The bone remodelling process, performed by the Bone Multicellular Unit (BMU) is a key multi-hierarchically regulated process, which provides and supports various functionality of bone tissue. It is also plays a critical role in bone disorders, as well as bone tissue healing following damage. Improved modelling of bone turnover processes could play a significant role in helping to understand the underlying cause of bone disorders and thus develop more effective treatment methods. Moreover, despite extensive research in the field of bone tissue engineering, bonescaffold development is still very empirical. The development of improved methods of modelling the bone remodelling process should help to develop new implant designs which encourage rapid osteointegration. There are a number of limitations with respect to previous research in the field of mathematical modelling of the bone remodelling process, including the absence of an osteocyte loop of regulation. It is within this context that this research presented in this thesis utilises a range of modelling methods to develop a framework for bone remodelling which can be used to improve treatment methods for bone disorders. The study concentrated on dynamic and steady state variables that in perspective can be used as constraints for optimisation problem considering bone remodelling or tissue remodelling with the help of the grafts/scaffolds.The cellular and combined allosteric-regulation approaches to modelling of bone turnover, based on the osteocyte loop of regulation, have been studied. Both approaches have been studied different within wide range of rate parameters. The approach to the model validation has been considered, including a statistical approach and parameter reduction approach. From a validation perspective the cellular class of modes is preferable since it has fewer parameters to validate. The optimal control framework for regulation of remodelling has been studied. Future work in to improve the models and their application to bone scaffold design applications have been considered. The study illustrates the complexity of formalisation of the metabolic processes and the relations between hierarchical subsystems in hard tissue where a relatively small number of cells are active. Different types/modes of behaviour have been found in the study: relaxational, periodical and chaotic modes. All of these types of behaviour can be found, in bone tissue. However, a chaotic or periodic modes are ones of the hardest to verify although a number of periodical phenomena have been observed empirically in bone and skeletal development. Implementation of the allosteric loop into cellular model damps other types of behaviour/modes. In this sense it improves the robustness, predictability and control of the system. The developed models represent a first step in a hierarchical model of bone tissue (system versus local effects). The limited autonomy of any organ or tissue implies differentiation on a regulatory level as well as physiological functions and metabolic differences. Implementation into the cellular phenomenological model of allosteric-like loop of regulation has been performed. The results show that the robustness of regulation can be inherited from the phenomenological model. An attempt to correlate the main bone disorders with different modes of behaviour has been undertaken using Paget’s disorder in bone, osteoporosis and some more general skeleton disorders which lead to periodical changes in bone mass, reported by some authors. However, additional studies are needed to make this hypothesis significant. The study has revealed a few interesting techniques. When studying a multidimensional phenomenon, as a bone tissue is, the visualisation and data reduction is important for analysis and interpretation of results. In the study two novel technical methods have been proposed. The first is the graphical matrix method to visualise/project the multidimensional phase space of variables into diagonal matrix of regular combination of two-dimensional graphs. This significantly simplifies the analysis and, in principle, makes it possible to visualise the phase space higher than three-dimensional. The second important technical development is the application of the Monte-Carlo method in combination with the regression method to study the character and stability of the equilibrium points of a dynamic system. The advantage of this method is that it enables the most influential parameters that affect the character and stability of the equilibrium point to be identified from a large number of the rate parameters/constants of the dynamic system. This makes the interpretation of parameters and conceptual verification of the model much easier.

The role of cytokines and cell behavior and viability with respect to bone remodeling and bone behavior is an exciting area of orthopedic research. The purpose of this study was to investigate the relationships between BMP antagonist expression and osteocyte density, lacunar densities and osteocyte viability in cortical bone. Samples of unloaded tibial bone obtained from six C57Bl/6 mice were immunohistochemically stained for gremlin and noggin expression and also underwent methyl green staining to determine osteocyte presence. Bone sections were divided into four quadrants (cranial, caudal, medial and lateral) and three regions (proximal, mid shaft and distal), followed by analysis across these quadrants and regions. The results showed matching regional differences in gremlin expression with regional variations in osteocyte density, lacunar density, and osteocyte viability. These variations were supported by positive correlations found via regression analysis. Regression analysis also showed marginal negative correlations between noggin expression and osteocyte density and osteocyte viability, supported by regional ANOVA results. Further research on loaded bone samples is needed if the relationship between these BMP antagonists and osteocyte densities are to be fully explained with respect to the bone remodeling process.

