Hellenic National Archive of Doctoral Dissertations
Not a member yet
56257 research outputs found
Sort by
Διερεύνηση μικροβιακών κοινοτήτων κατά την εφαρμογή προσεγγίσεων μηχανικής για τη μείωση της παραγόμενης περίσσειας ιλύος σε μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων
No full textThis study delves into innovative approaches for sludge minimization and treatment in wastewater management, with a focus on the application of chemical uncouplers and ozonation within membrane bioreactor (MBR) systems. Chemical uncouplers, such as 3-chlorophenol, 4-nitrophenol etc., have been shown to effectively reduce excess sludge production by disrupting oxidative phosphorylation, decoupling energy generation from microbial biomass synthesis. This biochemical interference not only lowers sludge yield but also influences microbial metabolic pathways, promoting selective microbial adaptation and shifts in community structure. High-throughput sequencing analysis of 16S rRNA genes revealed dynamic changes in bacterial populations following chemical uncoupler application, with significant impacts on sludge-associated microbial diversity and metabolic activity. Ozonation, a complementary chemical method, involves the application of ozone to the mixed liquor, leading to the oxidative breakdown of complex and refractory organic compounds. This process not only enhances sludge biodegradability, leading to excess sludge reduction, but also contributes to microbial community restructuring by selectively suppressing certain bacterial taxa while promoting the growth of ozonation-tolerant genera. Microbial assays demonstrated that ozonation reduced extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMP), key contributors to biofilm formation and membrane fouling. The combination of ozonation with MBR technology demonstrated a superior treatment efficiency by maintaining high effluent quality, while minimizing excess biosolids production and microbial fouling. The integration of these bioengineering approaches with MBR configurations addresses key operational challenges, including membrane biofouling. Physicochemical monitoring played a pivotal role in evaluating MBR system stability and performance. Assessments of dissolved oxygen (DO), chemical oxygen demand (COD), total Kjeldahl nitrogen (TKN), and pH on a frequent basis were conducted to optimize operational parameters. Furthermore, monitoring EPS and SMP concentrations provided critical insights into membrane fouling dynamics and microbial metabolic responses. By optimizing solids retention time (SRT) and maintaining controlled DO levels, performance of MBR system regarding nutrients removal, biofouling prevention and excess sludge production, were maximized. The decline in transmembrane pressure (TMP) following ozonation highlighted a reduction in membrane fouling. Furthermore, solids retention time (SRT) optimization enhanced the synergistic effects of chemical interventions. A drastic decline in biosolids concentration from 6500 mg/L and 5650 mg/L prior to pNP and mCP addition, to 4070 mg/L and 3540 mg/L was observed immediately after the addition of these metabolic uncouplers, which, however, restored to the initial values within a period of 10-12 days, possibly employed selective resistance (and/or degradation mechanisms in the case of pNP) to tolerate pNP and mCP presence. The adaptive recovery suggests that the sludge microbiota exhibits resilience to metabolic uncoupler’s exposure, demonstrating the ability to restore biomass productivity following a brief period of inhibition. pNP addition did not affect COD removal efficiency (an average COD removal efficiency of 98% prior and after pNP addition), although addition of mCP resulted in a substantial increase in both influent and effluent concentration, due to the more recalcitrant nature of this molecule, which appeared to remain undegradable compared to pNP. However, an average of 672 mg/L and 669 mg/L as well as 847 mg/L and 642 mg/L COD prior to and after uncouplers addition were removed in the cases of pNP and mCP respectively, indicating that wastewater COD removal (excluding the added mCP) was not affected by the addition of the uncoupler. In the case of pNP, TKN and NH₄⁺-N removal efficiencies decreased significantly immediately after uncoupler addition, although in a reversible manner, since nitrifiers restored their ammonia oxidation activity one week after pNP application. Regarding mCP addition, a more pronounced inhibition of nitrifying activity was denoted, but in a reversible manner after a more prolonged period of time. Regarding pNP, an initial decline in proteinaceous SMP and EPS concentrations was observed, which gradually stabilized, indicating microbial stress followed by adaptation. In comparison, mCP produced an even more pronounced effect on SMP and EPS, particularly in proteinaceous compounds. Microbial community structure revealed substantial taxonomic shifts in response to pNP and mCP addition, though these shifts varied significantly in terms of extent and microbial groups affected. For pNP, alterations were observed primarily in the relative abundance of Bacteroidota (syn. Bacteroidetes), Gammaproteobacteria and Bacillota (syn. Firmicutes). Notably, nitrifying bacteria sustained their relative abundance, even as their activity was temporarily suppressed. Beta-diversity estimation indicated a significant change in community structure after pNP addition, suggesting community response effect to pNP-induced stress. Bacterial genera involved in nitrophenol degradation, such as Clostridium, Cytophaga and Pseudomonas, were proliferated after pNP addition. In comparison, mCP addition led to more substantial shifts in microbial diversity and structure, as evidenced by a significant decline in diversity indices. A pronounced inhibition of the nitrifiers occurred. Notably, Nitrosomonas and Nitrospira were absent after mCP addition, indicating that mCP imposed severe inhibition on these bacterial taxa. mCP addition favored mCP-resistant genera, like Pseudomonas and Arcanobacterium, highlighting the selective pressure applied on activated sludge microbiota by mCP, promoting the survival and dominance of more resistant to chlorophenols, taxa. Ozonation led to the oxidative breakdown of recalcitrant organic matter, enhancing sludge biodegradability and nutrient transformation. Results demonstrated a 38% reduction in extracellular polymeric substances (EPS) and a 32% decrease in soluble microbial products (SMP), key contributors to biofilm formation and membrane fouling. The combination of ozonation and MBR technology improved system efficiency, achieving chemical oxygen demand (COD) and total Kjeldahl nitrogen (TKN) removal rates consistently above 95%. Ozonation of activated sludge and its return in the MBR into batches permitted the decline of mixed liquor solids from a peak value of 9.8 g/L prior to the addition, to an average biosolids concentration of 5.5 ± 0.2 g/L after ozonated sludge addition, sustaining a stable biosolids concentration for a prolonged time period. Regarding ozonated sludge addition, Pseudomonadota and Bacteroidota were the predominant phyla in the MBR, followed by Planctomycetota, Actinomycetota and Chloroflexota. Lewinella and Methylophilus were predominant prior to the ozonated sludge addition, however, after addition, within Bacteroidota, a significant shift was observed, with Aureliella, Flavobacterium and Chryseosolibacter becoming more prominent, replacing Lewinella. Beta-diversity analysis revealed a substantial shift in bacterial community structure, which stabilized within 10 days after the addition of ozonated sludge in batches. Notably, nitrifying communities remained unaffected, suggesting that they are tolerant to moderate ozone concentrations. These findings underscore the transformative potential of chemical uncouplers and ozonation of excess sludge and its addition in batches in advancing MBR technology. The combined bioprocessing and microbial insights contributed to achieving enhanced treatment efficiency, reduced biosolids production and improved MBR system stability, paving the way for more sustainable and cost-effective wastewater treatment solutions.Η παρούσα έρευνα εξετάζει καινοτόμες προσεγγίσεις για την ελαχιστοποίηση της περίσσειας ιλύος, με έμφαση στην εφαρμογή χημικών αποσυζευκτών και οζόνωσης σε συστήματα βιοαντιδραστήρων μεμβρανών (MBR). Οι χημικοί αποσυζευκτές, όπως η 3-χλωροφαινόλη (m-chlorophenol - mCP), η 4-νιτροφαινόλη (p-nitrophenol - pNP) κ.ά., έχει αποδειχθεί ότι μειώνουν αποτελεσματικά την περίσσεια ιλύος επηρεάζοντας την οξειδωτική φωσφορυλίωση, αποσυνδέοντας την παραγωγή ενέργειας από τη σύνθεση μικροβιακής βιομάζας. Αυτή η βιοχημική παρέμβαση όχι μόνο μειώνει την απόδοση της ενεργού ιλύος που παράγεται, αλλά επηρεάζει επίσης τα μικροβιακά μεταβολικά μονοπάτια, οδηγώντας στη προσαρμογή εξειδικευμένων μικροβιακών ομάδων και εντέλει σε αλλαγή της δομής της μικροβιακής κοινότητας. Η αλληλούχηση υψηλής απόδοσης γονιδίων 16S rRNA αποκάλυψε δυναμικές αλλαγές στον πληθυσμό βακτηρίων κατά την εφαρμογή των εξεταζόμενων χημικών αποσυζευκτών, επάγοντας σημαντικές επιπτώσεις στη μικροβιακή ποικιλότητα και στη μεταβολική δραστηριότητα της ιλύος. Η οζόνωση, μια συμπληρωματική χημική μέθοδος επεξεργασίας σε μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, περιλαμβάνει την εφαρμογή όζοντος στο μικτό υγρό, οδηγώντας στην οξειδωτική διάσπαση σύνθετων οργανικών ενώσεων. Η διαδικασία αυτή όχι μόνο ενισχύει τη βιοαποδομησιμότητα της ιλύος, οδηγώντας σε υψηλή μείωση της παραγόμενης ιλύος, αλλά συμβάλλει επίσης σε αλλαγή της δομής της μικροβιακής κοινότητας αναστέλλοντας επιλεκτικά ορισμένες ταξινομικές ομάδες βακτηρίων, ενώ προωθεί την ενίσχυση γενών ανθεκτικών στην οζόνωση. Μικροβιακές αναλύσεις έδειξαν ότι η προσθήκη οζονισμένης ιλύος μείωσε τις εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (Extracellular Polymeric Substances - EPS) και τα διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (Soluble Microbial Products - SMP), που συμβάλλουν στο σχηματισμό βιοϋμενίου και στην έμφραξη της μεμβράνης. Ο συνδυασμός της οζόνωσης με την τεχνολογία MBR οδήγησε σε καλύτερη απόδοση επεξεργασίας διατηρώντας υψηλή ποιότητα εκροής, ενώ ελαχιστοποίησε την παραγόμενη περίσσεια βιοστερεών και τη μικροβιακή έμφραξη της μεμβράνης. Η υιοθέτηση αυτών των προσεγγίσεων βιοχημικής μηχανικής στην τεχνολογία MBR μπορεί να αντιμετωπίσει βασικές λειτουργικές προκλήσεις, όπως η έμφραξη των μεμβρανών των συστημάτων αυτών. Η παρακολούθηση των φυσικοχημικών παραμέτρων έπαιξε σημαντικό ρόλο στην αξιολόγηση της σταθερότητας και της απόδοσης του συστήματος MBR. Πραγματοποιήθηκε παρακολούθηση σε σταθερή βάση του διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved Oxygen - DO), του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (Chemical Oxygen Demand - COD), του ολικού κατά Kjeldahl αζώτου (Total Kjeldahl Nitrogen - TKN) και του pH για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων. Επιπλέον, η παρακολούθηση των συγκεντρώσεων EPS και SMP παρείχε χρήσιμες πληροφορίες για τυχόν έμφραξη της μεμβράνης και τη μεταβολική απόκριση του μικροβιακού πληθυσμού. Με τη βελτιστοποίηση της ηλικίας ιλύος (Sludge Retention Time - SRT) και τη εφαρμογή ελεγχόμενων επιπέδων διαλυμένου