολογήθηκαν συνολικά κατά μέσο όρο σε ποσοστό περίπου 80% ως ρεαλιστικές και πολύ ρεαλιστικές, ενώ σε ποσοστό 20% αξιολογήθηκαν ως μη ρεαλιστικές. Οι εικόνες του προηγούμενου αλγορίθμου αξιολογήθηκαν αντίστοιχα με ποσοστό 10% ως ρεαλιστικές και πολύ ρεαλιστικές και 90% ως μη ρεαλιστικές. Ακόμα αναλύεται το μοντέλο προσομοίωσης, η διαδικασία παραγωγής της βάσης δεδομένων, η διαδικασία αξιολόγησης από ομάδα γιατρών, ενώ αναφέρεται η σημασία της μαστογραφίας σαν κορυφαία προληπτική εξέταση για την έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου του μαστού και η σημασία της προσομοίωσης αυτής της εξέτασης. / The current master thesis was based on the software simulation named BreastSimulator which was developed in the unit of Biomedical engineering of the Medical Physics laboratory at the University of Patras. This particular simulation program refers for the first time in 2002. Since then, there have been continuous improvements of the program in order to produce realistic mammographic images. The key improvement of the last edition of BreastSimulator is the development of a new algorithm for 3D background texture creation which was evaluated by radiologists as more realistic than the previous one. The innovation introduced by the new algorithm compared to a previous one of our laboratory is about the modeling of the mammographic background, which simulates the presence of adipose, fibrous and connective tissues as well as other non-glandular tissue types that are not explicitly modeled. The optimized methodology is an evolution of a previously presented 3D non compressed breast modeling method which now produces more realistic mammographic images. The objective of this work was the production of digital, ' virtual ' breast models using BreastSimulator with realistic outcome. After having modeled the breast phantoms, a simulation of irradiation was done and as a result of this process we produced mammographic images. Using the improved algorithm simulation we produced breast models of various size and composition. The optimum parameters of the most realistic models were collected in a database in which future users can refer for experimental studies. Comparing the images produced by the new algorithm to the images from the previous one shows that the new algorithm for mammographic texture is superior compared to the old approach in terms of similarity with real mammograms. The images from the new algorithm were evaluated from the experienced radiologists approximately 80% as a realistic and very realistic and 20% as unrealistic, while the images of the previous one were evaluated 10% as a realistic and very realistic and 90% as unrealistic. Additionally, there are some details about the breast model simulation, the process of creating the database and the evaluation process by a group of 5 doctors. The importance of mammography as the leading preventive examination for early detection of breast cancer is highlighted as well as the significance of the simulation of this medical imaging examination.

Η κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση κυττάρου βιοϋλικού και η συσχέτιση μηχανικών παραμέτρων του κυττάρου με πολύπλοκες διεργασίες στο εξωκυττάριο (ECM) περιβάλλον οδηγεί το μέλλον στο σχεδιασμό των βιοϋλικών. Σκοπός της διατριβής ήταν η διερεύνηση της προσκόλλησης και των μεταβολών των μηχανικών ιδιοτήτων οστεοβλαστών στους αρχικούς χρόνους προσκόλλησης σε υπόστρωμα του βιοπολυμερούς χιτοζάνης. Η προετοιμασία υποστρωμάτων χιτοζάνης έγινε με ομοιοπολική πρόσδεση του βιοπολυμερούς σε επιφάνεια γυαλιού (επιφάνεια ελέγχου). Με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ επιβεβαιώθηκε η μεταβολή της επιφανειακής χημικής σύστασης. Η μέση επιφανειακή τραχύτητα, με χρήση Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης, βρέθηκε 4 φορές μεγαλύτερη στη χιτοζάνη σε σύγκριση με το γυαλί, ενώ η μέση γωνία διαβροχής ήταν περίπου 3 φορές μεγαλύτερη στη χιτοζάνη. Ο αριθμός και η μέση επιφάνεια εξάπλωσης των προσκολλημένων