Made available in DSpace on 2014-12-17T14:10:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiegoSD_DISSERT.pdf: 4467915 bytes, checksum: 1bb0defec90e5ed329ebefbf24ac108a (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Currently, computational methods have been increasingly used to aid in the characterization of molecular biological systems, especially when they relevant to human health. Ibuprofen is a nonsteroidal antiinflammatory or broadband use in the clinic. Once in the bloodstream, most of ibuprofen is linked to human serum albumin, the major protein of blood plasma, decreasing its bioavailability and requiring larger doses to produce its antiinflamatory action. This study aimes to characterize, through the interaction energy, how is the binding of ibuprofen to albumin and to establish what are the main amino acids and molecular interactions involved in the process. For this purpouse, it was conducted an in silico study, by using quantum mechanical calculations based on Density Functional Theory (DFT), with Generalized Gradient approximation (GGA) to describe the effects of exchange and correlation. The interaction energy of each amino acid belonging to the binding site to the ligand was calculated the using the method of molecular fragmentation with conjugated caps (MFCC). Besides energy, we calculated the distances, types of molecular interactions and atomic groups involved. The theoretical models used were satisfactory and show a more accurate description when the dielectric constant ε = 40 was used. The findings corroborate the literature in which the Sudlow site I (I-FA3) is the primary binding site and the site I-FA6 as secondary site. However, it differs in identifying the most important amino acids, which by interaction energy, in order of decreasing energy, are: Arg410, Lys414, Ser 489, Leu453 and Tyr411 to the I-Site FA3 and Leu481, Ser480, Lys351, Val482 and Arg209 to the site I-FA6. The quantification of interaction energy and description of the most important amino acids opens new avenues for studies aiming at manipulating the structure of ibuprofen, in order to decrease its interaction with albumin, and consequently increase its distribution / Na atualidade, os m?todos computacionais v?m sendo cada vez mais utilizados para auxiliar a biologia molecular na caracteriza??o de sistemas biol?gicos, principalmente quando esses possuem relev?ncia para a sa?de humana. O ibuprofeno ? um antiinflamat?rio n?o-esteroidal de larga utiliza??o na cl?nica. Uma vez na corrente sangu?nea, boa parte do ibuprofeno fica ligada a albumina de soro humano, a principal prote?na do plasma sangu?neo, diminuindo a sua biodisponibilidade e necessitando de maiores doses para a produ??o de seu efeito antiinflamat?rio. Este estudo teve por objetivo caracterizar, atrav?s da energia de intera??o, como ocorre a liga??o do ibuprofeno ? albumina e estabelecer quais os principais amino?cidos e intera??es moleculares envolvidas no processo. Para tal desenvolveu-se um estudo in silico, com utiliza??o de c?lculos de mec?nica qu?ntica, baseada na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), com aproxima??es do Gradiente Generalizado (GGA) para descri??o dos efeitos de correla??o e troca. A energia de intera??o de cada amino?cido do s?tio de liga??o, com o ligante foi calculada com base no m?todo de fragmenta??o molecular com capas conjugadas (MFCC). Al?m da energia, foram calculadas as dist?ncias, tipos de intera??es moleculares e grupos at?micos envolvidos. Os modelos te?ricos utilizados foram satisfat?rios e demonstraram uma descri??o mais precisa com a utiliza??o da constante diel?trica ε=40. Os achados corroboram com a literatura colocando o s?tio Sudlow I (I-FA3) como o principal s?tio de liga??o e o s?tio I-FA6 como s?tio secund?rio. Contudo, difere quanto ? identifica??o dos amino?cidos mais importantes, que por meio da energia de intera??o, em ordem decrescente de energia, s?o: Arg410, Lys414, Ser 489, Leu453 e Tyr411 para o S?tio I-FA3 e Leu481, Ser480, Lys351, Val482 e Arg209 para o s?tio I-FA6. A quantifica??o da energia de intera??o e a descri??o dos amino?cidos mais importantes abre caminhos para novos estudos que visem a manipula??o da estrutura do ibuprofeno, no sentido de diminuir a intera??o desse com a albumina, e consequentemente aumentar a sua distribui??o

[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral. / [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral. / [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed. / Díaz Fernández, FJ. (2021). Novel Applications of Optical Diffraction Tomography: On-chip Microscopy and Detection of Invisibility Cloaks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180125 / TESIS