οξυγόνου, μεγιστοποιήθηκαν οι επιδόσεις του συστήματος MBR όσον αφορά την απομάκρυνση θρεπτικών ουσιών, την πρόληψη της βιολογικής έμφραξης της μεμβράνης και τη μείωση της παραγόμενης περίσσειας ιλύος. Η μείωση της διαμεμβρανικής πίεσης (Transmembrane Pressure - TMP) μετά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος ανέδειξε τη θετική επίδραση της οξειδωτικής αυτής μεθόδου στην αντιμετώπιση της έμφραξης της μεμβράνης. Επιπλέον, η βελτιστοποίηση της ηλικίας ιλύος ενίσχυσε συνεργιστικά την αποτελεσματικότητα των εφαρμοζόμενων χημικών μεθόδων. Παρατηρήθηκε δραστική μείωση της συγκέντρωσης των βιοστερεών από 6500 mg/L και 5650 mg/L πριν από την προσθήκη pNP και mCP, σε 4070 mg/L και 3540 mg/L αμέσως μετά την προσθήκη αυτών των μεταβολικών αποσυζευκτών, η οποία συγκέντρωση βιοστερεών, ωστόσο, επανήλθε στις αρχικές τιμές μέσα σε διάστημα 10-12 ημερών, ενδεχομένως μέσω επιλεκτικής ανθεκτικότητας (ή/και μηχανισμούς αποδόμησης στην περίπτωση του pNP) ως τρόποι προσαρμογής στην παρουσία pNP και mCP. Η προσαρμογή αυτή υποδηλώνει ότι οι μικροβιακές κοινότητες της ιλύος προσαρμόστηκαν και εμφάνισαν ανθεκτικότητα κατά την έκθεση σε αυτούς τους μεταβολικούς αποσυζευκτές, παρατηρώντας ανάκαμψη στη σύνθεση της βιομάζας μετά από μια σύντομη περίοδο αναστολής. Η προσθήκη pNP δεν επηρέασε την απόδοση απομάκρυνσης COD (μέση απόδοση απομάκρυνσης COD ίση με 98% πριν και μετά την προσθήκη pNP), αν και η προσθήκη mCP οδήγησε σε σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης COD τόσο στην εισροή όσο και στην εκροή του συστήματος, λόγω της πιο ανθεκτικής δομής αυτού του μορίου, το οποίο φαίνεται να ανθίσταται στη μικροβιακή διάσπαση σε σύγκριση με την pNP. Ωστόσο, κατά μέσο όρο 672 mg/L και 669 mg/L, καθώς και 847 mg/L και 642 mg/L COD πριν και μετά την προσθήκη αποζευκτή απομακρύνθηκαν στις περιπτώσεις της προσθήκης pNP και mCP αντίστοιχα, υποδεικνύοντας ότι η απομάκρυνση του COD του υπό επεξεργασία υγρού αποβλήτου (εξαιρουμένου του προστιθέμενου mCP) δεν επηρεάστηκε από την προσθήκη του αποζευκτή. Στην περίπτωση της pNP, η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης TKN και NH₄⁺-N μειώθηκε σημαντικά αμέσως μετά την προσθήκη του αποσυζευκτή, αν και με αντιστρεπτό τρόπο, καθώς οι νιτροποιητές αποκατέστησαν τη δραστηριότητα οξείδωσης της αμμωνίας μία εβδομάδα μετά την εφαρμογή της pNP. Όσον αφορά την προσθήκη mCP, σημειώθηκε εντονότερη αναστολή της νιτροποιητικής δραστηριότητας, αλλά επίσης με αντιστρεπτό τρόπο, μετά όμως από πιο παρατεταμένο χρονικό διάστημα. Όσον αφορά την προσθήκη pNP, παρατηρήθηκε μια αρχική μείωση των συγκεντρώσεων των πρωτεϊνικών SMP και EPS, η οποία σταδιακά σταθεροποιήθηκε, υποδεικνύοντας μικροβιακή διαταραχή που ακολουθήθηκε από προσαρμογή. Συγκριτικά, η προσθήκη mCP οδήγησε σε ακόμη πιο έντονη επίδραση στα εκλυόμενα SMP και EPS, ιδίως εκείνων πρωτεϊνικής φύσεως. Η προσθήκη pNP και mCP οδήγησε σε σημαντικές μεταβολές στη δομή των μικροβιακών κοινοτήτων, αν και αυτές διέφεραν σημαντικά ως προς την έκταση και τις μικροβιακές ομάδες που επηρεάστηκαν. Για την pNP, παρατηρήθηκαν μεταβολές κυρίως στη σχετική αφθονία των Bacteroidota (συν. Bacteroidetes), των Gammaproteobacteria και των Bacillota (συν. Firmicutes). Ειδικότερα, τα νιτροποιητικά βακτήρια διατήρησαν τη σχετική αφθονία τους, ακόμη και όταν η δραστηριότητά τους αναστάλθηκε προσωρινά. Η εκτίμηση της β-ποικιλότητας έδειξε σημαντική αλλαγή στη δομή της κοινότητας βακτηρίων μετά την προσθήκη pNP, γεγονός που αποδίδεται στην παροδική αναστολή που προκάλεσε η προσθήκη pNP. Γένη βακτηρίων που συμμετέχουν στην αποδόμηση της νιτροφαινόλης, όπως μέλη των γενών Clostridium, Cytophaga και Pseudomonas, ενισχύθηκαν μετά την προσθήκη pNP. Συγκριτικά, η προσθήκη mCP οδήγησε σε πιο έντονες αλλαγές στη μικροβιακή ποικιλότητα και δομή, όπως αποδεικνύεται από τη σημαντική μείωση των δεικτών βιοποικιλότητας. Επίσης, σημειώθηκε εντονότερη αναστολή των νιτροποιητών. Ειδικότερα, δεν ανιχνεύθηκαν μέλη των γενών Nitrosomonas και Nitrospira μετά την προσθήκη mCP, υποδεικνύοντας ότι η mCP προκάλεσε σοβαρή αναστολή στις ταξινομικές αυτές ομάδες βακτηρίων. Η προσθήκη mCP ευνόησε τα ανθεκτικά σε αυτήν γένη, όπως είναι μέλη των γενών Pseudomonas και Arcanobacterium, αναδεικνύοντας την επιλεκτική πίεση που ασκείται στις μικροβιακές κοινότητες της ενεργού ιλύος από την mCP, οδηγώντας στην επιβίωση και κυριαρχία των πιο ανθεκτικών στις χλωροφαινόλες, ταξινομικών ομάδων. Η οζόνωση οδήγησε στην οξειδωτική διάσπαση ανθεκτικών συστατικών της οργανικής ύλης, ενισχύοντας τη βιοαποδομησιμότητα της ιλύος και τη διάσπαση θρεπτικών συστατικών. Τα αποτελέσματα έδειξαν μείωση κατά 38% των εξωκυτταρικών πολυμερών ουσιών (EPS) και μείωση κατά 32% των διαλυτών μικροβιακών προϊόντων (SMP), βασικών παραγόντων που συμβάλλουν στο σχηματισμό βιοϋμενίου και στην έμφραξη της μεμβράνης. Ο συνδυασμός της οζόνωσης και της τεχνολογίας MBR βελτίωσε την απόδοση του συστήματος, επιτυγχάνοντας ποσοστά απομάκρυνσης COD και TKN άνω του 95%. Η οζόνωση της περίσσειας ιλύος και η επιστροφή της στον MBR τμηματικά επέτρεψε τη μείωση των βιοστερεών του μεικτού υγρού από μια μέγιστη τιμή 9,8 g/L πριν από την προσθήκη, σε μια μέση συγκέντρωση βιοστερεών 5,5 ± 0,2 g/L μετά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, διατηρώντας μια σταθερή συγκέντρωση βιοστερεών για παρατεταμένη χρονική περίοδο. Όσον αφορά την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, τα κυρίαρχα φύλα στον MBR ήταν τα Pseudomonadota και Bacteroidota, ακολουθούμενα από τα Planctomycetota, Actinomycetota και Chloroflexota. Τα γένη Lewinella και Methylophilus ήταν κυρίαρχα πριν από την προσθήκη οζονισμένης ιλύος, ωστόσο, μετά την προσθήκη, εντός του φύλου Bacteroidota, παρατηρήθηκε σημαντική διαδοχή, με τα Aureliella, Flavobacterium και Chryseosolibacter να γίνονται κυρίαρχα, σε σχέση με τα Lewinella. Η ανάλυση β-ποικιλότητας αποκάλυψε μια σημαντική μετατόπιση στη δομή της κοινότητας βακτηρίων, η οποία σταθεροποιήθηκε εντός 10 ημερών μετά την τμηματική προσθήκη οζονισμένης ιλύος. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι νιτροποιητικές κοινότητες παρέμειναν ανεπηρέαστες, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι ανθεκτικές σε μέτριες συγκεντρώσεις όζοντος. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν τη δυνατότητα εφαρμογής χημικών αποσυζευκτών και τμηματικής προσθήκης οζονισμένης ιλύος για την προώθηση της τεχνολογίας MBR. Ο έλεγχος της βιοεπεξεργασίας σε συνδυασμό με τις γνώσεις που αποκτήθηκαν για τις μικροβιακές κοινότητες κατά την εφαρμογή των παραπάνω μεθόδων ελέγχου της περίσσειας ιλύος συνέβαλαν στην επίτευξη βελτιωμένης απόδοσης επεξεργασίας, μειωμένης παραγωγής βιοστερεών και βελτιωμένης σταθερότητας του συστήματος MBR, ανοίγοντας το δρόμο για πιο βιώσιμες και οικονομικά αποδοτικές λύσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων
Ανάπτυξη καινοτόμων ιστοτεχνολογικών συστημάτων βιομιμητικής και λειτουργικής απόκρισης στοματικών ιστών έναντι οδοντιατρικών βιοϋλικών βάσει της τεχνολογίας “όργανο–σε-μικροκύκλωμα”
No full textObjective: Following the EU regulations that promote the Replacement, Reduction, and Refinement on animal testing, in vitro-to-in vivo extrapolation research has gathered increasing attention. Inductively, of particular interest is the improvement of in vitro models that simulate the physiology and function of the complex oral environment and in particular the mucosa, which undergoes multiple interactions with a series of dental materials, drugs and other potentially toxic exogenous factors (e.g. microorganisms) but also undergoes significant pathological processes (aging, degeneration, carcinogenesis, inflammation, etc.) that require research evaluation. Methods and Materials: Α dynamic customized oral-mucosa-on-chip/OMC microfluidic device was manufactured via stereopithography. On the upper compartment of OMC, a tissue-engineered oral epithelium (TEOE) was developed. The lower compartment facilitated a lamina propria analogue, consisting of extracellular matrix, fibroblasts, endothelial cells, and salispheres. The system was exposed to dental materials and was assessed by a battery of mechanical and biological assays. The validation of the OMC device was performed after comparison to the ex vivo analogue of human or porcine oral mucosa tissues. For this purpose, a device (Epi-ExPer device) was designed and manufactured via stereolithography, in order to facilitate the oriented culture and exposure of the oral mucosa to external stimuli, such as prosthodontic dental materials. The Epi-ExPer device also accommodated premeability stdies of the oral mucosa. Results: The dimensional accuracy of OMC device and the optimal manufacture conditions were determined by uCT, CFD, and SEM. TEOE developed an 8- to 20-cell-layer thick stratified barrier with robust intercellular connectivity, long viability, expressing pCK. TEOE’s permeability was found similar to the one of the ex vivo analogue. TEGDMA had higher toxicity, compared to HEMA. Conclusions: OMC is a suitable tissue-engineered oral mucosa analogue and a promising tool for biocompatibility assessment of biomaterials. Epi-ExPer device offers a simple and reproducible system to evaluate the effect of external stimuli on biocompatibility and permeability of oral mucosa.Εισαγωγή και Αντικείμενο της εργασίας: H βελτίωση των in vitro- και in vivo- μοντέλων που προσομοιώνουν τη φυσιολογία και λειτουργία των διαφόρων ανθρώπινων ιστών και οργάνων βρίσκεται σήμερα στην αιχμή της έρευνας. Σημαντική είναι η επίτευξη αξιοπιστίας και επάρκειας της προσομοίωσης ώστε με ασφάλεια να μπορούν να αντικαταστήσουν τα αντίστοιχα πειράματα με χρήση ζώων εργαστηρίου (κανόνας των 3R: Replace, Reduce and Refine της ΕΕ). Επαγωγικά, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η βελτίωση των in vitro μοντέλων που προσομοιώνουν τη φυσιολογία και λειτουργία του πολύπλοκου στοματικού περιβάλλοντος και ιδίως του βλεννογόνου, ο οποίος υφίσταται πολλαπλώς αλληλεπίδραση με μια σειρά οδοντιατρικών υλικών, φαρμάκων και άλλων πιθανά τοξικών εξωγενών παραγόντων (πχ μικροοργανισμών) αλλά και υφίσταται σημαντικές παθολογικές εξεργασίες (γήρανση, εκφύλιση, καρκινογένεση, φλεγμονή κτλ) που χρήζουν ερευνητικής αξιολόγησης. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας συσκευής μικρορροής, που βασίζεται στην τεχνολογία «Όργανο-σε-Μικροκύκλωμα» (Organ-on-Chip) με στόχο τη δυναμική καλλιέργεια ιστοτεχνολογικού ανάλογου στοματικού βλεννογόνου (Oral-Mucosa-on-Chip, OMC). Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου της διαπερατότητας του βλεννογόνου ύστερα από έκθεση σε τοξικές ουσίες (Epi-ExPer device), που συγκεκριμένα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με στόχο την ελεγχόμενη καλλιέργεια και έκθεση του επιθηλίου του βλεννογόνου του στόματος σε εξωγενείς χημικές ουσίες και παραπρϊόντα σημαντικών οδοντιατρικών βιοϋλικών, με δυνατότητα αξιολόγησης της διαπερατότητας και της ανθεκτικότητας αυτού. Μέθοδοι και Υλικά: Αρχικά δημιουργήθηκε ένα ιστοτεχνολογικό ανάλογο στοματικού επιθηλίου (tissue- engineered oral epithelium - TEOE) που αναπτύχθηκε από καλλιέργεια ΤR146 επιθηλιακών κυττάρων σε 3D δομή εντός καλλιεργητικών πηγαδιών (in vitro) με πορώδη μεμβράνη στη βάση τους. Έγινε αξιολόγηση διαφορετικών συνθηκών καλλιέργειας, και πιο συγκεκριμένα συγκρίθηκαν η συμβατική καλλιέργεια (submerged - SUB) και η μέθοδος καλλιέργειας με διεπιφάνεια αέρα- υγρού (air-liquid interface - ALI) σε τυπικό θρεπτικό μέσο CCM ή θρεπτικό μέσο εμπλουτισμένο με τον παράγοντα αύξησης των κερατινοκυττάρων-KGS. Η δομή του σχηματιζόμενου επιθηλίου μελετήθηκε ιστολογικά με χρώση αιματοξυλίνης-ηωσίνης και με ανοσοιστοχημεία (Immunohistochemistry - IHC) για την έκφραση κερατινών (panCytokeratin - pCK) στο οπτικό μικροσκόπιο προς επιβεβαίωση της επιθηλιακής διαφοροποίησης. Η διαπίστωση της τρισδιάστατης αρχιτεκτονικής ακεραιότητας του επιθηλίου έγινε με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (transmission electron microscopy - TEM), που έδωσε πληροφορίες για το σχηματισμό συνδέσεων μεταξύ των επιθηλιακών κυττάρων. Επιπλέον αξιολογήθηκε η λειτουργία του επιθηλίου αυτού ως ιστικού φραγμού με την μέτρηση της διεπιθηλιακής ηλεκτρικής αντίστασης (transepithelial electrical resistance - TEER) και της ποσοτικοποίησης της διαπερατότητας του επιθηλίου με τη μέτρηση της διαπερατότητας αυτού σε καλσεΐνη με την τεχνική της φασματοφθοριομετρίας. Τέλος η μακροχρόνια βιωσιμότητα του TEOE προσδιορίστηκε με χρώση ζωντανών/νεκρών κυττάρων. Στο δεύτερο μέρος της η διατριβή περιλάμβανε την κατασκευή συσκευής μικρορροής, που βασίζεται στην τεχνολογία «Όργανο-σε-Μικροκύκλωμα» (Organ-on-Chip) με στόχο τη δυναμική καλλιέργεια ιστοτεχνολογικού ανάλογου στοματικού βλεννογόνου (Oral-Mucosa-Chip-OMC) με τη χρήση στερεολιθογραφίας (stereolithography - SLA). Η πιστότητα στον όγκο και στις διαμέτρους των εκτυπωμένων συσκευών σε σχέση με το ψηφιακό ανάλογό τους αξιολογήθηκε μέσω μικροεστιακής υπολογιστικής τομογραφίας (micro- computed tomography - μCT), ενώ η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (scanning electron microscopy - SEM) χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των λεπτομερειών της επιφάνειας. Οι μηχανικές ιδιότητες της συσκευής αξιολογήθηκαν με δοκιμές νανο- εντύπωσης και συμπίεσης. Επιπλέον, μελέτες υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (computational fluid dynamics - CFD) αξιοποιήθηκαν για τη βελτιστοποίηση των δυνάμεων που ασκούνταν στην περιοχή της καλλιέργειας των ιστών. Η συσκευή OMC περιείχε δύο θαλάμους (άνω και κάτω θάλαμος), που χωρίζονταν από μία πορώδη μεμβράνη. Ο άνω θάλαμος περιείχε το επιθηλιακό ανάλογο (TEOE), ενώ ο κάτω θάλαμος ανάλογο του χορίου. Το χόριο αυτό περιλάμβανε εξωκυττάρια μήτρα κολλαγόνου τύπου Ι / ινικής, ανθρώπινους ουλικούς ινοβλάστες, ενδοθηλιακά κύτταρα (HUVECs) και σφαιροειδή αδενικού επιθηλίου σιαλογόνων αδένων («σαλισφαίρια»-salispheres) προερχόμενων από βλαστικά κύτταρα που είχαν απομονωθεί από ελάσσονες σιελογόνους αδένες κάτω χείλους ανθρώπου. Οι συνθήκες δυναμικής καλλιέργειας του OMC κυμάνθηκαν σε ταχύτητες ροής 1-4 μL/min. Στο τρίτο μέρος της διατριβής έγινε εστίαση στη δημιουργία μοντέλου-συσκευής ελέγχου διαπερατότητας (Epi-ExPer) που σχεδιάστηκε σύμφωνα με τις ανάγκες καλλιέργειας, έκθεσης και ελέγχου διαπερατότητας του βλεννογόνου, και κατασκευάστηκε μέσω στερεολιθογραφίας. Μέσα στη συσκευή αυτή τοποθετήθηκαν ιστοτεμάχια στοματικού βλεννογόνου ανθρώπινης και χοίρειας προέλευσης και οι καλλιέργειες των ιστοτεμαχίων αυτών διατηρήθηκαν υπό σωστά προσανατολισμένες συνθήκες ALI και οι εκθέσεις στους εξωγενείς παράγοντες πραγματοποιήθηκαν με ελεγχόμενο και αναπαραγώγιμο τρόπο. Οι εξωγενείς παράγοντες που μελετήθηκαν ήταν τα ρητινώδη μονομερή ΗΕΜΑ (Υδροξυαιθυλ)μεθακρυλικό-(Hydroxyethyl)methacrylate) και TEGDMA (Διμεθυλαιθέρας τετρααιθυλενογλυκόλης-Tetraethylene glycol dimethyl ether) σε αραιώσεις (HEMA – low: 1 mM, HEMA – high: 4 mM, TEGDMA – low: 0.5 mM, και TEGDMA – high: 3 mM). Η επίδραση αυτών των παραγόντων αξιολογήθηκε εξετάζοντας τις αλλαγές στη μορφολογία, τη συνολική βιωσιμότητα, και τη διαπερατότητα του επιθηλιακού τμήματος του βλεννογόνου. Αποτελέσματα: Το καλλιεργημένο επιθήλιο ΤΕΟΕ σε συνθήκες ALI με παρουσία του παράγοντα ανάπτυξης κερατινοκυττάρων (ALI-KGS), οδήγησε στη δημιουργία σαφώς διαφοροποιημένου επιθηλίου πάχους 8 έως 20 κυτταρικών στοιβάδων με έντονη έκφραση κερατινών pCK και με ανάπτυξη ισχυρών διακυτταρικών συνδέσεων, που συνολικά λειτουργεί ως ιστικός φραγμός. Σημαντικό εύρημα αποτέλεσε το γεγονός ότι οι τιμές της διεπιθηλιακής ηλεκτρικής αντίστασης για το TEOE, που προέκυψε στην ομάδα ALI-KGS ήταν υψηλότερες (περίπου 80 Ω*cm2) σε σύγκριση με αυτές που παρατηρήθηκαν σε άλλες συνθήκες καλλιέργειας. Όταν εκτέθηκε αυτός ο επιθηλιακός ιστός σε οδοντιατρικά ρητινώδη μονομερή, η δομική ακεραιότητα και η αρχιτεκτονική τροποποιήθηκε. Διατυπώθηκε κενοτοπίωση των επιθηλιακών κυττάρων, υδρωπική εκφύλιση και καταστροφή αυτών λόγω απόπτωσης. Στη συσκευή OMC ανοικτού τύπου, η οποία διέθετε δύο διασυνδεδεμένους θαλάμους, για μακροχρόνια δυναμική καλλιέργεια του ιστοτεχνολογικού αναλόγου του στοματικού βλεννογόνου ο σχεδιασμός του διαύλου μικροροής με διαχωριζόμενη είσοδο εξασφάλισε ομοιόμορφη κατανομή και συμμετρική ταχύτητα ροής σε όλη την περιοχή καλλιέργειας. Η βιωσιμότητα των κυττάρων διατηρήθηκε πάνω από 90% για 37 ημέρες καλλιέργειας ενώ τόσο η ανάλυση μCT όσο και η SEM απέδειξαν ότι η γωνία κατασκευής 0° οδήγησε στην υψηλότερη ακρίβεια στην εκτύπωση με SLA. Επιπλέον, η μελέτη CFD αποκάλυψε ότι οι γωνίες κατασκευής 0° και 30° αναπαρήγαγαν με τη μεγαλύτερη πιστότητα την ταχύτητα ροής του διαύλου που προβλέπεται από το αρχικό μοντέλο (computer - aided design – CAD). Σε υψηλές συγκεντρώσεις ρητινωδών μονομερών τόσο το HEMA (4 mM) όσο και τοTEGDMA (3 mM) επέφεραν μείωση της βιωσιμότητας του ιστού σε 74% για το HEMA και σε 53% για το TEGDMA, με το TEGDMA ειδικά να αυξάνει επιπρόσθετα τη διαπερατότητα του μέσω του επιθηλίου, φτάνοντας τα 2 μg/cm2 της διερχόμενης καλσεΐνης. Οι προαναφερθέντες ξενοβιοτικοί παράγοντες επηρέασαν την ακεραιότητα του επιθηλίου, προκαλώντας κενοτοπιώδη εκφύλιση στα επιθηλιακά κύτταρα αλλά και αντιρροπιστική αύξηση της έκφρασης των κερατινών ως ένα μέσο ιστικής αντίδρασης. Συμπεράσματα: Στη μελέτη αυτή για πρώτη φορά περιγράφεται η κατασκευή ιστοτεχνολογικού στοματικού επιθηλιακού αναλόγου που προσομοιάζει μορφολογικά και λειτουργικά με τις βιολογικές φυσιολογικές ιδιότητες του στοματικού επιθηλίου και αποτελεί αξιόπιστο σύστημα ελέγχου της βιοσυμβατότητας των οδοντιατρικών υλικών. Στα πλεονεκτήματα της συσκευής OMC που κατασκευάστηκε περιλαμβάνεται το ότι προσαρμόζεται εύκολα σε σχέση με τις μεταβολές των διαστάσεων εάν αυτό διευκολύνει τις πειραματικές συνθήκες, είναι εύκολη στην κατασκευή, φιλική προς τα κύτταρα και ακολουθεί μοτίβο ανοιχτού-τύπου συσκευής, που μπορεί να αξιοποιηθεί για πειράματα ολόκληρων ιστοτεμαχίων στοματικού βλεννογόνου (whole-mount experiments). Επιπρόσθετα, η συσκευή ελέγχου διαπερατότρητας Epi-ExPer που αναπτύχθηκε προσφέρει ένα απλό και αναπαραγώγιμο σύστημα μελέτης για την αξιολόγηση των αλληλεπιδράσεων του στοματικού βλεννογόνου με εξωτερικά προστιθέμενες ουσίες-μόρια. Αυτό προσφέρει ένα εργαλείο αξιολόγησης της βιοσυμβατότητας και της διαπερατότητας των ex vivo ιστοτεμαχίων στοματικού βλοννογόνου, ύστερα από έκθεση σε τοξικά ερεθίσματα. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για μελέτη της παθολογίας του επιθηλίου (πχ καρκινογένεση). Συνολικά, τα δύο συστήματα ελέγχου βιοσυμβατότητας που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής προσφέρουν αξιόπιστα βιολογικά μοντέλα με σημαντική καινοτομία την in vitro δυναμική και μακροχρόνια καλλιέργεια στοματικού επιθηλίου για τον έλεγχο της βιωσιμότητας και αποτελεσματικότητας που επιθηλιακού φραγμού κατόπιν έκθεσης σε οδοντιατρικά αποκαταστατικά βιοϋλικά. Αυτό το γεγονός συμβάλλει στην αξιόπιστη υποκατάσταση της χρήσης πειραματοζώων στην έρευνα σε συμμόρφωση και εφαρμογή της Ευρωπαϊκής πολιτικής (κανόνας των 3R)
PET/CT with 18FPSMA and 18FCHOLINE in patients with recurrent prostate cancer
No full textThis doctoral thesis is the result of a prospective study of patients with biochemically recurrent prostate cancer with the aim of investigating the existence of a correlation between serum prostate-specific antigen (PSA) values and the semiquantitative variables Standard Uptake Value maximum (SUVmax) and Total Metabolic Tumor Volume (TMTV) as calculated in secondary prostate cancer lesions in 18FPSMA-1007 & 18F-Choline PET/CT imaging.Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι αποτέλεσμα μίας προοπτικής μελέτης ασθενών με βιοχημικώς υποτροπιάζοντα καρκίνο του προστάτη με στόχο τη διερεύνηση της ύπαρξης συσχέτισης μεταξύ των τιμών του ειδικού προστατικού αντιγόνου (PSA) του ορού με τις ημιποσοτικές μεταβλητές Standard Uptake Value maximum (SUVmax) και Total Metabolic Tumor Volume (TMTV) όπως αυτές υπολογίσθηκαν στις δευτεροπαθείς βλάβες του καρκίνου του προστάτη στην απεικόνιση με 18FPSMA-1007 & 18F-Choline PET/CT
Preoperative evaluation of thromboembolic risk and potential hypercoagulability in urologic patients
No full textThromboembolic episodes, namely deep vein thrombosis and pulmonary embolism, constitute a postoperative complication of urologic surgery that result in significant morbidity and mortality. Their prevention measures consist of mechanical and pharmacological thromboprophylaxis. However, concerns are raised regarding the administration of prophylactic anticoagulant therapy, especially in patients undergoing potentially hemorrhagic surgeries. Various models for calculating thromboembolic risk have been developed to standardize the decision for postoperative thromboprophylaxis, and several Medical Societies have issued guidelines on this matter. The purpose of this thesis is to calculate thromboembolic risk based on different risk assessment models and their comparative evaluation, the correlation of thromboembolic risk with preoperative morbidity and surgical risk assessment indices, as well as the objective assessment of hypercoagulability in urological patients using rotational thromboelastometry. The records of 136 patients who underwent urological surgeries were studied. Subsequently, the patients were categorized into risk groups for postoperative thromboembolic episodes according to the model of the European Urological Association, the American Urological Association, the Caprini score, and the CHA2DS2-VASc score. The models of the two urological associations seem to agree on the recommendation for pharmacological thromboprophylaxis, recommending administration to 35.3% (EAU) and 34.6% (AUA) of patients. In contrast, according to the Caprini score, 94.1% of patients required pharmacological thromboprophylaxis, leading to the conclusion that strict adherence to it may result in excessive prophylaxis recommendations. The EAU approach is user-friendly, but ultimately the clinician should individually weigh the decision for prophylaxis in each patient. In the same group of patients, preoperative morbidity indices Age-Adjusted Charlson Comorbidity Index (AA-CCI), Cumulative Illness Rating Scale (CIRS), Index of Co-Existent Diseases (ICED), and American Society of Anesthesiologists (ASA) score were also examined. Significant correlation was found between these indices and the models of EAU, AUA, and the Caprini score. These results highlight that the models of the two urological associations are capable of incorporating patient comorbidities, despite their simplicity, and can serve as a reliable alternative to the more complex Caprini score, which considers significantly more comorbidities in its calculation. Finally, 45 patients from the above population were randomly selected, and EXTEM® and FIBTEM® tests of rotational thromboelastometry were performed. This study found a correlation between AUA and Caprini VTE RAMs with ROTEM®. However, more studies are needed to evaluate the usefulness of thromboelastometry in identifying patients at high risk for VTE after major urological surgeries, before thromboelastometry can be incorporated into clinical practice.