The advancement of technologies that interface with electrically excitable tissues, such as the cortex and muscle, has the potential to lend greater mobility to the disabled, and facilitate the study of the central and peripheral nervous systems. Myoelectric interfaces are currently limited in their signal fidelity, spatial resolution, and interfacial area. Such interfaces are either implanted in muscle or applied to the surface of the muscle or skin. Thus far, the former technology has been limited in its applications due to the stiffness (several orders of magnitude greater than muscle) of its substrates, such as silicon and polyimide, whereas the latter technology suffers from poor spatial resolution and signal quality due to the physical separation between the electrodes and the signal source. We have developed a stretchable microneedle electrode array (sMEA) that can function while stretching and flexing with muscle tissue, thereby enabling multi-site muscle stimulation and electromyography (EMG) measurement across a large interfacial area. The scope of this research encompassed: (i) the development of a stretchable and flexible array of penetrating electrodes for the purposes of stimulating and measuring the electrical activity of excitable tissue, (ii) the characterization of the electrical, mechanical, and biocompatibility properties of this electrode array, (iii) the measurement of regional electrical activity of muscle via the electrode array, (iv) the study of the effect of spatially distributed stimulation of muscle on the fatigue and ripple of muscle contractions, and (v) the assessment of the extent to which the stretch response of electrically stimulated muscle behaves in a physiological manner.

Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η επιδημιολογική μελέτη των λοιμώξεων από πηκτάση-αρνητικούς σταφυλοκόκκους (CNS) σε ασθενείς με προσθετικά υλικά, όπως ενδαγγειακούς καθετήρες και η σύγκριση με στελέχη που προκαλούν βακτηριαιμία. Συνολικά μελετήθηκαν 168 Staphylococcus epidermidis και 58 S. haemolyticus από βακτηριαιμίες (BSIs, 100 στελέχη) και εντοπισμένες λοιμώξεις σχετιζόμενες με την εφαρμογή προσθετικών υλικών (PDAIs, 126 στελέχη) από ασθενείς του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Πατρών (ΠΓΝΠ) και του Νοσοκομείου Παίδων Πεντέλης (ΝΠΠ). Η πλειοψηφία των στελεχών (89.8%) ήταν ανθεκτικά στην methicillin (MR-CNS) και πολυανθεκτικά (90.7%). Βιομεμβράνη συνέθεταν τα 106/226 στελέχη, ενώ 208 παρήγαγαν β-λακταμάση. Τα γονίδια σύνθεσης προσκολλητινών aap, fnbA και bap βρέθηκαν σε συχνότητα 40.3%, 35.8% και 20.4% αντίστοιχα. Οι S. epidermidis έφεραν τα γονίδια atlE και fbe σε ποσοστά 88.1% και 81%, αντίστοιχα. Από τα γονίδια σύνθεσης τοξινών, συχνότερο ήταν το γονίδιο της τοξίνης τοξικής καταπληξίας tst (8.4%) ενώ τα γονίδια που κωδικοποιούν τις εντεροτοξίνες sea, sec βρέθηκαν μόνο σε μικρό ποσοστό στελεχών S. epidermidis και S. haemolyticus (5.3% και 3.1% του συνολικού πληθυσμού αντίστοιχα). Κανένα στέλεχος δεν έφερε τα γονίδια σύνθεσης των εντεροτοξινών seb και sed. Ο πληθυσμός των στελεχών S. epidermidis έδειξε μεγάλη γενετική ποικιλομορφία, με 67 PFGE τύπους, μεταξύ των οποίων δύο κύριοι τύποι (a, b) με 50 και 36 στελέχη αντίστοιχα. Έλεγχος με MLST ανέδειξε τρεις κύριους κλώνους (ST2, ST5 και ST16) που ανήκαν στο ίδιο κλωνικό σύμπλεγμα (Clonal Complex 2). Τα στελέχη του PFGE τύπου a παρουσίασαν υψηλότερα ποσοστά