Thesis (M.E.)--University of Canterbury, 2007. / Typescript (photocopy). "September 2007." Includes bibliographical references (p. 83-85). Also available via the World Wide Web.

Healing large bone defects remains a clinical challenge. While autografts are the gold standard treatment for large bone defects, they are limited by availability and donor site pain. Growth factor treatments such as BMP therapy provide a promising alternative but are expensive and present clinical safety concerns, primarily due to delivery of BMPs at supraphysiological doses. Integrins are ECM receptors which mediate crucial cell functions such as adhesion and differentiation. Therefore, understanding the role of integrins in bone formation and directing desired interactions may enable modulation of host cell functions for therapeutic applications. In this work, beta 1 integrins were deleted in osteolineage cells of transgenic mice at three different stages of differentiation to elucidate their role in bone development. We also engineered bioartificial PEG-based matrices which target the pro-osteogenic alpha 2 beta 1 integrin to promote bone healing. Conditional deletion of beta 1 integrins in osteochondroprogenitor cells under the Twist 2 promoter resulted in severe pre-natal skeletal mineralization defects and embryonic lethality. Targeted deletion of beta 1 integrins in osterix-expressing osteoprogenitors resulted in growth abnormalities, reduced calvarial mineralization, impaired femur development, and tooth defects. However, mice lacking beta 1 integrins in osteocalcin-expressing osteoblasts and osteocytes displayed only a mild skeletal phenotype, indicating that beta 1 integrins play an important role in early skeletal development, but are not required for mature osteoblast function. PEG hydrogels functionalized with the integrin-specific GFOGER ligand enhanced bone regeneration, induced defect bridging in combination with low doses of rhBMP-2 and stimulated improved bone healing compared collagen sponges, which are the clinical standard delivery vector for BMP-2 therapy. These results suggest that treatment with bioartificial integrin-specific PEG hydrogels may be a promising clinical strategy for bone regeneration in large bone defects.

Τα υπόγεια νερά μπορούν να μολυνθούν με παθογόνα βιοκολλοειδή (ιοί, βακτήρια και πρωτόζωα) από νερό κοπρανώδους μόλυνσης, π.χ. από σηπτικές δεξαμενές ή αποχετευτικούς σωλήνες που εμφανίζουν διαρροή. Το επιφανειακό νερό μολύνεται με παθογόνους μικροοργανισμούς, που οφείλονται κυρίως στη διάθεση υγρών αποβλήτων και στην απορροή λιπασμάτων από τα γεωργικά εδάφη. Αυτά τα παθογόνα μπορούν να προκαλέσουν ένα εύρος γαστροεντερικών και άλλων σοβαρών ασθενειών. Τα υπόγεια και επιφανειακά νερά μπορούν να προστατευθούν από τη μόλυνση με παθογόνους μικροοργανισμούς μέσω των λύσεων που προσφέρει η εφαρμοσμένη μηχανική. Οι κατάλληλες στρατηγικές για την επίτευξη ασφαλούς πόσιμου νερού στηρίζονται στη γνώση των πιθανών διαδικασιών και συνθηκών μεταφοράς των παθογόνων βιοκολλοειδών. Για το σκοπό αυτό και λόγω μερικών περιορισμών, όπως η περιορισμένη ευαισθησία μεθόδων μέτρησης παθογόνων ιών και βακτηρίων, είναι λογικό να χρησιμοποιηθούν υποκατάστατα. Συγκεκριμένα, στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή, οι βακτηριοφάγοι χρησιμοποιούνται ως υποκατάστατα για τους παθογόνους ιούς. Η μετακίνηση κολλοειδών στα πορώδη μέσα είναι επίσης ανησυχητική λόγω της διευκολυμένης από το κολλοειδές μεταφοράς των παθογόνων ιών που προσροφούνται πάνω σε αυτά τα σωματίδια και μετακινούνται σε μεγάλες αποστάσεις. Ειδικότερα, η εστίαση αυτής της έρευνας είναι στη μεταφορά των βιοκολλοειδών (βακτηριοφάγων και βακτηρίων) και των παραγόντων που επιδρούν σε αυτή μέσω των κορεσμένων πορωδών μέσων. Αρχικά ένα εύρος στατικών και δυναμικών πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (4 