Τα θρομβοεμβολικά επεισόδια, δηλαδή η εν τω βάθει φλεβοθρόμβωση και η πνευμονική εμβολή, αποτελούν μία μετεγχειρητική επιπλοκή των ουρολογικών επεμβάσεων, που επιφέρει σημαντική νοσηρότητα και θνητότητα. Η πρόληψή τους συνίσταται στη μηχανική και φαρμακευτική θρομβοπροφύλαξη. Ωστόσο, διεγείρονται ανησυχίες όσον αφορά τη χορήγηση προφυλακτικής αντιπηκτικής αγωγής, ειδικά σε ασθενείς που υποβάλλονται σε δυνητικά αιμορραγικά χειρουργεία. Προσπαθώντας να τυποποιήσουν την απόφαση για χορήγηση μετεγχειρητικής θρομβοπροφύλαξης έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα υπολογισμού του θρομβοεμβολικού κινδύνου, ενώ και αρκετές Ιατρικές Εταιρείες έχουν εκδώσει κατευθυντήριες οδηγίες όσον αφορά το συγκεκριμένο κομμάτι. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο υπολογισμός του θρομβοεμβολικού κινδύνου με βάση διαφορετικά υπολογιστικά μοντέλα και η συγκριτική τους αξιολόγηση, η συσχέτιση του θρομβοεμβολικού κινδύνου με δείκτες εκτίμησης της προεγχειρητικής νοσηρότητας και του χειρουργικού κινδύνου, καθώς και ο αντικειμενικός έλεγχος της υπερπηκτικότητας σε ουρολογικούς ασθενείς με τη χρήση περιστροφικής θρομβοελαστομετρίας. Μελετήθηκαν τα αρχεία 136 ασθενών που υπεβλήθησαν σε ουρολογικές επεμβάσεις. Εν συνεχεία, οι ασθενείς κατηγοριοποιήθηκαν σε ομάδες κινδύνου για εμφάνιση μετεγχειρητικών θρομβοεμβολικών επεισοδίων σύμφωνα με το μοντέλο της Ευρωπαϊκής Ουρολογικής Εταιρείας, της Αμερικάνικης Ουρολογικής Εταιρείας, το Caprini score και το CHA2DS2-VASc score. Τα μοντέλα των δύο ουρολογικών εταιρειών φαίνεται να συμφωνούν στη σύσταση για φαρμακευτική θρομβοπροφύλαξη, κάνοντας σύσταση για χορήγηση στο 35,3% (Ευρωπαϊκή) και 34,6% (Αμερικάνικη) των ασθενών. Σε αντίθεση, σύμφωνα με το Caprini score το 94,1% των ασθενών έχρηζε χορήγησης φαρμακευτικής θρομβοπροφύλαξης, κάτι που οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η αυστηρή τήρησή του μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικές συστάσεις προφύλαξης. Η προσέγγιση της EAU είναι φιλική προς το χρήστη, αλλά τελικά ο θεράπων θα πρέπει να σταθμίζει ατομικά, σε κάθε ασθενή, την απόφαση για χορήγηση προφύλαξης. Στην ίδια ομάδα ασθενών ελέγχθηκαν, επίσης, οι δείκτες προεγχειρητικής νοσηρότητας Age-Adjusted Charlson Comorbidity Index (AA-CCI), Cumulative Illness Rating Scale (CIRS), Index of Co-Existent Diseases (ICED) και American Society of Anesthesiologists (ASA) score. Στη σύγκριση αυτών των δεικτών με τα μοντέλα της EAU, της AUA και το Caprini score βρέθηκε σημαντική συσχέτιση. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα αναδεικνύουν ότι τα μοντέλα των δύο ουρολογικών εταιρειών είναι ικανά να ενσωματώνουν τις συννοσηρότητες των ασθενών, παρά την απλότητά τους, και να αποτελέσουν μία αξιόπιστη εναλλακτική στο πιο πολύπλοκο Caprini score, το οποίο λαμβάνει υπόψη πολύ περισσότερες συννοσηρότητες κατά τον υπολογισμό του.Τέλος, επιλέχθησαν τυχαία 45 ασθενείς από τον ανωτέρω πληθυσμό, στους οποίους διενεργήθησαν οι δοκιμασίες EXTEM® και FIBTEM®, της περιστροφικής θρομβοελαστομετρίας. Από τη συγκεκριμένη μελέτη ανευρέθη συσχέτιση των AUA και Caprini VTE RAMs με το ROTEM®. Ωστόσο, είναι απαραίτητες περισσότερες μελέτες που θα αξιολογήσουν τη χρησιμότητα της θρομβοελαστομετρίας στον εντοπισμό ασθενών με υψηλό κίνδυνο για VTE μετά από μείζονες ουρολογικές επεμβάσεις, προτού η θρομβοελαστομετρία ενσωματωθεί στην κλινική πρακτική
Ανάπτυξη βιοδιϋλιστηρίου και βιοδιεργασιών από παραπροϊόντα της βιομηχανίας ζάχαρης για την εκχύλιση πηκτίνης και την παραγωγή νανοσύνθετων υλικών βακτηριακής κυτταρίνης που στοχεύουν σε εφαρμογές συσκευασίας τροφίμων
No full textThis PhD thesis focuses on the fractionation of sugar beet pulp (SBP), the main by-product of the sugar industry, into value-added products. The production of bioplastics from renewable resources has attracted significant interest in recent years, driven by the need to reduce the environmental impact of fossil-based plastics. In this context, SBP presents a promising raw material for biopolymers production. Alternative SBP refining strategies were firstly evaluated to identify the most efficient process combining pectin extraction and biopolymers production. The chosen process involved the consecutive aqueous separation of free sugars and extraction of pectin before hydrothermal pretreatment and enzymatic hydrolysis of the remaining solids. The optimal refining strategy resulted in the highest yield of pectin (28% w/w) with 67% galacturonic acid (GalA) content. The optimal enzymatic hydrolysis of the remaining pectin-free solids (SBPR) led to 80.7% and 4.8% overall glucan and hemicellulose conversion yields, respectively. Bioreactor cultivation by Paraburkholderia sacchari with SBP derived sugars led to a poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) concentration of 62.2 g/L PHB with 53.1% (w/w) PHB content, 0.27 g/g yield and 1.7 g/(L·h) productivity, demonstrating a high efficiency in PHB production. In the integrated biorefinery scenario, 1 kg SBP could be converted into 252.9 g pectin-rich extract and 110.7 g PHB. The substitution of commercial enzymes with crude enzyme consortia via solid-state fermentation (SSF) was also a main objective of this PhD thesis. Onsite enzyme production by SSF with the fungal strain Aspergillus awamori cultivated on a mixture of SBPR and sunflower meal (SFM) was conducted. The overall hydrolysis yield of glucan and hemicellulose after hydrolysis optimisation via response surface methodology (pH 6.0, 55.0℃) were equal to 81.2% and 12.3%, respectively. The SBPR hydrolysate was employed in bacterial cellulose (BC) production leading to 4.6 g/L BC concentration with 0.33 g/g yield and 0.65 g/(L·d) productivity. Free sugars obtained from SBP were also evaluated for BC production (3.9 g/L) in shake flask fermentations. The produced BC was further modified into bacterial cellulose nanostructures (BNC) with a high crystallinity index (>92%), 0.45% sulfation and clean of bacterial residues. Structural modification of BC was also studied via enzymatic hydrolysis, using varying cellulase activities and initial substrate concentrations. The optimal hydrolysis conditions (50 U/g BC; 20 g/L BC) resulted in balanced and homogeneous material recovery. Enzymatic hydrolysis was further combined with non-thermal plasma treatment, either by substituting distilled water with plasma activated water (PAW) or by applying plasma pretreatment to BC prior to hydrolysis using a plasma bubble reactor. This approach leverages plasma-generated reactive species under mild aqueous conditions to potentially enhance enzymatic hydrolysis and promote more efficient cellulose modification. Enzymatic- and non-thermal plasma treatment led to BC defibrillation and lower crystallinity values (65-70%) than the initial BC. In addition to SBP pectin recovery, one of the main objectives of this PhD thesis was its utilisation as raw material for the formulation of food packaging. Pectin-based films were developed and reinforced with BNC processed via acid or enzymatic hydrolysis. The films reinforced with the acid-processed BNC exhibited the highest hydrophobicity (water contact angle=106.7°) and improved mechanical profile, with tensile strength, elongation at break, and Young's modulus values increased by 39.7%, 53.6%, and 54.0%, respectively. Further evaluation of pectin-based films as active packaging material was conducted via lignin incorporation into the pectin matrix in two forms - lignosulphonates (LS) and colloidal lignin particles (CLPs) – at concentrations of 5%, 10% and 20% (w/w). Both types of lignin influenced the films’ properties, with CLPs demonstrating superior UV barrier and antioxidant properties. The addition of 5% and 10% LS transforms the film's surface into hydrophobic (95-110°) and enhances the mechanical (~18% higher tensile strength) and water vapor permeability (~20% lower) properties. However, high lignin concentrations increase the film’s rigidity, likely due to lignin aggregation, which affects water affinity and mechanical properties. Pectin-based films were tested for sea bass fillets packaging and compared with commercial polyvinyl chloride (PVC) films. The shelf life at 5°C was extended from 5 days (PVC or pectin alone) to 7 days with 5% LS or CLPs incorporation. The PhD thesis also evaluated the formulation of pectin-based electrospun fibers for active packaging formulations. Various pectin: pullulan ratios (10:0, 9:1, 8:2 and 7:3) and different surfactant concentrations (1%, 2% and 5% w/w) were evaluated targeting the formulation of uniform pectin-based fibers. The optimal fibers were used as a matrix to encapsulate the antifungal agent natamycin. The highest encapsulation efficiency was 92.3%, following a declining trend as the natamycin concentration increased. The biopolymers interacted through hydrogen bonds, whereas natamycin was distributed across the entire width of the fibers. Natamycin incorporation at low concentrations enhanced the polymer network and hydrophobic interactions, leading to similar or increased hydrophobicity and mechanical properties. Finally, the fibers possessed antimicrobial activity against Aspergillus niger, which indicates their applicability as active coating on food packaging materials. This PhD thesis demonstrates a comprehensive valorisation strategy of SBP, integrating pectin recovery, biopolymer production and active food packaging development. Through optimized refining processes, high-value materials such as PHB, BNC, and functional films were efficiently produced. The results support the potential development of an integrated biorefinery based on SBP to expand the industrial applications of bio-based industries.