ΙΠΡΕΤΕΑ
Εκπαιδευτικές Δραστηριότητες
phd-thesis-el
Είναι ευρέως αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα ότι ο πλανήτης μας γνωρίζει μια κλιμακούμενη τάση κλιματικής αλλαγής με συστηματική αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία είναι πιο έντονη την τελευταία 50ετία (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 2018). Επιπλέον, σε ορισμένες περιοχές όπως στην Αρκτική ή στην Μεσόγειο, ο ρυθμός των αλλαγών και των εμπλεκόμενων διεργασιών είναι ταχύτερος από τον μέσο ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας.
Είναι επιτακτική ανάγκη να ενταθεί η ερευνητική προσπάθεια για τη διερεύνηση όλων εκείνων των παραγόντων που επιτείνουν ή αμβλύνουν τις επιδράσεις στο ενεργειακό ισοζύγιο του συστήματος γης-ατμόσφαιρας. Συγκεκριμένα υπάρχει πολύ περιορισμένη κατανόηση της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των νεφών (έμμεση επίδραση), αλλά και στην ικανότητα των αιωρούμενων σωματιδίων να απορροφούν ακτινοβολία (άμεση επίδραση), ικανότητα η οποία μεταβάλλεται με την γήρανση των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Οι αβεβαιότητες αυτές επηρεάζουν τόσο τις προβλέψεις του μελλοντικού κλίματος του πλανήτη μας, όσο και τις εκτιμήσεις της συνεισφοράς των διάφορων ρύπων αλλά και άλλων παραμέτρων στην αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας καθώς και αλλαγές σε άλλες κλιματικές παραμέτρους.
Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η κατανόηση των διεργασιών που διαμορφώνουν την οπτική απόκριση με άμεσο και έμμεσο τρόπο του ατμοσφαιρικού αερολύματος και των μηχανισμών ανατροφοδότησης των επιδράσεων στο τοπικό και περιφερειακό ατμοσφαιρικό σύστημα της Μεσογείου. Αυτό θα γίνει με στοχευμένη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων του μακρόβιου τμήματος του λεπτόκοκκου αερολύματος μέσω χρονοσειρών παρατηρήσεων σε χαρακτηριστικά περιβάλλοντα της Μεσογείου και συγκριτική μελέτη του περιβάλλοντος υποβάθρου, συμπεριλαμβανομένου αυτού της ελεύθερης τροπόσφαιρας (σταθμός ACTRIS/GAW Χελμού) και του αστικού υποβάθρου στην Αθήνα (σταθμός ACTRIS/GAW Αθηνών-Δημοκρίτου). Τα επιμέρους φαινόμενα που θα μελετηθούν θα περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων πυρηνοποίηση και μοντελοποίηση για την κατανόηση της δημιουργίας πυρήνων συμπύκνωσης και μεγέθυνση των σωματιδίων σε μεγέθη πυρήνων συμπύκνωσης νεφών καθώς και άμεσες επιδράσεις αερολύματος στην διάδοση ακτινοβολίας (σκέδαση-απορρόφηση ακτινοβολίας), συμπεριλαμβανομένου του ρόλου επεισοδιακών φαινομένων όπως των πυρκαγιών στην Ανατολική Μεσόγειο και της μεταφοράς αφρικανικής σκόνης.
Η μελέτη της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα στις προαναφερόμενες περιπτώσεις θα πραγματοποιηθεί επίσης με τη χρήση προηγμένων μοντέλων διάδοσης της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Παράλληλα, κατά την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, θα εφαρμοστούν προηγμένα στατιστικά μοντέλα με στόχο την αναγνώριση/εξαγωγή προτύπων που αφορούν στη μελέτη τόσο των χαρακτηριστικών των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων όσο και στην αλληλεπίδρασή τους με το κλίμα της Μεσογείου. Η πολυπλοκότητα που σχετίζεται με τις ανωτέρω αλληλεπιδράσεις, απαιτεί τη χρήση τόσο γραμμικών όσο και μη-γραμμικών μοντέλων
για την εξαγωγή ιδιοτήτων που αναδεικνύουν το ρόλο των αερολυμάτων στην παρατηρούμενη αλλαγή του κλίματος στην περιοχή μελέτης.
Το θέμα της διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Study on the relation of radioactive pollution and satellite observations of marine parameters and comparative analysis on a Geographic Information System” έχει στόχο τη διερεύνηση των σχέσεων του 137Cs από την ανάπτυξη της πυρηνικής τεχνολογίας, ως σημαντικού ραδιενεργού ρυπαντή του θαλασσίου οικοσυστήματος, με τις περιβαλλοντικές παραμέτρους του θαλασσίου περιβάλλοντος, που δύνανται να καταγραφούν με δορυφορικές παρατηρήσεις. Συγκεκριμένα οι παράμετροι που καταγράφονται τηλεπισκοπικά είναι, η επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας (SST), η επιφανειακή αλατότητα της θάλασσας (SSS), οι γενικώς καλούμενοι Ωκεάνιο Χρώμα (Ocean Color), που περιλαμβάνει τη συγκέντρωση χλωροφύλλης α (Chlor_a), τη συγκέντρωση σωματιδιακού ανόργανου και οργανικού άνθρακα (PIC, POC) και την ημερήσια και στιγμιαία φωτοσυνθετικά διαθέσιμη ακτινοβολία (PAR, iPAR) αλλά και οι Βιογεωχημικές παράμετροι, που περιλαμβάνουν τη συγκέντρωση νιτρικών (ΝΟ3) και φωσφορικών (PO4) και το pH. Αυτές οι παράμετροι συσχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με τις συγκεντρώσεις ενεργότητας του 137Cs στο θαλασσινό νερό. Οι συσχετίσεις αυτές θα περιγραφούν με σχετικούς αλγορίθμους και θα απεικονιστούν σε σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) μαζί με τα αρχικά δεδομένα. Ο τελικός στόχος είναι η δημιουργία ενός καινοτόμου εργαλείου (GIS platform), που θα καταγράφει και θα προβλέπει με τη χρήση της τηλεπισκόπησης τη ραδιενεργό ρύπανση του θαλασσίου οικοσυστήματος και θα υπολογίζει την ραδιολογική επικινδυνότητα στο πλαίσιο της ακτινοπροστασίας περιβάλλοντος και πληθυσμού.
Τριμελής Συμβουλευτική-Επιβλέπουσα Επιτροπή:
Ο ραδιολογικός χαρακτηρισμός ενεργοποιημένων – λόγω πυρηνικών αντιδράσεων με νετρόνια – τμημάτων πυρηνικών αντιδραστήρων, τα οποία παρουσιάζουν πάντοτε και επιφανειακή ρύπανση, είναι απαραίτητος για την λήψη αποφάσεων σχετικά με την διαχείρισή τους κατά τις εργασίες παροπλισμού. Η ανάγκη για απορρύπανση, η επιλογή της μεθόδου απορρύπανσης πριν την αποσυναρμολόγηση/ κοπή των τμημάτων των αντιδραστήρων και η επιλογή της τεχνολογίας κοπής ώστε να περιοριστεί η παραγωγή δευτερευόντων ραδιενεργών καταλοίπων αλλά και για να περιοριστούν οι δόσεις στο προσωπικό, πρέπει να βασίζονται στον ακριβή ραδιολογικό χαρακτηρισμό των ραδιονουκλιδίων εντός των υλικών αλλά και αυτών που παρουσιάζονται ως επιφανειακή ρύπανση.
Ένα σημαντικό ζήτημα που αντιμετωπίζουν οι περισσότερες χώρες είναι η αποτελεσματική διαχείριση του μεγάλου όγκου των μεταλλικών ραδιενεργών καταλοίπων από τον παροπλισμό. Προϋπόθεση για την διαχείρισή τους είναι ο ακριβής ραδιολογικός χαρακτηρισμός τους.
Στα κατάλοιπα που προέρχονται από πυρηνικούς αντιδραστήρες είναι δυνατόν να υπάρχουν εντός των υλικών τους ραδιονουκλίδια που προκύπτουν από νετρονική ενεργοποίηση. Ταυτόχρονα στην επιφάνεια τους επικάθονται ραδιονουκλίδια ως επιφανειακή ρύπανση τα οποία είναι προϊόντα νετρονικής ενεργοποίησης ή σχάσης. Eίναι σημαντικό να αποφασιστεί σε ποιες περιπτώσεις η απορρύπανση θα αποδώσει καθώς και να επιλεγεί η κατάλληλη/ οι κατάλληλες τεχνικές απορρύπανσης.
Η διατριβή αυτή αφορά την ανάπτυξη τεχνικής ραδιολογικού χαρακτηρισμού και διαχωρισμού μεταλλικών Ραδιενεργών Καταλοίπων σε διαφορετικές οδούς διαχείρισης, με σκοπό να αποφασιστεί ποια αξίζει να απορρυπανθούν καθώς επίσης και για να επιλεγούν οι κατάλληλες μέθοδοι απορρύπανσης (π.χ. τεχνικές αμμοβολής, χημικής απορρύπανσης, τήξη).
Η τεχνική θα είναι ένας συνδυασμός μη καταστροφικής μεθόδου γάμμα φασματομετρίας και προσομοιώσεων Monte Carlo με χρήση του κώδικα MCNPX καθώς και δειγματοληψίας. Τα ραδιονουκλίδια στα ραδιενεργά κατάλοιπα μπορούν να είναι: είτε (α) εκπομπείς ακτινοβολίας γάμμα που μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν με σύστημα γάμμα φασματομετρίας, είτε (β) εκπομπείς σωματιδίων άλφα ή βήτα που δεν εκπέμπουν ακτίνες γάμμα (δύσκολα ανιχνεύσιμα ραδιονουκλίδια) και επομένως μπορούν να προσδιοριστούν μόνο με δειγματοληψία και δαπανηρές ραδιοχημικές αναλύσεις. Τα δείγματα λαμβάνονται προκειμένου να καθοριστούν οι συντελεστές συσχέτισης (ο λόγος των δύσκολα ανιχνεύσιμων ραδιονουκλιδίων προς τα βασικά ραδιονουκλίδια που είναι εκπομποί γάμμα). Η συνολική ενεργότητα στο εσωτερικό καθώς και στην επιφάνεια των μεταλλικών καταλοίπων προσδιορίζεται με μη καταστροφική μέτρηση καθώς και με τη χρήση των συντελεστών συσχέτισης.
