Submitted by Pedro Rafael Costa null (costapr@ibb.unesp.br) on 2016-08-29T12:34:19Z No. of bitstreams: 1 Tese-PedroRafaelCosta.pdf: 3405758 bytes, checksum: db4d115ece49bde1fd0f2a7768c97377 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-08-30T17:27:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 costa_pr_dr_bot.pdf: 3405758 bytes, checksum: db4d115ece49bde1fd0f2a7768c97377 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-30T17:27:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 costa_pr_dr_bot.pdf: 3405758 bytes, checksum: db4d115ece49bde1fd0f2a7768c97377 (MD5) Previous issue date: 2016-08-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Uma grande variedade de sequências de RNA presentes nos transcriptomas mas com funções ainda desconhecidas tem estimulado o desenvolvimento de técnicas experimentais e computacionais que colaborem na determinação do papel dessas moléculas. Entretanto, a compreensão dos mecanismos de ação de uma dada molécula de RNA envolve não somente a determinação de sua estrutura de mínima energia livre, mas também o estudo do comportamento de suas conformações metaestáveis. Os algoritmos existentes para predição da estrutura de moléculas de RNA ignoram armadilhas cinéticas que podem levar a formação de estruturas subótimas e utilizam modelos termodinâmicos incompletos, muitas vezes ignorando a formação de estruturas mais complexas, como os pseudonós. Nesse trabalho apresentamos um algoritmo para simulação do dobramento cotranscricional para o estudo dos efeitos da conformação espacial da molécula de RNA na cinética da transcrição. A partir da determinação das conformações permitidas, o algoritmo estabelece uma série de reações de transição entre esses estados, com valores das taxas de ocorrência ponderados através de uma distribuição de probabilidade de Boltzmann baseada na variação de energia livre de Gibbs desses estados. As energias livres das estruturas secundárias são determinadas segundo o modelo dos primeiros vizinhos e dois algoritmos foram implementados para o cálculo da energia livre dos pseudonós. Finalmente, simulações de Monte Carlo baseadas no algoritmo de Gillespie foram realizadas para determinação do caminho de dobramento da molécula. Exemplos de aplicações demonstram o potencial do programa desenvolvido. / The discovery of a wide variety of RNA sequences present in transcriptomes with unknown function has stimulated the development of experimental and computational techniques to determine the function of these molecules. However, understanding the activities of a given RNA molecule involves not only finding its minimum free energy structure, but also studying its metastable structures. The methodologies available for predicting RNA structure ignore kinetic traps that can lead to formation of suboptimal structures and are based in over-simplified thermodynamic models. These methodologies usually can not predict RNA conformations with more complex topologies, such as pseudoknots. In this work we present a computational model for cotranscriptional folding that considers the influence of RNA structures during transcription elongation. After determining the allowed conformations for the sequence of interest, the algorithm established a series of allowed reactions between these structures. The reactions rates are weighted by the Boltzmann factor based on Gibbs free energy variation between the states. The free energies for secondary structures were estimated by the nearest-neighbor model, and two algorithms were implemented to calculate the free energy of pseudoknots. Finally, Monte Carlo simulations based on the Gillespie algorithm were performed to find out the RNA folding path. We show using examples the potential of the software developed. / FAPESP: 2012/19377-4. / CNPq: 152838/2012-0

Orientador: Ney Lemke / Resumo: Uma grande variedade de sequências de RNA presentes nos transcriptomas mas com funções ainda desconhecidas tem estimulado o desenvolvimento de técnicas experimentais e computacionais que colaborem na determinação do papel dessas moléculas. Entretanto, a compreensão dos mecanismos de ação de uma dada molécula de RNA envolve não somente a determinação de sua estrutura de mínima energia livre, mas também o estudo do comportamento de suas conformações metaestáveis. Os algoritmos existentes para predição da estrutura de moléculas de RNA ignoram armadilhas cinéticas que podem levar a formação de estruturas subótimas e utilizam modelos termodinâmicos incompletos, muitas vezes ignorando a formação de estruturas mais complexas, como os pseudonós. Nesse trabalho apresentamos um algoritmo para simulação do dobramento cotranscricional para o estudo dos efeitos da conformação espacial da molécula de RNA na cinética da transcrição. A partir da determinação das conformações permitidas, o algoritmo estabelece uma série de reações de transição entre esses estados, com valores das taxas de ocorrência