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο βιοδιυλιστήριο και στις βιοδιεργασίες που απαιτούνται για τη μετατροπή της πούλπας ζαχαρότευτλου (SBP), του κύριου υποπροϊόντος της βιομηχανίας ζάχαρης, για παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά συσκευασίας. Η παραγωγή βιοπλαστικών από ανανεώσιμους πόρους έχει προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, λόγω της ανάγκης μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των πλαστικών από ορυκτά πόρους. Σε αυτό το πλαίσιο, το SBP αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοπολυμερών. Αρχικά, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αξιολογήθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές για την αξιοποίηση του SBP μέσω βιοδιυλιστηρίου με σκοπό να προσδιοριστεί η πιο αποτελεσματική διεργασία που συνδυάζει τον διαχωρισμό της πηκτίνης και την παραγωγή βιοπολυμερών. Η διαδικασία που επιλέχθηκε περιλαμβάνει τον διαχωρισμό των ελεύθερων σακχάρων, την εκχύλιση ενός κλάσματος πλούσιου σε πηκτίνη και την εφαρμογή υδροθερμικής επεξεργασίας με επακόλουθη ενζυμική υδρόλυση των υπολειπόμενων στερεών. Η βέλτιστη διεργασία διύλισης είχε ως αποτέλεσμα την υψηλότερη απόδοση ανάκτησης πηκτίνης (28% w/w) με περιεκτικότητα σε γαλακτουρονικό οξύ ίση με 67% (w/w). Η βέλτιστη ενζυμική υδρόλυση των υπολειπόμενων στερεών από τα οποία είχε διαχωριστεί η πηκτίνη (SBPR) οδήγησε σε συνολικές αποδόσεις μετατροπής γλυκάνης και ημικυτταρίνης ίσων με 80,7% και 4,8% αντίστοιχα. Η καλλιέργεια σε βιοαντιδραστήρα με χρήση του βακτηριακού στελέχους Paraburkholderia sacchari με χρήση σακχάρων που προέρχονται από το SBP οδήγησε σε 62,2 g/L PHB, με περιεκτικότητα σε PHB ίση με 53,1% (w/w), απόδοση 0,27 g/g και παραγωγικότητα 1,7 g/(L·h). Στο συγκεκριμένο βιοδιυλιστηρίου, 1 kg SBP θα μπορούσε να μετατραπεί σε 252,9 g πηκτίνη και 110,7 g PHB. Η υποκατάσταση εμπορικών ενζύμων με ακατέργαστα ένζυμα που παράγονται μέσω ζύμωσης στερεής κατάστασης (SSF) ήταν επίσης ένας από τους κύριους στόχους της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Πραγματοποιήθηκε παραγωγή ενζύμων μέσω SSF με το στέλεχος Aspergillus awamori που καλλιεργήθηκε σε μείγμα SBPR και ηλιάλευρου. Οι συνολικές αποδόσεις υδρόλυσης γλυκάνης και ημικυτταρίνης μετά τη βελτιστοποίηση μέσω μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης (pH 6,0, 55,0℃) ήταν ίσες με 81,2% και 12,3% αντίστοιχα. Το υδρόλυμα SBPR χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης (BC), οδηγώντας σε 4,6 g/L BC, με απόδοση 0,33 g/g και παραγωγικότητα 0,65 g/(L·d). Επιπλέον, τα ελεύθερα σάκχαρα που ελήφθησαν από το SBP αξιολογήθηκαν για την παραγωγή BC, επιτυγχάνοντας συγκέντρωση ίση με 3,9 g/L σε κωνικές φιάλες. Η παραγόμενη BC τροποποιήθηκε περαιτέρω σε νανοδομές βακτηριακής κυτταρίνης (BNC) με υψηλό δείκτη κρυσταλλικότητας (>92%), 0,45% ποσοστό θείωσης, με ταυτόχρονη απουσία βακτηριακών υπολειμμάτων. Η δομική τροποποίηση της BC μελετήθηκε επίσης μέσω ενζυμικής υδρόλυσης, χρησιμοποιώντας διαφορετικές ενζυμικές ενεργότητες κυτταρινάσης και αρχικές συγκεντρώσεις υποστρώματος. Η βέλτιστη συνθήκη υδρόλυσης (50 U/g BC; 20 g/L BC) επιλέχθηκε με βάση τη μείωση των απωλειών BC και της παραγωγής ομοιογενούς εναιωρήματος. Η ενζυμική υδρόλυση συνδυάστηκε περαιτέρω με μη θερμική επεξεργασία πλάσματος, είτε με αντικατάσταση του απεσταγμένου νερού με ενεργοποιημένο νερό (PAW) είτε με εφαρμογή προεπεξεργασίας στην BC πριν από την υδρόλυση χρησιμοποιώντας τον αντιδραστήρα φυσαλίδων πλάσματος. Αυτή η προσέγγιση αξιοποιεί τις δραστικές ρίζες που δημιουργούνται από το ψυχρό πλάσμα υπό ήπιες υδατικές συνθήκες για να ενισχύσει την ενζυμική υδρόλυση και να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική τροποποίηση της κυτταρίνης. Η ενζυμική διεργασία είτε μόνη της είτε σε συνδυασμό με τις διεργασίες μη θερμικού πλάσματος οδήγησαν σε αποδόμηση των ινιδίων και μείωση της κρυσταλλικότητας της BC σε σχέση με την αρχική BC. Εκτός από την ανάκτηση της πηκτίνης από το SBP, ένας από τους βασικούς στόχους αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν και η αξιοποίηση της ως πρώτη ύλη για τη σύνθεση συσκευασίας τροφίμων. Πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μεμβρανών πηκτίνης ενισχυμένες με τα παραγόμενες BNC είτε μέσω όξινης επεξεργασίας είτε μέσω ενζυμικής υδρόλυσης. Οι μεμβράνες ενισχυμένες με τη χημικά παραγόμενη BNC παρουσίασαν την υψηλότερη υδροφοβικότητα (γωνία επαφής με το νερό ίση με 106,7°) και βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, με την αντοχή σε εφελκυσμό, επιμήκυνση κατά τη θραύση και μέτρο ελαστικότητας να αυξάνονται κατά 39,7%, 53,6% και 54,0% αντίστοιχα. Περαιτέρω αξιολόγηση των μεμβρανών πηκτίνης ως ενεργό υλικό συσκευασίας πραγματοποιήθηκε μέσω ενσωμάτωσης λιγνίνης σε δύο μορφές - λιγνοσουλφονικά (LS) και κολλοειδή σωματίδια λιγνίνης (CLPs) - σε συγκεντρώσεις 5%, 10% και 20% (w/w). Και οι δύο τύποι λιγνίνης επηρέασαν τις ιδιότητες των μεμβρανών, με τα CLPs να προσδίδουν υψηλότερο φραγμό στην υπεριώδη ακτινοβολία και υψηλότερες αντιοξειδωτικές ιδιότητες. Η προσθήκη 5% και 10% LS μετέτρεψε την επιφάνεια της μεμβράνης σε υδρόφοβη (95-110°) ενισχύοντας τις μηχανικές ιδιότητες (~18% υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό) με ταυτόχρονη μείωση της διαπερατότητας των υδρατμών (~20% χαμηλότερη). Ωστόσο, οι υψηλές συγκεντρώσεις λιγνίνης αυξάνουν την ακαμψία της μεμβράνης, πιθανώς λόγω της συσσωμάτωσης της, επηρεάζοντας τη συγγένεια με το νερό και τις μηχανικές ιδιότητες. Μεμβράνες πηκτίνης δοκιμάστηκαν για συσκευασία φιλέτων λαβρακιού και συγκρίθηκαν με εμπορικές μεμβράνες πολυβινυλοχλωριδίου (PVC). Η διάρκεια ζωής στους 5°C παρατάθηκε από 5 ημέρες (μόνο PVC ή πηκτίνη) σε 7 ημέρες με ενσωμάτωση 5% LS ή CLP.Η διατριβή αξιολόγησε επίσης τη σύνθεση ηλεκτροϊνισμένων ινών πηκτίνης, για την παραγωγή ενεργής συσκευασίας τροφίμων. Αξιολογήθηκαν διάφορες αναλογίες πηκτίνης:πουλλουλάνης (10:0, 9:1, 8:2 και 7:3) και διαφορετικές συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικών ουσιών (1%, 2% και 5% w/w) με στόχο τη σύνθεση ομοιόμορφων ινών πηκτίνης. Οι βέλτιστες ίνες χρησιμοποιήθηκαν ως μήτρα για την ενθυλάκωση του αντιμυκητιακού παράγοντα ναταμυκίνη. Η υψηλότερη απόδοση ενθυλάκωσης ήταν 92,3%, ακολουθώντας μια φθίνουσα τάση καθώς αυξανόταν η συγκέντρωση της ναταμυκίνης. Τα βιοπολυμερή αλληλεπιδρούσαν μέσω δεσμών υδρογόνου, ενώ η ναταμυκίνη κατανεμήθηκε σε όλο το πλάτος των ινών. Η ενσωμάτωση ναταμυκίνης στις ίνες σε χαμηλές συγκεντρώσεις ενίσχυσε το δίκτυο πολυμερών μέσω της σύνθεσης δεσμών υδρογόνου και των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, οδηγώντας σε παρόμοια ή αυξημένη υδροφοβικότητα όπως και μηχανικές ιδιότητες. Τέλος, οι ίνες παρουσίαζαν αντιμικροβιακή δράση έναντι του Aspergillus niger, γεγονός που υποδηλώνει τη δυνατότητα εφαρμογής τους ως ενεργή επικάλυψη σε υλικά συσκευασίας τροφίμων. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη διεργασία αξιοποίησης του SBP, ενσωματώνοντας την ανάκτηση πηκτίνης, την παραγωγή βιοπολυμερών και την ανάπτυξη ενεργών συσκευασιών τροφίμων. Μέσω βελτιστοποιημένων διεργασιών διύλισης και καινοτόμων τεχνολογιών, παράγονται αποτελεσματικά υλικά προστιθέμενης αξίας όπως PHB, BNC και βιογενείς μεμβράνες συσκευασίας τροφίμων. Αυτά τα ευρήματα υποστηρίζουν τη χρήση του SBP ως μία ανανεώσιμη πρώτη ύλη εντός ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου, συμβάλλοντας στις αρχές της κυκλικής βιοοικονομίας
Development of algorithms for estimating time since death based on the decomposition changes in bodies recovered from different locations in Greece
No full textThe estimation of the time interval between death and recovery of a decedent (postmortem interval, PMI) is considered a major task for the forensic anthropologist, and is highly important in forensic investigations for the identification of the deceased and the successful reconstruction of events. Estimations of PMI usually rely on evaluating the time needed for postmortem alterations to appear in the human body. Unfortunately, the time required for these changes is context-specific and dependent on the unique combination of intrinsic and extrinsic factors Therefore, only regional taphonomy models based on real cases can be used to accurately estimate the PMI. The current research aims at developing equations for the accurate estimation of the PMI, based on the decomposition stages and the temporal variation of those, depending on the intrinsic and extrinsic variables that apply on the body. The sample consisted of cases examined in the Department of Forensic Medicine and Toxicology, Medical School, National and Kapodistrian University of Athens, and the Forensic Service of Thessaloniki, between the years 1999-2022. The selected cases involved decomposing or skeletonized human remains, with a known PMI, that were found in indoor settings or exposed outdoors in terrestrial or aquatic environments. A total of 235 cases were included in the indoor settings sample, 95 in the external terrestrial environments, and 41 in the aquatic environments. Additionally, a demographic study was conducted on socially isolated deaths based on 217 identified bodies found in a state of decomposition in indoor settings in East Attica between 2012 and 2021. Data collection was performed through the evaluation of photographic material and available documents for each case. Decomposition stages were assessed using the protocols of Megyesi et al. (2005) for terrestrial environments and Heaton et al. (2010) for aquatic environments, while a new protocol was developed for terrestrial settings based on observations of decomposition progression within the study sample. Variations in decomposition, disarticulation, soft tissue breakdown, and skeletal degradations in both terrestrial and aquatic settings were also evaluated. Demographic data and characteristics of the recovery location were recorded for each case. For external terrestrial environments, these characteristics were automatically collected using a Geographic Information System (GIS)-based tool. Based on daily temperature and humidity data, the accumulated degree-days (ADD), the accumulated humidity days (AHD), and the accumulated daily temperature-humidity index (ADTHI) were calculated and used as dependent variables in the PMI estimation equations. For indoor cases, ADD was calculated using average seasonal temperature values, and for aquatic environments based on monthly surface water temperature data. All the aforementioned variables were examined in relation to their correlation with PMI, ADD, AHD and ADTHI, and their effect on the progression of decomposition was studied. A total of 32 simple and multiple linear regression equations were developed to estimate PMI, with 8 for internal and 24 for external environments. These equations were evaluated based on their R² coefficient of determination and their performance when applied to new cases. The demographic study of socially isolated individuals revealed a significantly higher frequency of males compared to females in the sample. The demographic and socio-economic characteristics differed by age: older individuals were often widowed or divorced, childless, with medical issues, and their deaths were due to natural causes, while younger individuals were often unemployed, single, with psychiatric disorders and addiction problems, and their deaths were primarily violent. In the demographic analysis of cases across the three studied environments, a higher frequency of males was also observed, but the age distribution varied by environment. Decomposition, soft tissue breakdown and disarticulation progressed more rapidly in external environments compared to internal ones. Conversely, mummification progressed more quickly and had a higher R² correlation with PMI indoors. Furthermore, differences were observed between indoor and outdoor terrestrial environments regarding the pattern of skeletal disarticulation, but not in terms of soft tissue removal. In external environments, the preservation state of skeletal material showed a strong correlation with PMI, while the recovery rate of bones was mainly influenced by scavenger activity. In aquatic environments, linear correlations between variables were very low, preventing the development of PMI estimation equations. The processes of soft tissue removal and disarticulation followed the expected sequence, although skeletalization progressed faster than in terrestrial environments. The developed multiple regression equations for PMI estimation, both in indoor and outdoor terrestrial environments, had higher R² coefficients compared to simple linear regression equations. The optimal equation for each environment was chosen based on the accuracy of estimated values in a blind trial. For indoor settings, the dependent variable was the logarithm of PMI, with independent variables being the total decomposition score using the new protocol, mummification rate, season of recovery and the developmental stage of insects. In external environments, the best model used the logarithm of ADD as the dependent variable, with the total decomposition score and the preservation state of skeletal remains as independent variables. Overall, the study provides new tools and data for reliable PMI estimation in real cases encountered in the Greek environment.H ακριβής εκτίμηση του χρόνου που έχει παρέλθει από τον θάνατο (ΧΠΘ) έως την ανεύρεση του ατόμου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ερωτήματα που τίθεται σε έναν πραγματογνώμονα και θεωρείται μείζονος σημασίας τόσο για την ταυτοποίηση όσο και για τη διερεύνηση των συνθηκών υπό τις οποίες έχει επέλθει ο θάνατος. Ο προσδιορισμός του χρόνου που παρήλθε από τον θάνατο συνήθως βασίζεται στην αξιολόγηση της προόδου της αποσύνθεσης, η οποία μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα της δράσης ενδογενών αλλά και εξωγενών παραγόντων. Πράγματι, για την ακριβή εκτίμηση του χρόνου θανάτου είναι απαραίτητη η ανάπτυξη τοπικών μεθόδων, προσαρμοσμένων στο εκάστοτε περιβάλλον και βασισμένων σε μεγάλο αριθμό πραγματικών περιστατικών. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη αλγορίθμων για την εκτίμηση του χρόνου που παρήλθε από τον θάνατο με βάση την εξέλιξη των πτωματικών φαινομένων σε τεκμηριωμένα ιατροδικαστικά, αλλά και ανθρωπολογικά περιστατικά δικαστικού ενδιαφέροντος που ανευρέθησαν στον ελληνικό χώρο. Το κύριο υλικό της μελέτης αποτέλεσαν περιστατικά από το Εργαστήριο Ιατροδικαστικής και Τοξικολογίας της Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ και την Ιατροδικαστική Υπηρεσία Θεσσαλονίκης, τα οποία είχαν γνωστό ΧΠΘ και βρέθηκαν σε προχωρημένη αποσύνθεση σε εσωτερικά και εξωτερικά χερσαία και υδάτινα περιβάλλοντα κατά την περίοδο 1999-2022. Συνολικά, 235 υποθέσεις συμπεριλήφθησαν στο δείγμα των εσωτερικών χώρων, 95 στο δείγμα των εξωτερικών περιβαλλόντων και 41 στο δείγμα των υδάτινων περιβαλλόντων, ενώ 217 επιπλέον περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη κοινωνικά απομονωμένων ατόμων στην Ανατολική Αττική κατά τα έτη 2012 έως 2021. Η συλλογή των δεδομένων πραγματοποιήθηκε μέσω αξιολόγησης του φωτογραφικού υλικού και των διαθέσιμων εγγράφων για κάθε υπόθεση. Το στάδιο της αποσύνθεσης αξιολογήθηκε με βάση τα πρωτόκολλα των Megyesi et al. (2005) για τα χερσαία περιβάλλοντα και των Heaton et al. (2010) για τα υδάτινα περιβάλλοντα, ενώ επιπλέον αναπτύχθηκε ένα νέο πρωτόκολλο για τα χερσαία περιβάλλοντα, βασισμένο στις παρατηρήσεις για την εξέλιξη της αποσύνθεσης στο δείγμα της μελέτης. Επιπλέον, αξιολογήθηκαν η ύπαρξη και η έκταση των παραλλαγών της αποσύνθεσης, η εξέλιξη της απεξάρθρωσης των οστών του σκελετού και η απογύμνωσή τους από μαλακά μόρια, καθώς και οι μεταθανάτιες αλλοιώσεις του σκελετικού υλικού. Σε κάθε περιστατικό καταγράφηκαν δημογραφικά δεδομένα και τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος ανεύρεσης. Για το δείγμα των εξωτερικών περιβαλλόντων, τα χαρακτηριστικά αυτά συλλέχθηκαν αυτόματα μέσω υπολογιστικού εργαλείου βασισμένου στα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών (GIS). Με βάση τα ημερήσια δεδομένα θερμοκρασίας και υγρασίας υπολογίστηκαν το άθροισμα βαθμοημερών (ΑΒΗ), το άθροισμα ημερήσιας σχετικής υγρασίας (ΑΗΣΥ), και το άθροισμα ημερήσιων δεικτών θερμοκρασίας-υγρασίας (ΑΗΔΘΥ), τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως εξαρτημένες μεταβλητές στις εξισώσεις εκτίμησης του ΧΠΘ. Για το δείγμα των εσωτερικών χώρων, το ΑΒΗ υπολογίστηκε με χρήση μέσων τιμών θερμοκρασίας ανά εποχή, ενώ για τα υδάτινα οικοσυστήματα βάσει μηνιαίων δεδομένων θερμοκρασίας των επιφανειακών υδάτων. Όλες οι παραπάνω μεταβλητές εξετάστηκαν ως προς τη συσχέτισή τους με το ΧΠΘ, το ΑΒΗ, το ΑΗΣΥ και το ΑΗΔΘΥ και μελετήθηκαν ως παράγοντες που επιδρούν στην εξέλιξη της αποσύνθεσης. Συνολικά, αναπτύχθηκαν 32 εξισώσεις απλής και πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης για την εκτίμηση του ΧΠΘ, 8 για τα εσωτερικά και 24 για τα εξωτερικά περιβάλλοντα. Η αξιολόγηση των εξισώσεων πραγματοποιήθηκε με βάση τον συντελεστή προσδιορισμού R² καθώς και την απόδοσή τους κατά την εφαρμογή σε νέα περιστατικά. Κατά τη δημογραφική μελέτη των κοινωνικά απομονωμένων ατόμων, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικά υψηλότερη συχνότητα αρρένων σε σχέση με τα θήλεα στο δείγμα. Τα δημογραφικά και κοινωνικοοικονομικά χαρακτηριστικά των ατόμων διέφεραν ανάλογα με την ηλικία: τα ηλικιωμένα άτομα ήταν συχνά χήροι ή διαζευγμένοι, χωρίς παιδιά, με ιατρικά προβλήματα και ο θάνατός τους αποδιδόταν σε φυσικά αίτια, ενώ τα νεαρότερα άτομα ήταν συχνά άνεργα, άγαμα, με ψυχιατρικές διαταραχές και προβλήματα εθισμού και οι θάνατοί τους ήταν κυρίως βίαιοι. Στη δημογραφική ανάλυση του δείγματος των τριών περιβαλλόντων που μελετήθηκαν, επίσης παρατηρήθηκε υψηλότερη συχνότητα αρρένων έναντι θηλέων, αλλά η ηλικιακή κατανομή διέφερε μεταξύ των περιβαλλόντων. Η διαδικασία της αποσύνθεσης, η απογύμνωση των οστών από μαλακά μόρια και η απεξάρθρωση των οστών του σκελετού εξελίχθηκαν με υψηλότερη ταχύτητα στα εξωτερικά περιβάλλοντα συγκριτικά με τα εσωτερικά. Αντίθετα, η διαδικασία της μουμιοποίησης εξελισσόταν ταχύτερα και είχε υψηλότερο συντελεστή R² κατά τη συσχέτισή της με τον ΧΠΘ στα εσωτερικά περιβάλλοντα. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν διαφορές μεταξύ των εσωτερικων και εξωτερικών χερσαίων περιβαλλόντων ως προς πρότυπο απεξάρθωσης των οστών του σκελετού, αλλά όχι ως προς την απογύμνωσής τους από μαλακά μόρια. Για τα εξωτερικά περιβάλλοντα, η κατάσταση διατήρησης του σκελετικού υλικού εμφάνισε υψηλή συσχέτιση με τον ΧΠΘ, ενώ το ποσοστό ανεύρεσης των οστών επηρεάστηκε κυρίως από τη δραστηριότητα των σαρκοφάγων ζώων. Στα υδάτινα περιβάλλοντα, οι γραμμικές συσχετίσεις μεταξύ των μεταβλητών ήταν πολύ χαμηλότερες και δεν επέτρεψαν τη δημιουργία εξισώσεων για την εκτίμηση του ΧΠΘ. Οι διαδικασίες απογύμνωσης των οστών από μαλακά μόρια και η απεξάρθρωση ακολούθησαν την αναμενόμενη διαδοχή, ωστόσο η σκελετοποίηση της σορού εξελίχθηκε ταχύτερα σε σύγκριση με τα χερσαία περιβάλλοντα. Οι αναπτυχθείσες πολυπαραγοντικές εξισώσεις εκτίμησης του ΧΠΘ, τόσο στα εσωτερικά όσο και στα εξωτερικά χερσαία περιβάλλοντα, παρουσίασαν υψηλότερους συντελεστές R² σε σύγκριση με τις εξισώσεις απλής γραμμικής παλινδρόμησης. Η βέλτιστη εξίσωση για κάθε περιβάλλον επελέγη βάσει της ακρίβειας των εκτιμώμενων τιμών κατά την τυφλή δοκιμασία. Στα εσωτερικά περιβάλλοντα, ως εξαρτημένη μεταβλητή επιλέχθηκε ο λογάριθμος του ΧΠΘ, με ανεξάρτητες μεταβλητές τη συνολική βαθμολογία της αποσύνθεσης με το νέο πρωτόκολλο, το ποσοστό μουμιοποίησης, την εποχή ανεύρεσης και το αναπτυξιακό στάδιο των εντόμων. Στα εξωτερικά περιβάλλοντα, η βέλτιστη εξίσωση προέκυψε όταν ως εξαρτημένη μεταβλητή επελέγη ο λογάριθμος του ΑΒΗ, με ανεξάρτητες μεταβλητές τη συνολική βαθμολογία της αποσύνθεσης με το νέο πρωτόκολλο και την κατάσταση διατήρησης των οστών. Συνολικά, η μελέτη παρέχει νέα εργαλεία και δεδομένα για την αξιόπιστη εκτίμηση του χρόνου που έχει παρέλθει από τον θάνατο σε πραγματικά περιστατικά στο ελληνικό περιβάλλον
Advanced machine learning techniques for prediction and classification using sentiment analysis and active learning
No full textThis doctoral dissertation focuses on exploring Machine Learning techniques that incomporate Sentiment Analysis and Active Learning, with the primary goal of enhancing existing, efficient methods. The issues addressed are grouped into two main sections. In the first section, we concentrate on the use of Sentiment Analysis in financial domain applications. Initially, we investigate the scenario of stock market forecasting by utilizing data from social networks—specifically Twitter—to capture and assess public opinion. To this end, two extensive experimental procedures were designed: the first relies primarily on classical Machine Learning methods, whereas the second employs Deep Learning techniques. In both cases, we examine not only the performance of multiple algorithms but also the effect of different sentiment configurations (TextBlob, VADER, FinBERT). The findings highlight the positive contribution of Sentiment Analysis to improving economic forecasts. Subsequently, the study focuses on Financial Sentiment Analysis as a classification problem, comparing on the one hand numerous classical methods and their ensembles, and on the other hand various BERT variants. Concurrently, the effectiveness of class-balancing techniques (e.g., SMOTE) is examined in combination with different language representations (BoW, TF-IDF). The results highlight the superiority of BERT-based models—particularly RoBERTa—and show that the SMOTE and TF-IDF combination further optimizes performance. The second section addresses the use of Active Learning to reduce the requirement for labeled data in classification tasks. Two distinct scenarios were implemented. In the first, Active Learning is applied to the problem of Software Defect Prediction, employing both individual Machine Learning methods and their ensemble versions. In the second, we investigate whether comparable performance across various metrics can be achieved when Sentiment Analysis is supported by Transformer models that incorporate Active Learning. In both scenarios, the targeted selection of examples to be labeled yields models with performance analogous to that obtained by training on the entire dataset. Finally, a “meta-index” for evaluating Active Learning scenarios is proposed, suited to related experimental contexts, with the goal of providing a more comprehensive assessment of the effectiveness of the proposed methods.Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη διερεύνηση τεχνικών Μηχανικής Μάθησης οι οποίες αξιοποιούν την Ανάλυση Συναισθήματος και την Ενεργή Μάθηση, με κεντρικό στόχο τη βελτίωση υπαρχουσών, αποδοτικών μεθόδων. Τα ζητήματα που εξετάζονται μπορούν να διακριθούν σε δύο βασικές ενότητες. Η πρώτη ενότητα εστιάζει στη χρήση της Ανάλυσης Συναισθήματος σε οικονομικές εφαρμογές. Αρχικά, μελετάται η πρόβλεψη οικονομικών χρονοσειρών αξιοποιώντας δεδομένα από τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης και συγκεκριμένα από το Twitter, προκειμένου να αποτυπωθεί και να εκτιμηθεί η άποψη της κοινής γνώμης. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκαν δύο εκτεταμένες πειραματικές διαδικασίες: η πρώτη βασίζεται κυρίως σε κλασικές μεθόδους Μηχανικής Μάθησης, ενώ η δεύτερη σε τεχνικές Βαθιάς Μάθησης. Και στις δύο περιπτώσεις, διερευνάται τόσο η απόδοση πλήθους αλγορίθμων όσο και η επίδραση διαφορετικών προσεγγίσεων συναισθηματικής αποτίμησης (TextBlob,VADER, FinBERT). Τα ευρήματα αναδεικνύουν τη θετική συμβολή της Συναισθηματικής Ανάλυσης στη βελτίωση των οικονομικών προβλέψεων. Στη συνέχεια, η μελέτη εστιάζει στην Οικονομική Συναισθηματική Ανάλυση (Financial Sentiment Analysis - FSA) ως πρόβλημα ταξινόμησης, συγκρίνοντας αφενός πλήθος κλασικών μεθόδων κι ομαδοποιητές τους, αφετέρου σύγχρονα προεκπαιδευμένα μοντέλα που βασίζονται στους transformers και συγκεκριμένα διάφορες εκδοχές του μοντέλουBERT. Παράλληλα, εξετάζεται η αποτελεσματικότητα τεχνικών εξισορρόπησης κλάσεων (SMOTE) σε συνδυασμό με διαφορετικές γλωσσικές αναπαραστάσεις (BoW, TF-IDF). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν την υπεροχή των μοντέλων ΒΕΡΤ, με κυρίαρχο το RoBERTa, καθώς και ότι ο συνδυασμός SMOTE και TF-IDF βελτιστοποιεί περαιτέρω τις επιδόσεις. Η δεύτερη ενότητα αφορά τη χρήση της Ενεργής Μάθησης με στόχο τη μείωση των απαιτήσεων σε επισημασμένα δεδομένα κατά την επίλυση προβλημάτων ταξινόμησης. Υλοποιήθηκαν δύο διακριτά σενάρια. Στο πρώτο, εξετάζεται η εφαρμογή της Ενεργής Μάθησης στο πρόβλημα της Πρόβλεψης Σφαλμάτων Λογισμικού , τόσο με χρήση μεμονωμένων μεθόδων Μηχανικής Μάθησης όσο και με ομαδοποιητές τους. Στο δεύτερο,διερευνάται το κατά πόσον μπορούν να επιτευχθούν συγκρίσιμες επιδόσεις στις διάφορες μετρικές αποτίμησης, όταν η Ανάλυση Συναισθήματος υποστηρίζεται από μοντέλα Transformer τα οποία αξιοποιούν Ενεργή Μάθηση. Και στα δύο σενάρια, η στοχευμένη επιλογή των παραδειγμάτων που θα ετικετοποιηθούν καταλήγει σε μοντέλα με απόδοση ανάλογη εκείνης που προκύπτει όταν χρησιμοποιείται ολόκληρο το διαθέσιμοσύνολο δεδομένων. Τέλος, προτείνεται ένας «μετα-δείκτης» αξιολόγησης των σεναρίων Ενεργής Μάθησης, κατάλληλος για συναφή εκπαιδευτικά σενάρια, με στόχο την πληρέστερη αποτίμηση της αποτελεσματικότητας των προτεινόμενων μεθόδων