Η παρουσία των φυσικών ραδιονουκλιδίων NORM (Naturally Occurring Radioactive Materials) έχει παρατηρηθεί από τις αρχές της δεκαετίας του 1930 σε δεξαμενές πετρελαίου, στην παραγωγή πετρελαίου και φυσικού αερίου και σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Η προέλευση των NORM στη βιομηχανία πετρελαίου οφείλεται κυρίως στο σχηματισμό κατακαθίσεων θειικών και ανθρακικών αλάτων ανιόντων στον εξοπλισμό παραγωγής πετρελαίου.
Τα κατάλοιπα NORM είναι συνήθως χαμηλής κατηγορίας ραδιενεργά κατάλοιπα, τα οποία μερικές φορές μπορούν να εξαιρεθούν από τον κανονισμό ακτινοπροστασίας, αν και παρουσιάζουν αυξημένο ρυθμό δόσης. Υπάρχει μια εκτεταμένη ανάγκη ορθού χαρακτηρισμού και διαχείρισης των NORM εξαιτίας των επιπτώσεων τους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Ο επιτυχής χαρακτηρισμός τους θα μειώσει σημαντικά το κόστος διαχείρισης τους.
Το αντικείμενο αυτού του διδακτορικού είναι η ανάπτυξη μίας γρήγορης και αποδοτικής μεθόδου για το διαχωρισμό και χαρακτηρισμό στο πεδίο καταλοίπων NORM που προέρχονται από βιομηχανία πετρελαίου με τη χρήση ενός ανιχνευτή σπινθηρισμού 1.5×1.5 in. LaBr3(Ce).
Την τελευταία δεκαετία οι σπινθηριστές LaBr3(Ce) έχουν γίνει εμπορικά διαθέσιμοι και είναι πολλά υποσχόμενοι λόγω της υψηλής απόδοσης του φωτός (>65000 φωτόνια/MeV) που επιφέρει μία καλύτερη ενεργειακή ικανότητα σε σύγκριση με τους σπινθηριστές NaI(Tl) (< 3% FWHM at 137Cs), του χρόνου αποδιέγερσης των 35 ns και της πυκνότητας του υλικού τους (5.29 g/cm3). Επιπλέον, δεν χρειάζονται ψύξη συγκρινόμενοι με τους ανιχνευτές υπερκαθαρού γερμανίου (HPGe). Ως εκ τούτου, είναι μια κατάλληλη επιλογή για χαρακτηρισμό στο πεδίο καταλοίπων NORM.
Η ανάπτυξη της μεθόδου βασίζεται στο συνδυασμό πειραματικής γάμμα φασματοσκοπίας και υπολογιστικών τεχνικών Monte Carlo για εργαστηριακές μετρήσεις και μετρήσεις πεδίου.
Ο σπινθηριστής LaBr3(Ce) χαρακτηρίστηκε πλήρως στο περιβάλλον του εργαστηρίου (βαθμονόμηση FWHM, ενέργειας και απόδοσης) με τη χρήση πρότυπων σημειακών πηγών και πηγών όγκου διαφορετικών πυκνοτήτων. Οι θεωρητικές και οι πειραματικά υπολογισμένες τιμές της απόδοσης συγκρίθηκαν για τον προσδιορισμό των ακριβών διαστάσεων του κρυστάλλου του.
Αφού επιλεγούν τα βέλτιστα ραδιονουκλίδια προς μέτρηση με γάμμα φασματοσκοπία, με τις αντίστοιχες ενέργειες εκπομπής τους, από τις σειρές του ουρανίου και του θορίου, τα ραδιονουκλίδια που βρίσκονται σε ραδιενεργό ισορροπία με αυτά μπορούν να εκτιμηθούν. Επίσης, αναγνωρίζονται αυτά για τα οποία, αν χρειαστεί, πρέπει να γίνει δειγματοληψία και να σταλούν για ραδιοχημική ανάλυση.
Η μέθοδος αναπτύσσεται για τις εξής συσκευασίες αποθήκευσης καταλοίπων NORM: (1) Μεταλλικό/πλαστικό βαρέλι, (2) Plastic Big Bags FIBC – Flexible Intermediate Bulk Container and (3) IBC – Intermediate Bulk Container. Το υλικό των καταλοίπων NORM που λαμβάνεται υπόψη είναι η γεωτρητική ιλύς (drilling mud) με βάση το λάδι (Oil Based Mud – OBM), που αποτελείται από κολλοειδές αιώρημα αργίλου, μπεντονίτου και βαρυτίνης σε λάδι με προσθήκη χημικών προσθέτων για τον έλεγχο του ιξώδους και της πυκνότητας, Η γεωτρητική ιλύς συνεισφέρει σε μία αποδοτική γεώτρηση και κυκλοφορεί σε όλα στάδια – μέρη σε μία γεωτρητική εξέδρα εξόρυξης πετρελαίου.
Επίσης, θα διενεργηθεί ανάλυση αβεβαιότητας λαμβάνοντας υπόψη τις ανομοιογένειες της πυκνότητας εξαιτίας της διαφοροποίησης της υγρασίας και θα αναπτυχθεί η διαδικασία της δειγματοληψίας για το διαχωρισμό των συσκευασιών αποθήκευσης καταλοίπων NORM σε κατηγορίες διαφορετικής προέλευσης.
Η διάγνωση διάφορων τύπων καρκίνου σε αρχικό στάδιο είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική αντιμετώπιση της νόσου και αποτελεί μεγάλη πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Μια από τις προσεγγίσεις που ακολουθούνται για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος είναι ο προσδιορισμός διαφόρων βιοδεικτών σε βιολογικά υγρά και κυρίως σε ορό αίματος. Συγκεκριμένα, για τη διάγνωση του γυναικολογικού καρκίνου και κυρίως του καρκίνου των ωοθηκών έχει προταθεί ο προσδιορισμός στον ορό τριών δεικτών: του καρκινικού αντιγόνου 125 (Ca-125), της ανθρώπινης επιδερμιδικής εκκριτικής πρωτεΐνης 4 (HE4), και της σουρβιβίνης ή BIRC5 (baculoviral inhibitor of apoptosis repeat-containing 5). Ο συνδυαστικός προσδιορισμός των τριών αυτών δεικτών αναμένεται να βοηθήσει τόσο στην αρχική διάγνωση του καρκίνου των ωοθηκών όσο και στην κατηγοριοποίηση των ωοθηκικών όγκων συμβάλλοντας καθοριστικά στην συνολική επιβίωση και αποφυγή της επανεμφάνισης της νόσου. Ο ταυτόχρονος προσδιορισμός καρκινικών δεικτών σε ένα δείγμα ανθρώπινου ορού με χαμηλό κόστος, υψηλή ευαισθησία και αξιοπιστία, μπορεί να επιτευχθεί με την ανάπτυξη κατάλληλων βιοαισθητήρων και πιο συγκεκριμένα ανοσοαισθητήρων. Οι οπτικοί ανοσοαισθητήρες που προσφέρουν μεγαλύτερη ευαισθησία ανίχνευσης σε σχέση με τους υπόλοιπους τύπους αισθητήρων και επιπλέον, παρέχουν την δυνατότητα για ταυτόχρονο προσδιορισμό πολλαπλών αναλυτών και υπόκεινται σε μικρότερες παρεμβολές από την μήτρα του δείγματος σε σχέση με άλλα είδη μεταλλακτών επιτρέποντας τον προσδιορισμό αναλυτών σε πραγματικό χρόνο ακόμα και σε πολύπλοκα δείγματα όπως είναι ο ανθρώπινος ορός. Στα πλαίσια του έργου θα αναπτυχθούν οπτικοί ανοσοαισθητήρες για τον προσδιορισμό τριών καρκινικών δεικτών, του Ca-125, της HE4, και της σουρβιβίνης (BIRC5) οι οποίοι βασίζονται στην αρχή της ενισχυόμενης από την επιφάνεια φασματοσκοπίας Raman (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS). Η χρήση υποστρωμάτων SERS ως στερεών φορέων για τον ανοσοχημικό προσδιορισμό των τριών καρκινικών αναμένεται να αυξήσει την ευαισθησία ανίχνευσης σε σχέση με τις συνήθεις ανοσοχημικές τεχνικές. Το έργο περιλαμβάνει: την ανάπτυξη ενζυμοανοσοαναλύσεων μη ανταγωνιστικού τύπου σε φρεάτια μικροτιτλοδότησης για τον προσδιορισμό των αναλυτών-στόχων, την ανάπτυξη αισθητήρων σε υποστρώματα SERS για καθέναν από τους τρεις αναλύτες μεμονωμένα, και τέλος την ανάπτυξη αισθητήρων σε υποστρώματα SERS για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό και των τριών αναλυτών ταυτόχρονα. Η εργασία πραγματοποιείται στο πλαίσιο της εκτέλεσης του έργου ΒιοΝανοΔιαγνωστική (Τ2ΕΔΚ-03746) και αποτελεί το θέμα της διδακτορικής διατριβής της κ. Γεωργίας Γκέκα. Το πειραματικό μέρος της εργασίας θα πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Ανοσοαναλύσεων-Ανοσοαισθητήρων του ΙΠΡΕΤΕΑ σε συνεργασία με τον Τομέα Μικροηλεκτρονικής του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης & Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» και το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Αθηνών (Καθ. Α. Οικονόμου).