αντοχής στα αντιμικροβιακά clindamycin, ciprofloxacin, fusidic acid, SXT και στις αμινογλυκοσίδες, ενώ τα στελέχη του τύπου b έφεραν συχνότερα το γονίδιο aap (p=0.049). Τα στελέχη S. haemolyticus παρουσίασαν μικρότερη γενετική ποικιλομορφία, με έναν κύριο PFGE τύπο (h), που περιελάμβανε 44/58 στελέχη (75.9% του συνολικού πληθυσμού). Τα στελέχη CNS από BSIs ήταν συχνότερα ανθεκτικά στην methicillin (p<0.001) και στα υπόλοιπα αντιμικροβιακά (p<0.05), ενώ υπερείχαν και στην παραγωγή biofilm (p=0.003). Αντιθέτως, οι CNS από PDAIs έφεραν συχνότερα τα γονίδια των προσκολλητινών aap (p=0.006) και bap (p=0.045). Σε ένα δεύτερο σκέλος της παρούσας ερευνητικής εργασίας μελετήθηκε ένας πληθυσμός S. lugdunensis από το ΠΓΝΠ (37 στελέχη) και το ΝΠΠ (1 στέλεχος). Ο S. lugdunensis κατέχει ιδιαίτερη θέση μεταξύ των CNS, καθώς μπορεί να μιμηθεί την παθογόνο δράση του S. aureus και να προκαλέσει σοβαρές λοιμώξεις. Είκοσι δύο S. lugdunensis απομονώθηκαν από ασθενείς με λοιμώξεις δέρματος και μαλακών μορίων (Skin and Soft Tissue Infections: SSTIs), εννέα από εν τω βάθει λοιμώξεις (Deep Sited Infections: DSIs), συμπεριλαμβανομένων τριών στελεχών από ασθενείς με βακτηριαιμία, και επτά στελέχη από λοιμώξεις σχετιζόμενες με προσθετικά υλικά, κυρίως ενδαγγειακούς καθετήρες, (PDAIs). Όλα τα στελέχη ήταν ευαίσθητα στην methicillin (MS-CNS), στις αμινογλυκοσίδες (kanamycin, gentamicin), καθώς και στα: ciprofloxacin, rifampicin, teicoplanin, vancomycin, linezolid και daptomycin, ενώ μόνο τέσσερα στελέχη ήταν πολυανθεκτικά. Οι S. lugdunensis της συλλογής μας έδειξαν μικρή γενετική ποικιλομορφία. Τα 38 στελέχη ταξινομήθηκαν σε επτά κλώνους, με δύο κύριους PFGE τύπους (C και D), οι οποίοι περιελάμβαναν 22 και εννέα στελέχη αντίστοιχα. Τα 26 από τα 38 στελέχη έφεραν το οπερόνιο ica, ενώ συνολικά 14 ήταν biofilm-θετικά. Δεν παρατηρήθηκε συσχέτιση της παρουσίας του ica με κάποιο κλώνο, αλλά ούτε και με την παραγωγή βιομεμβράνης. Οι S. lugdunensis από PDAIs ήταν συχνότερα biofilm-θετικοί σε σχέση με τα στελέχη από SSTIs και DSIs, ενώ ο κύριος κλώνος C παρήγαγε biofilm σε μεγαλύτερο ποσοστό από τον D, δεύτερο σε συχνότητα κλώνο. Το γονίδιο fbl ανιχνεύθηκε σε όλα τα στελέχη S. lugdunensis που εξετάστηκαν, επιβεβαιώνοντας την φαινοτυπική ταυτοποίηση σε επίπεδο είδους. Ο επόμενος κατά σειρά συχνότητας παράγοντας παθογένειας που ανιχνεύθηκε ήταν το γονίδιο atlL, το οποίο βρέθηκε σε 36 από τα 38 στελέχη (94.7%). Ακολουθούν οι παράγοντες vwbl και slush, που βρέθηκαν σε 31 (81.6%) και 15 (39.5%) S. lugdunensis, αντίστοιχα. Τα στελέχη από εν τω βάθει λοιμώξεις (DSIs) έφεραν σε μεγαλύτερο ποσοστό τα γονίδια vwbl και slush σε σχέση με αυτά από PDAIs και SSTIs . Ο κλώνος C υπερείχε στην παρουσία του ermC, ενώ τα στελέχη που ανήκαν στον κλώνο D έφεραν σε μεγαλύτερο ποσοστό τα γονίδια vwbl και slush. / Coagulase-negative staphylococci (CNS), especially Staphylococcus epidermidis and S. haemolyticus, have emerged as opportunistic pathogens in patients with low immune response or indwelling medical devices. In the present study, bloodstream (BSIs) and prosthetic-device associated infections (PDAIs) CNS isolates were compared in terms of biofilm formation, antimicrobial resistance, clonal distribution, adhesin and toxin genes carriage. A collection of 226 CNS (168 S. epidermidis and 58 S. haemolyticus) recovered from BSIs (100) and PDAIs (126) of different patients in the Patras tertiary-care University General