Μοντελοποίηση ακτινοβόλησης μετάλλων με λέιζερ βραχέων και υπερβραχέων παλμών σε μικρο-νάνο έως υπο-ατομική κλίμακα
No full textThis PhD thesis focuses on modeling the interaction of short and ultrashort laser pulses with metals, progressively examining three key physical processes: energy transfer and material ejection at the micro- and nanoscale, plasma formation and expansion, and ultimately, laser-driven particle acceleration at the sub-atomic scale. These three stages – heat transfer, hydrodynamics and electromagnetism – when combined in pairs, can simulate a range of micro-/nano-manufacturing and nonconventional processing techniques. Specifically, the combination of the heat transfer and hydrodynamic models allows for the simulation of thermal diffusion and ablation dynamics during micro-cutting, while the coupling of hydrodynamics and electromagnetism simulates the initial phases (plasma formation and expansion) of pulsed laser deposition (PLD). In PLD, intense laser pulses irradiate a solid target, producing a plasma plume whose ejected species condense on a substrate to form functional thin films. The integration of all three models into a single, unified simulation framework enables the modeling of laser-driven particle accelerators, representing an advanced application at the cutting edge of today’s manufacturing technologies. These accelerators utilize ultra-intense laser pulses to accelerate charged particles within a plasma environment and serve as an advanced tool for atomic and close-to-atomic scale manufacturing (ACSM). This domain includes processes such as ion implantation, defect engineering, irradiation-assisted nanostructuring, etc., where ultra-precise control over energy delivery and spatial resolution is required – capabilities that conventional tooling struggles to achieve. While laser-driven particle accelerators have been explored for various applications, this thesis centers on their role as transformative tools in ACSM. Their ability to deliver high-energy, high-resolution beams offers a breakthrough solution to one of the central limitations in the field: the inadequacy and inefficiency of current tools to process matter with atomic-scale precision. The unified model developed herein provides a foundational simulation framework to support the design, optimization and deployment of these next-generation manufacturing tools. To study these phenomena, here an open-source computational model is developed as part of this doctoral research, simulating the interaction mechanism of short and ultrashort laser pulses with metallic targets. The model includes laser sources that span the full range of energy densities – from low to high – and incorporates the physical processes that govern heat transfer, hydrodynamic and electromagnetic effects. This enables precise modeling of the entire laser-driven acceleration mechanism and allows the model to be adapted for various ACSM applications. Furthermore, the model has been validated both in its individual components (heat transfer, hydrodynamic and electromagnetic models) and as a whole, through comparison with experimental data from the following laser facilities: TITAN/Jupiter Laser Facility – Lawrence Livermore National Laboratory, TPW/Texas Petawatt Laser Facility – University of Texas at Austin, OMEGA EP/Laboratory for Laser Energetics – University of Rochester, ORION/Orion Laser Facility – Atomic Weapons Establishment (AWE). Simultaneously, the model’s capabilities for predictive modeling and optimization are being tested using experimental data from the laser facility:L4f ATON laser/Extreme Light Infrastructure (ELI Beamlines) – Extreme Light Infrastructure European Research Infrastructure Consortium (ELI ERIC). In this thesis, the full open-source code is presented, so this dissertation can also serve as documentation for the open-source model, offering a valuable tool for the researchc ommunity studying laser-matter interactions. The model is given here in Appendix B. The source code presented in Appendix B is released under the GNU General Public License version 3 (GPLv3). See the license notice and full text included in section B.4 of Appendix B. If you use this code in your research, please cite it according to this thesis as follows: Alexopoulou, V. Advanced modeling of short and ultrashort laser irradiation of metals in micro-nano down to sub-atomic scale. PhD thesis. National Technical University of Athens, 2025. Additionally, the computational and theoretical analyses resulting from this research have been published in three peer-reviewed scientific papers, with a fourth currently under review.Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός καινοτόμου,ολοκληρωμένου υπολογιστικού πλαισίου για τη μοντελοποίηση των αλληλεπιδράσεων βραχέων και υπερβραχέων παλμών λέιζερ με μέταλλα. Οι συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις χαρακτηρίζονται από έντονες φυσικές διεργασίες εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας, οι οποίες εξελίσσονται σε εξαιρετικά σύντομες χρονικές κλίμακες – φεμτοδευτερόλεπτα (femtoseconds) έως νανοδευτερόλεπτα (nanoseconds)– και σε ένα ευρύ φάσμα ενεργειακών πυκνοτήτων του λέιζερ. Η ερευνητική συμβολήτης διατριβής έγκειται στην ενιαία προσέγγιση της θερμικής, υδροδυναμικής και ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς του υλικού υπό την επίδραση των παλμών λέιζερ, μέσω μιας ενιαίας υπολογιστικής πλατφόρμας ανοικτού κώδικα. Όταν ένας παλμός λέιζερ προσπίπτει σε μεταλλική επιφάνεια, η ενέργειά του απορροφάται κυρίως από τα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ταλαντώνονται και μεταφέρουν ενέργεια στο πλέγμα μέσω συγκρούσεων, σε χρονικές κλίμακες της τάξης των πικοδευτερολέπτων (picoseconds). Η ενέργεια στη συνέχεια διαχέεται μέσω του πλέγματος σε χρονικές κλίμακες νανοδευτερολέπτων. Όταν η διάρκεια του παλμού είναι μικρότερη από τους χρόνους που απαιτούνται για την αποκατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας μεταξύ ηλεκτρονίων και πλέγματος, η περιγραφή των φαινομένων θερμικής διάχυσης γίνεται μέσω μοντέλου δύο θερμοκρασιών, στο οποίο οι θερμοκρασίες των ηλεκτρονίων και του πλέγματος υπολογίζονται ξεχωριστά. Καθώς η ένταση του λέιζερ αυξάνεται ξεκινά και η αποβολή υλικού. Επειδή στην περίπτωση των βραχέων και υπερβραχέων παλμών, η διάχυση της θερμότητας γίνεται με μηχανισμούς εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας είναι αναμενόμενο ότι και οι μηχανισμοί αποβολής υλικού θα πραγματοποιούνται εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας. Τέτοιοι μηχανισμοί είναι η εκρηκτική εξάτμιση (explosive boiling), ο κατακερματισμός σε υπερκρίσιμες θερμοκρασίες (fragmentation) και η θραύση λόγω μηχανικής αστοχίας του υλικού (spallation). Ο εκρηκτικός χαρακτήρας των παραπάνω μηχανισμών αποβολής υλικού απαιτεί προσομοίωση με χρήση υδροδυναμικού μοντέλου. Σε ακόμα υψηλότερες εντάσεις, το υλικό ιονίζεται πλήρως, σχηματίζοντας πλάσμα, όπου ηλεκτρόνια και ιόντα διαχωρίζονται και δημιουργούν ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Αυτά τα πεδία χρειάζονται εξειδικευμένη ηλεκτρομαγνητική μοντελοποίηση γιατην ακριβή τους περιγραφή. Παρόλο που στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν αναπτυχθεί μοντέλα για κάθε μία από τις παραπάνω φυσικές διεργασίες, το κάθε μοντέλο έχει περιορισμένη περιοχή εγκυρότητας. Τα μοντέλα μεταφοράς θερμότητας (κυρίως τα μοντέλο δύο θερμοκρασιών) είναι ευρέως διαδεδομένα λόγω της απλότητάς τους και των χαμηλών υπολογιστικών απαιτήσεων, αλλά περιορίζονται στην προσομοίωση φαινομένων κάτω από το όριο αποβολής υλικού ή χρησιμοποιούν εμπειρικές σχέσεις χαμηλής ακρίβειας για την προσομοίωση της αποβολής υλικού σε συνθήκες μέσης ενεργειακής πυκνότητας. Αντίστοιχα, τα υδροδυναμικά μοντέλα αποδίδουν πολύ καλά σε καθεστώτα όπου το πλάσμα μπορεί να θεωρηθεί ψευδο-ουδέτερο (quasi-neutral), όπως συμβαίνει για μέτριες εντάσεις λέιζερ. Ωστόσο, αποτυγχάνουν να περιγράψουν τον ισχυρό διαχωρισμό φορτίου που παρατηρείται σε πολύ υψηλές εντάσεις, όπου η υπόθεση της ψευδο-ουδετερότητας δεν ισχύει πλέον. Τέλος, τα ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα που υπάρχουν στη βιβλιογραφία βασίζονται συχνά σε υπεραπλουστεύσεις, αγνοώντας βασικά φαινόμενα, και/ή χρησιμοποιούν εμπειρικά δεδομένα από άλλα μοντέλα σαν αρχικές συνθήκες χωρίς να επιλύουν με ακρίβεια όλα τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα. Έτσι, παρουσιάζουν συχνά σφάλματα άνω του 80–90%. Για την επίλυση αυτών των περιορισμών, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένα ενιαίο υπολογιστικό εργαλείο ανοικτού κώδικα, το οποίο συνδυάζει τρία μοντέλα – ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας, ένα υδροδυναμικό μοντέλο καιένα ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο. Καθένα μοντέλο μπορεί μεν να χρησιμοποιηθεί αυτοτελώς, όμως η σπουδαιότερη δυνατότητα του παρόντος κώδικα έγκειται όταν τα μοντέλα αυτά συνδυάζονται δυναμικά. Για παράδειγμα μέσω της σύζευξης του θερμικού και του υδροδυναμικού μοντέλου, προσομοιώνονται με πολύ μεγάλη η ακρίβεια η διάχυση της θερμότητας καιη αποβολή υλικού που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια μικροκοπών. Επιπλέον, μετη σύζευξη του υδροδυναμικού και του ηλεκτρομαγνητικού μοντέλου προσομοιώνεταιμε ακρίβεια ο σχηματισμός και η επέκταση του πλάσματος που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της κατεργασίας εναπόθεσης με παλμικό λέιζερ (pulsed laser deposition). Τέλος, ο συνδυασμός και των τριών μοντέλων σε ένα ενιαίο υπολογιστικό πλαίσιο επιτρέπει την ακριβή μοντελοποίηση ολόκληρου του μηχανισμού λειτουργίας των επιταχυντών σωματιδίων με λέιζερ, που είναι εργαλεία παραγωγής δεσμών σωματιδίων(ηλεκτρονίων, ιόντων, ποζιτρονίων) με πολύ υψηλές ενέργειες. Αυτό καθιστά τους επιταχυντές σωματιδίων με λέιζερ (λόγω της μικρή τους έκτασης) ιδιαίτερα χρήσιμους σε διάφορες εφαρμογές (ιατρική, πυρηνική και