47495 research outputs found
Sort by
A Novel Construct To Measure Employees’ Technology-Related Experiences of Well-Being : Empirical Validation of the Techno-Work Engagement Scale (TechnoWES)
No full textMulticulturalism as a resource : Educating teachers with immigrant backgrounds to serve as specialists and valuable resources in increasingly multicultural Finnish schools
No full textBiophotonic scaffolds for drug release using NIR excitation
No full textDrug delivery systems (DDS) allow for precise control of the concentration of a drug in the organism over space and/or time. If loaded with the drugs before implantation, DDS could be engineered to release the drug under external stimulus. This stimulus could be light at 980nm which can penetrate the skin. This biophotonic DDS could then fight infections locally. Such DDS need to be fabricated from bioactive glasses which react when pumped at 980nm. Such glasses are capable of firm bonding with the surrounding tissues by developing bone-like hydroxyapatite (HA) layers when reacting with physiological fluids.
This thesis is focused on the development of the glass which will be used for the fabrication of the DDS: The glass of investigation is glass S53P4 (commercially available as BonAlive®) derivative from 50% SiO2 substitution (B50), which shows a faster dissolution, and faster conversion into HA than S53P4 glass. Er3+ & Yb3+ ions and NaYF4:Er3+,Yb3+ nanocrystals (NCs) were added in the bioactive glass so it can exhibit upconversion luminescence properties under 980nm pumping.
The development of upconverting glasses with the possibility to be sintered into highly porous scaffolds with high upconversion is first discussed. The glasses with the composition 95.5B50-0.5Er2O3-4Yb2O3 (in mole %) and with the composition 98%B50-2% NaYF4:Er3+,Yb3+ (wt.%) were found to be the most promising glasses for the fabrication of the scaffolds which are not only bioactive but also exhibit green light under 980nm pumping. Scaffolds were processed using the burn off method. They possess the appropriate level of porosity and exhibit upconversion. However, crystallization occurred during the sintering leading to some changes in the shape and intensity of the upconversion. The mechanical properties of the modified scaffolds were comparable to those of the B50 scaffold.
Scaffolds with 60-75% porosity were immersed in SBF for up to 336h. We found that they have a slower dissolution rate than the base glass but maintained an acceptable dissolution rate. The possibility to use the developed scaffolds in DDS using external near infrared excitation as a control signal is finally discussed in this thesis
”Kun pyytää kommentoimaan, niin silloin ne kommentoi puolet enemmän”: Sosiaalisen median vaikuttajan ja seuraajan vuorovaikutussuhde
No full textSosiaalisen median kasvun myötä mediavälitteinen vuorovaikutus lisääntyy ja monipuolistuu jatkuvasti. Tämä muutos on mahdollistanut myös sen, että vaikuttajiksi kutsutut henkilöt voivat harjoittaa ammattiaan tuottamalla sisältöä sosiaalisessa mediassa. Kun vaikuttajien yleisöt kasvavat yhä suuremmiksi, suhdetta seuraajiin on tarpeellista tutkia. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää, millainen sosiaalisen median vaikuttajan ja seuraajan välinen vuorovaikutussuhde on. Lähestymme aihetta ammatillisen ja läheisen suhteen teoreettisista näkökulmista. Lisäksi hyödynnämme parasosiaalisen vuorovaikutuksen teoriaa tulosten analysoinnissa. Pyrimme myös päivittämään parasosiaalisuuden teoriaa tarjoamalla tietoa vaikuttajan ja seuraajan vuorovaikutussuhteessa esiintyvästä kuvitellusta läheisyydestä.
Vaikuttajien tutkimuksessa hyödynsimme puolistrukturoitua teemahaastattelua, ja seuraajia lähestyimme internetkyselyn kautta. Analysoimme aineistoa laadullisen sisällönanalyysin avulla. Tarkastelemalla molempia vuorovaikutussuhteen osapuolia pyrimme saavuttamaan kattavan kuvan sekä vaikuttajan, että seuraajan näkökulmista. Tästä syystä ensimmäinen tutkimuskysymys keskittyy vaikuttajan näkökulmaan, ja toinen seuraajan. Kolmas tutkimuskysymys kuvaa vuorovaikutusta suhteessa, ja neljäs siinä esiintyvää ammatillisuutta.