και 25 °C) για να ερευνηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας και της ανάδευσης στην προσρόφηση των ιών (βακτηριοφάγων) πάνω στις αργίλους οι οποίες βρίσκονται συχνά στα φυσικά νερά και τα υγρά απόβλητα. Κατάλληλες ισόθερμες προσρόφησης προσδιορίστηκαν. Τα ηλεκτροκινητικά χαρακτηριστικά των βακτηριοφάγων και των αργίλων ποσοτικοποιήθηκαν για διαφορετικό pH και ιοντική ισχύ (IS). Επιπλέον, οι ενέργειες αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιών και των αργίλων υπολογίστηκαν για τις πειραματικές συνθήκες αλλά και για διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες με την εφαρμογή της θεωρίας DLVO. Στη συνέχεια εξετάστηκε η μεταφορά τριών υδατογενών μικροοργανισμών (Escherichia coli, MS2, και ΦX174), δεικτών κοπρανώδους μόλυνσης, σε εργαστηριακές x στήλες με πληρωτικό υλικό καθαρή χαλαζιακή άμμο. Εξετάστηκαν τρία διαφορετικά μεγέθη κόκκων και τρείς ενδοπορώδεις ταχύτητες. Η συμπεριφορά σύνδεσης των Escherichia coli, MS2, και ΦX174 πάνω στην άμμο αναλύθηκε περαιτέρω. Ο συνολικός συντελεστής σύλληψης η0 και ο συντελεστής απόδοσης συγκρούσεων α, υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την κλασσική θεωρία διήθησης κολλοειδών (CFT). Επίσης διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση των ιών (βακτηριοφάγων MS2 και ΦX174) με τα κολλοειδή αργίλων (καολινίτη KGa-1b και μοντμοριλλονίτη STx-1b) σε πειράματα προσκόλλησης διαλείποντος έργου αλλά και κατά την ταυτόχρονη μεταφορά τους σε κορεσμένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού. Επιπλέον εξετάστηκε η επίδραση τριών ενδοπορωδών ταχυτήτων U στη μεταφορά των ιών, όπως επίσης και στη συμμεταφορά τους με τα κολλοειδή αργίλων. Εκτεταμένοι-DLVO υπολογισμοί της ενέργειας αλληλεπίδρασης εξηγούν ότι η προσκόλληση των ιών στα κολλοειδή αργίλων κατά κύριο λόγο προκαλείται από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η παρουσία κολλοειδών είχε σημαντική επίδραση στην κατάσταση και το μέγεθος της μη αναστρέψιμης απόθεσης των ιών στα σφαιρίδια γυαλιού στις συνθήκες που ερευνήθηκαν. Η θεωρία DLVO και η υδροδυναμική εφαρμόστηκε στα πειραματικά δεδομένα σε μια προσπάθεια ποσοτικής περιγραφής των συνθηκών που απαιτούνται για την έναρξη της αποκόλλησης των κολλοειδών από τα πορώδη μέσα (διαφορετικούς συλλέκτες) κάτω από διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες (ταχύτητα και ιοντική ισχύ). Τέλος, πειράματα σε κατακόρυφα και διαγώνια τοποθετημένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού πραγματοποιήθηκαν για τη μεταφορά και συγκράτηση ιών και κολλοειδών αργίλων αλλά και τη συμμεταφορά αυτών με την κατεύθυνση της ροής προσανατολισμένη ενάντια στη βαρύτητα (προς τα πάνω) αλλά και με κατεύθυνση ροής προς την ίδια κατεύθυνση με τη βαρύτητα (προς τα κάτω). Προβλέψεις των μοντέλων μοναδιαίων κελιών διαφορετικής γεωμετρίας συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα. / Groundwater may be accidentally contaminated with infective human enteric viruses from human and animal sewage through wastewater discharges, sanitary landfills, septic tanks, and agricultural practices or by artificial groundwater recharge, which is often used to reverse the rapid depletion of aquifers. To predict the presence of pathogens in water and wastewater, microorganisms known as indicator organisms-biocolloids (e.g. bacteria Escherichia coli, and coliphages MS2 and ΦX174), which are commonly associated with fecal contamination, are monitored. We examined the interaction of microorganisms with soil, sand, gravel or other model granular materials have been conducted using laboratory-scale columns under well-controlled environmental conditions. Theoretical and experimental studies have examined the effect of pore water solution chemistry, fluid velocity, matrix structure, moisture content, temperature, grain size, and presence of surface coatings on microbial transport and retention in porous media. Quartz sand, either clean or coated, as well as glass beads have all been employed as model granular materials in such studies. Some researchers have also investigated the transport of microorganisms through columns packed with excavated soils or undisturbed soil cores, and provided valuable information regarding the influence of soil chemistry and matrix structure on microbial transport and retention.