ponderados através de uma distribuição de probabilidade de Boltzmann baseada na variação de energia livre de Gibbs desses estados. As energias livres das estruturas secundárias são determinadas segundo o modelo dos primeiros vizinhos e dois algoritmos foram implementados para o cálculo da energia livre dos pseudonós. Finalmente, simulações de Monte Carlo baseadas no algoritmo de Gillespie foram ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The discovery of a wide variety of RNA sequences present in transcriptomes with unknown function has stimulated the development of experimental and computational techniques to determine the function of these molecules. However, understanding the activities of a given RNA molecule involves not only finding its minimum free energy structure, but also studying its metastable structures. The methodologies available for predicting RNA structure ignore kinetic traps that can lead to formation of suboptimal structures and are based in over-simplified thermodynamic models. These methodologies usually can not predict RNA conformations with more complex topologies, such as pseudoknots. In this work we present a computational model for cotranscriptional folding that considers the influence of RNA structures during transcription elongation. After determining the allowed conformations for the sequence of interest, the algorithm established a series of allowed reactions between these structures. The reactions rates are weighted by the Boltzmann factor based on Gibbs free energy variation between the states. The free energies for secondary structures were estimated by the nearest-neighbor model, and two algorithms were implemented to calculate the free energy of pseudoknots. Finally, Monte Carlo simulations based on the Gillespie algorithm were performed to find out the RNA folding path. We show using examples the potential of the software developed. / Doutor

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação são apresentados resultados de simulações Monte Carlo de fluorescência de raios X (XRF), utilizando o programa GEANT4, para medidas de espessura de revestimento metálico (Ni e Zn) em base metálica (Fe). As simulações foram feitas para dois tamanhos de espessura para cada metal de revestimento, (5μm e 10μm), com passos de 0,1 μm e 0,001 μm e com 106 histórias. No cálculo da espessura do revestimento foram feitas as aproximações de feixe de raios X monoenegético, com a análise da transmissão apenas da energia do K-alfa e para uma geometria compatível com um sistema real de medição (ARTAX-200). Os resultados mostraram a eficiência da metodologia de simulação e do cálculo da espessura do revestimento, o que permitirá futuros cálculos, inclusive para multirevestimentos metálicos em base metálica. / This dissertation is presented results of x-ray fluorescence (XRF) Monte Carlo simulations) using GEANT4 for metallic coating (Ni and Zn) thickness determination on metallic base (Fe). The simulations were made for two values of coating thickness for each covering (5 μm and 10 μm), with steps of 0.1 μm and 0.001 μm, and with 106 stories. The monoenergetic x-ray approach was used assuming the transmission of only K-alpha line. The experiment and geometry was similar to the real system of measurement (ARTAX-200 ). The results showed the efficiency of the simulation methodology, as well as the ability to measure the thickness of coating by XRF. Thus, a continuation of this study for multilayer metal coating could be promising.

Neste trabalho estudamos um modelo estocástico com simetria Ising e dois estados absorventes em três dimensões com uma rede cúbica e em duas dimensões através de uma rede triangular. O estudo levou em conta cálculos de aproximação de campo médio e simulações de Monte Carlo. Os resultados mostraram que o modelo tem transição de segunda ordem de uma fase paramagnética para uma fase ferromagnética, uma transição da fase ferromagnética para uma fase absorvente, também de segunda ordem, e ainda uma transição de primeira ordem da fase paramagnética para a fase absorvente. No espaço de parâmetros as três linhas de transição se encontram no diagrama de fases em um ponto onde o modelo se comporta como o modelo do votante. / In this work we studied a stochastic model with ising symmetry and two simmetric absorbing configurations in a three-dimensional cubic lattice and in two dimensions using a triangular lattice. The study took into account simple mean-field approximations and Monte Carlo simulations. The results showed that the model has a second-order transition from a paramagnetic phase to a ferromagnetic phase and second-order transition from ferromagnetic phase to the absorbing one. A first-order phase transition from the paramagnetic phase to the absorbing phase is observed too. In the phase diagram the two second-order transition lines aproaches to the point where the model behaves like the voter model.