Tutkimuksen tulokset kertoivat, että sosiaalisen median vaikuttajan ja tämän seuraajan suhde sisältää sekä läheisen että ammatillisen vuorovaikutussuhteen piirteitä. Suhteessa yhdistyy läheisyyden kokemus ja sen tavoittelu, sekä ammatillisuus ja etäisyyden säilyttäminen. Suhteen ammatillisuudesta kertoo vaikuttajien hyödyntämät suunnitelmalliset keinot vuorovaikutuksen ylläpitämisessä, koettu vastuu sekä rajojen asettaminen vapaa-ajan ja työn välille. Vuorovaikutussuhteen läheisyyttä puolestaan tukee vaikuttajien kokemus suhteen läheisyydestä, vuorovaikutuksen spontaanius sekä vastavuoroinen auttaminen. Samaan aikaan seuraajat kokevat, että suhdetta ei ole, ja että he eivät tunne seuraamaansa vaikuttajaa. Kuitenkin myös seuraajilta kerätystä aineistosta löytyi läheisyyteen viittaavia piirteitä.
Viestinnän tutkimuksen näkökulmasta tutkimuksen tulokset ovat merkittäviä. Vaikuttajan ja seuraajan suhde ei noudata mitään jo olemassa olevaa vuorovaikutussuhteen määritelmää. Kyse on uudenlaisesta suhteesta, joka on kompleksinen yhdistelmä ammatillista, läheistä ja parasosiaalista vuorovaikutusta. Yhteiskunnallisesta näkökulmasta vaikuttajien suhdetta seuraajiin on tarpeellista tutkia, kun vaikuttajamarkkinointi yleistyy ja yleisöt kasvavat suuremmiksi. Aiheen tutkimuksella on myös eettistä merkittävyyttä, sillä suhteeseen sisältyvä kaupallisuus voi asettaa seuraajan epäedulliseen asemaan
Kokonaisvaltainen luontokokemus hyvinvoinnin tukena
No full textTämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena oli tutkia omaehtoisten ja ohjattujen luontokokemuksien koettuja vaikutuksia ja sisältöulottuvuuksia. Koetuilla vaikutuksilla tarkoitetaan vaikutuksia, joita luontoa kokevat tunnistavat itsessään. Sisältöulottuvuudet puolestaan viittaavat tekijöihin, laatuihin tai ominaisuuksiin, joiden voidaan ajatella olevan koettujen vaikutusten taustalla tai selittävän niitä. Oletuksena oli, että tulokset ovat elpymisen teorian mukaisia, mutta niiden lisäksi oletettiin myös elpymistä kokonaisvaltaisempia koettuja vaikutuksia ja sisältöulottuvuuksia. Oletuksena oli myös se, että sekä omaehtoiset ja ohjatut luontokokemukset tuottavat myönteisiä koettuja vaikutuksia. Selvää oletusta ei ollut siitä, eroavatko omaehtoiset ja ohjatut luontokokemukset toisistaan, ja jos eroavat, niin miten ne eroavat.
Väitöskirja koostuu neljästä osatutkimuksesta, joista kolme ensimmäistä on julkaistu, ja neljäs on arvioinnissa väitöskirjan mennessä painoon. Ensimmäisessä osatutkimuksessa tarkasteltiin koettuja vaikutuksia omaehtoisissa luontokokemuksissa. Toisessa osatutkimuksessa kehitettiin Kokonaisvaltaisen luontokokemuksen mittari (KOLU), ja arvioitiin sen rakennetta, sisältöulottuvuuksien reliabiliteettia sekä mittarin rakenne-, kriteeri- ja ryhmien erotteluvaliditeettia. Kolmannessa ja neljännessä osatutkimuksissa aiheena olivat ohjattujen luontokokemuksien koetut vaikutukset ja sisältöulottuvuudet Green Care -toiminnassa (kolmas osatutkimus) ja Luonnosta Virtaa -interventiossa (neljäs osatutkimus). Luonnosta Virtaa -interventiossa (LuoViryhmä ja itsenäiset ulkoilijat) koettuja vaikutuksia arvioitiin myös tunnetilan muutoksina intervention aikana.