Le processus d'étalement et d'évaporation d'une goutte de suspensions de particules sur une surface solide est très intéressant permettant la formation de motifs. Une étude expérimentale à été effectuée avec du sang total humain et avec des fluides purs dans une chambre sous atmosphère contrôlée en humidité relative. Pour des angles de contact faible, le processus d'étalement/évaporation peut être divisé en deux régimes. Un premier régime rapide gouverné par un équilibre entre les forces visqueuses et les forces capillaires et un deuxième régime plus lent dominé par la cinétique d'évaporation. Nous montrons que les bio-colloïdes jouent un rôle significatif sur la dynamique de la ligne de contact. La vitesse moyenne de la ligne de contact suit la même dynamique d'étalement que le modèle de Tanner, où le temps d'étalement et les paramètres géométriques de la goutte sont fonctions de l'humidité. Dans cette étude, nous montrons que l'humidité relative influence les paramètres géométriques de la goutte et par conséquent le motif a la fin du processus d'évaporation. Un modèle purement diffusif pur a été obtenu dont le diamètre de mouillage et l'angle de contact sont fonction de l'humidité. Pour l'analyse morphologique des motifs de craquelures, une méthode de segmentation manuelle a été utilisée comme une méthode de référence pour la validation de la méthode de segmentation automatique développée dans "iBlood". Par cette méthode, nous montrons que la cinétique d'évaporation influence la distribution structurelle et morphologique des cellules de forme trapézoïdale, et par conséquent, l'espacement des fractures moyenne finale. / Spreading/evaporation process of droplets over solid surfaces is a fundamental process and a wide research field because of number of applications in printing, micro-electronics, DNA analysis and even in biomedical. This experimental work aims to investigate the effect of relative humidity on the contact line dynamics, on the evaporation dynamics and on the final pattern of a drop of whole human blood. The spreading of a pure fluid model that has the same physical properties as human blood was studied and compared to the blood. We showed that bio-colloids play significant effect on the dynamics of contact line and the pinning effect of the drop. For low contact angles, we showed that the spreading/evaporation process could be divided into two regimes. A fast first regime determined by a balance between viscous forces and capillary forces and a second slower regime dominated by the evaporation rate. Physical mechanisms that are responsible for the spreading enhancement are proposed and discussed. The average velocity of the contact line was found to follow the same behaviour as Tanner's model, where the spreading dynamics and geometrical parameters of the droplet are function of relative humidity. The experimental measurements are in a good agreement with the purely diffusive model where the equilibrium wetting radius and contact angle are function of relative humidity. For the morphological analysis of crack patterns, a manual segmentation method was used as a reference for the validation of the automatic developed segmentation method. We showed that the evaporation rate influences structural distribution of plaques in the corona region and hence, the mean crack spacing.