Neste trabalho, nós investigamos o comportamento crítico dinâmico de três modelos estatísticos utilizando simulações Monte Carlo em tempos curtos. Inicialmente, estudamos os modelos tridimensionais de dupla-troca e de Heisenberg. O expoente dinâmico de persistência global, bem como o expoente z são estimados através de duas técnicas. Para obter o expoente de persistência global, aplicamos diretamente a lei de potência obtida para a probabilidade de persistência global e em seguida fizemos o colapso de uma função universal para duas redes de tamanhos diferentes. Para estimar o valor de z, nós usamos uma função mista que combina resultados de simulações realizadas com diferentes condições iniciais e o cumulante de Binder de quarta ordem dependente do tempo. O expoente dinâmico que governa o comportamento tipo lei de potência da magnetização inicial, é estimado através da correlação temporal da magnetização (modelos de dupla-troca e Heisenberg) e da aplicação direta de uma lei de potência (modelo de Heisenberg). Os expoentes estáticos da magnetização e comprimento de correlação são estimados seguindo o comportamento de escala do parâmetro de ordem e sua derivada, respectivamente. Os resultados confirmam que esses dois modelos pertencem à mesma classe de universalidade. Em seguida, alguns expoentes críticos dinâmicos e estáticos são estimados no ponto de bifurcação do modelo de spin com simetria Z(5) bidimensional. Neste ponto, o modelo apresenta dois parâmetros de ordem diferentes, cada um possuindo um conjunto diferente de índices críticos. Os valores dos expoentes críticos estáticos estão em boa concordância com os resultados exatos. Até onde sabemos, está é a primeira tentativa de se obter os expoentes críticos dinâmicos para os modelos de dupla troca, Heisenberg e para o modelo Z(5). / In this work, we investigate the dynamic critical behavior of three statistical models by using short-time Monte Carlo simulations. At first, we study the three-dimensional double-exchange and Heisenberg models. The global persistence exponent, as well as the exponent z are estimated through two techniques. The dynamical exponent of global persistence is obtained by using the straight application of the power law obtained for the global persistence probability and by following the scaling collapse of a universal function for two diferent lattice sizes. To estimate the value of z, we use a mixed function which combines results obtained from samples submitted to diferent initial configurations and the time dependent fourth-order Binder cumulant. The dynamical exponent which governs the power law behavior of the initial magnetization, is estimated through the time correlation of the magnetization (double-exchange and Heisenberg models) and through the straight application of a power law(Heisenberg model). The statical exponents of the magnetization and correlation length are estimated through the scaling behavior of the order parameter and its derivative, respectively. The results confirm which those models belong to the same universality class. Following, the dynamical exponents and the statical exponents are estimated at the bifurcation point of the two-dimensional Z(5)-symmetric spin model. In this point, the model presents two diferent order parameters, each one possessing a diferent set of critical indices. The values of the static critical exponents are in good agreement with the exact results. Our study is, to the best of our knowledge, the first attempt to obtain the dynamic critical exponents of the double-exchange, Heisenberg, and Z(5) models.

O processo fermentativo para a obtenção de etanol constitui um sistema complexo. Durante a fermentação se desenvolvem infecções em forma crônica e os surtos de infecção aguda aparecem em condições que; por causa da dinâmica não-linear do processo que envolve uma rede de reações metabólicas dos microrganismos, a alta dependência às condições de contorno e pelas interações sinérgicas e antagônicas envolvidas neste ecossistema; ainda representam um tema relevante de pesquisa em aberto. O presente trabalho propõe contribuir na tarefa de interpretar tais efeitos por intermédio de um modelo que inclua a interferência das bactérias. É proposto um cenário em escala laboratorial e controlado com a linhagem isolada de Saccharomyces cerevisiae PE-2 em co-cultura com bactérias de metabolismo heterofermentativo e homofermentativo. A interferência é explicada por intermédio de um modelo com efeito fixo baseado em um modelo não estruturado proposto por Lee (1983), e modificado a partir dos estudos de Andrietta (2003). São conduzidos ensaios de quatro tratamentos: uma fermentação controle e outras contaminadas com cada um dos diferentes tipos de bactérias e também em conjunto, a fim de fornecer dados experimentais para ajuste do modelo em discussão. Em seguida, são realizadas estimativas dos parâmetros que compõem as equações diferenciais da cinética da fermentação, utilizando um algoritmo genético baseado em evolução diferencial Storn e Price (1997). Completa-se a avaliação dos parâmetros por intermédio da análise de sensibilidade paramétrica dos mesmos. De posse desses resultados, é utilizado o modelo do tratamento controle como base, e são inseridos vetores de variáveis categóricas, correspondentes a efeitos fixos. Tais variáveis permitem modelar a interferência da contaminação no modelo matemático proposto. A estatística descritiva, a análise utilizando inferência bayesiana e a interpretação bioquímica dos resultados complementam as inferências obtidas a respeito do modelo. A análise de sensibilidade e correlação dos parâmetros, mostrou que os modelos para a cinética da fermentação, estudados e bem conhecidos