Tutkimuksen aineistot kerättiin kyselyillä, ryhmäkeskusteluilla sekä teemahaastatteluilla vuosina 2007–2017. Tutkimukseen osallistuneet omaehtoiset luontokokijat (ensimmäinen ja toinen osatutkimus, N = 534) olivat pääasiassa Ylen terveysportaalin luontokyselyyn vastanneita lukijoita. Toisessa osatutkimuksessa hyödynnettiin lisäksi yliopiston opiskelijoiden aineistoa (N = 347). Green Care -toimintaan osallistujat (kolmas osatutkimus, N = 54) olivat mukana kursseilla, kuntoutuksessa tai kuntouttavassa työtoiminnassa. Luonnosta Virtaa -interventioon (neljäs osatutkimus, N
= 121) osallistui työntekijöitä eri kunta-alan ja yksityisen sektorin organisaatioista. Tutkimuksen osallistujista suurin osa oli naisia (80 %), ja keski-ikä oli 41 vuotta.
Tulokset osoittivat, että omaehtoisissa luontokokemuksissa elpymisen (elpyjät) lisäksi löytyi kaksi muuta koettujen vaikutusten ryhmää: tervehtyjät sekä ristiriitaiset. Elpymisen lisäksi tervehtyjillä oli tervehtymisen koettuja vaikutuksia, ja ristiriitaiset kuvasivat myönteisten koettujen vaikutusten lisäksi myös kielteisiä tunteita. Myös luontokokemuksen sisältöulottuvuuksista havaittiin elpymisen lisäksi kokonaisvaltaisuutta: tutkimusta varten kehitetty KOLU-mittari koostui neljästä ulottuvuudesta (luontoyhteys, umpikujan tunne, tilantuntu ja hyväksyvä läsnäolo). Luontoyhteys- ja hyväksyvä läsnäolo -ulottuvuuksien reliabiliteetit olivat riittävän hyvät, mutta tilantuntuja umpikuja -ulottuvuuksien vain tyydyttävät. Rakenne-, kriteeri- ja ryhmien erotteluvaliditeetit osoittautuivat kohtuullisiksi.
Omaehtoisissa ja ohjatuissa luontokokemuksissa oli paljon samankaltaisuutta. Elpymiseen liittyviä koettuja vaikutuksia (myönteisiä tunnetilan muutoksia) oli havaittavissa Luonnosta Virtaa -interventioon osallistuvilla ryhmillä: LuoVi-ryhmäläisillä ja etäohjatuilla itsenäisillä ulkoilijoilla oli välittömiä myönteisiä tunnetilan muutoksia jokaisella LuoVi-ryhmän tapaamiskerralla, ja usealla tapaamiskerralla myönteiset muutokset olivat suurempia kuin kontrolliryhmällä. Myös LuoVi-ryhmän loppukeskusteluista esille nousseet kokonaisvaltaisen luontokokemuksen sisältöulottuvuudet olivat samankaltaisia kuin omaehtoisilla luontokokijoilla.
Omaehtoisten ja ohjattujen luontokokemusten välillä oli kuitenkin myös eroja. Sisältöulottuvuudet erosivat siten, että LuoVi-ryhmäläiset nostivat esille elvyttävyyden ja kokonaisvaltaisuuden lisäksi myös sosiaalisuuden merkityksen, jossa muun muassa paikkakokemusten jakaminen koettiin tärkeäksi. Koetut vaikutukset erosivat siten, että Green Care -toimintaan liittyi neljä erilaista koettujen vaikutusten ryhmää kolmen sijaan: elpyjien, tervehtyjien ja ristiriitaisten lisäksi esiin nousi kiinnostujat, jotka kokivat muun muassa lisääntynyttä motivaatiota koulutusta kohtaan. Eroja löytyi myös siten, että tervehtyjillä oli kuvauksia psyykkisestä prosessoinnista, ja ristiriitaisilla kielteiset tunteet olivat muun muassa surua ja huolta. LuoVi-ryhmän avulla koetuista vaikutuksista tultiin enemmän tietoiseksi, ja sen avulla myös kielteiset kokemukset vähenivät tai poistuivat.
Eroja löytyi myös erilaisten Green Care -toimintojen (luontointerventiotyypit) välillä. Sellainen luontointerventiotyyppi, jossa oli mahdollista kokea eläviä luontoelementtejä ulkona luonnossa, yhdistyivät erityisesti tervehtymisen kokemuksiin. Luonnosta Virtaa -intervention LuoVi-ryhmän ja itsenäisten ulkoilijoiden välillä eroja ei kuitenkaan löytynyt tunnetilojen muutoksissa.
Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että ohjauksella (myös etäohjatut itsenäiset ulkoilijat) voidaan vaikuttaa vähintäänkin siihen, että luontoon mennään vuodenajasta riippumatta. Ohjaus (LuoVi-ryhmä ja Green Care -toiminta) näyttäisi vaikuttavan erityisesti luontokokemuksen kokonaisvaltaisuuteen sekä koettujen vaikutusten tiedostamiseen ja hyödyntämiseen psyykkisessä prosessoinnissa. Vaikuttaa myös siltä, että luontointervention ominaisuudet (mm. ohjaus, harjoitteet ja ryhmä) mahdollistavat sen, että kielteiset kokemukset vähenevät intervention myötä.This dissertation focuses on perceived influence and content dimensions of nature among voluntary and supervised nature experiences. We expected to have results based on the restoration theories but also based on the so-called comprehensive views. Furthermore, we expected that there would be some similarities between voluntary and supervised nature experiences, but also there might be some differences between them.
This dissertation consists of four original studies. In Study I, I examined perceived influence of nature among voluntary nature experiences. Study II developed a new measure for comprehensive nature experience (CNE). The structure, reliability and structural, criterion, and known group validity of the CNE measure was evaluated. Study III and IV explored perceived influence and content dimensions among Green Care -activities (Study III) and Flow with Nature intervention (Study IV). In the Flow with Nature intervention (the nature intervention groups, independent nature groups) changes in affect during each meeting were compared between the groups.
The data used in this dissertation were collected during 2007–2017. The main data in Studies I and II consisted of Finnish adults who visited a health portal (N = 534) and in order to evaluate the validity of the CNE measure, a secondary data were collected among university students (N = 347). Participants in Green Care activities (Study III, N = 54) took part in a nature-based intervention as a part of their rehabilitation, rehabilitative work or education. The Flow with Nature intervention (Study IV, N = 121) consisted of Finnish employees. The majority of the participants were woman (80 %) and they were on average 41 years old.
The results among voluntary nature experiences revealed, first, that there were three kinds of perceived effects of nature environment among voluntary nature experiences: restoration (e.g. relaxation), health experiences and ambivalent experiences. In health experiences, the central perception was that nature is able to heal. Ambivalent experiences included both positive and negative emotions. Second, The CNE measure consisted of four content dimensions (connectedness with nature, feelings of impasse, feelings of space, and feelings of being accepted), which mostly showed good reliability (except feelings of space and feelings of impasse). Moreover, structural, criterion, and known group validity turned out to be moderate.
There were many similarities between voluntary and supervised nature experiences. First, restorative perceived influence (changes in affect) were found in Flow with Nature intervention: participating in the nature intervention groups (nature & independent) had immediate positive effects on the affect of the participants at each meeting, and the positive effects were larger at several meetings when compared with the control group. Second, the result of the group discussions in Flow with Nature intervention revealed comprehensive nature experiences at the same way as in supervised nature experiences.
However, there were also differences between voluntary and supervised nature experiences. First, in Flow with Nature intervention revealed a new content dimension: significance of social experiences. Second, the result showed that in Green Care activities there were four kinds of perceived effects of nature-based interventions: restoration (e.g. relaxation), health experiences (e.g. healing experiences), ambivalent experiences (e.g. sorrow) and occupational interest (e.g. motivation). There were also additional health experiences, which included descriptions of the psychological process. Third, the participants in the nature intervention groups became more aware of the positive effects of nature and disturbing experiences in nature were reduced or resolved during the intervention.
There were also differences between Green Care activities (nature-based interventions). The nature-based interventions, which included diverse methods, e.g., the opportunity to experience the living elements of nature outdoors, were connected with healing experiences. However, there was no difference between the changes in affect when comparing participants in the nature intervention groups and participants in the independent nature groups.