S’han dipositat capes primes d’hidrogel per tal de modificar les propietats superficials i millorar el comportament dels biomaterials. Dues de les tècniques de deposició química en fase vapor més comunes s’han estudiat per poder dur a terme aquestes modificacions. La deposició química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) és un mètode simple, ràpid i no agressiu que permet depositari films d’hidrogel. És un mètode que s’inicia a la superfície de la mostra i que permet recobrir de manera homogènia superfícies tridimensionals com és el cas de les micro-partícules. El piCVD ofereix un ventall molt ampli d’hidrogels amb capacitat d’absorbir aigua, incorporant co-monòmers amb diferents propietats. Els hidrogels poden ser dissenyats perquè la reactivitat es localitzi a nivell superficial, millorant d’aquesta manera la funcionalització química dels hidrogels. Tanmateix, un nou mètode s’ha utilitzat per micro-estructurar les superfícies durant la deposició via piCVD per obtenir hidrogels amb comportaments especials. Els hidrogels termo-sensibles s’han obtingut via deposició química iniciada en fase vapor (iCVD). S’ha desenvolupat una llibreria d’hidrogels termo-sensibles, els quals exhibeixen una temperatura de transició molt marcada. La microbalança de quars amb dissipació (QCM-D) s’ha fet servir per analitzar la transició d’aquests films. La combinació de les propietats que ofereixen els films termo-sensibles dona la possibilitat de dissenyar una plataforma per prevenir la formació de biofilms. / Se han depositado capas delgadas de hidrogel para lamodificación superficial y mejora del comportamiento de los biomateriales. Dos de las técnicasmás comunes de deposición química en fase vapor se han estudiado para llevar a cabo estas modificaciones. La deposición química foto-iniciada en fase vapor (piCVD) es un método simple, rápido y no agresivo que permite depositar films de hidrogel. Es un método que se inicia en la superficie de la muestra y que permite recubrir de manera homogénea superficies tridimensionales como es el caso de las micro-partículas. El piCVD ofrece un abanico muy amplio de hidrogeles con capacidad de absorber agua, incorporando co-monomeros con diferentes propiedades. Los hidrogeles se pueden diseñar para que la reactividad se localice a nivel superficial, mejorando de esta manera la funcionalización química de los hidrogeles. Así mismo, un nuevo método se ha utilizado para micro-estructurar las superficies durante la deposición vía piCVD para obtener hidrogeles con comportamientos especiales. Los hidrogeles termo-sensibles se han obtenido vía deposición química iniciada en fase vapor (iCVD). Se ha desarrollado una librería de hidrogeles termo-sensibles, los cuales exhiben una temperatura de transición muy marcada. La microbalanza de cuarzo con disipación (QCM-D) se ha utilizado para analizar la transición de este film. La combinación de las propiedades que ofrecen los films termo-sensibles da la posibilidad de diseñar una plataforma para prevenir la formación de biofilms. / Thin hydrogel films have been deposited to modify surface properties and improve biomaterials performance. Two of the most common chemical vapor deposition techniques have been studied to carry out these modifications. Photo-initiated chemical vapor deposition piCVD has been developed as a simple, not aggressive and easy method for the deposition of thin hydrogel films. This method follows a versatile surface-driven reaction process that allows homogeneous coating of both 2D and 3D geometries, such as microspheres. piCVD offers the possibility to fabricate a wide range of swellable thin films, incorporating co-monomers with different properties, such as amine-reactivity, suitable for further modification. The hydrogels can be designed by nano-confining the reactivity to the near surface region, improving the chemical functionality of hydrogels. In addition, a new method to create micro-patterned surfaces can be applied during piCVD deposition to design surfaces having special behavior. Thermo-responsive thin hydrogel films have also been obtained via initiated chemical vapor deposition (iCVD). A library of thermo-sensitive films exhibiting controlled lower critical solution temperatures (LCST) has been generated. Quartz crystal microbalance with dissipation analysis has been used to analyze the phase-transition of these films. The intrinsic properties of thermo-sensitive hydrogels, such as tunable surface hydrophilicity or release of film-entrapped molecules, open the possibility to design systems for controlling biofilm formation.