não são adequados para modelar o processo, pela alta correlação dos seus parâmetros. O tratamento controle teve um rendimento de 46,97% na produção de etanol, o tratamento com bactéria heterofermentativa teve uma redução de 2.35% e com a mistura de ambas a redução foi de 1,58%. Uma das principais contribuições deste estudo relacionasse à produção de glicerol, o resultado mostra que no há impacto significativo na presença de bactérias homofermentativas e sim uma clara tendência a inibir a sua produção. Apresentam-se também indícios de sinergia entre as bactérias e de consumo de manitol pela bactéria homofermentativa. / The fermentation process for obtaining ethanol is a complex system. During fermentation develop chronic infections and outbreaks of acute infection in conditions that appear, because of the nonlinear dynamics of the process that involves a network of metabolic reactions of microorganisms, the high dependence on boundary conditions and the synergistic interactions and antagonistic involved in this ecosystem, still represent a relevant topic of research open. This paper proposes to contribute in the interpreting such effects through a model that includes the interference of bacteria. We propose a scenario in laboratory scale and controlled with the strain isolated from Saccharomyces cerevisiae PE-2 in co-culture with bacteria and homofermentativo heterofermentative metabolism. The interference is explained by means of a template with fixed effect based on a non structured proposed by Lee (1983) and modified from studies Andrietta (2003). Tests are conducted four treatments: a control fermentation and other contaminated with each of the different bacteria and also in conjunction in order to provide experimental data to fit the model under discussion. Are then carried estimates of the parameters that make up the differential equations of the kinetics of the fermentation, using a genetic algorithm based on differential evolution Storm and Price (1997). To complete the parameters evaluated through analysis of the same parameter sensitivity. With these results, the model is used as the basis of the control treatment, and are inserted vectors of categorical variables, corresponding to fixed effects. These variables allow modeling the interference of contamination in the mathematical model. Descriptive statistics and Bayesian inference analysis and interpretation of biochemical results obtained complement inferences about the model. Sensitivity analysis and correlation of parameters for the models showed that the kinetics of the fermentation, well studied and known are not suitable for modeling the process, the high correlation between the parameters. The control had a yield of 46.97% in ethanol, treatment with heterofermentative bacteria was reduced by 2.35% and a mixture of both reduction was 1.58%. A major contribution of this study is related to the glycerol, the result shows that no significant impact on the presence of homofermentative bacteria but a clear tendency to inhibit their production. It also presents evidence of synergy between bacteria and consumption of mannitol by homofermentative bacteria.

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T22:54:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Brito_BraulioGabrielAlencar_D.pdf: 3210920 bytes, checksum: 1140e372f96bf86f5f06d96119eeb8e7 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho apresentaremos a extensão dos métodos adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS) e integração dinâmica de Clausius-Clapeyron (d-CCI) para o formalismo de integral de tragetória. Desenvolvemos programas de Monte Carlo de integrais de trajetória (PIMC) para implementar esses métodos a fim de incluir efeitos quânticos nos cálculos das energias livres e na determinação das curvas de coexistência de fase de sistemas a baixa temperatura. Aplicamos as aproximações primitivas e Li-broughton para a ação para escrever as matrizes densidade de alta temperatura dos sistemas estudados. Calculamos a curva de fusão do neônio utilizando o método de integração dinâmica de Clausius-Clapeyron quantico (q-dCCI) e comparamos nossos resultados com resultados encontrados na literatura. Determinamos a curva de coexistência diamante-grafite utilizando o potencial AIREBO e os métodos AS, RS e q-dCCI. Estudamos os efeitos da pressão sobre algumas propriedades termodinâmicas do grafite e do grafeno e a diversas temperaturas aplicando método PIMC juntamente dos métodos AS e RS / Abstract: In this work we present the extension of the methods adiabatic switching (AS), reversible scaling (RS), dynamical Clausius-Clapeyron integration (d-CCI) within the path integral formalism. We developed Path Integral Monte Carlo computer codes to implement these methods in order to include quantum effects in the calculation of free energies and in the determination of the phase coexistence curves of systems at low temperature. We applied the primitive and Li-Broughton approximations to the action to write the high temperature density matrices of the systems we studied. We calculated the melting curve of the neon using the quantum dynamical Clausius-Clapeyron (q-dCCI) and compare our results with results found at the literature. We determined the diamond-graphite coexistence curve using the AIREBO inter-atomic potential and the AS, RS e q-dCCI methods. We studied the pressure effects on some thermodynamic properties of the graphite and graphene at several temperatures using the method PIMC together with the AS and RS methods / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Dans le domaine de la radiobiologie, les dommages causés à l'ADN nucléaire sont largement étudiés puisque