Ο έλεγχος της ποιότητας και της ασφάλειας των τροφίμων είναι μείζονος σημασίας τόσο για τη βιομηχανία τροφίμων όσο και για τους παραγωγούς και τους καταναλωτές. Σε ορισμένα τρόφιμα, όπως το γάλα, είναι αναγκαίος ο έλεγχος τόσο της πρώτης ύλης όσο και των επεξεργασμένων προϊόντων για επιβλαβείς ουσίες όσο το δυνατόν ταχύτερα. Τέτοιοι έλεγχοι αφορούν την ανίχνευση της αφλατοξίνης Μ1 (AFM1), καθώς και παθογόνων βακτηρίων μεταξύ των οποίων η Salmonella spp., η Escherichia Coli O157:H7, ο Staphylococcus aureus, ο Bacillus cereus και η Listeria monocytogenes. Η AFM1 είναι μία από τις πιο καρκινογόνες και τοξικές αφλατοξίνες που παράγονται από μύκητες και γι’ αυτό το λόγο η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσπισει αυστηρα ανώτερα επιτρεπτά όρια για την AFM1 στα τρόφιμα. Αντίστοιχοι όρια έχουν θεσπιστεί και για την ανίχνευση μικροοργανισμών στα τρόφιμα για τους οποίους σε πολλές περιπτώσεις απαγορεύεται πλήρως η παρουσία λόγω της σοβαρότητας των προβλημάτων που μπορούν να προκαλέσουν στην ανθρώπινη υγεία. Η ανίχνευση των διάφορων επιβλαβών ουσιών στα τρόφιμα πραγματοποιείται με αναλυτικές μεθόδους που χαρακτηρίζονται από υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια ωστόσο είναι αρκετά χρονοβόρες, απαιτούν ακριβό εξοπλισμό και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αναλύσεις πεδίου. Για το λόγο αυτό, έχει διερευνηθεί ως εναλλακτική λύση η χρήση ανοσοαοσθητήρων, και ιδιαίτερα οπτικών ανοδοαισθητήρων ως μεθόδων ανάλυσης που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις υπάρχουσες μεθοδολογίες. Οι οπτικοί ανοσοαισθητήρες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, εκείνους που απαιτούν τη χρήση ιχνηθετών για την ανίχνευση της προς μέτρησης ουσίας και εκείνους που δεν απαιτούν. Μία τέτοια κατηγορία ανοσοαισθητήρων είναι εκείνοι που βασίζονται σε συμβολομετρία Mach-Zehnder. Στο πλαίσιο αυτό, το έργο στοχεύει στην ανάπτυξη οπτικών ανοσοαισθητήρων για ανίχνευση επιβλαβών παραγόντων (π.χ. μυκοτοξίνες, βακτήρια) σε τρόφιμα. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται μία εμβαπτιζόμενη φωτονική ψηφίδα στην οποία υλοποιούνται δύο συμβολόμετρα, το ένα εκ των οποίων θα είναι το συμβολόμετρο αναφοράς. Ο αισθητήριος βραχίονας του συμβολομέτρου αναφοράς θα είναι επιστρωμένος με αδρανή πρωτεΐνη, ενώ ο αισθητήριος βραχίονας του άλλου συμβολομέτρου θα τροποποιηθεί με την εκάστοτε τοξίνη ή μικροοργανισμό για τον προσδιορισμό των επιμολυντών αυτών σε γάλα, ακολουθώντας ανταγωνιστικού τύπου ανοσοανάλυση. Η ψηφίδα φέρει ολοκληρωμένα τα συμβολόμετρα Mach-Zehnder αλλά η οπτική ζεύξη και καταγραφή του σήματος πραγματοποιούνται μέσω μιας οπτικής δίκλωνης ίνας που συνδέει την είσοδο της ψηφίδας με μία πηγή λευκού φωτός και την έξοδο της με ένα ψηφιακό φασματικό αναλυτή. Για την ανάλυση, η ψηφίδα θα βυθίζεται σε διάλυμα που θα περιέχει το δείγμα και τα ειδικά αντισώματα έναντι του εκάστοτε αναλυτή χωρίς να απαιτούνται μικρορευστομηχανικές κυψελίδες. Η εργασία πραγματοποιείται στο πλαίσιο της εκτέλεσης του έργου FOODSENS (Τ2ΕΔΚ-01934) και αποτελεί το θέμα της διδακτορικής διατριβής της κ. Δήμητρα Κούρτη. Το πειραματικό μέρος της εργασίας θα πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Ανοσοαναλύσεων-Ανοσοαισθητήρων του ΙΠΡΕΤΕΑ σε συνεργασία με τον Τομέα Μικροηλεκτρονικής του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης & Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» και το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Αθηνών (Καθ. Α. Οικονόμου).
Οι μυκοτοξίνες είναι χημικές ενώσεις που παράγονται από διάφορες οικογένειες μυκήτων και αποτελούν μια κατηγορία ουσιών που η συγκέντρωση τους επιβάλλεται να προσδιορίζεται σε αρκετές κατηγορίες τροφίμων λόγω των αρνητικών επιπτώσεων που έχουν στην υγεία των ανθρώπων καθώς οι ενώσεις αυτές παρουσιάζουν, η καθεμία σε διαφορετικό βαθμό, ηπατοτοξικές, ανοσοκατασταλτικές, μεταλλαξιογόνες ή/και καρκινογόνες δράσεις. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η καλή ποιότητα των τροφίμων, απαιτείται συνεχής έλεγχος σε όλα τα στάδια της παραγωγής και της επεξεργασίας τους, ώστε να βεβαιωθεί ότι τα τρόφιμα που προσφέρονται για κατανάλωση είναι απαλλαγμένα από μυκοτοξίνες. Όμως, λόγω του μεγάλου όγκου των διακινούμενων αγαθών είναι πρακτικά ανέφικτος ο ενδελεχής έλεγχος τους σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ως εκ τούτου, υπάρχει η ανάγκη για μεθόδους και συσκευές ικανές να προσδιορίζουν με ακρίβεια ομάδες επιβλαβών ουσιών εκτός του εργαστηρίου κατάλληλες, δηλαδή, για αναλύσεις πεδίου. Οι βιοαισθητήρες είναι αναλυτικές διατάξεις που μπορούν να καλύψουν αυτές τις ανάγκες καθώς παρέχουν τη δυνατότητα του ταυτόχρονου προσδιορισμού πολλαπλών αναλυτών σε ένα δείγμα και ταυτόχρονα μπορούν να ενσωματωθούν σε μικρού μεγέθους συσκευές. Στο πλαίσιο αυτό, στόχος του έργου είναι η ανάπτυξη ενός οπτικού βιοαισθητήρα για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό τριών μυκοτοξινών και συγκεκριμένα της Αφλατοξίνης Β1, της Φουμονισίνης Β1 και της Δεοξυνιβαλενόλης σε δείγματα δημητριακών. Η επιλογή των τριών μυκοτοξινών βασίστηκε στο γεγονός ότι απαντώνται πολύ συχνά σε δημητριακά αλλά και λόγω της υψηλής τους τοξικότητας. Ο ταυτόχρονος προσδιορισμός των μυκοτοξινών στόχων επιδιώκεται μέσω της ανάπτυξης ανοσοαισθητήρα που βασίζεται στην ανάκλαση λευκού φωτός από ψηφίδες πυριτίου που φέρουν περιοχές διοξειδίου του πυριτίου διαφορετικού πάχους η καθεμία. Οι περιοχές αυτές τροποποιούνται με πρωτεϊνικά συζεύγματα των τριών μυκοτοξινών. Το φάσμα ανάκλασης που λαμβάνεται και από τις περιοχές κατά την διάρκεια των ανοσοαντιδράσεων, υφίσταται αποσυνέλιξη στα επιμέρους φάσματα επιτρέποντας την παρακολούθηση των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε κάθε μια περιοχή χωριστά χωρίς την απαίτηση για κινούμενα οπτικά εξαρτήματα. Η εργασία υλοποιείται στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής του κ. Βασίλη Αναστασιάδη, το πειραματικό μέρος της οποίας πραγματοποιείται Το πειραματικό μέρος της διατριβής πραγματοποιείται στο εργαστήριο Ανοσοαναλύσεων/Ανοσοαισθητήρων του ΙΠΡΕΤΕΑ σε συνεργασία με το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Αθηνών (Καθ. Α. Οικονόμου).
Η σήψη, μια από τις κύριες αιτίες θανάτου παγκοσμίως, συμβαίνει όταν μια τοπική μικροβιακή λοίμωξη εξαπλώνεται στην κυκλοφορία του αίματος προκαλώντας μια έντονη φλεγμονώδη απόκριση. Αυτή η απόκριση μπορεί να οδηγήσει σε πολλαπλή ανεπάρκεια οργάνων, η οποία συνήθως είναι θανατηφόρα. Έτσι, η έγκαιρη διάγνωση είναι ο μόνος τρόπος για να αυξηθεί το ποσοστό επιβίωσης των ασθενών. Ο στόχος αυτού του έργου είναι η ανάπτυξη ενός βιοαισθητήρα για τη διάγνωση σήψης μέσω του γρήγορου, ακριβούς και ταυτόχρονου προσδιορισμού μιας ομάδας τριών δεικτών που σχετίζονται με τη σήψη σε δείγματα ορού αίματος. Ο βιοαισθητήρας βασίζεται στη φασματοσκοπία ανάκλασης λευκού φωτός (WLRS) και δεν χρησιμοποιεί ιχνηθέτες. Οι στοχευόμενοι δείκτες είναι C-αντιδρώσα πρωτεΐνη, η προκαλσιτονίνη και η ιντελευκίνη-6. Ο ταυτόχρονος προσδιορισμός αυτών των δεικτών σε συνδυασμό με τη συνολική κλινική εικόνα του ασθενούς θα μπορούσε να βοηθήσει στην έγκαιρη διάγνωση και επιτυχή θεραπευτική διαχείριση της σήψης. Οι κύριοι στόχοι του έργου είναι η ανάπτυξη: α) προσδιορισμών χωρίς τη χρήση ιχνηθετών για τους τρεις στοχευόμενους αναλύτες που θα χαρακτηρίζονται από υψηλή ακρίβεια και ευρύ δυναμικό εύρος που θα καλύπτει όχι μόνο τις παθολογικές συγκεντρώσεις στον ορό αλλά και το εύρος συγκέντρωσης υγιών ατόμων, β) αισθητήρων που επιτρέπουν τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των τριών αναλυτών στο ίδιο δείγμα με κατάλληλη τροποποίηση της επιφάνειας του βιοαισθητήρα, και γ) ενός πρωτότυπου οργάνου με συνοδευτικό λογισμικό για την καταγραφή και επεξεργασία των σημάτων που λαμβάνονται από τις διάφορες δοκιμασίες καθώς και την παρουσίαση τους στον τελικό χρήστη. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής της κας Δήμητρας Τσουνίδη, η οποία έχει λάβει υποτροφία στο πλαίσιο του θεσμού των Βιομηχανικών Υποτροφιών του Ιδρύματος Σταύρος Νιάρχος σε συνεργασία και με τη συν-χρηματοδότηση της εταιρείας ThetaMetrisis S.A. Το πειραματικό μέρος της διατριβής πραγματοποιείται στο εργαστήριο Ανοσοαναλύσεων/Ανοσοαισθητήρων του ΙΠΡΕΤΕΑ σε συνεργασία με το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών (Καθ. Θ. Χριστόπουλος).