Overall, the results showed, first, that with the help of supervision, nature experiences are easier to put in to practice in all seasons and second, comprehensiveness, awareness and psychological process will be emphasized (Nature intervention group and Green Care activities). Third, with the help of the nature-based intervention negative experiences will be reduced
Perspectives on the Prosumer Role in the Sustainable Energy System
No full textIlmastomuutos ja kasvava energian kysyntä ajavat meidät etsimään uusia tapoja hallita energian tuotantoa, jakelua ja kulutusta. Energiajärjestelmä onkin jo siirtymässä fossiilisten polttoaineiden ja suurten voimalaitosten tuotannosta uusiutuviin energialähteisiin perustuvaan joustavaan järjestelmään. Sähköverkot on transformoitu digitalisoinnin mahdollistamana älykkäiksi Smart Grid -verkoiksi, jotka pystyvät siirtämään sekä energiaa että dataa molempiin suuntiin tuotannon ja kulutuksen välillä. Kulutuspäässä älykkäät energiamittarit, seurantalaitteet ja sovellukset sekä uusiutuvien energialähteiden teknologiat, kuten aurinkosähkö ja akkuvarasto, antavat energiankuluttajille mahdollisuuden kehittyä prosumereiksi eli energian tuottaja-kuluttajiksi (engl. prosumer = producer-consumer). Prosumereilla, joihin viitataan myös nimillä ”aktiivinen kuluttaja” ja “energiakansalainen”, on tulevaisuudessa tärkeä rooli kestävässä energiajärjestelmässä.
Vaikka prosumerit ovat saaneet lisää huomiota tutkimuksessa viime vuosina, energia prosumerismin ymmärtämisessä on vielä paljon aukkoja. Tämä tutkimus keskittyy selvittämään prosumerien roolia osana kestävää energiajärjestelmää ja sen murrosta. Tutkin prosumereihin liittyviä mahdollistajia, prosumerien toimintaa osana energiajärjestelmää sekä vaikutuksia kestävän kehityksen energiamurrokseen.
Tutkimus on luonteeltaan monialainen, yhdistäen innovaatiotutkimusta, transitiotutkimusta ja myös jossain määrin politiikantutkimusta. Tässä pragmaattisessa tutkimuksessa käytetään sekä kvantitatiivisia että laadullisia tutkimusmetodeja. Tutkimuksen tulokset esitetään liitteenä olevien kuuden vertaisarvioidun konferenssi ja -journaaliartikkelin avulla. Ensimmäiset kaksi artikkelia esittävät propositioita prosumerin roolista osana muuttuvaa sosio-teknistä energia- ja innovaatiopelikenttää. Seuraavat kaksi artikkelia keskittyvät ymmärtämään mikrotason vaikutusta näihin toimijoihin ja tutkivat erityisesti energiaan liittyvien innovaatioiden yhteiskehittämistä. Lopuksi kaksi artikkelia käsittelevät makrotason politiikkatoimien vaikutusta prosumereihin.
Tutkimuksen pääkontribuutio on ymmärryksen lisääminen kuluttajan muuttuvasta roolista osana energiajärjestelmää. Teoriakontribuutiot kytkeytyvät uusiin tapoihin yhdistää keskeisiä teorioita kestävän kehityksen transitiotutkimuksesta, innovaatiotutkimuksesta sekä politiikan tutkimuksesta. Käytännön elämään vaikuttavat kontribuutiot liittyvät empiirisiin tutkimustuloksiin esimerkiksi tavallisten kuluttajien ja prosumereiden eroista. Tietämyksen lisääminen auttaa teknologia- ja palveluyrityksiä suunnittelemaan tuotteita ja palveluita, jotka sopivat erilaisiin tarpeisiin, joka voi edelleen auttaa nopeuttamaan uusiutuvaan energiaan liittyvien innovaatioiden leviämistä ja siten edistää kestävää kehitystä.
Prosumer -tutkimuksessa on edelleen paljon tilaa uudelle tieteenharjoitukselle. Esimerkiksi energiayhteisöt ovat yleistymässä ja tutkimus niiden roolista osana energiajärjestelmää on vasta käynnistynyt. Tutkimalla energiayhteisöjä pystytään lisäämään ymmärrystä niiden vaikutuksesta esimerkiksi sähköverkkoon ja lainsäädäntöön. Toisaalta myös yksittäisten aktiviteettien ja ajureiden tutkimuksessa on vielä paljon mahdollisuuksia. Esimerkiksi systeemiset ja integroidut ratkaisut, kuten sähköautojen käyttäminen osana kysyntäjoustoa, tarjoavat hyviä tutkimusaiheita. Lisäksi erityisesti uudet liiketoimintamallit liittyen prosumereihin ja energiayhteisöihin kaipaavat selkeyttämistä ja kokeiluja sekä regulaation muunnoksia.Climate change and the ever-growing demand for energy are pushing us to find new ways to manage energy production, distribution, and consumption. This energy transition is enabled, for example, by the digitalization, decentralization, and democratization of the energy system. The energy system is already transitioning from fossil-fuel and large power-plant–based generation toward a flexible system based on renewable energy sources. Traditional transmission grids are being replaced by smart grids enabled by digitalization that facilitate bi-directional flows of information and energy. At the consumption end, smart energy meters, energy monitoring devices and applications, and renewable energy technologies such as solar photovoltaic and battery storages empower energy consumers to evolve into prosumers: the producers and consumers of energy. These prosumers, also referred to as active consumers and energy citizens, are envisioned to play an important role in the sustainable energy system in the future.
