Wetenschappen

Doctoraten 2023

Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

Plasma catalysis: Study of CO2 reforming of CH4 in a DBD reactor - Jinxin Wang (09/02/2023)

Jinxin Wang

  • 09/02/2023
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.03
  • Promotoren: Vera Meynen & Annemie Bogaerts
  • Departement Chemie


Abstract

The plasma-based dry reforming in a dielectric barrier discharge (DBD) reactor is important to achieve sustainable goals, but many challenges remain. For example, the conversion and energy yield of DBD reactors are relatively low, and the catalysts or packing materials used in existing studies cannot improve them, possibly due to the unsuitable properties and structures of catalysts or packing materials for plasma processes.

In order to study the effect of catalyst structure on plasma-based dry reforming, a controllable synthesis of the catalyst supports or templates was explored. In Chapter 2, an initially immiscible synthesis method was proposed to synthesize uniform silica spheres, which can replace the organic solvent-based Stöber method to successfully synthesize silica particles with the same size ranges as the original Stöber process without addition of organic solvents. Using the silica spheres as templates, 3D porous Cu and CuO catalysts with different pore sizes were synthesized in Chapter 3 to study the effect of catalyst pore size on the plasma-catalytic dry reforming. In most cases, the smaller the pore size, the higher the conversion of CH4 and CO2 due to the reaction of radicals and ions formed in the plasma. An exception are the samples synthesized from 1 μm silica, which show better performance due to the electric field enhancement for pore sizes close to the Debye length. Besides the pore size, the particle diameter of the catalyst or packing is also one of the important factors affecting the interaction between plasma and catalyst. In Chapter 4, SiO2 spheres (with or without supported metal) were used to study the effect of different support particle sizes on plasma-based dry reforming. We found that a uniform SiO2 packing improves the conversion of plasma-based dry reforming. The conversion of plasma-based dry reforming first increases and then decreases with increasing particle size, due to the balance between the promoting and hindering effect of the particle filling on the plasma discharge. Chapter 5 is to improve the design of the DBD reactor itself, in order to try to increase its low energy yield. Some stainless steel rings were put over the inner electrode rod of the DBD reactor. The presence of rings increases the local electric field, the displaced charges and the discharge fraction, and also makes the discharge more stable and with more uniform intensity. The placement of the rings improves the performance of the reactor at 30 W supplied power.


Test Code: a New Frontier in Code Cloning Research - Brent van Bladel (02/02/2023)

Brent van Bladel

  • 02/02/2023
  • 17.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Promotor: Serge Demeyer
  • Departement Informatica


Abstract

Omdat software steeds belangrijker wordt in ons leven, moeten we een hoge kwaliteit van code nastreven. Dit wordt typisch gedaan aan de hand van softwaretesten, waarbij aanvullende "testcode" wordt geschreven met als doel fouten in de originele code, of "productiecode", te vinden. Aangezien testcode de verantwoordelijkheid heeft om de kwaliteit van software te garanderen, is het van cruciaal belang dat de testcode zelf ook van hoge kwaliteit is. En ondanks dat de kwaliteit van de testcode vaak synoniem staat met het vermogen om bugs te vinden, is het net zo belangrijk om de leesbaarheid en onderhoudbaarheid van de testcode te waarborgen, zodat agile teams de testcode incrementeel kunnen uitbreiden en onderhouden.

Duplicate code, of een zogenaamde "code clone", kan de leesbaarheid en onderhoudbaarheid van code beïnvloeden. Hoewel code clones reeds uitgebreid onderzocht werden in productiesystemen, is onderzoek naar duplicatie in testcode nog zeer beperkt. Desondanks komen duplicate testen veel voor, aangezien een ontwikkelaar het snelst een nieuwe functie kan testen door een bestaande test te kopiëren, plakken en wijzigen. In dit proefschrift pakken we dit gebrek in de literatuur aan door twee onderzoeksvragen te beantwoorden. Eerst onderzoeken we of de structuur van testcode gebruikt kan worden om semantische code clones te detecteren. Ten tweede onderzoeken we of testcodeduplicatie en duplicatie in productiesystemen afzonderlijk moeten beschouwen. Uiteindelijk tonen we aan dat testcode een rijke bron is voor het bestuderen van code clones en dat verder onderzoek gerechtvaardigd is.