Οι κιναζολίνες είναι αντικαρκινικά φάρμακα στοχευμένης θεραπείας για όγκους όπου υπερεκφράζεται κάποιο μέλος της οικογένειας των ErbB υποδοχέων ή παρατηρούνται μεταλλάξεις αυτών. Τα φάρμακα αυτά έχουν συγχρόνως και δράση ακτινοευαισθητοποιητών. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη επαγωγής ακτινοευαισθησίας νέων μορίων κιναζολινών με αντικαρκινική δράση, τα οποία θα ανήκουν στις παρακάτω κατηγορίες:
Στα πλαίσια της διατριβής μελετώνται νέα παράγωγα ως προς την αντικαρκινική τους δράση και ως προς την ικανότητά τους επαγωγής ακτινοευαισθησίας. Σκοπός είναι να εντοπιστούν ποια από τα νέα αυτά μόρια επάγουν μεγαλύτερη ακτινοευαισθησία συγκριτικά με τα ήδη υπάρχοντα φάρμακα που χρησιμοποιούνται κλινικά ώστε να προταθούν νέα υποσχόμενα φάρμακα τα οποία θα μπορούσαν κλινικά να δρουν και ως ακτινοευαισθητοποιητές
Με την πρόοδο της τεχνολογίας και την ευρεία χρήση των ακτινοβολιών για ειρηνικούς σκοπούς, η πιο συχνή αιτία έκθεσης σε χαμηλές δόσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας (≤100mSv) είναι η προγραμματισμένη έκθεση για ιατρικούς λόγους. Μάλιστα, η ταχεία αύξηση του αριθμού των πράξεων της Διαγνωστικής και Επεμβατικής Ακτινολογίας σε πολλές χώρες, έχει οδηγήσει σε σημαντική αύξηση (40%) της συλλογικής ενεργής δόσης, γεγονός που έχει προκαλέσει προβληματισμό στο κοινωνικό σύνολο σχετικά με την ασφάλεια και την προστασία αυτού. Ο κίνδυνος καρκινογένεσης μετά από έκθεση σε υψηλές δόσεις είναι διαπιστωμένος και υπάρχουν ορισμένες, κυρίως επιδημιολογικές μελέτες, που αναφέρουν ότι μπορεί να αυξηθεί και σε χαμηλές δόσεις μεταξύ 20-100mSv. Ωστόσο, η επίδραση των χαμηλών δόσεων και συγκεκριμένα ο κίνδυνος καρκινογένεσης σε ασθενείς που υποβάλλονται σε αιμοδυναμικές πράξεις (στεφανιογραφία, αγγειοπλαστική των στεφανιαίων και των πνευμονικών αρτηριών καθώς και διαδερμική αντικατάσταση αορτικής βαλβίδας), δεν είναι απόλυτα γνωστή. Η συσχέτιση της έκθεσης σε χαμηλές δόσεις με την καρκινογένεση θα μπορούσε να υποστηριχθεί από επιδημιολογικές μελέτες, που όμως απαιτούν χιλιάδες εκτιθέμενους και πολυετή παρακολούθησή τους. Εναλλακτικά, η συσχέτιση αυτή θα μπορούσε να υποστηριχθεί βάσει κατανόησης του μηχανισμού καρκινογένεσης με ραδιοβιολογικά πειραματικά δεδομένα, διερευνώντας κατά πόσο οι χαμηλές δόσεις μπορούν να ενεργοποιήσουν το μηχανισμό αυτό.
Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή σκοπός είναι η διερεύνηση της επίδρασης των χαμηλών δόσεων ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε μοριακό, χρωμοσωματικό και κυτταρικό επίπεδο, σε σχέση με την πιθανότητα ενεργοποίησης του μηχανισμού καρκινογένεσης. Ο πειραματικός σχεδιασμός επικεντρώνεται στη μελέτη επαγωγής και επιδιόρθωσης βλαβών στο DNA μέσω της φωσφορυλιωμένης ιστόνης γ-Η2ΑΧ και τη δημιουργία χρωμοσωματικών αλλοιώσεων, μικροπυρήνων και ασύμμετρων κυτταρικών διαιρέσεων με πιθανό επακόλουθο τη «χρωμοθρύψη» και την τυχαία αναδιάταξη του γενετικού υλικού. Συγκεκριμένα, διερευνάται η υπόθεση κατά πόσο η έκθεση σε χαμηλές δόσεις είναι δυνατόν να ενεργοποιήσει το μηχανισμό «χρωμοθρύψης», ανευπλοειδίας και γενικά γενωμικής αστάθειας. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιούνται in vitro πειράματα, καθώς και πειράματα σε δείγματα περιφερικού αίματος από εκτιθέμενους όπως είναι οι ασθενείς εκτιθέμενοι σε χαμηλές δόσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας από προγραμματισμένες ιατρικές πράξεις στο Αιμοδυναμικό Εργαστήριο στο Ωνάσειο Καρδιοχειρουργικό Κέντρο. Τα δείγματα αίματος που λαμβάνονται πριν και μετά την αιμοδυναμική πράξη, μεταφέρονται σε πάγο στο Εργαστήριο. Η επαγωγή και η επιδιόρθωση των DNA/DSBs είναι δυνατό να παρακολουθηθεί μέσω ενός ευαίσθητου επιγενετικού βιοδείκτη, της φωσφορυλίωσης της ιστόνης Η2ΑΧ σε γ-Η2ΑΧ. Συγκεκριμένα, η ανίχνευση των εστιών γ-Η2ΑΧ επιτυγχάνεται μέσω ανοσοφθορισμού, η ανάλυση γίνεται σε μικροσκόπιο φθορισμού και η μελέτη της επιδιόρθωσης των DNA/DSBs γίνεται μέσω των εστιών γ-Η2ΑΧ στις 24 και 72 ώρες μετά την έκθεση των ασθενών.
Μετά από την έκθεση σε δόσεις 20-100mGy γίνεται εκτίμηση των χρωμοσωματικών αλλοιώσεων χρησιμοποιώντας κλασικές και σύγχρονες κυτταρογενετικές μεθοδολογίες καθώς και η συχνότητα των μικροπυρήνων που επάγονται με την μέθοδο της αναστολής της κυτταροκίνησης με κυτοχαλασίνη-Β. Τέλος, για την ανίχνευση ασύμμετρων κυτταρικών διαιρέσεων συνδυάζεται η μέθοδος αναστολής της κυτταροκίνησης με τη χρήση φθορίζοντων ιχνηθετών για το κεντρομερίδιο συγκεκριμένων χρωμοσωμάτων που κάνει εφικτή την ανίχνευση ασύμμετρων κυτταρικών διαιρέσεων μετά από ακτινοβόληση περιφερικού αίματος με χαμηλή δόση ιοντίζουσας ακτινοβολίας στο εργαστήριο.
Η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται συχνά σε συνδυασμό με άλλες θεραπείες όπως η χημειοθεραπεία ή το χειρουργείο ως αναπόσπαστο μέρος για την αντιμετώπιση πρωτοπαθών όγκων ή ως παρηγορητική θεραπεία για τον καρκίνο. Ενώ η ακτινοθεραπεία είναι μέθοδος αποτελεσματικής και ασφαλούς αντιμετώπισης νεοπλασιών μπορεί να έχει σημαντικές παρενέργειες οι οποίες ποικίλουν από ασθενή σε ασθενή, με αποτέλεσμα κάποιοι να εμφανίζουν δυσμενείς επιπτώσεις στους υγιείς ιστούς, άμεσες ή απώτερες. Ωστόσο, παρόλο που οι σύγχρονες τεχνικές ακτινοθεραπείας επιτρέπουν την αύξηση της δόσης στον όγκο-στόχο για μεγιστοποίηση του ποσοστού ίασης της νόσου και ελαχιστοποίηση της δόσης στους υγιείς ιστούς, υπάρχει σημαντική ανάγκη για την ανάπτυξη εξατομικευμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων. Στην παρούσα διατριβή, εκτός από την εκτίμηση της ενδογενούς ακτινοευαισθησίας βάσει χρωματιδικών αλλοιώσεων και τη διερεύνηση των πλεονεκτημάτων του συνδυασμού της ακτινοβολίας με ‘καταργητές’ (abrogators) του σημείου ελέγχου G2/M του κυτταρικού κύκλου για την υπέρβαση της αντοχής του όγκου στην ακτινοβολία αξιολογούνται σύγχρονες εξατομικευμένες τεχνικές ακτινοθεραπείας με κυτταρογενετικές μεθόδους.
Οι σκιαγραφικοί παράγοντες διπλής απεικονιστικής ικανότητας (DMCA), όπως είναι τα ραδιοεπισημασμένα μαγνητικά νανοσωματίδια, είναι πολλά υποσχόμενοι για μεγάλο αριθμό διαγνωστικών εφαρμογών, αφού συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα δύο διαφορετικών απεικονιστικών τεχνικών, της Υπολογιστικής Τομογραφίας Μονοφωτονικής Εκπομπής (SPECT) και της Υπολογιστικής Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίου (PET) με αυτή της Τομογραφίας Μαγνητικού Συντονισμού (MRI). Το όφελος αυτού του συνδυασμού σχετίζεται με την ερμηνεία των ληφθέντων πληροφοριών απεικόνισης με πιο αποδοτικό και ακριβή τρόπο, ώστε οι υποκείμενες ασθένειες να διαγνωστούν αξιόπιστα σε πρώιμα στάδια.
Ο σκοπός της μελέτης επικεντρώνεται σε ένα νέο DMCA και αφορά τη σύνθεση, το βασικό χαρακτηρισμό (κρυσταλλογραφικό, μορφολογικό κλπ.), την ενδελεχή αξιολόγηση των φυσικών του ιδιοτήτων (ραδιενέργεια, μαγνήτιση κλπ.) και τελικά την in vitro και in vivo αξιολόγησή του σε ανθρώπινο αίμα και πειραματόζωα. Ο DMCA αποτελείται από μαγνητικά νανοσωματίδια, κυρίως οξείδια του σιδήρου (π.χ μαγνητίτης Fe3O4 και/ή μαγγεμίτης Fe2O3), ραδιοεπισημασμένα με ισότοπα εκπομπής φωτονίων (π.χ. Τεχνήτιο-99m) και/ή εκπομπής ποζιτρονίων (π.χ. Γάλλιο-68). Ο DMCA αξιολογείται εκτενώς μέχρι και την διεξαγωγή (i) in vitro πειραμάτων βιοσυμβατότητας σε ανθρώπινο αίμα, (ii) in vivo πειραμάτων βιοκατανομής σε πειραματόζωα και (iii) πειραμάτων απεικόνισης σε πειραματόζωα μέσω απεινονιστικών τεχντικών, PET, SPECT και MRI.