While the energy prosumer role has gained more research attention during the past few years, plenty of gaps in completely understanding energy prosumerism still remain. This research focuses on studying the prosumer role in the sustainable energy system. I study the enablers and activities of energy prosumers and explore how the growing number of prosumers may influence the socio-technical energy transition.
The research presents two main perspectives on prosumerism; it explores both the micro and macro-level influences on the energy prosumers. The main research fields of this study are sustainability transitions, innovation studies, and policy. Based on theory and literature review, a novel research framework synthesizing the theoretical concepts and earlier research related to prosumers is introduced.
From the methodology viewpoint, a pragmatic research approach and mixed methods are used to explore the enablers for prosumerism as well as prosumer activities and their impact on the ongoing energy transition.
The research results are displayed in the form of six articles published in international peer-reviewed journals and conferences. The first two articles make propositions about the prosumer role as part of the changing socio-technical energy and innovation system. The next two articles focus on understanding the micro-level impact on the energy prosumers and examine the producer–consumer, in particular, as a co-developer of energy-related innovations. The remaining two articles address the impact of macro-level policies on prosumers.
Overall, this research contributes to the understanding of the energy prosumer role in the future sustainable energy system. Theoretical contributions are related to the novel research framework that combines the concepts from the socio-technical multi-level perspective, innovation studies, and policy research as well as offers a more pragmatic framework for inquiry in the context of the changing energy system to observe the prosumer role therein. A specific theoretical contribution is made to the technology acceptance model that is tested in the context of external policy influence. Furthermore, the research contributes to innovation studies and especially to the field of user-centric innovations by bringing new results for understanding the factors behind end users’ collaboration interests. Practical contributions of the study are related to the understanding of the micro-foundations of prosumer interests toward innovation co-creation activities. Practitioners benefit from evidence concerning the differences between consumers and prosumers, which may help them in designing products and services for these different categories. This improved understanding is necessary, for example, to accelerate the diffusion of renewable energy technologies that is crucial for the sustainability transition. Policymakers may benefit from the findings related to the policy analysis that combines and compares different prosumer activities with policy mixes and calls for a more holistic and systemic approach for the development of the prosumer related policies.
While prosumer research has increased during the past decade, many future research avenues for the topic exist. For example, more research on prosumer role as part of the sustainability transition can help in designing better policies as well as products and services for consumers and prosumers. Moreover, systemic activities, such as those related to the integration of electric vehicle smart charging into the power system combined with other prosumer activities, offer opportunities for researchers. Furthermore, research concerning novel prosumer-centric business models, for instance related to energy communities, is needed to accelerate the diffusion of sustainable technology solutions
Modular Instrumentation for Controlling and Monitoring In-Vitro Cultivation Environment and Image-based Functionality Measurements of Human Stem Cells
No full textArtificial animal cell culture was successfully developed by Ross Harrison in 1907. But it was not until the 1940’s and 1950’s that several developments occurred, which expedited the cell culturing in-vitro (C-Vitro) to be a consistent and reproducible technique to study isolated living-cells in a controlled environment. Currently, CVitro is one of the major tools in cellular and molecular biology both in the academia and industry. They are extensively utilised to study the cellular physiology/biochemistry, to screen drugs/therapeutic compounds, to understand the effects of drugs/toxic compounds and also to identify the pathways of carcinogenesis/mutagenesis. It is also used in large scale manufacturing of vaccines and therapeutic proteins. In any experimental setup, it is important that the C-Vitro model should represent the physiological phenomena of interest with reasonable accuracy so that all experimental results are statistically consistent and reproducible. In this direction, sensors and measurement systems play important roles in in-situ detection and/or control/manipulation of cells/tissues/environment. This thesis aimed to develop new technology for tailored cell culturing and integrated measurements. Firstly, design and assembly of a portable Invert-upright microscope interchangeable modular cell culturing platform (iuCMP) was envisioned. In contrast to conventional methods, micro-scaled systems mimic the cells' natural microenvironment more precisely, facilitating accurate and tractable models. The iuCMP integrates modular measurement schemes with a mini culture chamber using biocompatible cell-friendly materials, automated environment-control (temperature and gas concentrations), oxygen sensing and simultaneous functional measurements (electrophysiological and image-based). Time lapse microscopy is very useful in cell biology, but integration of advanced >i>in-vitro/device based biological systems (e.g. lab/organ/body-on-chips, or mini-bioreactors/microfluidic systems) into conventional microscopes can be challenging in several circumstances due to multiple reasons. But in iuCMP the main advantage is, the microscope can be switched either as an inverted or as an upright system and therefore can accommodate virtually any in-vitro device. It can capture images from regions that are otherwise inaccessible by conventional microscopes, for example, cells cultured on physical or biochemical sensor systems. The modular design also allows accommodating more sensor or measurement systems quite freely. We have demonstrated the system for video-based beating analysis of cardiomyocytes, cell orientation analysis on nanocellulose, and simultaneous long-term in-situ microscopy with oxygen and temperature sensing in hypoxia.