Let's swab with Isala: a multi-faceted exploration of women's microbiome - Sarah Ahannach (24/01/2023)

Sarah Ahannach

  • 24/01/2023
  • 17.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.03
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Sarah Lebeer & Gilbert Donders
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

De gezondheid en veiligheid van vrouwen krijgt de laatste decennia wereldwijd steeds meer aandacht, wat - sommigen misschien zullen zeggen - allang had moeten gebeuren. De wetenschap voorziet helaas nog steeds niet in de behoeften van de samenleving als het gaat om de gezondheid van vrouwen en in het bijzonder vaginale gezondheid. In de afgelopen 40 jaar zijn er bijvoorbeeld geen significante doorbraken gemaakt op het gebied van de behandeling van blaas- en vaginale infecties. Gelukkig is er een groeiende interesse in het wereldwijde microbioomonderzoeksveld en staat het vast dat het vaginale microbioom van groot belang is voor het voorkomen van vaginale ziekten, bevorderen van succesvolle bevruchtingen en ondersteunen van gezonde zwangerschappen. Ondanks het groeiende begrip van het vrouwelijke microbioom en het belang ervan bij ziekten, ontbraken tot op heden grootschalige studies bij gezonde vrouwen en het verband met verschillende leefstijlfactoren. Naast het gezondheidsaspect kunnen microbioomanalyses bovendien ook sporenmateriaal aanleveren om een misdaadgebeurtenis te reconstrueren. Prioriteit geven aan onderzoek naar het vrouwelijk microbioom is daarom niet alleen vanuit wetenschappelijk maar ook vanuit maatschappelijk oogpunt zinvol. Dit doctoraatswerk hoopt bij te gedragen aan onderzoek dat alle vrouwen helpt om de best mogelijke gezondheid en veiligheid te bereiken met geavanceerde microbioomanalyses. Hiertoe werden drie onderzoeksdoelstellingen geformuleerd: (i) het benchmarken van het vrouwelijke microbioom in België en de belangrijkste factoren die de samenstelling ervan beïnvloeden met behulp van citizen science; (ii) tot een beter mechanistisch en ecologisch begrip te komen van de voordelen van vaginale lactobacillen voor de gastvrouw en hun potentieel als pre- en probiotica; en (iii) om microbioomanalyse te bestuderen als een forensisch hulpmiddel voor sporenbewijs in seksuele geweldszaken. Hiervoor werd een citizen science project opgezet over de gezondheid van vrouwen met wetenschappelijke en maatschappelijke doelstellingen, genaamd Isala (https://isala.be). Daarnaast werd ook het GeneDoe dochterproject aangevat dat de toepassing van microbiële vingerafdrukken onderzoekt in verkrachtingszaken. Concluderend draagt dit doctoraatswerk bij aan ons begrip van het vrouwelijk microbioom en hoe citizen science microbioomonderzoek kan vergemakkelijken, de (wetenschappelijke)kennis van de maatschappij verruimt en het taboe op gevoelige onderwerpen kan doorbreken. Het opent nieuwe inzichten en toepassingen naar de innerlijke werking van het vaginale ecosysteem, vitamine-producerende bacteriën en het aanwenden van het microbioom als sporenbewijs in forensisch onderzoek. Dit werk zal de kennis van het vrouwelijke microbioom verbeteren door nieuwe bevindingen te presenteren voor interventiestudies om onderliggende mechanismen te ontrafelen; ontwikkeling van nieuwe biotherapeutica; en ontwerp van nieuwe tools voor diagnostiek en strafrechtelijk onderzoek.



Surface and image-based registration methods with statistical modeling for biomedical applications - Jeroen Van Houtte (19/01/2023)

Jeroen Van Houtte

  • 19/01/2023
  • 15.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Jan Sijbers & Toon Huysmans
  • Departement Fysica


Abstract

Over the past decade, digital data generation and collection has become increasingly important in biomedicine. Surgeons heavily rely on biomedical data for diagnoses, pre-operative planning, follow-up, etc. Learning from large collections of data, such as optical surface scans and images, can help us in automating diagnoses and reducing human subjectivity. The knowledge of shape variability in a large dataset can be a guide for product development for example. Letting a computer “understand” images based on past examples enables computer-assisted robotic surgeries.

This thesis provides data-driven solutions for biomedical problems. On a first level, we present a framework to combine the shape information of different patients into one digital model. On a second level, these digital models serve as prior knowledge for computers to automatically “understand” new data. A crucial step on both, the modeling and the application level, is the anatomical alignment of data. This step, known as “registration”, involves the identification of corresponding points between different data which remains a challenging task to computers.

The manuscript is divided into three parts. Part I provides an introduction to geometry and image processing, X-ray imaging and deep-learning.

Part II presents the contributions of this thesis to (statistical) shape modeling of articulating bodies. Articulating statistical shape models (SSM) describe any individual up to a certain accuracy, while maintaining the possibility to be articulated into different poses. Hence, the acquisition of person-specific 3D models is no longer required. Two different articulating SSM’s have been constructed: a SSM of the human hand for splint design based on low quality 3D-scans, and a SSM of a horse limb for veterinary applications. The ability of SSM’s to describe many individuals also allows it to generate virtual data to train deep-learning models on.