Για την πραγματοποίηση της μελέτης, χρησιμοποιούνται οι παρακάτω πειραματικές τεχνικές:
Μέθοδοι υγρής χημείας: για τη σύνθεση του DMCA
Περίθλαση ακτίνων-Χ: για τον κρυσταλλογραφικό χαρακτηρισμό τόσο των αρχικών υλικών όσο και του DMCA
Συμβολόμετρο υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής: για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων τόσο των αρχικών υλικών όσο και του DMCA
Μικροσκοπία ατομικής δύναμης: για τη μελέτη της μορφολογίας του DMCA και της απόκτησης αξιόπιστης ποσοτικής πληροφορίας σχετικά με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σε νανοσκοπικό επίπεδο.
Οπτική μικροσκοπία: για τη μελέτη της μορφολογίας του DMCA και της απόκτησης αξιόπιστης ποσοτικής πληροφορίας σχετικά με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σε μικροσκοπικό επίπεδο για την ανίχνευση τυχόν συσσωματωμάτων.
Πρότυπη μονάδα μαγνητικής τομογραφίας που χρησιμοποιείται στην κλινική πρακτική.
Πειραματική κάμερα SPECT μικρών ζώων.
Πειραματική κάμερα PET μικρών ζώων.
Όλες οι ex vivo μελέτες βιοκατανομής σε πειραματόζωα διεξάγονται στις εγκαταστάσεις πειραματισμού ζώων του εργαστηρίου Ραδιοχημικών Μελετών, Ι.Π.Ρ.Ε.Τ.Ε.Α, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος», σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή και Εθνική νομοθεσία. Αυτές οι μελέτες έχουν εγκριθεί από την Επιτροπή Ηθικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος» και η φροντίδα των πειραματοζώων και οι διαδικασίες που ακολουθούνται είναι σύμφωνες με τις θεσμικές οδηγίες και τις άδειες που εκδίδονται από τη Διεύθυνση Αγροτικής Οικονομίας και Κτηνιατρικής του Νομού Αττικής.
Η διάγνωση και η θεραπεία του καρκίνου είναι ζητήματα τα οποία ταλανίζουν την παγκόσμια κοινότητα, ερευνητική και μη, εδώ και δεκαετίες. Στον τομέα αυτό πολύ σημαντικό ρόλο ήρθαν να παίξουν τα νανοσωματίδια, βοηθώντας να ξεπεραστούν βασικά εμπόδια της συμβατικής αντιμετώπισης. Παρόλα αυτά η εύρεση ακόμα πιο εξελιγμένων, εξειδικευμένων και αποτελεσματικών θεραγνωστικών συστημάτων είναι επιτακτική ανάγκη και η επιτυχής ανακάλυψή τους θα μπορούσε να είναι μία από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του μοντέρνου κόσμου.
Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας καινοτόμου θεραγνωστικής πλατφόρμας με βελτιωμένες ιδιότητες που θα στοχεύει τον καρκίνο. Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η αξιολόγηση ραδιοεπισημασμένων νανοκρυσταλλιτών μαγνητικών σωματιδίων που σχηματίζουν συμπλέγματα. Τα συμπλέγματα αυτά θα χρησιμεύουν ως σκιαγραφικοί παράγοντες για διπλή απεικόνιση με μαγνητική τομογραφία (MRI) και με τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET), λόγω των μαγνητικών νανοσωματιδίων αλλά και της παρουσίας του ραδιοϊσοτόπου Γάλλιο-68 (68Ga), αντίστοιχα. Επίσης, η σύζευξη αντικαρκινικής ουσίας, αναμένεται να έχει ισχυρή αντινεοπλασματική δράση ενώ ταυτόχρονα η προσθήκη φαρμακοφόρου θα μας βοηθήσει να επιτύχουμε ενεργή στόχευση και εξαιρετική εκλεκτικότητα. Η προτεινόμενη δομή θα έχει οδηγείται στον καρκίνο στόχο όπου θα έχει τριπλή θεραπευτική δράση η οποία θα επιτυγχάνεται χάρη στην ταυτόχρονη παρουσία του χημειοθεραπευτικού φαρμάκου, του θεραπευτικού ραδιοϊσοτόπου Λουτέσιο-177 (177Lu) και της μαγνητικής υπερθερμίας που θα εφαρμόζεται.
Έχοντας σαν βασικότερο στόχο την έγκαιρη διάγνωση των διάφορων μορφών καρκίνου σε πρώιμο στάδιο, η Ραδιοφαρμακευτική Επιστήμη συνδέεται άμεσα με την καλύτερη δυνατή πρόγνωση και τη θεραπευτική προσέγγιση που θα επιλεγεί.
Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός και η συγκριτική αξιολόγηση πολύτροπων απεικονιστικών συμπλόκων 99mΤc και 68Ga, τα οποία θα φέρουν στο μόριο τους ως φαρμακοφόρο ομάδα μαννοζυλιωμένες δεξτράνες διαφορετικού μοριακού βάρους.
Οι επισημασμένες μαννοζυλιωμένες δεξτράνες έχουν ερευνηθεί εκτεταμένα για εφαρμογή στον εντοπισμό του φρουρού λεμφαδένα (Sentinel Lymph Node Detection) και στη διάγνωση καρκίνου, ενώ αποτελούνται από μια δεξτράνη, αρκετές μονάδες μαννόζης για αναγνώριση από τους υποδοχείς μαννόζης των μακροφάγων του φρουρού λεμφαδένα, καθώς επίσης και έναν χηλικό παράγοντα, απαραίτητο για την πρόσδεση με το ραδιενεργό μέταλλο.
Η θεωρία του φρουρού λεμφαδένα βασίζεται στην παραδοχή ότι ο πρώτος λεμφαδένας που δέχεται τη λεμφαγγειακή παροχέτευση ενός όγκου αποτελεί και τον πρώτο σταθμό λεμφογενούς διασποράς της νόσου, ότι δεν συμβαίνουν «ασυνεχείς» λεμφαδενικές μεταστάσεις (skip metastases) και ότι η απουσία μεταστατικής νόσου στο φρουρό λεμφαδένα συνεπάγεται και την απουσία μεταστάσεων σε όλο το λεμφικό δίκτυο της περιοχής. Με τη χορήγηση των συμπλόκων αυτών, λοιπόν, είναι πιθανή η in vivo απεικόνιση και εντοπισμός του φρουρού λεμφαδένα με ένα μη παρεμβατικό τρόπο.
Το διδακτορικό πρόγραμμα αποσκοπεί στην ανάπτυξη ραδιο-επισημασμένων αναστολέων κινάσης τυροσίνης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν έναντι της οικογένειας υποδοχέων του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα (Erb B) και συγκεκριμένα του EGFR.
Ο EGFR υπερεκφράζεται σε πολλά είδη κακοηθειών και συμμετέχει σε πολλά σηματοδοτικά μονοπάτια ρυθμίζοντας διάφορες κυτταρικές λειτουργίες που συνδέονται με καρκινογένεση, μετάσταση, ανεξέλεγκτο κυτταρικό πολλαπλασιασμό και αντίσταση σε διάφορες μορφές θεραπείας. Η επισήμανση αναστολέων του υποδοχέα αποτελεί ένα από τα ενδιαφέροντα ζητήματα της Ραδιοφαρμακευτικής Χημείας, το οποίο θα συμβάλλει στην έγκαιρη και έγκυρη διάγνωση καρκινικών όγκων που υπερεκφράζουν τον EGFR και τις μεταστάσεις του, στην παρακολούθηση της απόκρισης του ασθενή στην προτεινόμενη θεραπεία αλλά και στο προσδιορισμό της κατάλληλης θεραπείας.
Στο πλαίσιο αυτό, η διατριβή περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την ανάπτυξη επισημασμένων αναστολέων του EGFR με ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται στη πυρηνική ιατρική για διάγνωση και θεραπεία. Οι αναστολείς αυτοί, φέρουν στη δομή τους ανάλογα της 4–ανιλινοκιναζολίνης ή και άλλους πυρήνες που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη Φαρμακευτική Χημεία. Τα νέα ανάλογα αξιολογούνται ως πιθανά ραδιοφάρμακα μέσω in vitro μελετών, μελετών σταθερότητας και λιποφιλικότητας καθώς και in vivo μελετών φαρμακοκινητικής ή/και απεικόνισης σε πειραματόζωα.
Οι αστικές περιοχές με υψηλή πληθυσμιακή πυκνότητα αποτελούν σημαντικά πεδία έρευνας για την έκθεση των πολιτών σε περιβαλλοντικούς παθογόνους παράγοντες και συγκεκριμένα σε ατμοσφαιρικούς ρύπους. Για την αξιολόγηση των κινδύνων και των επιπτώσεων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και τον σχεδιασμό πολιτικών ελέγχου, είναι απαραίτητο να ποσοτικοποιηθεί με ακρίβεια καθημερινή έκθεση των πολιτών. Αντικείμενοτης παρούσας διατριβής είναι η εκτίμηση της έκθεσης του αστικού πληθυσμού σε τμοσφαιρικούς ρύπους υπολογίζοντας την προσωπική έκθεση του κάθε ατόμου, σε συνδυασμό με την τοποθεσία, τη δραστηριότητα και την ατμοσφαιρική ρύπανση σε διάφορα μικροπεριβάλλοντα που κινείται ο κάθε εθελοντής, χρησιμοποιώντας νέους, χαμηλού κόστους, στατικούς και φορητούς αισθητήρες. Η πειραματική διαδικασία είναι ένας συνδυασμός παρακολούθησης προσωπικών αλλά και στατικών αισθητήρων υψηλής τεχνολογικής αξίας αλλά παράλληλα χαμηλού οικονομικού κόστους. Η διατριβή στοχεύει στη δημιουργία μια μεθοδολογίας δειγματοληψίας υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης με σκοπό την ακριβή εκτίμηση της πληθυσμιακής έκθεσης στην αέρια ρύπανση μέσω του υπολογισμού της προσωπικής έκθεσης, δημιουργώντας ένα δίκτυο τεχνολογικά αναβαθμισμένων, χαμηλού κόστους, φορητών και στατικών, αισθητήρων συνεχής παρακολούθησης της έκθεσης, σε συνδυασμό με ποιοτικά στοιχεία που θα ληφθούν μέσω ερωτηματολογίων. Η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού μοντέλου πρόβλεψης βασισμένο σε άμεσες μετρήσεις έκθεσης πραγματικού χρόνου, το οποίο θα αξιολογεί τον κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία συναρτήσει μεταβαλλόμενων συνθηκών, όπως κοινωνικοοικονομικές παράμετροι, παράμετροι υγείας κλπ. αποτελεί το κυρίως ερευνητικό αποτέλεσμα της διατριβής. Το παραπάνω μοντέλο/εργαλείο θα αποτελέσει ένα σύστημα υποστήριξης αποφάσεων για τους αρμόδιους φορείς χάραξης πολιτικής ως προς την ανάπτυξη στρατηγικών με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα. Αυτό θα οφείλεται στο γεγονός ότι θα διαθέτουν έγκυρες διαδικασίες εκτίμησης της έκθεσης των πολιτών από την αέρια ρύπανση και των επιπτώσεων της στην υγεία. Μακροπρόθεσμη προοπτική των αποτελεσμάτων της διατριβής αποτελεί η προώθηση της ερευνητικής μεθοδολογίας που θα ακολουθείται σε μελέτες ολοκληρωμένης εκτίμησης της πληθυσμιακής έκθεσης σε μεγάλα αστικά κέντρα.
Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η μελέτη της παρουσίας και της περιβαλλοντικής τύχης των χλωριωμένων αλκανίων μικρής αλυσίδας (SCCPs), τα οποία έχουν τα χαρακτηριστικά των έμμονων οργανικών ρύπων (POPs), στο αστικό περιβάλλον. Οι ενώσεις αυτές έχουν ευρεία βιομηχανική χρήση ως πρόσθετα κατά την επεξεργασία μετάλλων, ως πλαστικοποιητές, στο καουτσούκ, σε χρώματα και άλλα, ενώ η παραγωγή τους αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια. Κατά την παραγωγή και τη χρήση τους ελευθερώνονται στο περιβάλλον και κατανέμονται στα διάφορα περιβαλλοντικά διαμερίσματα. Έρευνες δείχνουν ότι τα SCCPs είναι τοξικές ενώσεις και έχουν μακροπρόθεσμα καρκινογόνο δράση. Επιπλέον, τα SCCPs πληρούν τα κριτήρια για το χαρακτηρισμό τους ως POPs, για τη δυνατότητα πρόκλησης δυσμενών επιπτώσεων στους οργανισμούς, τη συσσώρευση τους σε αυτούς και τη μεταφορά τους σε μεγάλες αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα της συμπεριφοράς αυτής τα SCCPs ανιχνεύονται στην ατμόσφαιρα, στο υδάτινο περιβάλλον και σε οργανισμούς, ακόμη και σε απομακρυσμένες περιοχές, όπως η Αρκτική και η Ανταρκτική. Επιπλέον, έρευνες δείχνουν ότι τα SCCPs είναι τοξικές ενώσεις και έχουν μακροπρόθεσμα καρκινογόνο δράση. Η επικινδυνότητά τους οδήγησε την ΕΕ να τα συμπεριλάβει στους ρύπους προτεραιότητας για τα νερά. Επίσης, οι ενώσεις αυτές χαρακτηρίζονται ως επιβλαβείς για το θαλάσσιο περιβάλλον. Ακόμη, ο Οργανισμός Προστασίας Περιβάλλοντος (ΕΡΑ) τα χαρακτηρίζει ως τοξικές ενώσεις για τους υδρόβιους οργανισμούς. O αριθμός των ερευνών σχετικά με τα επίπεδα και την περιβαλλοντική τύχη των SCCPs στην Ευρώπη είναι περιορισμένος. Σε ότι αφορά την Ελλάδα δεν υπάρχει κανένα στοιχείο για τις ενώσεις αυτές. Στο πλαίσιο της μελέτης αυτής, θα προσδιοριστούν τα SCCPs στην ατμόσφαιρα της Αθήνας, ώστε να προσδιοριστούν οι περιβαλλοντικές συγκεντρώσεις, να διερευνηθούν οι πιθανές πηγές ρύπανσης και να αξιολογηθεί η έκθεση στους ρύπους αυτούς.
Η διδακτορική διατριβή της κας Ιωάννας Κορομηλά έχει ως βασικό σκοπό την πρόταση μιας νέας μεθόδου εκτίμησης διακινδύνευσης πυρκαγιάς, με βάση τις αρχές ποσοτικής διακινδύνευσης (ευρέως γνωστή ως QRA) όπως αυτές ορίζονται στα πλαίσια εναλλακτικής σχεδίασης του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού ΙΜΟ. Η μέθοδος αυτή θα υποστηρίζει τον σχεδιασμό επιβατηγών πλοίων, παρέχοντας φυσικά τη δυνατότητα μελλοντικής εφαρμογής της και σε άλλους τύπους πλοίων. Το προτεινόμενο μοντέλο θα υποστηρίζει την σύγκριση μεταξύ διαφορετικών εναλλακτικών σχεδιαστικών λύσεων, προσδιορίζοντας με μία τιμή το επίπεδο ασφάλειας, ώστε να υποβοηθήσει στη διαδικασία λήψης αποφάσεων. Πιο συγκεκριμένα θα αναπτυχθεί τόσο το εννοιολογικό όσο και το μαθηματικό πλαίσιο για τον υπολογισμό της διακινδύνευσης πυρκαγιάς, καθώς επίσης θα αναδειχθεί η χρησιμότητα των προηγμένων εργαλείων προσομοίωσης πυρκαγιάς και εκκένωσης (συμπεριλαμβανομένων του Fire Dynamics Simulator και PathFinder). Το μαθηματικό μοντέλο θα χρησιμοποιηθεί για την επίδειξη της μεθόδου σε μέρος κρουαζιερόπλοιου.
Η διδακτορική διατριβή της κας. Κορομηλά διεξάγεται στη Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και εποπτεύεται από τον καθηγητή Κ. Σπύρου, τη Δρ. Ζωή Νικολιανίτη και τον καθηγητή Γ. Αθανασούλη.
Μερικές από τις σημαντικότερες προκλήσεις στον τομέα της ανάλυσης αντιδραστήρων Monte-Carlo (MC) είναι η ενσωμάτωση της θερμοϋδραυλικής ανάδρασης, η επέκταση της μεθόδου στη μελέτη των χρονοεξαρτώμενων φαινομένων και η επιτάχυνση της σύγκλισης του αλγορίθμου MC για την ανάλυση της κρισιμότητας του αντιδραστήρα. Αυτή η διατριβή προσπαθεί να ανταποκριθεί σε αυτές τις τρεις προκλήσεις προτείνοντας αλγορίθμους που μπορούν να αντιμετωπίσουν τα σχετικά προβλήματα.
Ως πρώτο βήμα, αυτή η εργασία διερευνά την εισαγωγή της Θερμο-Υδραυλικής (Θ-Υ) ανατροφοδότησης στο στατικό Monte-Carlo. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα «σειριακό» σχήμα ζεύξης, που αντιστοιχεί στη διαδοχική εκτέλεση των πεπλεγμένων λύσεων, για να παρέχει αποτελέσματα αναφοράς. Στη συνέχεια, αυτή η εργασία προτείνει τη χρήση ενός προσεγγιστικού αλγορίθμου ζεύξης Newton. Το κίνητρο για αυτήν την προσέγγιση είναι το ενδιαφέρον για έναν αλγόριθμο που μπορεί να διατηρήσει τη διακριτή αντιμετώπιση των εμπλεκόμενων φυσικών διεργασιών μέσα σε ένα στενό πλαίσιο σύζευξης. Αυτή η εργασία διερευνά τη συμπεριφορά της προτεινόμενης μεθόδου όταν ο ανοιχτός νετρονικός στοχαστικός κώδικας OpenMC είναι συνδεδεμένος με τον Θ-Υ κώδικα COBRA-EN. Η απόδοση και η ακρίβεια του προτεινόμενου σχήματος ζεύξης αξιολογούνται και συγκρίνονται με αυτά του παραδοσιακού σειριακού επαναληπτικού σχήματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια σημαντική αριθμητική βελτίωση που οδηγεί σε πιο ακριβή αποτελέσματα.
Κατά δεύτερον, αυτή η διατριβή διερευνά την ανάπτυξη ενός δυναμικού υποπρογράμματος Monte-Carlo στο OpenMC για την ανάλυση χρονοεξαρτώμενων φαινομένων. Μια απλή φυσική αντιμετώπιση ενός χρονοεξαρτώμενου προβλήματος απαιτεί την αξιολόγηση της χρονικής εξέλιξης των προσομοιούμενων νετρονίων, η οποία δεν υπάρχει στο στατικό Monte-Carlo. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αρκετό. Για την σωστή ανάλυση χρονοεξαρτώμενων φαινομένων, απαιτείται προσομοίωση καθυστερημένων νετρονίων και άλλες απαραίτητες επεκτάσεις και τροποποιήσεις. Η επιλεγμένη μέθοδος έχει προταθεί πρόσφατα στη βιβλιογραφία και εισάγεται εδώ στο OpenMC ακολουθώντας τις δυνατότητες του κώδικα. Ως εκ τούτου, μια επιπλέον πρόκληση που αντιμετωπίζει αυτή η εργασία είναι η επιθυμία για βέλτιστη ενσωμάτωση στο OpenMC, ελαχιστοποιώντας τις απαραίτητες τροποποιήσεις και μεγιστοποιώντας το πλεονέκτημα που προκύπτει από τις υπάρχουσες δυνατότητές του. Επιπλέον, διερευνάται η προσθήκη δυναμικής Θ-Υ ανατροφοδότησης. Παρουσιάζονται και συζητούνται τα βασικά σημεία του ανεπτυγμένου προσομοιωτή, καθώς και τα αποτελέσματα της ανάλυσης διαφόρων αριθμητικών πειραμάτων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την επιτυχή ανάπτυξη του δυναμικού υποπρογράμματος Monte-Carlo, επισημαίνοντας την ικανότητά του να αναλύει αποτελεσματικά διάφορα μεταβατικά φαινόμενα στον πυρήνα αντιδραστήρα.
Τέλος, παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος επιτάχυνσης της σύγκλισης του κλασικού Source Iteration του Μόντε Κάρλο (SI). Ενώ το κλασσικό SI εγγυάται τη σύγκλιση στη θεμελιώδη ιδιοτιμή, πολύ συχνά η σύγκλιση είναι αργή. Σε αυτή τη διατριβή, μια εναλλακτική έκδοση του παραδοσιακού αλγορίθμου Monte-Carlo SI διατυπώνεται, αναπτύσσεται και αναλύεται για να επιταχύνει αριθμητικά την ανάλυση κρισιμότητας Monte-Carlo. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος Newton Krylov χωρίς υπολογισμό του Ιακωβιανού (Jacobian) υιοθετείται στο πλαίσιο Monte-Carlo k-eigenvalue για να επιταχυνθεί η σύγκλιση. Η μέθοδος αξιολογείται σε τρεις περιπτώσεις δοκιμών που δείχνουν καλύτερη απόδοση από την παραδοσιακή τεχνική επιτάχυνσης Coarse-Mesh Finite-Difference.