Hospital (UGHP) and Pentelis Paediatric Hospital in Athens (PPHA), was tested for biofilm formation, antimicrobial susceptibility, mecA, ica operon, adhesin (aap, bap, fnbA, atlE, fbe) and toxin (tst, sea, seb, sec, sed) genes carriage. All CNS were classified into pulsotypes by PFGE, whereas S. epidermidis strains were assigned to sequence types by MLST. In total, 106 isolates (46.9%) produced biofilm, whereas 150 (66.4%) carried ica operon. Most isolates carried mecA and were multidrug resistant (90.7%). The adhesin encoding genes aap, fnbA and bap were identified in 40.3%, 35.8% and 20.4% of the total population, respectively. Genes encoding AtlE and Fbe were found in 88.1% and 81% of S. epidermidis isolates, respectively. CNS recovered from BSIs prevailed in biofilm formation (P=0.003), resistance to antimicrobials and mecA carriage (P<0.001) as compared to isolates derived from PDAIs. CNS from PDAIs carried more frequently aap and bap genes (P=0.006 and P=0.045, respectively). No statistically significant difference in toxin genes carriage was identified (P>0.05). Even though PFGE showed genetic diversity, especially among S. epidermidis, analysis of representative strains from the main PFGE types by MLST, revealed three major clones (ST2, ST5, ST16). A clonal relationship was found concerning antimicrobial susceptibility, ica and aap gene carriage, reinforcing the aspect of clonal expansion in hospital settings. Pathogenesis of BSIs is associated with biofilm formation and high-level antimicrobial resistance, whereas PDAIs are related to the adhesion capability of CNS. In the second part of this study we analyzed a collection of S. lugdunensis isolates recovered from different inpatients hospitalized in UGHP (37 isolates) and PPHA (one isolate) during a six-year period (2008-2013). S. lugdunensis has emerged as a significant human pathogen with distinct clinical and microbiological characteristics. A collection of 38 S. lugdunensis was tested for biofilm formation, antimicrobial susceptibility, clonal distribution, virulence factors (ica operon, fbl, atlL, vwbl, slush) and antibiotic resistance genes (mecA, ermC) carriage. The majority (22) was isolated from skin and soft tissue infections (SSTIs), nine from deep-sited infections (DSIs), including three bacteraemias and seven from PDAIs. All isolates were oxacillin-susceptible, mecA-negative and fbl-positive. The higher resistance rate was detected for ampicillin (50%), followed by erythromycin and clindamycin (18.4%). Fourteen isolates (36.8%) produced biofilm, 26 carried ica operon, but no relation between ica carriage and biofilm formation was identified. Biofilm formation was more frequent in isolates recovered from PDAIs. Thirty six strains (94.7%) carried atlL, 31 (81.6%) vwbl, whereas, slush was detected in fifteen (39.5%). PFGE revealed low level of genetic diversity: strains were classified into seven pulsotypes, with two major clones C and D including 22 and nine strains, respectively. Type C strains, recovered from all infection sites, prevailed in biofilm formation and ermC carriage, whereas, type D strains, associated with SSTIs and DSIs, carried more frequently vwbl, slush or both genes. Despite susceptibility to antimicrobials, clonal expansion and carriage of virulence factors combined with biofilm-producing ability render this species an important pathogen that should not be ignored.