l’ADN est considéré la cible la plus sensible dans la cellule. En plus de l’ADN, les mitochondries commencent à attirer l'attention comme des cibles sensibles, car elles contrôlent de nombreuses fonctions importantes pour la survie de la cellule. Ce sont des organites à double membranes principalement chargées de la production d'énergie ainsi que la régulation réactive des espèces d'oxygène, la signalisation cellulaire et le contrôle de l'apoptose. Certaines expériences ont montré qu'après exposition aux rayonnements ionisants, les teneurs mitochondriales sont modifiées et leurs fonctions sont affectées. C'est pourquoi nous sommes intéressés par l'étude des effets des rayonnements ionisants sur les mitochondries. À l'échelle microscopique, les simulations Monte-Carlo sont utiles pour reproduire les traces de particules ionisantes pour une étude approfondie. Par conséquent, nous avons produit des fantômes 3D de mitochondries à partir d'images microscopiques de cellules fibroblastiques. Ces fantômes ont été transformés de façon à être téléchargés dans Geant4 sous forme de mailles tessélisées et tétraédriques remplies d'eau représentant la géométrie réaliste de ces organites. Les simulations numériques ont été effectuées afin de calculer les dépôts d’énergie induits par des photons de 250 keV à l'intérieur de ces fantômes. Les processus électromagnétiques Geant4-DNA sont utilisés pour simuler les traces des électrons secondaires produits. Étant donné que les dommages groupés sont plus difficiles à réparer par les cellules, un algorithme spécifique est utilisé pour étudier le regroupement spatial des dégâts potentiels des rayonnements. En radiothérapie, il est difficile de donner une dose efficace aux sites de la tumeur sans affecter les tissus environnants sains. L'utilisation de nanoparticules d'or comme radio-sensibilisateurs semble être prometteuse. Leur coefficient d'absorption élevé augmente la probabilité d’interaction des photons et induit une dose tumorale plus importante lorsque ces particules sont absorbés de manière préférentielle dans les tumeurs. Puisque l'or a un nombre atomique élevé, les électrons Auger sont produits en abondance. Ces électrons ont une portée plus faible que les photoélectrons, ce qui leur permet de déposer la majeure partie de leur énergie près de la nanoparticule, ce qui augmente la dose locale. Nous avons étudié l'effet radio-sensibilisant des nanoparticules d'or sur le fantôme des mitochondries. L'efficacité de cette méthode dépend du nombre, de la taille et de la répartition spatiale des nanoparticules d'or. Après exposition aux rayonnements ionisants, des espèces réactives d'oxygène sont produites dans le milieu biologique qui contient une quantité d'eau abondante. Dans cette étude, nous simulons les espèces chimiques produites à l'intérieur du fantôme des mitochondries et leur regroupement est estimé. La distribution spatiale des produits chimiques et leur évolution avec le temps et par la suite analysée au moyen d’algorithme spécifique de traitement de données. / In the field of radiobiology, damage to nuclear DNA is extensively studied since it is considered as a sensitive target inside cells. Mitochondria are starting to get some attention as sensitive targets as well since they control many functions important to the cell’s survival. They are double membraned organelles mainly in charge of energy production as well as reactive oxygen species regulation, cell signaling and apoptosis control. Some experiments have shown that after exposure to ionizing radiation the mitochondrial contents are altered and their functions are affected. That is why we are interested in studying the effects of ionizing radiation on mitochondria. At the microscopic scale, Monte Carlo simulations are helpful in reproducing the tracks of ionizing particles for a close study. Therefore, we produced 3D phantoms of mitochondria starting from microscopic images of fibroblast cells. These phantoms are easily uploaded into Geant4 as tessellated and tetrahedral meshes filled with water representing the realistic geometry of these organelles. Microdosimetric analysis is performed to deposited energy by 250keV photons inside these phantoms. The Geant4-DNA electromagnetic processes are used to simulate the tracking of the produced secondary electrons. Since clustered damages are harder to repair by cells, a clustering algorithm is used to study the spatial clustering of potential radiation damages. In radiotherapy, it is a challenge to deliver an efficient dose to the tumor sites without affecting healthy surrounding tissues. The use of gold nanoparticles as radio-sensitizers seems to be promising. Their high photon absorption coefficient compared to tissues deposit a larger dose when they are preferentially absorbed in tumors. Since gold has a high atomic number, Auger electrons are produced abundantly. These electrons have lower range than photoelectrons enabling them to deposit most of their energy near the nanoparticle and thus increasing the local dose. We studied the radio-sensitizing effect of gold nanoparticles on the mitochondria phantom. The effectiveness of this method is dependent on the number, size and spatial distribution of gold nanoparticles. After exposure to ionizing radiation, reactive oxygen species are produced in the biological material that contains abundant amount of water. In this study, we simulate the chemical species produced inside the mitochondria phantom and their clustering is estimated. We take advantage of the Geant4-DNA chemistry processes libraries that is recently included in the Geant4.10.1 release to simulate the spatial distribution of the chemicals and their evolution with time.