La finalidad de esta tesis es la obtención de las distribuciones de velocidades, presiones y temperaturas en la convección forzada de flujos compresibles en situaciones bidimensionales y de estabilización. Es a partir de estos valores que se determina la fricción y la transferencia de calor entre el fluido y el contorno o canalización.La tesis consta de cinco capítulos. En el primero, de carácter introductorio, se plantea la problemática de resolución de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo. Se analizan dos niveles de modelización. De una parte, y en base al concepto de capa límite introducido por L. Prandtl, se divide el dominio por el que circula el flujo en dos zonas: unas delgadas regiones próximas a los contornos sólidos en los que la fricción y la transferencia de calor son factores condicionantes, y el resto del dominio en el que el flujo puede considerarse como no viscoso, pudiéndose despreciar los efectos de la fricción y de la transferencia de calor. En el segundo nivel de modelización se plantea la resolución directa de las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía en todo el dominio.Los capítulos segundo, tercero y cuarto están dedicados al primer nivel de modelización indicado. En el segundo capítulo se resuelve el flujo potencial compresible en base a la discretización del dominio mediante la generación de mallas adaptables a los contornos. Se analizan diferentes criterios de discretización de las ecuaciones siendo los resultados numéricos obtenidos contrastados entre si y con los que se derivan del empleo de mallas de discretización rectangulares. El tercer capítulo trata de la resolución de las capas límites hidrodinámicas y térmicas mediante la integración numérica de la ecuaciones de conservación. Para el análisis de las capas límite turbulentas se ha utilizado los conceptos de viscosidad turbulenta y conductividad térmica turbulenta, empleándose expresiones semiempíricas en la descripción de dichas cantidades. Se estudian diversas situaciones contrastándose los resultados numéricos obtenidos con los que se derivan de estudios experimentales presentados por distintos autores. En el cuarto capítulo se efectúa la resolución conjunta de la zona potencial y de las capas límite en el marco de un algoritmo global de resolución. A modo ilustrativo se ha realizado el estudio del flujo de aire en una tobera o canalización convergente, analizándose aspectos tales como la compresibilidad del flujo y la transferencia de calor entre el fluido y los contornos sólidos limitantes. Los resultados que se derivan de la resolución numérica, supuestos los contornos adiabáticos, son contratados con los obtenidos experimentalmente en esta tesis y en una unidad de soplado del laboratorio. En el quinto y último capítulo se aborda el segundo nivel de modelización arriba indicado, si bien la atención se centra en ecuaciones genéricas del tipo convección-difusión. Así, partiendo de una distribución de velocidades conocida, se realiza la resolución de dicha ecuación en base a la generación de sistemas ortogonales de coordenadas curvilíneas coincidentes con las propias líneas de corriente del flujo. La precisión y zonas de aplicación del método numérico son puestas de manifiesto en situaciones singulares de solución analítica conocida. Los resultados obtenidos son satisfactorios en un amplio rango de números de Peclet, y claramente superiores a los que se derivan del empleo de mallas de discretización rectangulares. / The purpose of this thesis is to obtain velocity, pressure and temperature distributions in compressible flows under steady-state conditions.The thesis has five chapters. The first one introduces the mathematical formulation and two main strategies to solve the governing equations. The first one is based on a zonal model, which solved in a coupled manner the Euler and the boundary layer equations. The second level is based on the resolution of the Navier-Stokes equations in the whole domain.The next three chapters are devoted to the first level of modelization mentioned above. The second chapter solves the Euler equations of the inviscid flow based on the discretization of the domain by means of body-fitted meshes. Numerical solutions are also carefully verificated based on grid refinement techniques. Several numerical criteria for the discretization of the equations are presented and contrasted. The third chapter deals with the numerical integration of the hydrodynamic and thermal boundary layer equations using algebraic turbulence models extended to compressible flows. A study of the different parameters which influence on flow is presented.In the fourth chapter, a coupled procedure of the two zones (inviscid zone and boundary layers) is proposed within the framework of a global algorithm. By way of illustration the study of the compressible flow in a converging channel is carried out. Different aspects related to the compressibility of the flow and the heat transfers exchanged with the solid boundaries are studied. The mathematical model is validated against experimental results obtained in a specially designed set-up.In the fifth and final chapter, the second level of modelization is presented but only the part which refers to generic convection-diffusion equations. Thus, starting from a known velocity distribution, an analysis of different standard numerical schemes is performed together with a proposal of a new scheme to reduce the numerical false diffusion effects.

Islet transplantation has found its niche in diabetes treatment. It has contributed to a better quality of life and better glycemic control of patients with diabetes suffering from severe hypoglycemia that are not eligible for vascularized pancreas transplantation. Islet isolation is a technically challenging procedure. The different studies within this doctoral thesis aim to improve and standardize different steps in the isolation procedure. They are in particular looking to improve human pancreas preservation during cold storage, to optimize islet release from the exocrine tissue and to assess whether the isolated islet yield can be predicted from a biopsy. We found that pancreas preservation with pre-oxygenated perfluorodecalin (two-layer method) did not improve the ischemic tolerance of the human pancreas as compared to cold storage with the University of Wisconsin (UW) solution. Furthermore, in pancreas with long cold ischemia time (CIT) (>10 hours), Histidine-Tryptophan-Ketoglutarate (HTK) had a limited preservation capacity as compared with the UW solution with respect to isolation outcome. We also found that during enzymatic pancreas digestion, Vitacyte HA was able to provide a similar islet yield and quality as Serva NB1 with less collagenase activity and shorter digestion time. We further describe the first experience with a new GMP manufactured enzyme called Liberase MTF-S for successful human islet isolation. Finally, we found that the isolated islet yield could not be predicted from a biopsy taken from the head of the pancreas concerning solely morphological parameters of the islets tissue. The improvement of pancreas preservation will allow for marginal organs with prolonged cold ischemia time to expand the donor pool. Better knowledge of how the pancreatic extracellular matrix is digested by collagenase will lead to a fast and predictable islet release from the exocrine tissue. By standardizing the isolation procedure and improving organ selection we will increase the success rate in human islet isolation, thereby making islet transplantation available for more patients.