Lead-acid batteries today are commonly used in the automotive industry with a considerable span of purposes, yet historically, a primary purpose of cranking the engine at ignition which does demand a high current drainage from a battery. These high drainages later result in a health implication which can be hard to detect without the proper tools and this thesis focuses on the development of those tools.To insure the health of a battery turns out to be a handy feature for most drivers today and early signs of deterioration may even warn a user in advance of damage or failure to insure that proper care is taken with a goal to extend every battery’s lifespan.The results of this thesis demonstrates great accuracy for the tools necessary for an accurate health estimation yet lacks extensive testing data to clearly verify an actual health estimation. Where the chapter of Further Work includes specific tests, error corrections and examples of how to achieve even greater accuracies. / Blybatterier används idag vanligen inom bilindustrin för ett stort antal ändamål, men historiskt sett har det ett primärt syfte att driva startmotorn vid tändning, vilket kräver en hög ström brukas från batteriet. Dessa höga strömmar resulterar senare i en hälsopåverkan som kan vara svår att upptäcka utan de korrekta verktygen och denna avhandling fokuserar på utvecklingen av just dessa verktyg.Att fastställa batteriets hälsa är en användbar tillgång för de flesta förare idag och tidiga tecken på försämring kan till och med varna en användare i förväg om nära förestående skador och således försäkra sig om att lämpliga åtgärder vidtas, med ett mål att förlänga alla batteriernas livslängd.Resultaten av denna avhandling visar en stor noggrannhet för de verktyg som behövs för en exakt hälsoestimering men saknar omfattande testdata för att tydligt verifiera denna estimering. I kapitlet “Further Work” ingår specifika tester, felkorrigeringar och exempel på hur man uppnår en ännu större noggrannhet.

Der Schutz der Umwelt und eine darauf ausgerichtete (Umwelt-)Politik gehören zu den wichtigsten Zukunftsaufgaben der Menschheit. Wesentliche Ziele sind in diesem Zusammenhang die Realisierung eines integrierten Umweltschutzes, d. h. die Einbeziehung aller Politikbereiche, und die Orientierung am Leitbild der nachhaltigen Entwicklung. Politische Querschnittsaufgaben wie die Umweltpolitik sind im Gegensatz zu herkömmlichen Fachaufgaben jedoch grundsätzlich dadurch charakterisiert, dass sie nicht in der Federführung desjenigen Ressorts liegen, welches die Probleme bewältigen soll. Der Erfolg der Umweltpolitik wird vom Zusammenspiel der verschiedenartigsten Faktoren beeinflusst. Dazu zählen u. a. auch Aufgaben- und Organisationsstruktur auf der höchsten Ebene des politisch-administrativen Systems als zudem politisch gestaltbare Elemente. Unter Aufgaben- und Organisationsstruktur wird hierbei verstanden, wo Zuständigkeiten für die wichtigsten Aufgabenbereiche der Umweltpolitik angesiedelt sind und welche Beziehungen dieses System kennzeichnen. Trotz der Einrichtung eines eigenständigen Umweltministeriums, des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), sind umweltpolitische Kompetenzen auf der Ministerialebene des Bundes stark zersplittert. Aufgrund des Förderalismusprinzips und der geteilten konkurrierenden Gesetzgebung in Umweltfragen wirken neben der Bundesregierung auch die Bundesländer auf die deutsche Umweltpolitik ein. Ebenfalls nimmt in immer stärkerem Maße die Europäische Union als supranationale Organisation Einfluss auf die deutsche Umweltpolitik. Neben diesen speziellen Schwierigkeiten der deutschen Umweltpolitik bzw. Umweltadministration tritt ein generelles funktionelles, ökonomisches und politisches Staatsversagen im Verhältnis zur Gesamtwirtschaft und zur Verwaltung.

Der Schutz der Umwelt und eine darauf ausgerichtete (Umwelt-)Politik gehören zu den wichtigsten Zukunftsaufgaben der Menschheit. Wesentliche Ziele sind in diesem Zusammenhang die Realisierung eines integrierten Umweltschutzes, d. h. die Einbeziehung aller Politikbereiche, und die Orientierung am Leitbild der nachhaltigen Entwicklung. Politische Querschnittsaufgaben wie die Umweltpolitik sind im Gegensatz zu herkömmlichen Fachaufgaben jedoch grundsätzlich dadurch charakterisiert, dass sie nicht in der Federführung desjenigen Ressorts liegen, welches die Probleme bewältigen soll. Der Erfolg der Umweltpolitik wird vom Zusammenspiel der verschiedenartigsten Faktoren beeinflusst. Dazu zählen u. a. auch Aufgaben- und Organisationsstruktur auf der höchsten Ebene des politisch-administrativen Systems als zudem politisch gestaltbare Elemente. Unter Aufgaben- und Organisationsstruktur wird hierbei verstanden, wo Zuständigkeiten für die wichtigsten Aufgabenbereiche der Umweltpolitik angesiedelt sind und welche Beziehungen dieses System kennzeichnen. Trotz der Einrichtung eines eigenständigen Umweltministeriums, des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), sind umweltpolitische Kompetenzen auf der Ministerialebene des Bundes stark zersplittert. Aufgrund des Förderalismusprinzips und der geteilten konkurrierenden Gesetzgebung in Umweltfragen wirken neben der Bundesregierung auch die Bundesländer auf die deutsche Umweltpolitik ein. Ebenfalls nimmt in immer stärkerem Maße die Europäische Union als supranationale Organisation Einfluss auf die deutsche Umweltpolitik. Neben diesen speziellen Schwierigkeiten der deutschen Umweltpolitik bzw. Umweltadministration tritt ein generelles funktionelles, ökonomisches und politisches Staatsversagen im Verhältnis zur Gesamtwirtschaft und zur Verwaltung.