In an example application, the system was utilised for long-term temperature stressing and simultaneous mechanobiological analysis of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). For this the iuCMP together with a temperature sensor plate (TSP) and a novel non-invasive beating analysis software (CMaN—cardiomyocyte function analysis tool, scripted as a subpart of this thesis), was applied for automated temperature response studies in hiPSC-CM cultures. In-situ temperature sensing is usually challenging with bulky external sensors, but TSPs solved this issue. In the temperature response study, we showed that the relationship between hiPSC-CM beating frequency and temperature is non-linear and measured the Q10 temperature coefficients. Moreover, we observed the hiPSC-CM contractile networking, including propagation of the action potential signal between dissociated clusters and their non-invasive measurements. It was the first case where these events were reported in hiPSC-CM clusters and their noninvasive measurements by image processing.
The software CMaN comes with a user-friendly interface and, is equipped with features for batch processing, movement centre detection and cluster finding. It can extract six different signals of the contractile motion of cardiomyocytes (clusters or single cells) per processing. This ensures a minimum of one useful beating signal even in the cases of complex beating videos. On the processing end, compared to similar tools, CMaN is faster, more sensitive, and computationally less expensive and allows ROI based processing. In the case of healthy cells, the waveform of the signal from the CMaN resembles an ECG signal with positive and negative segments, allowing the computation of contraction and relaxation features separately.
In addition to iuCMP, a Modular optical pH measurement system (MO-pH) for 24/7 non-contact cell culture measurements was also developed. The MO-pH incorporates modular sterilisable optical parts and is used in phenol-red medium cell cultures. The modular assembly of MO-pH cassettes is unique and reusable. Measurements are carried out in a closed flow system without wasting any culture medium and requires no special manual attention or recalibrations during culture. Furthermore, a new absorption correction model was put forward that minimised errors caused e.g. by biolayers in spectrometric pH measurement, which improved the pH measurement accuracy. MO-pH has been applied in long-term human adipose stem cells (hASC) expansion cultures in CO2 dependent and independent media. Additionally, the MO-pH was also utilised to comprehend the behaviour of pH, temperature and humidity in water jacked incubators as well as to record the pH response as a function of temperature in the presence and absence of CO2 in the context of stem cell cultures. The resulting plots clearly showed the interplay between measured parameters indicating a few stress sources present all through the culture. Additionally, it provided an overall picture of behaviour of critical control parameters in an incubator and pointed out the need for bioprocess systems with automatic process monitoring and smart control for maximum yield, optimal growth and maintenance of the cells. Besides, we also integrated MO-pH into flasks with reclosable lids (RL-F) and tested its applicability in stem cell cultures. A standalone system around an RL-F flask was built by combining the cell culture, medium perfusion and optical measurements. The developed RL-F system has been successfully tested in ASC-differentiation cultures.
Finally, a few trial experiments for image-based pH estimation aimed for iuCMP have also been carried out. This includes tests with LCD illumination, optical projection tomography, and webcam systems. In reality, the pH is not distributed uniformly in tissues, and has shown a gradient of up to 1.0 pH unit within 1 cm distance. Therefore, producing reliable pH maps also in in-vitro can be important in understanding various common pathologies and location of lesions. A reliable and adequately developed long-term pH mapping method will be an important addition into the iuCMP