κυττάρων, προσδιορίστηκαν από φωτογραφίες ηλεκτρονιακού μικροσκοπίου σάρωσης και χρήση λογισμικού ανάλυσης εικόνας. Μέχρι τα 30 λεπτά, ο αριθμός ήταν μεγαλύτερος στη χιτοζάνη, ενώ μετά τα 45 λεπτά, στο γυαλί. Σε όλους τους χρόνους, η μέση επιφάνεια εξάπλωσης ήταν μεγαλύτερη στη χιτοζάνη. Για την ποσοτικοποίηση της προσκόλλησης, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μικροπιπέττας σε πειράματα αποκόλλησης μεμονωμένων οστεοβλαστών. Υπολογίστηκε η “ώθηση αποκόλλησης”, I, ως το ολοκλήρωμα της εφαρμοζόμενης δύναμης στο χρόνο (I=SFdt) για την πλήρη αποκόλληση ενός κυττάρου και βρέθηκε στατιστικά μεγαλύτερη στη χιτοζάνη σε όλους τους χρόνους. Με την τεχνική Ποσοτικής Αλυσιδωτής Αντίδρασης Πολυμεράσης, η έκφραση των γονιδίων ιντεγκρινών αν, α4, β1 και β3 βρέθηκε σημαντικά αυξημένη στη χιτοζάνη από τα 30 στα 120 λεπτά. Με συνεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης, παρατηρήθηκε αυξημένη έκφραση της κινάσης εστιακής προσκόλλησης στη χιτοζάνη στα 30 και στα 120 λεπτά. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μικροπιπέττας σε πειράματα εφελκυσμού και ερπυσμού των οστεοβλαστών και υπολογίστηκαν οι μεταβολές του μέτρου Young, Ε, και του φαινόμενου ιξώδους, η. Οι μέσες τιμές βρέθηκαν αυξημένες στην πορεία της προσκόλλησης στις δύο επιφάνειες, παρουσιάζοντας υψηλότερες τιμές στη χιτοζάνη. Η παρούσα διατριβή είναι μια ολοκληρωμένη φαινομενολογική προσέγγιση της μηχανικής συμπεριφοράς της οστεοβλάστης κατά την προσκόλληση. Η προσκόλληση στη χιτοζάνη συνοδεύεται από μεταβολές στη μηχανική συμπεριφορά και συνδέεται με κρίσιμες βιοχημικές διεργασίες. / The understanding of the phenomena that take place during cell-biomaterial interaction and the correlation of cell mechanical parameters with complicated processes at the extracellular environment (ECM) is driving the future of biomaterial design. The aim of the present study was the investigation of attachment and of alterations of mechanical properties of osteoblasts during the initial phase of attachment on chitosan biopolymer substrate. The preparation of the chitosan substrates was done with covalent immobilization of the biopolymer on glass surface (control substrate). X-Ray photolelectron spectroscopy confirmed the alteration of the surface chemical composition. Mean surface roughness, as measured by Atomic Force Microscopy, was increased 4-fold compared to glass, while the mean contact angle was found 3 times higher on chitosan substrate. The mean number and spreading area of the attached cells, were determined by Scanning Electron Microscopy images and the use of image processing program. Up to 30 minutes, the number of attached cells was higher on chitosan, while after 45 minutes, it was on glass. At all time points, the mean spreading area was greater on chitosan. To quantify attachment, the micropipette aspiration technique was used at experiments of detachment of individual osteoblasts. The ‘’detachment impulse’’, I, was calculated, as the integral of the applied force at time required (I=SFdt) for complete detachment of one cell, and it was found statistically higher on chitosan at all attachment times. With the quantified Polymerase Chain Reaction, the αν, α4, β1 and β3 gene integrin expression was found significantly increased from 30 to 120 minutes of attachment on chitosan. Using confocal scanning microscopy, higher expression of focal adhesion kinase was observed on chitosan at 30 and 120 minutes of attachment. Additionally, the micropipette aspiration technique was used at stretching and creep experiments so as to calculate the alterations of cell’s Young modulus, E, and apparent viscosity, η. Mean values were increased at the course of spreading for both surfaces, demonstrating greater values on chitosan. The present study is a complete phenomenological approach of the mechanical behavior of osteoblasts during attachment. Attachment on chitosan is accompanied by alterations of the mechanical behavior and is associated with critical biochemical processes.