Defective or diseased native valves have been replaced by bileaflet mechanical heart valves (BMHVs) for many years. However, severe complications still exist, and thus blood damage that occurs in BMHV flows must be well understood. The aim of this research is to numerically study platelet damage that occurs in BMHV flows. The numerical suspension flow method combines lattice-Boltzmann fluid modeling with the external boundary force method. This method is validated as a general suspension flow solver, and then validated against experimental BMHV flow data. Blood damage is evaluated for a physiologic adult case of BMHV flow and then for BMHVs with pediatric sizing and flow conditions. Simulations reveal intricate, small-scale BMHV flow features, and the presence of turbulence in BMHV flow. The results suggest a shift from previous evaluations of instantaneous flow to the determination of long-term flow recirculation regions when assessing thromboembolic potential. Sharp geometries that may induce these recirculation regions should be avoided in device design. Simulations for predictive assessment of pediatric sized valves show increased platelet damage values for potential pediatric valves. However, damage values do not exceed platelet activation thresholds, and highly damaged platelets are found far from the valve. Thus, the increased damage associated with resized valves is not such that pediatric valve development should be hindered. This method can also be used as a generic tool for future evaluation of novel prosthetic devices or cardiovascular flow problems.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την κατασκευή και τον έλεγχο ενός καινοτόμου τεχνητού χεριού, για προσθετικές κυρίως εφαρμογές, κάνοντας χρήση βιομιμητικών ενεργοποιητών και πιο συγκεκριμένα ειδικά κατεργασμένων λεπτών κυλινδρικών αγωγών από μορφομνήμονα μεταλλικά κράματα νικελίου-τιτανίου. Εκμεταλλευόμενοι τα συγκριτικά πλεονεκτήματα των ενεργοποιητών αυτών έναντι των αντίστοιχων συμβατικών, αναπτύσσεται μια πλήρως λειτουργική συσκευή με μικρό μέγεθος και βάρος, ανθρωπομορφική εμφάνιση, αθόρυβη λειτουργία και χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης, ικανή να εκπληρώσει σε μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις των ατόμων με αναπηρία στα άνω άκρα. Για τη φυσική υλοποίηση του σκελετού του τεχνητού αυτού χεριού χρησιμοποιείται η τεχνολογία της ταχείας προτυποποίησης. Καθένα από τα πέντε δάκτυλά του ελέγχεται ανεξάρτητα μέσω ενός υπο-ενεργοποιούμενου μηχανισμού κίνησης με τεχνητούς τένοντες. Για τον έλεγχο θέσης κάθε δακτύλου, αναπτύσσεται και εφαρμόζεται μία νέα μέθοδος ελέγχου βασισμένη στην έμφυτη δυνατότητα ανάδρασης θέσης των προαναφερθέντων ενεργοποιητών μέσω μέτρησης της ηλεκτρικής τους αντίστασης. Επιπλέον, αναπτύσσεται κατάλληλος αλγόριθμος για τον σχηματισμό διαφόρων θέσεων και συλλήψεων του τεχνητού χεριού. Για τη βελτίωση του ελέγχου, το χέρι εξοπλίζεται με αισθητήρες αφής στα ακροδάκτυλα, καθώς και με τη δυνατότητα οδήγησης συσκευών οπτικής και απτικής ανάδρασης. Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που είναι απαραίτητα για την οδήγηση των ενεργοποιητών και τον έλεγχο του χεριού αναπτύσσονται και ενσωματώνονται στο εσωτερικό του φυσικού πρωτοτύπου. Με τη βοήθεια ειδικού προγραμματιστικού πακέτου, σχεδιάζεται μία γραφική διεπαφή ελέγχου μέσω της οποίας μελετάται και αξιολογείται η δυνατότητα του αναπτυχθέντος χεριού σε πειράματα σύλληψης διαφόρων αντικειμένων. Τέλος, προτείνονται διάφορες τεχνικές ελέγχου του χεριού από τους χρήστες του, ενώ αναπτύσσεται και κατάλληλος αλγόριθμος ελέγχου βασισμένος στη χρήση ηλεκτρομυογραφικών σημάτων. / This doctoral thesis presents the development and control of an innovative artificial hand, mostly for use in prosthetic applications, utilizing biomimetic actuators, and, more specifically, specially processed thin cylindrical wires made of shape memory nickel-titanium alloys. By exploiting the comparative advantages of these actuators over the conventional ones, a fully functional device is developed, of low size and weight, anthropomorphic appearance, silent operation, low fabrication and maintenance cost, which is capable of satisfying to a great extent the needs of the upper limb amputees. The physical implementation of the chassis of this artificial hand has been performed using rapid prototyping technology. Each of its five digits is independently controlled via a tendon-driven underactuated mechanism. For the position control of each digit, a novel control scheme is devised and implemented based on the inherent position feedback capability of these actuators via the measurement of their electrical resistance. In addition, the necessary algorithm is developed for the formation of various hand postures and prehension patterns. In order to improve the overall hand control, the hand is equipped with tactile sensors at its fingertips, and is also capable of driving optical and tactile feedback devices. All the necessary electronics for driving the actuators and controlling the hand are developed and embedded inside the physical prototype. Using a special programming package, a graphical user interface is designed, through which the grasp capabilities of the developed hand are studied and evaluated for various objects. Finally, several user control techniques of the hand are proposed, and a control algorithm based on the use of electromyographic signals is also developed.