Η ανάγκη λεπτομερούς προσομοίωσης ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, ειδικά στις περιπτώσεις διατάξεων με περίπλοκη γεωμετρία και σύσταση καυσίμου, επέβαλε την ολοένα και αυξανόμενη χρήση των νετρονικών κωδίκων MonteCarlo. Εκτός αυτού, απαιτούνται επιπλέον εγγενείς δυνατότητες στους στοχαστικούς κώδικες που αφορούν κυρίως σε προσομοιώσεις της χρονικής μεταβολής της ισοτοπικής σύστασης του καυσίμου σε συνδυασμό με την ενσωμάτωση της θερμοϋδραυλικής ανάδρασης. Επιπροσθέτως, ο σχεδιασμός καινοτόμων σχεδίων πυρηνικών αντιδραστήρων, όπως των Αντιδραστήρων Οδηγούμενων από Επιταχυντή (ΑΟΕ), δημιούργησε πρόσθετες απαιτήσεις στις δυνατότητες των κωδίκων προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα, ο συνδυασμός επιταχυντή και πυρηνικού αντιδραστήρα στους ΑΟΕ, απαιτεί την προσομοίωση αμφότερων των υποσυστημάτων για την ολοκληρωμένη ανάλυση του συστήματος. Επομένως, ανακύπτει η ανάγκη για εξελιγμένα εργαλεία προσομοίωσης τα οποία θα είναι ικανά να καλύψουν το ευρύ ενεργειακό φάσμα των νετρονίων που παρατηρείται στα προαναφερθέντα συστήματα. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά και οι δυνατότητες του νέου στοχαστικού νετρονικού κώδικα ANET (Advanced Neutronics with Evolution and Thermal hydraulic feedback) ο οποίος αναπτύχθηκε με εγγενείς δυνατότητες: α) την αξιοπιστία στην προσομοίωση ορισμένων παραμέτρων του αντιδραστήρα (κρισιμότητα του αντιδραστήρα, κατανομή νετρονικής ροής και ρυθμού σχάσης νετρονίων) που είναι σημαντικές για την ασφάλεια, β) τον εσωτερικό υπολογισμό της χρονικής εξέλιξης της ισοτοπικής σύνθεσης και εξάντλησης του καυσίμου και γ) τη βελτίωση της προσομοίωσης ΑΟΕ ενώ έχει σχεδιασθεί να λαμβάνει υπ’ όψιν θερμοϋδραυλική ανάδραση. Η ικανότητα του ANET να προσομοιώνει συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες έχει καταδειχθεί χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα καθώς και αποτελέσματα προσομοιώσεων επαλήθευσης με τη χρήση καθιερωμένων στοχαστικών νετρονικών κωδίκων. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από συγκρίσεις με πειραματικές μετρήσεις ή προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας άλλους στοχαστικούς ή ντετερμινιστικούς νετρονικούς κώδικες, δείχνουν ότι ο ANET έχει τη δυνατότητα να υπολογίζει σωστά σημαντικές παραμέτρους κρίσιμων ή υποκρίσιμων συστημάτων. Επιπλέον, η προκαταρκτική εφαρμογή του ANET σε προβλήματα υπολογισμού εξάντλησης καυσίμου παρέχει ενθαρρυντικά αποτελέσματα, εάν ληφθούν υπ’ όψιν οι αβεβαιότητες που παραδοσιακά αναμένονται σε υπολογισμούς εκτίμησης της σύστασης καυσίμου. Τέλος, τα αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά την ανάλυση ενός λειτουργούντος ΑΟΕ αποδεικνύουν ότι ο ANET είναι σε θέση να αναλύσει επιτυχώς έναν ΑΟΕ πληρώντας έτσι τις προϋποθέσεις ενός εξελιγμένου στοχαστικού νετρονικού κώδικα με πεδίο εφαρμογής τους συμβατικούς αλλά και καινοτόμους πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης.
This project aims to develop novel tools for energy disaggregation and monitoring of device health status. These tools will perform analysis of complex energy load time-series using real-time pattern recognition/matchmaking and hardware accelerated algorithms, and will transmit the recognised events to a main server.
During its first 20 months, the project has successfully achieved the milestones set in the proposal. Following the initial training of the Fellow -also involving the review of cutting edge methodologies and current trends-, a prototype was developed for High frequency sampling of energy data. Deployment of the prototype to a commercial building has so far provided over 1Tb of energy consumption and ground truth data.
Publications:
1. Kotsilitis S., Marcoulaki E., Kalligeros E., Mousmoulas Y., 2018. Energy efficiency and predictive maintenance applications using smart energy measuring devices. In S. Haugen, A. Barros, C. van Gulijk, T. Kongsvik & J.E. Vinnem (eds.) “Safety and Reliability – Safe Societies in a Changing World”, CRC Press, ISBN 978-0-8153-8682, pp. 987-994, https://www.taylorfrancis.com/books/9781351174657
2. Kotsilitis S., Marcoulaki E., Kalligeros E. & Mousmoulas Y., 2018. Distributed edge computing paradigm with dedicated devices for energy efficiency and predictive maintenance applications. In “Industrial Internet of Things and Smart Manufacturing”, Springer Series on Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies (NDECT), in press (ISBN: 978-1-912532-06-3)
3. Kotsilitis S., Marcoulaki E., Kalligeros E., 2019. High Frequency Energy Disaggregation Sampling and Analysis towards Predictive Maintenance Applications. In M. Beer & E. Zio (eds.) “Proceedings of the 29th European Safety and Reliability Conference”, Research Publishing, Singapore, pp. 1214-1222, ISBN: 978-981-11-2724-3; https://doi.org/10.3850/978-981-11-2724-3.
Hellenic Seawaters, with the Aegean Archipelago consisting their center, form one of the most important maritime links of the Mediterranean Sea. At the same time, they are also characterized by an extremely rich and unique marine environment with a large coastline, thousands of islands and intense activity of ships. The coexistence of so many important countries around the Mediterranean along with the geomorphology of their coasts has resulted in increased maritime traffic through specific routes in the Aegean Sea.
These routes represent a unique example of an area where a serious marine accident with high environmental impact may happen. Hence, the need to reduce the possibility of maritime accidents in the Aegean is of vital importance, as a possible accident would affect all the social, economic, environmental and cultural sectors of Greece and the wider region of the Eastern Mediterranean basin. There is therefore a pressing need to identify ships with a potentially high accident risk crossing the Aegean Sea by developing a suitable model and highlighting areas with increased environmental risk in the area.
The current PhD thesis stems from the above-mentioned need and its goal is the monitoring and reduction of ecological risk in Greek national waters and especially in the Aegean Sea, due to a marine accident. The probability of a vessel accident occurrence is due to internal (vessel) parameters (age and kind of the vessel etc), and external (dynamical) parameters (weather etc). The former present a static character because they cannot change during the travel of a vessel. Instead the latter have a dynamic character because they continuously change. Another important aspect of the current research is the development of a consequences model which will refer to the estimated cleanup cost after a certain accident occurs. The model developed is based on Bayesian Networks and Fuzzy Logic.
Η θερμοπυρηνική σύντηξη προσφέρει τη δυνατότητα για ασφαλή, άφθονη, καθαρή και βιώσιμη πηγή ενέργειας με τη χρήση μικρών ποσοτήτων καυσίμου (ισοτόπων του υδρογόνου). Οι υψηλές τιμές της θερμοκρασίας αλλά και οι υψηλές ροές νετρονίων και άλλων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που επικρατούν κατά την λειτουργία μιας διάταξης μαγνητικής συγκράτησης του πλάσματος (Tokamak) καθιστούν απαραίτητη την χρήση υλικών που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και στην ακτινοβολία. Το βολφράμιο (W) είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα των αντιδραστήρων σύντηξης, λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής συγκράτησης τριτίου και της ανθεκτικότητας σε θερμικές καταπονήσεις. Ωστόσο, το βολφράμιο πάσχει από ψαθυρή συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της σχετικά υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης από την ολκιμότητα στην ψαθυρότητα (DBTT) που κυμαίνεται μεταξύ 400 και 700 Κ, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη χρηστικότητά του.
Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Βασίλη Χατζίκου είναι η μελέτη των προϊόντων μεταστοιχείωσης του βολφραμίου καθώς και των ατελειών ανοιχτού όγκου που δημιουργούνται σε αυτό συναρτήσει της θερμοκρασίας ακτινοβόλησης, της δόσης ακτινοβολίας των νετρονίων αλλά και της μικροδομής του βολφραμίου. Για την επίτευξη της έρευνας αυτής χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της γ-φασματοσκοπίας και της φασματοσκοπίας εξαΰλωσης ποζιτρονίων.
Τρεις τύποι βολφραμίου είναι υπό μελέτη α) μονοκρυσταλλικό βολφράμιο W(100), β) έντονα παραμορφωμένο φύλλο βολφραμίου με ψυχρή έλαση και γ) διπλά σφυρηλατημένο βολφράμιο σε μορφή τετράγωνης ράβδου (ITER grade). Τα υλικά αυτά έχουν ακτινοβοληθεί στον ερευνητικό αντιδραστήρα BR2 στο Βέλγιο, σε τέσσερεις θερμοκρασίες (600, 800, 900 και 1200 °C) και σε δόσεις ακτινοβόλησης που αντιστοιχούν σε 0.1, 0.18, 0.5 και 0.75 displacements per atom (dpa).
Τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων γ-φασματοσκοπίας σε δείγματα του βολφραμίου οδηγούν στην ταυτοποίηση αλλά και τον προσδιορισμό των ραδιενεργών ισοτόπων του Βολφραμίου, του Ρηνίου και του Τανταλίου σε συνάρτηση με τη δόση ακτινοβόλησης νετρονίων. Μέσω της σύγκρισης των πειραματικών τιμών με θεωρητικούς υπολογισμούς, χρησιμοποιώντας τον κώδικα μεταφοράς νετρονίων MCNP και των κώδικα προσομοίωσης παραγωγής ραδιοϊσοτόπων FISPACT-II, επιτυγχάνεται η ποσοτικοποίηση των προϊόντων μεταστοιχείωσης στο ακτινοβολημένο βολφράμιο.