Με την ηλικία, νόσοι που σχετίζονται με δομικά ελαττώματα των οστών που οφείλονται σε κατάγματα ή εκφυλισμούς, αναμένονται να αυξηθούν σε συχνότητα. Επιπλέον, η αύξηση του προσδόκιμου ζωής επιβάλλει τη χρήση βελτιωμένων συνθετικών υλικών για την αντικατάσταση νοσούντων οστών, για παράδειγμα κατά τη χρήση μεταλλικών ράβδων σε περιπτώσεις βλαβών μη-ένωσης και στις χειρουργικές επεμβάσεις αντικατάστασης ισχίου. Τα υπάρχοντα υλικά σχετίζονται με υπο-βέλτιστη οστεοενσωμάτωση και προβληματική μακροπρόθεσμη επιβίωση του σύνθετου εμφυτεύματος. Για το λόγο αυτό, η βελτίωση των υλικών επικάλυψης και των μηχανικών ιδιοτήτων των νέων, κυτταρικά συμβατών, συστατικών είναι επιτακτική. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, υλικά νέας γενιάς είναι διαθέσιμα, ενδεχομένως με καλύτερες ιδιότητες ως υπόστρωμα προσκόλλησης για τα κύτταρα των οστών. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να εκτιμηθεί η ικανότητα ενός νέου, ειδικά κατασκευασμένου υλικού απο νανοσωλήνες άνθρακα ως προς τη διατήρηση της σωστής έκφρασης των χαρακτηριστικών γονιδίων των οστεοβλαστών, με έμφαση στην έκφραση των γονιδίων που εμπλέκονται στις αλληλεπιδράσεις οστεοβλαστών-υποστρώματος και έτσι προωθούν την σταθερή προσκόλληση των κυττάρων στο υπόστρωμα. Παράλληλα, ερευνήσαμε και την επίδραση της μηχανικής καταπόνησης στην έκφραση των γονιδίων αυτών σε κύτταρα που καλλιεργήθηκαν σε νανοσωλήνες άνθρακα. Χρησιμοποιήσαμε δύο ανεξάρτητες απομονώσεις οστεοβλαστών διαφοροποιημένων από ανθρώπινα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα μυελού των οστών, δηλαδή προχωρήσαμε σε δύο ανεξάρτητα πειράματα. Και στα δύο, για να γίνει ο πειραματισμός όσο εγγύτερα στις πραγματικές συνθήκες, καλλιεργήσαμε τους οστεοβλάστες υπο στατικές συνθήκες όσο και υπό συνθήκες μηχανικής καταπόνησης, για την προσομοίωση "in vivo" συνθηκών, και συγκρίθηκε η γονιδιακή έκφραση οστεοβλαστών που καλλιεργήθηκαν σε πλαστικό έναντι επιφανειών επικαλυμμένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Απομονώσαμε το RNA από τους οστεοβλάστες μετά από την καλλιέργειά τους για 3 και 24 ώρες και προσδιορίσαμε, χρησιμοποιώντας την τεχνική real time RΤ-PCR, την έκφραση των ακόλουθων γονιδίων σε επίπεδο mRNA: κολλαγόνο-α1, αλκαλική φωσφατάση, οστεοποντίνη, βινκουλίνη και ιντεγκρίνες α4, αV, β1 και β3. Συνολικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσης του κυτταρικού mRNA έδειξαν ότι η γονιδιακή έκφραση μετά από 3 ώρες καλλιέργειας είναι πολύ μεταβλητή, και οριστικά συμπεράσματα δεν θα μπορούσαν να εξαχθούν. Ωστόσο, αφού δίνεται η ευκαιρία στα κύτταρα να προσκολληθούν σταθερά, στις 24 ώρες, κατέστη σαφές ότι: α) η κυτταρική ταυτότητα των διαφοροποιημένων οστεοβλαστών διατηρείται, με βάση το γεγονός ότι η έκφραση αυτών των χαρακτηριστικών γονιδίων, που σχετίζονται με την προσκόλληση, συντηρείται σωστά, αν και σε διάφορα επίπεδα, β) σε στατικές συνθήκες, το επίπεδο της έκφρασης των εξετασθέντων γονιδίων είναι κατά τι χαμηλότερο σε οστεοβλάστες που καλλιεργηθήκαν σε επικαλυμμένη επιφάνεια με νανοσωλήνες άνθρακα σε σύγκριση με τα κύτταρα που καλλιεργηθήκαν σε πλαστικό, και γ) σε σύγκριση με τις στατικές συνθήκες, το μηχανικό ερέθισμα ενισχύει την έκφραση αυτών των γονιδίων οστεοβλαστών όταν καλλιεργούνται σε νανοσωλήνες άνθρακα, για την επίτευξη υψηλών επιπέδων mRNA έκφρασης των γονιδίων κυτταρικής προσκόλλησης. Τα αποτελέσματα της τελευταίας ανάλυσης της γονιδιακής έκφρασης είναι επίσης συμβατά με τις συνολικές ποσότητες RNA που λαμβάνονται, υποστηρίζοντας έμμεσα τη σταθερή προσκόλληση και επιβίωση των οστεοβλαστών σε νανοσωλήνες άνθρακα υπο συνθήκες μηχανικής καταπόνησης. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι το νέο υπόστρωμα από νανοσωλήνες άνθρακα που αναλύθηκε σε μηχανικές συνθήκες διέγερσης που προσομοιάζουν, κατά το δυνατόν, συνθήκες καταπόνησης in vivo, συνιστά ένα κατάλληλο κυτταρικό υπόστρωμα, συμβατό με την επιβίωση των οστεοβλαστών, τη διαφοροποίηση, την ανάπτυξη και την σταθερή προσκόλλησή τους στο υπόστρωμα νανοσωλήνων. Η εργασία αυτή υποστηρίζει την πιθανότητα της χρήσης αυτών των νέων υλικών στο μέλλον για την επικάλυψη σκελετικών προσθέσεων, με σκοπό την απόκτηση βέλτιστης οστεοενσωμάτωσης. / As population ages, diseases related to bone structural defects due to fracture or degeneration are expected to increase in frequency. In addition, the increase in life expectancy necessitates better composite materials for replacement of diseased/fractured bones, for example during the use of metal rods for non-union defects and in hip replacement surgery. The existing materials are associated with sub-optimal osseointegration and problematic long-term survival of the composite graft. For this reason, improvement of coating materials and engineering of novel cell-compatible components is imperative. To address this problem, new-generation materials are available, with possibly better bone cell adherence properties. The Aim of this work was to evaluate the ability of a novel, specially-constructed carbon nanotube material to sustain proper expression of characteristic osteoblast genes, with emphasis on the expression of genes that are functionally involved in osteoblast-matrix interactions and promote firm cell adherence to substrate. We used two independent isolates of osteoblasts differentiated from human bone marrow mesenchymal stem cells, ie we proceeded to two independent experimental runs. In both, to make the experimentation more context-relevant, we grew the osteoblasts in static as well as under mechanical strain, to simulate in vivo conditions, and also compared gene expression in osteoblasts grown on plastic versus carbon nanotube-coated surface. We isolated RNA from the osteoblasts at 3 hours and 24 hours after seeding them on the culture vessels and determined, using real-time RT-PCR techniques, the level of expression of the following genes at the mRNA level: α1-collagen, alkaline phosphatase, osteopontin, vinculin, and integrins α4, αV, β1 and β3. All in all, the results on cell mRNA analysis indicated that gene expression at 3h post-plating is too variable and no firm conclusions could be drawn. However, once the cells are given a chance to firmly adhere, at 24h, it became clear that: a) osteoblast cell identity is maintained, based on the fact that the expression of these characteristic matrix- and adhesion-related genes is properly maintained, albeit in various levels, b) in static conditions, the level of expression of the examined genes is lower in cells grown on nanotube-coated surface compared to cells grown on plastic, and c) in comparison to static conditions, mechanical stimulation enhances expression of these genes in osteoblasts grown on nanotubes, to attain robust levels of cell adherence gene mRNA expression. The results of the latter gene expression analysis are also compatible with total RNA quantities obtained, indirectly arguing firm osteoblast adhesion/survival on nanotubes under mechanical strain conditions. We therefore conclude that the novel carbon nanotubes assayed herein in lifelike mechanical stimulation conditions, constitute an appropriate cell-bearing surface, compatible with osteoblast survival, differentiation, growth and firm adherence to substrate. This work raises the possibility of using this novel material in the future to coat skeletal prostheses, in order to obtain improved osseointegration.