Part III of the thesis focuses on solving a specific registration problem in X-ray imaging. X-ray imaging or radiography is the most common imaging procedure for many orthopedic interventions thanks to its ability to visualize internal structures with a relatively low radiation dose and low acquisition cost. However, interpretation from 2D radiographs can be hampered by overlapping structures, magnification effects and the patient’s positioning. To avoid the difficulties associated with 2D projections, we developed two deep-learning methods, with and without statistical prior, to register a 3D model to a pair of radiographs. The registered model enables a 3D-interpretation, while keeping the benefits of RX over CT, in terms of costs and radiation dose.

Singlet oxygen-based photoelectrocatalysis: from photosensitizer structures to plasmonic enhancement - Shahid Ullah Khan (19/01/2023)

Shahid Ullah Khan

  • 19/01/2023
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Q.002
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Karolien De Wael & Sammy Verbruggen
  • Departement Chemie


Abstract

Singlet moleculaire zuurstof (1O2) heeft voortdurend de belangstelling van onderzoekers getrokken vanwege zijn betrokkenheid bij diverse processen, zoals bij fotodynamische reacties in biologische en chemische systemen. 1O2 is een effectief elektrofiel en krachtig oxidatiemiddel, dat gemakkelijk kan worden gegenereerd door fotosensibilisatie via de belichting van organische kleurstoffen met zichtbaar licht. Zoals beschreven in hoofdstuk 1, heeft 1O2 aan belang gewonnen in diverse toepassingen zoals afvalwaterbehandeling, fotodynamische therapie van kanker, organische synthese, en recent ontwikkelde 1O2-gebaseerde foto-elektrochemische (PEC) detectie van fenolische verbindingen. Fenolische verbindingen zijn een potentiële bron van verontreinigingen die afkomstig zijn uit industriële afvalwaters en afvalproducten van de chemische en farmaceutische industrie. Deze fenolische verbindingen vormen een ernstige bedreiging voor de mens en het waterleven wanneer ze in het milieu terechtkomen. Daarom is het noodzakelijk fotoactieve materialen te ontwikkelen die efficiënt 1O2 genereren en fenolische verbindingen/antibiotica kunnen oxideren. De bestaande 1O2 genererende fotosensibilisatoren (PS) omvatten porfyrines, ftalocyanines (Pcs), subftalocyanines (SubPcs), en andere kleurstoffen zoals derivaten van xantheen (bv. Roosbengaal (RB), BODIPY's en fenothiazinium kleurstoffen (bv. Methyleenblauw) die een langlevende triplet aangeslagen toestand vertonen en kunnen worden gebruikt in 1O2-gebaseerde toepassingen. Dit proefschrift richt zich op de bereiding van efficiënte hybride materialen op basis van nieuw gesynthetiseerde Pcs in combinatie met titaniumdioxide (TiO2) met een verschillend oppervlak en plasmonische gouden nanodeeltjes (AuNPs) voor gebruik in de PEC-detectie van fenolverbindingen.

De focus lag eerst op het ontwikkelen van een snelle amperometrische methode om de foto-elektrokatalytische activiteit van 1O2 producerende PSs opgelost in MeOH te testen op basis van de redoxcyclus van een elektroactieve fenolverbinding, hydrochinon (HQ) (hoofdstuk 2). Deze methode om PS te testen vereist geen accumulatie van het reactieproduct, aangezien het amperometrische signaal zich vrijwel onmiddellijk ontwikkelt onder belichting, wat dynamische monitoring van de activiteit van een PS onder verschillende omstandigheden in één enkel experiment mogelijk maakt. Deze methode was cruciaal om een hoge 1O2 kwantumopbrengst en een lage opbrengst in dezelfde experimentele omstandigheden te meten.

Het volgende doel was het immobiliseren van tert-butyl gesubstitueerd aluminium Pc (t-BuPcAlCl) op de vaste drager, dat een hoog 1O2 kwantumrendement liet zien. Maar voordat Pc op een vaste drager zoals TiO2 wordt geïmmobiliseerd, is het essentieel om het elektronische energieniveau van Pcs te kennen om rekenening te houden de mogelijke elektronenoverdracht van Pcs naar TiO2. Daarom werden in hoofdstuk 3 de (spectro)elektrochemische eigenschappen van t-BuPcAlCl Pc onderzocht. Vervolgens werden in hoofdstuk 4 t-BuPcAlCl Pc en andere tert-butyl gesubstitueerde Pcs met Zn als centraal metaal, t-BuPcZn, en zijn metaalvrije derivaat t-BuPcH2 geïmmobiliseerd op TiO2 met verschillende oppervlakken. De PEC-activiteit van geïmmobiliseerde Pcs op TiO2 ten aanzien van verschillende fenolen en antibiotica werd bestudeerd, en het werkingsmechanisme werd onthuld en vergeleken met het sterisch gehinderde gefluoreerde Pc (F64PcZn).