The main aim of the doctoral thesis was study of passive microrheological techniques as advanced methods for characterisation of viscoelastic properties of soft material. These techniques are able to provide certain advantaged or additional information on classical rheology. Several techniques from the wide range of passive microrheological group such as one particle video – microrhelogy with IDL data procesing, microrheology based on light scattering – DLS or FCS microrheology have been applied in practice during my PhD studies. New Matlab script has been also invented to simply obtain information about viscosity of low volume samples. Aplicability of techniques were studied on several various bicolloids such as solutions or gels of hyaluronic acid, on study of properties at the interfaces or on gelation proces studies of agarose. Obtained data were compared classical rheology results. Suitability of each technique for investigated systems or appropriate reccomendations for further measurements were didcussed based on obtained data. Main advantages and limites of passive microrheology techniques were also described in comparison wih classical rheology method.

Presented master's thesis focuses on the study of hydration of selected biocolloid substances, specifically humic substances (humic acids and fulvic acids), hyaluronic acid with three different molecular weight, chitosan and dextran. Interaction of biocolloids with water was studied by different methods. The effect of solubility, structure, functional groups in molecule on sorption and hydration ability of these biocolloids was investigated. In the case of hyaluronan the influence of molecular weight was also study. Differential scanning calorimetry DSC and perfusion calorimetry give results of heat of hydration, enthalpies and temperature of crystallization and melting. Thermogravimetric analysis TGA was used to determine the original moisture content of the samples.

Hyaluronová kyselina je v současné době velmi významná biomolekula používaná v medicíně a kosmetice, a její výzkum je důležitý pro další budoucí použití. Zaměření této práce je studování povrchových vlastností hyaluronové kyseliny, jejích hydrofobních derivátů a roztoků SDS pro srovnání, za použití tenziometrie. Tyto sloučeniny byly zkoumány ve vodě a v roztocích ve formě sodné soli. Sledované vzorky byly měřeny dvěmi metodami v různých koncentračních rozmezích při laboratorní teplotě pomocí nového BPA-800P bublinového tenziometeru. Byly navrženy takové experimenty, aby se zjistily využitelné možnosti tohoto přístroje pro další výzkum. Výsledky práce ukazují rozdílnosti jednotlivých povrchově aktivních látek v závislosti na jejich koncentraci a použitém prostředí. Hyaluronová kyselina nevykazuje povrchovou aktivitu, zatímco její deriváty a SDS ano.

The main aim of doctoral thesis was the study on reactivity, transport and barrier properties of biocolloidal and synthetic polymeric substances by simple diffusion techniques. It was studied mainly the influence of basic physic-chemical parameters (temperature, concentration, pH and modification of material) on the reactivity and barrier ability of chosen compounds. Further substances were chosen as a model compounds: biocolloids (humic acids, alginate, chitosan, hyaluronate) and synthetic polymer (polystyrenesulfonate). Reactivity, barrier and transport properties of chosen substances were studied by interactions with oppositely charged basic organic dyes (methylene blue, rhodamine 6G, amido black 10B respectively) in hydrogels medium based on linear polysaccharide (agarose). The attention was also paid to basic physic-chemical characterisation (infrared spectroscopy, rheology, elemental analysis, thermogravimetry and scanning electron microscopy) of chosen materials and also hydrogels. Key part of the whole doctoral thesis was the optimization of selected diffusion techniques (diffusion cell technique and non-stationary diffusion in cuvettes) designated for the study on reactivity and barrier properties of wide range compounds (optimized method should be used as an universal method for simple and fast determination of reactivity of different compounds at given or changing conditions). The rate of reactivity, transport and barrier properties was determined based on fundamental diffusion parameters such as diffusion coefficients, break-through time so called lag time, interfacial concentration of chosen organic dye, apparent equilibrium constant, tortuosity factor, partition coefficient.