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση διαγωγών χαμηλής τροφοδοσίας και ενισχυτών ρεύματος οδηγούμενων από το υπόστρωμα. Όπως σε όλα τα διαφορικά κυκλώματα, έτσι και στους διαφορικούς διαγωγούς κύριο μέλημα των σχεδιαστών είναι η γραμμικότητα τους και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Προτείνεται ένας διαγωγός χαμηλής τροφοδοσίας που βασίζεται στην βαθμίδα ακόλουθου τάσης με αναστροφή και προσομοιώνεται για να μελετηθεί το εύρος της γραμμικότητας του, η απόκριση συχνότητας και η συμπεριφορά του σε χρονικά μεταβαλλόμενο ημιτονοειδές σήμα. Ο ενισχυτής ρεύματος οδηγούμενος από το υπόστρωμα που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία εκμεταλλεύεται όλους τους βαθμούς ελευθερίας ενός MOS τρανζίστορ πολωμένου στην ασθενή αναστροφή και στον κόρο. Η τεχνική οδήγησης από το υπόστρωμα χρησιμοποιείται ευρέως στην σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας, αφού έχει μειωμένες απαιτήσεις τάσης, ενώ είναι και ανεξάρτητη από περιορισμούς σχετικούς με την τάση κατωφλίου. Επιπρόσθετα, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα διατηρούνται στην περιοχή κόρου για αρνητικές, μηδενικές και σχετικά μικρές θετικές τιμές της τάσης πόλωσης VBS. Έτσι, μπορούν να επεξεργάζονται σήματα εισόδου κοινού τρόπου (common-mode input range) μεγάλης τιμής και με μεγάλο εύρος κυμάτωσης κάτι που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με συμβατικές κυκλωματικές τεχνικές σε τόσο χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Όμως, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα έχουν μικρή τιμή διαγωγιμότητας και είναι ευαίσθητα στον θόρυβο. Άλλο μειονέκτημα της τεχνικής με οδήγηση από το υπόστρωμα είναι ότι η πόλωση των τρανζίστορ εξαρτάται από την τεχνολογία ολοκλήρωσης. Το κέρδος του ενισχυτή ρεύματος οδηγούμενου από το υπόστρωμα μεταβάλλεται με εκθετικό τρόπο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική και χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου κέρδους όπου το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αρκετές τάξεις μεγέθους. Σε ένα παρόμοιο σύστημα χρησιμοποιούμε και τα προαναφερθέντα κυκλώματα και εξετάζουμε την συνολική συμπεριφορά του. Οι προδιαγραφές αυτών των κυκλωμάτων επιτρέπουν την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική, αφού εμφυτεύσιμα συστήματα, βίο-αισθητήρες και βοηθητικά ακοής επεξεργάζονται σήματα σχετικά χαμηλών συχνοτήτων με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. / This diploma thesis forms a study on the design of analog circuits for biomedical applications. We focus on the realization of low voltage transconductors and Bulk-Driven current amplifiers. Like all the differential circuits, the designers’ main concern for a differential transconductor is its linearity and the parameters that affect it. We propose a low voltage transconductor based on Flipped Voltage Follower topology and we simulate it in order to study the range of the linearity, frequency response and its behavior in temporally varying sinusoidal signal. The Bulk-Driven current amplifier presented in this thesis takes advantage of all degrees of freedom of a MOS transistor biased