The aim of this work is to introduce a couple of new exposure scenariosof interest when personnel, family members and general public are externally irradiated from patients treated with Iodine-131. A series of modied ORNL matematical phantoms were used in Monte-Carlo simulations in PENELOPE-2011 to determine dose rates to: a cab driver where thepatient sits in the back seat at opposite side, a newborn child held by an adult patient, a doctor giving treatment to a patient while leaning over the hospital bed and collective effective dose to bus passengers if the patient travels home by bus. The cost to order taxi instead of a public transport ticket for the patient is put in relation to the lowered collective effective dose to general public and compared with other companies price per lowered manSv. Dose rate measurements and the effective half-life of I-131 are used to determine the retained whole body activity at different times post administration. This in combination with the simulations are used to estimate effective doses to the cab driver, bus passengers, newborn and personnel. Whole body-, abdominal- and thyroid source distributions were considered in the patients during simulations. Dose rates within 99.7 % condence intervals were up to: 23.7 ± 0.4, 62.7 ± 0.3, 530 ± 71, 96.8 ± 0.5 µSv/h/GBq, for the cab driver, closest bus passenger, newborn and physician respectively. Collective effective dose to bus passengers is estimated to 291 ± 2 µmanSv/h/GBq. A patient specic tool for estimating more reasonable restriction times on how long to avoid small children is developed, taking into account retained body activity and the home situation for the patient. Effective dose estimations suggest that dose constraints are very unlikely exceeded for the taxi driver, and public transport should be a considered option for thyrotoxicosis patients of lower administered activities and some cancer patients. It is also estimated that hospitals in Sweden are paying 7.6 - 31 MSEK per lowered collective effective dose of 1 manSv by sending patients by taxi instead of bus.

Abstract Protecting human skin against harmful UV radiation from the sun is an acute problem nowadays. Due to decreased thickness of the ozone layer, more UV light reaches the ground surface. This is one of the reasons of increased frequency of skin diseases. Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles are embedded with sunscreens into the skin to attenuate UV radiation through absorption and scattering. The effectiveness of the interaction between particles and UV light depends on nanoparticle sizes. The aim of the study is to predict how the optical properties of the superficial layer of the human skin (stratum corneum) can be modified by means of nanoparticles, assuming that these particles are spheres and do not aggregate (this is achieved by application of some modern treatment techniques). In-depth distribution of TiO2 particles embedded into the skin after multiple applications of sunscreens was determined experimentally using the tape-stripping technique. A computer code implementing the Monte Carlo method was developed to simulate photon migration within the 20-μm thick horny layer partially filled with nano-sized TiO2 spheres, 35–200 nm in diameter. Dependencies of UV radiation of two wavelengths (310 and 400 nm) absorbed by and totally reflected from, as well as transmitted through the horny layer on the size of TiO2 particles were obtained and analyzed. Silicon nanoparticles of the same diameters were considered for comparison. The most attenuating particles were found for both cases. The harmful side-effect of UV light absorption by TiO2 particles is the generation of free radicals. Study of this phenomenon, using an electron paramagnetic resonance technique, was also carried out in this thesis. Comparison of the strength of the effect was done for two particle sizes administered onto either glass slides or porcine ear skin.