διαστημική τεχνολογία), ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εφαρμογή τους σε κατεργασίες ατομικής και σχεδόν ατομικής κλίμακας (atomic and close-to-atomic scale manufacturing), όπως είναι η εναπόθεση ιόντων (ion implantation) και η δημιουργία ατελειών (defect engineering) Το εργαλείο ανοιχτού κώδικα έχει επικυρωθεί (τόσο κατά τμήματα – κάθε μοντέλο ξεχωριστά – όσο και στην ολότητά του) με βάσει πειραματικά αποτελέσματα από τα τέσσερα παρακάτω διεθνή εργαστήρια λέιζερ καλύπτοντας ευρύ φάσμα παραμέτρων όπως ένταση, διάρκεια παλμού, αντίθεση μεταξύ προπαλμού και κυρίως παλμού και μήκος κύματος: TITAN/Jupiter Laser Facility – Lawrence Livermore National Laboratory, TPW/Texas Petawatt Laser Facility – University of Texas at Austin, OMEGA EP/Laboratory for Laser Energetics – University of Rochester, ORION/Orion Laser Facility – Atomic Weapons Establishment (AWE). Ο συνδυασμός των μοντέλων, με δυναμική τροφοδότηση ακριβών δεδομένων από το ένα στο άλλο, οδηγεί σε ακρίβειες που ξεπερνούν το 95%, ξεπερνώντας κατά πολύ την ακρίβεια των υπαρχόντων μοντέλων στη διεθνή βιβλιογραφία. Επιπλέον, η διατριβή προτείνει μία νέα στρατηγική βελτιστοποίησης της παραγωγής δεσμών σωματιδίων μέσω επιταχυντών σωματιδίων με λέιζερ, μέσω της χρήσης ελεγχόμενου προπλάσματος. Συγκεκριμένα, προτείνεται η χρήση δύο ξεχωριστών λέιζερ – ενός λέιζερ μέσης ενεργειακής πυκνότητας για τη δημιουργία σταθερού και ελεγχόμενου προπλάσματος και στη συνέχεια ενός λέιζερ υψηλής ενεργειακήςπυκνότητας για την κύρια επιτάχυνση των σωματιδίων – ώστε να ελαχιστοποιηθεί η ασυνεπής δημιουργία προπλάσματος, που μέχρι τώρα γίνεται από τους προπαλμούς του λέιζερ υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Σε ένα επόμενο βήμα, η στρατηγική αυτή εφαρμόζεται πιλοτικά και στην επόμενη γενιά λέιζερ κλάσης πέταβατ (petawatt lasers) τα οποία τώρα είναι υπό κατασκευή. Συγκεκριμένα, για τη δοκιμή αυτή χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι του παρακάτω λέιζερ: L4f ATON laser/Extreme Light Infrastructure (ELI Beamlines) – Extreme Light Infrastructure European Research Infrastructure Consortium (ELI ERIC). Τα αποτελέσματα αυτής της δοκιμής είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά καθώς αποδεικνύουν ότι με τη χρήση ελεγχόμενου προπλάσματος είναι εφικτή η επίτευξη φαινομένων κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (π.χ. μη γραμμική δίδυμη γένεση Breit–Wheeler), τα οποία είναι απαραίτητα για την κλιμάκωση της παραγωγής σωματιδιακών δεσμών. Η διατριβή εξετάζει επίσης πρακτικές εφαρμογές του εργαλείου σε κατεργασίες ατομικής και σχεδόν ατομικής κλίμακας. Συγκεκριμένα, αναλύονται βάσει του μοντέλου δύο ενδεικτικές περιπτώσεις: α) η εμφύτευση ιόντων σε πυρίτιο (Si) και β) η δημιουργία ατελειών κενού (vacancy defect engineering). Σε αυτές τις εφαρμογές, το εργαλείο επιτρέπει την εκτίμηση κρίσιμων παραμέτρων, όπως το όριο ενέργειας για την εμφάνιση του φαινομένου Bragg – επιβεβαιώνοντας ότι οι επιταχυντές λέιζερ μπορούν να το ξεπεράσουν, επιτρέποντας εμφύτευση ή δημιουργία κενών χωρίς καταστροφή της επιφάνειας του υλικού. Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για τις δύο παραπάνω μελέτες προέρχονται από το παρακάτω λέιζερ: BELLA/Berkeley Lab Laser Accelerator Center – Lawrence Berkeley National Laboratory. Τέλος, η εκτέλεση του μοντέλου σε ευρύ φάσμα αρχικών παραμέτρων επιτρέπει την εξαγωγή εμπειρικών σχέσεων (scaling laws) μεταξύ των παραμέτρων του λέιζερ και των παραγόμενων χαρακτηριστικών του πλάσματος (π.χ. θερμοκρασίες, μήκη πλάσματος, καταστάσεις ιονισμού). Οι εμπειρικές σχέσεις που προκύπτουν είναι πολύ απλές συναρτήσεις, όπου αν κάποιος εισάγει την ένταση του λέιζερ, το μήκος κύματος του λέιζερ και τον χρόνο που διαρκεί η επέκταση του πλάσματος, τότε μπορεί πολύ εύκολα και γρήγορα να υπολογίσει όλα τα σημαντικά χαρακτηριστικά του πλάσματος, χωρίς να χρειάζεται να λύσει ξανά ολόκληρο το θερμικό και υδροδυναμικό μοντέλο
Target congruence perspective of school victimization
No full textSchool victimization is a phenomenon that affects millions of students worldwide, leading to serious consequences for those involved and significantly hindering the educational process. This study, using the Target Congruence Model, aims to identify the characteristics that make children more vulnerable to victimization while also seeking to pinpoint the environmental factors that could help mitigate the phenomenon. The research involved 2,427 students (Mage = 12.92, SD = 1.46; 1,211 boys and 1,216 girls) from elementary and middle schools across Greece. Data were collected through a series of general and demographic questions, as well as questionnaires on bullying, victimization, the places in which the phenomenon occurs, self-efficacy, and social support. The findings highlighted that being female, having changed schools, belonging to a different ethno-cultural background, being overweight or obese, having lower levels of self-efficacy and/or social support, can increase the risk of victimization at school. Furthermore, victimization was more likely to occur in places with low supervision, and places of high competition. These findings are discussed in the context of reducing the phenomenon, and empowering potential victims.Η θυματοποίηση στο σχολείο είναι ένα φαινόμενο που επηρεάζει εκατομμύρια μαθητές/-τριες ανά τον κόσμο, επιφέροντας σοβαρές συνέπειες στους/στις εμπλεκόμενους/-νες, και δυσχεραίνοντας σημαντικά την εκπαιδευτική διαδικασία. Η παρούσα μελέτη, εφαρμόζοντας το μοντέλο Σύγκλισης στη Στοχοποίηση, κινείται στην κατεύθυνση εντοπισμού των χαρακτηριστικών εκείνων που καθιστούν τα παιδιά πιο ευάλωτα στη θυματοποίηση, ενώ ταυτόχρονα αναζητά τα περιβαλλοντικά εκείνα στοιχεία που συμβάλλουν στον περιορισμό του φαινομένου. Στην έρευνα συμμετείχαν 2,427 μαθητές/-τριες (Μ = 12.92, ΤΑ = 1.46 / 1,211 αγόρια, 1,216 κορίτσια), από Δημοτικά και Γυμνάσια της Ελλάδας. Για τη συλλογή των δεδομένων τα παιδιά απάντησαν σε μια σειρά από γενικές, και δημογραφικές ερωτήσεις, ενώ παράλληλα συμπλήρωσαν ερωτηματολόγια σχετικά με τον εκφοβισμό, τη θυματοποίηση, τον χώρο εκδήλωσης του φαινομένου, την αυτοαποτελεσματικότητά, και την κοινωνική υποστήριξη. Τα ευρήματα ανέδειξαν, πως το να είναι κάποιος κορίτσι, να έχει αλλάξει σχολικό περιβάλλον, να ανήκει σε διαφορετικό εθνοπολιτισμικό περιβάλλον, να είναι υπέρβαρος ή παχύσαρκος, να έχει μειωμένα επίπεδα αυτοαποτελεσματικότητας, ή/και κοινωνικής υποστήριξης, μπορεί να αυξήσουν τον κίνδυνο θυματοποίησης στο σχολείο. Παράλληλα, η εκδήλωση του φαινομένου φάνηκε να βρίσκει πρόσφορο έδαφος, τόσο σε χώρους μειωμένης εποπτείας, όσο και σε χώρους αυξημένου ανταγωνισμού. Τα παρόντα ευρήματα, συζητούνται στην κατεύθυνση του περιορισμού του φαινομένου, και της ενίσχυσης της θέσης των εν δυνάμει θυμάτων
Socio-demographic factors, body measurements and physical activity in relation to school performance and parameters of subjective well-being in junior high school students
No full textIn the multidisciplinary research for the promotion and evaluation of mental and physical health, emphasis has been given in recent years on the consideration of the value not only to clinical characteristics of the population but also to elements reflecting the physical and psychological well-being of individuals. Regarding the school community with the specific characteristics of the adolescent population, interrelated factors such as academic achievements and subjective well-being are considered in the overall assessment of their health to expand the scope of interventions and create supportive conditions for the promotion of public health. The present thesis aims to study the association between school performance and self-assessed well-being with socio-demographic and somatometric characteristics, as well as the sedentary behavior of adolescents attending high schools in the Attica Region. In the study, data on socio-demographic characteristics, Body Mass Index and sedentary behavior of the adolescent participants were recorded in order to assess their association with the adolescents’ school performance and subjective well-being. According to the main results on the assessment of self-perceived well-being, being a girl (b = -3.67, 95%ΔΕ: -5.78 to -1.57), a teenager of non-Greek origin (b = -3.65, 95%ΔΕ: -6.21 to -1.10) and a member of an underprivileged household, was associated with lower subjective assessments of self-perceived well-being. Feeling insecure at a personal level was also associated with lower self-assessed well-being (β=-1.01, 95%ΔΕ: -1.38 to -0.64). Regarding school performance, girls compared to boys (OR=0.44, 95%ΔΕ: 0.28 to 0.69) and members of privileged households compared to less privileged (OR=0.57, 95%ΔΕ: 0.32 to 1.03) were more likely to perform better in school. Adolescents of non-Greek origin (OR=3.70, 95%ΔΕ: 2.09 to 6.54) were more likely to perform worse at school compared to Greeks or Cypriots. Feeling insecure (OR=1.11, 95%ΔΕ: 1.02 to 1.20) was associated with below average performance, while children with lower performance were less likely of parents with higher education (OR=0.53, 95%ΔΕ: 0.32 to 0.87).Στον σύνθετο τομέα της έρευνας για την αξιολόγηση και προαγωγή της ψυχικής και σωματικής υγείας, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση τα τελευταία χρόνια στη συνεκτίμηση της αξίας όχι μόνο των κλινικών στοιχείων του πληθυσμού αλλά και όσων αντανακλούν τη σωματική και ψυχολογική ευεξία του ατόμου. Στην περίπτωση της σχολικής κοινότητας με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του πληθυσμού στην εφηβική ηλικία, διερευνώνται σημαντικοί και αλληλένδετοι παράγοντες όπως η σχολική επίδοση αλλά και η αυτοεκτιμούμενη (υποκειμενική) ευεξία, όπως την αντιλαμβάνονται τα ίδια τα άτομα, προκειμένου να συνεκτιμηθούν στην συνολική αξιολόγηση της υγείας τους και επομένως να διευρύνουν το πεδίο παρεμβάσεων και τη διαμόρφωση υποστηρικτικών συνθηκών στο πεδίο της δημόσιας υγείας. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην μελέτη τη σχέσης που παρατηρείται ανάμεσα στην σχολική επίδοση και την αυτοεκτιμούμενη ευεξία με κοινωνικο- δημογραφικούς παράγοντες, σωματομετρικά χαρακτηριστικά και την καθιστική συμπεριφορά των εφήβων που φοιτούν σε Γυμνάσια της Περιφέρειας Αττικής. Σύμφωνα με τα κύρια ευρήματα της έρευνας για την αξιολόγηση της αυτοεκτιμούμενης ευεξίας το να είσαι κορίτσι (β= -3,67, 95%ΔΕ: -5,78 έως -1,57), έφηβος μη ελληνικής καταγωγής (β=-3,65, 95%ΔΕ: -6,21 έως -1,10) και μέλος μη προνομιούχου νοικοκυριού, συσχετίστηκε με χαμηλότερη αυτοεκτιμούμενη ευεξία. Η προσωπική αίσθηση έλλειψης ασφάλειας συσχετίστηκε επίσης με χαμηλότερη αυτοεκτιμούμενη ευεξία (β=-1,01, 95%ΔΕ: -1,38 έως -0,64). Όσον αφορά τις σχολικές επιδόσεις, τα κορίτσια σε σύγκριση με τα αγόρια (OR=0,44, 95%ΔΕ: 0,28-0,69) και τα μέλη προνομιούχων νοικοκυριών σε σύγκριση με τα λιγότερο προνομιούχα (OR=0,57, 95%ΔΕ: 0,32-1,03) είχαν περισσότερες πιθανότητες να έχουν καλύτερες επιδόσεις στο σχολείο. Οι έφηβοι μη ελληνικής καταγωγής (OR=3,70, 95%ΔΕ: 2,09 έως 6,54) είχαν περισσότερες πιθανότητες να έχουν χειρότερες επιδόσεις σε σύγκριση με τους Έλληνες ή τους Κύπριους. Η αίσθηση ανασφάλειας (OR=1,11, 95%ΔΕ: 1,02 έως 1,20) σχετιζόταν με επιδόσεις κάτω από τον μέσο όρο, ενώ παιδιά των οποίων οι γονείς είχαν υψηλότερο μορφωτικό επίπεδο είχαν λιγότερο συχνά χαμηλές επιδόσεις (OR=0,53, 95%ΔΕ: 0,32 έως 0,87)