Με την τεχνική της φασματοσκοπίας εξαΰλωσης ποζιτρονίων (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy – PALS) προσδιορίζονται η εξέλιξη του τύπου των ατελειών ανοιχτού όγκου (κενοπλεγματικά, εξαρθρώσεις και συμπλέγματα αυτών) καθώς και οι σχετικές τους συγκεντρώσεις συναρτήσει της θερμοκρασίας ακτινοβόλησης και της δόσης. Επιπλέον, η εξέλιξη των ατελειών ανοιχτού όγκου θα συσχετιστεί με τα προϊόντα μεταστοιχείωσης.
Η κατανόηση των επιδράσεων της ακτινοβολίας ενεργετικών ιόντων και νετρονίων σε ατσάλια παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον ενώ επιπλέον έχει πολύ σημαντικές τεχνολογικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας μέσω σύντηξης. Αυτές οι δύο πτυχές είναι αλληλένδετες, καθώς η βασική κατανόηση των φαινομένων θα προωθήσει την ανάπτυξη υλικών ανθεκτικών στην ακτινοβολία, απαραίτητα για την υλοποίηση των διεθνών σχεδίων για την κατασκευή αντιδραστήρα σύντηξης μέσα στα επόμενα είκοσι χρόνια.
Τα φερριτικά-μαρτενσιτικά ατσάλια βασισμένα σε κράματα Fe-Cr είναι υποψήφια δομικά υλικά των μελλοντικών μονάδων παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης. Αυτά τα υλικά θα εκτίθενται σε εξαιρετικά υψηλές ροές νετρονίων και σε υψηλές θερμοκρασίες.
H ακτινοβόληση με ιόντα του ίδου στοιχείου του υλικού προσομοιώνει τις ατέλειες που δημιουργούνται με ακτινοβόληση με νετρόνια, διότι οι σημαντικότερες βλάβες προκύπτουν από τη δημιουρία πρωταρχικά ανακρουόμενων ατόμων (PKA) στο υλικό, στα οποία τα νετρόνια μεταφέρουν την ενέργειά τους.
Η αποσύνθεση που λαμβάνει χώρα στα κράματα FeCr κατά τη θερμική γήρανση συμβαίνει συνήθως στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 773 και 813 Κ, όπου η θερμική διάχυση είναι επαρκής για να οδηγήσει σε αυτήν. Κατά την ακτινοβόληση, τάξη μικρής εμβέλειας ή αποσύνθεση μπορούν να παρατηρηθούν ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, επειδή ο υπερκορεσμός των σημειακών ατελειών επιταχύνει τις διαδικασίες διάχυσης, δηλαδή τον διαχωρισμό που προκαλείται από την ακτινοβολία (radiation induced segregation, RIS). RIS είναι η διαδικασία με την οποία η σύσταση ενός κράματος μεταβάλλεται λόγω της προτιμητέας συμμετοχής κάποιων στοιχείων σε ροή προς παγίδες μαζί με τις κενές πλεγματικές θέσεις (vacancies) και/ή τα άτομα σε ενδοπλεγματικές θέσεις (interstitial atoms).
Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της ακτινοβόλησης με ιόντα σιδήρου στις ιδιότητες υμενίων Fe-Cr συναρτήσει της συγκέντρωσης Cr, της δόσης και θερμοκρασίας ακτινοβόλησης, του ρυθμού βλάβης και της ενέργειας των ιόντων του σιδήρου. Η μελέτη θα επικεντρωθεί στον προσδιορισμό των συνθηκών ισορροπίας που αντανακλώνται στην περιεκτικότητα του διαλυμένου Cr στη μήτρα του υλικού μετά την ακτινοβόληση. Επίσης, τα παρατηρούμενα φαινόμενα θα συσχετιστούν με τη μηχανική συμπεριφορά των ακτινοβολημένων υμενίων FeCr.
Οι υψηλές τιμές της θερμοκρασίας αλλά και οι υψηλές ροές νετρονίων και άλλων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που επικρατούν κατά την λειτουργία μιας διάταξης μαγνητικής συγκράτησης του πλάσματος (Tokamak) καθιστούν απαραίτητη την χρήση υλικών που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και στην ακτινοβολία. Το βολφράμιο είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα ενός αντιδραστήρα σύντηξης, λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής συγκράτησης τριτίου και της ανθεκτικότητας σε θερμικές καταπονήσεις. Ωστόσο, το βολφράμιο πάσχει από ψαθυρή συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της σχετικά υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης από την ολκιμότητα στην ψαθυρότητα, περιορίζοντας την εκμετάλλευσή του.
Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Δημήτρη Παπαδάκη αποτελεί η μελέτη της ανόπτησης σε υλικά βολφραμίου ακτινοβολημένα με νετρόνια σε αντιδραστήρα σχάσης.
Επιλεγμένα ακτινοβολημένα με νετρόνια υλικά βολφραμίου θα ανoπτηθούν σε εύρος θερμοκρασιών 600 – 1500 oC με στόχο τη μελέτη επαναφοράς των ιδιοτήτων του βολφραμίου στην κατάσταση πριν την ακτινοβόληση. Η ακτινοβολία με νετρόνια έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ατελειών στο υλικά. Με την τεχνική της φασματοσκοπίας εξαϋλωσης ποζιτρονίων (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) θα προσδιοριστεί το είδος και το ποσοστό των ατελειών ανοιχτού όγκου. Παράλληλα, μέσω οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM), καθώς και περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ (XRD), θα προσδιοριστούν οι μεταβολές στη δομή των υλικών κατά την ανόπτηση και την ακτινοβόληση.
Η ανόπτηση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μεταβάλει τη δομή των υλικών μέσω μηχανισμών διάχυσης και αλληλεπίδρασης των ατελειών στο κρυσταλλικό πλέγμα, ή ακόμα και μέσα της επανακρυστάλλωσης. Οι δομικές αλλαγές αυτές έχουν ως αποτέλεσμα τη μεταβολή των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών. Με διάφορες τεχνικές προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων (Indentation, Impulse Excitation), αλλά και ηλεκτρικών ιδιοτήτων (αντίσταση συνεχούς τάσης), θα γίνει συσχέτιση των δομικών μεταβολών με τις μεταβολές στις φυσικές ιδιότητες του υλικού.
Η διδακτορική διατριβή θα υποστηριχθεί στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.
Σκοπός της εργασίας είναι την πειραματική μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατελειών που δημιουργούνται κατά την ακτινοβόληση και προσμίξεων σε φερριτικά κράματα με βάση το Fe-Cr. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με θεωρητικές προβλέψεις με σκοπό την επιβεβαίωση των σχετικών θεωρητικών μοντέλων.
Τα φερριτικά κράματα Fe-Cr αποτελούν τα κύρια δομικά υλικά που προβλέπεται να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης. Οι επιθυμητές ιδιότητες των κραμάτων αυτών (μηχανικές, θερμικές) καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από διάφορες επιπλέον προσμίξεις, όπως για παράδειγμα ο άνθρακας (C) και το άζωτο (Ν), οι οποίες βρίσκονται μεν σε μικρή συγκέντρωση, παίζουν όμως σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της μικροδομής των κραμάτων. Κατά την ακτινοβόληση η μετατόπιση ατόμων από τις κρυσταλλικές τους θέσεις λόγω κρούσεων με τα ενεργητικά σωματίδια οδηγεί στην εμφάνιση ατελειών, όπως πλεγματικών κενών και ενδοπλεγματικών ατόμων, οι οποίες κατά την διάχυσή τους μέσα στο πλέγμα αλληλεπιδρούν με τις προσμίξεις του κράματος και οδηγούν έτσι σε αλλαγές στη μικροδομή και στις μακροσκοπικές ιδιότητες.
Για την πειραματική μελέτη αυτών των φαινομένων δείγματα κραμάτων ακτινοβολούνται στον επιταχυντή TANDEM του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» στη διάταξη IR2 με ταχέα πρωτόνια. Οι ακτινοβολήσεις διεξάγονται σε κρυογενική θερμοκρασία ώστε οι παραγόμενες ατέλειες να είναι αρχικά ακίνητες. Στη συνέχεια, με σταδιακή και ελεγχόμενη αναθέρμανση του δείγματος, επιτρέπεται η θερμική διάχυση των ατελειών και η μελέτη της αλληλεπίδρασής τους με τις διάφορες προσμίξεις. Η παρατήρηση των ατελειών από την ακτινοβόληση γίνεται με μετρήσεις in-situ της ηλεκτρικής αντίστασης των κραμάτων ενώ η αλληλεπίδραση με τις προσμίξεις εξάγεται από τη συγκριτική μελέτη κραμάτων με διαφορετική συγκέντρωση προσμίξεων.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ του πλάσματος και των τοιχωμάτων που το περιβάλλει αποτελεί μείζον ζήτημα για την ασφαλή λειτουργία των αντιδραστήρων σύντηξης. To βηρύλλιο (Be) είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα του ITER και μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης με μαγνητική συγκράκτηση πλάσματος. To βηρύλλιο λόγω του χαμηλού ατομικού αριθμού δεν διαταράσσει την ευστάθεια του πλάσματος και παρουσιάζει χαμηλή παρακράτηση καυσίμου, γεγονός σημαντικό τόσο για τον χρόνο ζωής του τοιχώματος όσο και για τη διατήρηση του καυσίμου.
Επίσης, το βηρύλλιο συγκρατεί το οξυγόνο με αποτέλεσμα την μείωσή του εντός του Tokamak. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Παύλου Τσαβαλά είναι η μελέτη των εσωτερικών τοιχωμάτων του κύριου θαλάμου του JET Tokamak μετά την έκθεσή τους στο πλάσμα με σκοπό να προσδιορισθεί η διάβρωση, η παρακράτηση καυσίμου και η εναπόθεση υλικού από άλλες περιχές του tokamak. Για την επίτευξη της έρευνας αυτής χρησιμοποιούνται οι εξής μέθοδοι:
Ο κ. Αχιλλέας Κρίκας θα πρέπει να αναπτύξει ένα in-silico σύστημα που θα επιτρέπει την εις βάθος μελέτη αγγειακών παθήσεων, ενώ θα πρέπει να επιδιωχθεί η σύγκριση με υπάρχων in-vitro και in-vivo πειράματα ώστε να διασφαλιστεί η εγκυρότητά του. Το εργαλείο μοντελοποίησης θα ενσωματώσει διάφορα υπολογιστικά πακέτα που θα αφορούν την προσομοίωση και την ανάλυση της πορείας των σωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα, ο κύριος σκοπός θα είναι η μελέτη της διασποράς των σωματιδίων στο αίμα, η προσκόλληση των σωματιδίων στο ενδοθήλιο και η διάχυση των σωματιδίων στο αρτηριακό τοίχωμα.