in weak inversion and in saturation. The Bulk-Driven technique is widely used in the design of low voltage supply, because it has reduced demands on voltage and is independent of restrictions related to the threshold voltage. Moreover, Bulk-Driven transistors are maintained in saturation for negative, zero and even small positive values of the bias voltage VBS. Consequently, they can process large input common mode signals and signals with large swing voltage range, a property that could not be achieved with conventional circuit techniques at low power supply voltages. However, the transconductance of a Bulk –Driven transistor is smaller and is sensitive to noise. Another disadvantage of the Bulk-Driven technique is that the polarity of the transistor is process related. The gain of the Bulk-Driven current amplifier varies exponentially. This property is important and it is used widely in systems of automatic gain control where input signals can range several orders of magnitude. The specifications of these circuits allow their appliance in biomedicine, because implanted systems, biosensors and hearing aids process signals of relatively small frequencies with low voltage supply.

Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα με χαμηλή τάση τροφοδοσίας και χαμηλή ισχύ γίνεται κάτι περισσότερο από επιτακτική. Ο βασικότερος λόγος για την ανάγκη αυτή είναι η ραγδαία ανάπτυξη από φορητές ηλεκτρονικές συσκευές για εφαρμογές πολυμέσων (laptops, netbooks, mobiles) έως ολοκληρωμένων συστημάτων βιοιατρικών εφαρμογών. Μάλιστα σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται αυτές οι ηλεκτρονικές συσκευές να έχουν δυνατότητα διασύνδεσης σε ασύρματα δίκτυα (WLANs) και επομένως επιβάλλεται η ενσωμάτωση συστημάτων πομποδεκτών. Έτσι, οι απαιτήσεις για όσο το δυνατόν μικρότερη κατανάλωση και επομένως χαμηλότερη τροφοδοσία είναι επιβεβλημένες. Ένα από τα βασικότερα «δομικά» κυκλώματα σχεδίασης αναλογικών κυκλωμάτων είναι οι διαφορικοί ενισχυτές τάσης. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται πλήρεις λύσεις διαφορικών ενισχυτών χαμηλής τάσης τροφοδοσίας σε τυπική CMOS τεχνολογία των 0.35μm και 0.18μm. Οι προτεινόμενοι ενισχυτές σχεδιάστηκαν με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα (Bulk-driven technique). Αρχικά σχεδιάστηκαν διαφορικοί ενισχυτές τάσεις με τοπολογία αρνητικής αντίστασης στην βαθμίδα εισόδου. Με τον τρόπο αυτό έγινε αύξηση της μικρής διαγωγιμότητας εισόδου που παρουσιάζει η τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα. Έτσι, προέκυψαν πρωτότυπες δομές ενισχυτών με χαμηλή τροφοδοσία μέχρι και 0.8V. Οι επιδόσεις των ενισχυτών χαρακτηρίστηκαν από κατάλληλες προσομοιώσεις αλλά και από πειραματικές μετρήσεις καθώς κατασκευάστηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα ενισχυτή. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με των πειραματικών απέδειξε πως τόσο τα προτεινόμενα κυκλώματα όσο και η ίδια η τεχνική σχεδίασης αποτελούν σημαντική λύση όπου απαιτούνται διαφορικοί ενισχυτές τάσης χαμηλής τροφοδοσίας. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε βαθμίδα διαφορικού ακόλουθου τάσης με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα και τροφοδοσία 1V. Η βαθμίδα αυτή χρησιμοποιήθηκε ως διαφορική βαθμίδα εισόδου διαφορικού ενισχυτή τάσης με τροφοδοσία 1V. Ο ενισχυτής αυτός λειτουργεί για μεταβολή του κοινού σήματος εισόδου μεταξύ των άκρων της τροφοδοσίας. Ο ακόλουθος τάσης τροποποιήθηκε κατάλληλα ώστε να λειτουργεί με τροφοδοσία 0.5V και χρησιμοποιήθηκε ως διαφορική βαθμίδα εισόδου σε διαφορικό ενισχυτή τάσης ίδιας τροφοδοσίας. Και οι δυο προτεινόμενες τοπολογίες ενισχυτών αποτελούν πλήρεις λύσεις για εφαρμογές ενισχυτών τάσης με χαμηλή και πολύ χαμηλή τροφοδοσία αντίστοιχα. Τέλος με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα σχεδιάστηκε ενισχυτής μεταβλητού κέρδους. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε τεχνική γραμμικής μεταβολής διαγωγιμότητας διαγωγών. Ο ενισχυτής μεταβλητού κέρδους που σχεδιάστηκε λειτουργεί με τροφοδοσία 0.8V ενώ το κέρδος έχει εύρος μεταβολής 17dB και μπορεί να ενσωματωθεί σε βρόχο αυτομάτου ελέγχου κέρδους χαμηλής τροφοδοσίας. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα και δυο κυκλώματα τετραγωνικής συνάρτησης με τροφοδοσία 0.8V και 0.5V αντίστοιχα. / In recent years the need for analog integrated circuits with low-voltage and low-power is more than urgent. The main reason for this need is the rapid growth of portable electronic devices for multimedia applications (laptops, netbooks, mobiles, etc.) and even more for biomedical devices applications. In many cases, these electronic devices provide connectivity to wireless networks (WLANs) and therefore they incorporate transceiver systems. Thus, requirements such as low-voltage and low-power are a necessity. One of the basic analog “building blocks” for circuit design is differential voltage amplifiers. This thesis presents complete solutions for low-voltage differential amplifiers in standard CMOS technology of 0.35μm and 0.18μm. The proposed amplifiers were designed with bulk-driven technique. In the first place are designed differential voltage amplifiers that include input stage with negative resistance circuitry. This way the proposed amplifiers improve the small input transconductance due to bulk-driven transistors. Thus, novel amplifier structures are obtained with a voltage supply equal even to 0.8V. The amplifiers performance is characterized both through simulation and experimental results. The convergence of simulation and experimental results demonstrate that the proposed amplifiers circuits designed with bulk-driven technique are significant solution in the design of low-voltage amplifiers. In the next step a differential bulk-driven voltage follower is designed with 1V voltage supply. The proposed follower is used as a differential input stage for a differential voltage amplifier with the same voltage supply. The proposed amplifier is capable to operate rail-to-rail for common mode input signals. Also, the proposed voltage follower is modified in order to operate in extreme voltage supply of 0.5V. The modified voltage follower is used, again, as a differential input stage for a differential voltage amplifier while the whole amplifier used a voltage supply equal to 0.5V. Both proposed amplifiers topologies that use bulk-driven differential voltage followers as input stages are complete solutions for low-voltage and ultra low-voltage amplifiers applications. Finally, a new technique for linear transconductance variation, applicable in any kind of transconductor, is introduced. The proposed technique is used to build a bulk-driven variable gain amplifier (VGA). The proposed VGA operate with 0.8V voltage supply while produce a gain range variation equal to 17dB. The amplifier could incorporate in an automatic gain control loop (AGC) for low-voltage applications. For this purpose, two bulk-driven voltage squarers circuits with voltage supply 0.8V and 0.5V was also proposed.