Heart failure is the leading cause of death worldwide. In 2013, the American Heart Association estimated that one American will die of cardiovascular disease every 39 seconds. While heart transplantation is the most viable treatment option, the limited availability of donor hearts has necessitated the search for treatment alternatives such as the use of adult stem cells for cardiac repair and regeneration. Following myocardial infarction (MI), the inflammatory cardiac microenvironment, limited survival of stem/progenitor cells, myocardial scarring and fibrosis affect cardiac regeneration. This dissertation examines adult stem cell based approaches for cardiac regeneration by studying the effect of i) H₂O₂- mediated oxidative stress on mesenchymal stem cells, ii) Notch1 activation in cardiac progenitor cells using a self-assembling peptide hydrogel containing the Notch1 ligand mimic RJ in vitro and functional consequences in a rat model of MI. Through these approaches, the central hypothesis that modulation of stem cell response using cues such as oxidative stress and activation of Notch1 signaling can improve functional outcome following myocardial infarction has been studied.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Type I diabetes is an autoimmune disorder characterized by the loss of insulin producing islet cell mass. While daily insulin injection provides an easy means of glycemic control, it does not prevent long-term complications associated with diabetes. Islet transplantation has been suggested as a permanent cure for type 1 diabetes. However, the recurrence of host immunity and shortage of donor islets hinder the prevalence of islet transplantation. Biomaterial strategies provide an alternative route to solving the problems associated with host immune response and shortage of donor islets. One highly recognized platform for achieving these goals are hydrogels, which are hydrophilic crosslinked polymers with tissue-like elasticity and high permeability. Hydrogels prepared from poly(ethylene glycol) (PEG) derivatives are increasingly used for a variety of tissue engineering applications, including encapsulation of pancreatic islets and serving as a material platform for pseudo-islet differentiation. PEG hydrogels formed by mild and rapid thiol-ene photo-click reactions are particularly useful for studying cell behaviors in three-dimension (3D). Thiol-ene PEG-based hydrogels can be rendered biodegradable if appropriate macromer and cross-linker chemistry is employed. However, the influence of hydrogel matrix properties on the survival, growth, and morphogenesis of cells in 3D has not been fully evaluated. This thesis aims at using norbornene-functionalized PEG macromers to prepare thiol-ene hydrogels with various stiffness and degradability, from which to study the influence of hydrogel properties on pancreatic cell fate processes in 3D. Toward establishing an adaptable hydrogel platform for pancreatic tissue engineering, this thesis systematically studies the influence of hydrogel properties on encapsulated endocrine cells (e.g., MIN6 beta-cells) and exocrine cells (PANC-1 cells), as well as human mesenchymal stem cells (hMSC). It was found that thiol-ene photo-click hydrogels provide a cytocompatible environment for 3D culture of these cells. However, cell viability was negatively affected in hydrogels with higher cross-linking density. In contrast to a monolayer when cultured on a 2D surface, cells with epithelial characteristic formed clusters and cells with mesenchymal features retained single cell morphology in 3D. Although cells survived in all hydrogel formulations studied, the degree of proliferation, and the size and morphology of cell clusters formed in 3D were significantly influenced by hydrogel matrix compositions. For example: encapsulating cells in hydrogels formed by hydrolytically degradable macromer positively influenced cell survival indicated by increased proliferation. In addition, when cells were encapsulated in thiol-ene gels lacking cell-adhesive motifs, hydrolytic gel degradation promoted their survival and proliferation. Further, adjusting peptide crosslinker type and immobilized ECM-mimetic bioactive cues provide control over cell fate by determining whether observed cellular morphogenesis is cell-mediated or matrix-controlled. These fundamental studies have established PEG-peptide hydrogels formed by thiol-ene photo-click reaction as a suitable platform for pancreatic tissue engineering