In het laatste deel van dit proefschrift werden plasmonische AuNPs geïntroduceerd in combinatie met trimethylsilaan-beschermde acetyleen gefunctionaliseerd ZnPc (TMSZnPc) om het synergetische effect te bestuderen dat de totale activiteit voor de detectie van fenolen onder zichtbaar licht verlichting verhoogt (hoofdstuk 5). Het TMSZnPc werd gekoppeld aan AuNPs via een klik-chemische reactie. De 1O2 kwantumopbrengst van TMSZnPc verbeterde aanzienlijk na conjugatie met AuNPs en vervolgens de PEC-activiteit voor de detectie van HQ. Het theoretische en experimentele onderzoek toonde aan dat de plasmonische verbetering van TMSZnPc wordt aangedreven door het nabije veld mechanisme. Dit toont het belang aan van plasmonische AuNPs met andere fotoactieve stoffen voor hun gebruik in op 1O2 gebaseerde toepassingen.

De fundamentele kennis verkregen in deze doctoraatsstudie zal uiteindelijk het inzicht verdiepen in de ontwikkeling van 1O2-gebaseerde PEC-sensoren voor de detectie van fenolverbindingen en farmaceutische producten in de afvalwaterstroom. Alsook,zal het bijdragen tot de keuze van efficiënte materialen en in laatste instantie tot een duurzamere toekomst, met name de toegang tot schoon water voor iedereen.


Advanced imaging techniques for X-ray tomography of rapidly developing biomechanical systems - Joaquim Sanctorum (12/01/2023)

Joaquim Sanctorum


Abstract

De geboorte is de meest kritieke gebeurtenis in de vroege ontogenese van zoogdieren, waar wij als mens ook deel van uitmaken. Helaas komt voor een aanzienlijk percentage van pasgeborenen deze gebeurtenis te vroeg. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) komt premature geboorte (voor 37 weken zwangerschap) voor in 5% tot 18% van jaarlijkse geboortes gemiddeld over 184 landen, wat neerkomt op ongeveer 15 miljoen baby's per jaar.

Recente vooruitgang in de geneeskunde heeft gezorgd voor een drastische toename in de overlevingskansen van premature baby's, maar toch lopen deze een groot risico voor het ontwikkelen van levenslange handicaps. Men schat dat 5% tot 27% van prematuur geboren baby’s motorische handicaps ontwikkelt, waarvan cerebrale parese de meest ernstige is. Tot op heden zijn er geen gevestigde therapieën om deze problemen te behandelen, wat voornamelijk veroorzaakt wordt door het gebrek aan fundamentele kennis over de connectie tussen groeiachterstand bij de geboorte en de verdere ontwikkeling van het kind. EndFragment

Deze fundamentele inzichten kunnen verkregen worden door de ontwikkeling van het bewegingsapparaat beperkingen te onderzoeken gedurende een langere tijdsperiode (longitudinale studie) gebruikmakende van beeldvormingstechnieken met X-stralen. Bewegingspatronen kunnen geanalyseerd worden met X-stralenstereofluoroscopie (XRSF), wat 3D informatie levert over de bewegingen van beenderen en gewrichten. X-stralencomputertomografie (CT), aan de andere kant, geeft structurele informatie over de beenderen en spieren. Herhaalde toepassing van deze X-stralentechnieken en de combinatie van deze datatypes kan essentiële informatie leveren om het bewegingsapparaat longitudinaal te onderzoeken.

Deze technieken moeten strikt vermeden worden in onderzoek gerelateerd aan kinderen, gezien hun schadelijke natuur. Echter, biggen met een laag geboortegewicht zijn fysiologische gezien zeer gelijkaardig aan menselijke baby’s, en zijn daarom een relevant model. Maar, biggen ontwikkelen zeer snel (kwestie van dagen of uren), wat grote belemmeringen met zich meebrengt voor het beoogde onderzoekspad, aangezien XRSF en CT niet beschikbaar zijn in dezelfde faciliteit.

Het werk gepresenteerd in deze thesis mikt op het combineren van XRSF en CT in één opstelling, om zo longitudinale studies over de ontwikkeling van het bewegingsapparaat in snel-ontwikkelende dieren mogelijk te maken. De belangrijkste onderzoeksonderwerpen beschreven in dit manuscript zijn de distorsiecorrectie van de opgenomen beelden, de geometriekalibratie van de modulaire opstelling, een uitgebreid beeldveld in de tomografische reconstructie en het gebruik van beeldfusiemethoden met meervoudige belichting. Deze thesis behandelt dus een breed scala aan problemen die zich kunnen voordoen bij het transformeren van een standaard XRSF opstelling naar een hogesnelheidstomograaf, en kan dienen als handleiding om deze het hoofd te bieden.