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Enregistrement W7115819204

Rapid Model-Based Recipe Design from Limited-Sample Datasets: Experimental Validation in Nanoparticle and Microgel Systems

2025· dissertation· en· W7115819204 sur OpenAlexfundno aff

Notice bibliographique

RevueMacSphere (McMaster University) · 2025
Typedissertation
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueComputational Drug Discovery Methods
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of CanadaCanada Research ChairsMcMaster University
Mots-clésReliability (semiconductor)MulticollinearityMetric (unit)Partial least squares regressionProjection (relational algebra)Latent variableInverseCluster analysisNonlinear system
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

In data-constrained experimental domains such as nanoparticle engineering, microgel synthesis, and pharmaceutical formulation, researchers frequently face the challenge of modeling systems governed by complex and highly nonlinear relationships among variables. These applications often involve limited datasets due to the cost, time, and resource demands of generating new samples, making conventional trial-and-error approaches inefficient. As a result, there is a growing need for data-driven methodologies that can reliably predict product behavior and guide recipe design using minimal experimental input. This thesis presents a series of strategies to enhance prediction accuracy and reliability in small datasets through localized modeling, quantitative model reliability assessment, and guided expansion of the available dataset. The first contribution involves coupling Latent Variable Modeling (LVM) with clustering to create local Partial Least Squares (PLS) models tailored to subsets of similar samples. This combination simplifies the underlying data structure by reducing multicollinearity via projection into latent space and grouping structurally similar data, thereby improving prediction fidelity. The framework was validated using the prediction of the Volume Phase Transition Temperature (VPTT) of dual-responsive microgels—a property influenced by several formulation variables—with results that showed significantly improved prediction accuracy. Building on these advances, the second contribution focuses on the inverse problem of design space identification—determining input configurations that are most likely to yield desired output properties. To do this robustly, the Prediction Reliability Enhancing Parameter (PREP) is introduced, a novel metric that unifies multiple LVM alignment diagnostics including Hotelling T², Squared Prediction Error (SPE), and score alignment factors into a single predictive reliability score. PREP is calibrated in a data-driven, case-specific manner and facilitates the ranking of candidate formulations by their expected predictive reliability. Extensive validation on simulated datasets has demonstrated that PREP significantly accelerates the identification of optimal solutions, particularly under highly nonlinear conditions and limited data regimes. PREP was subsequently deployed across real experimental case studies involving the formulation of nanoparticles and microgels. In one study, a microgel with a tightly constrained particle size of ~100 nm was successfully designed from an initial dataset spanning sizes of 170–900 nm, with PREP delivering a near-target solution in minimal iterations while competing design approaches failed under the applied constraints. In another case, PREP enabled the identification of polyelectrolyte complexes with particle sizes below 200 nm and polydispersity indices under 0.2, again demonstrating superior efficiency and accuracy relative to conventional approaches. Overall, this work offers a practical and scalable pathway for predictive modeling and recipe design in settings constrained by data scarcity and high experimental costs. The methodologies developed—particularly the integration of local LVM models and the PREP-based design space identification—can be broadly applied to other high-value domains requiring precision formulation and optimization such as drug delivery, nanomedicine, and advanced materials development.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,009
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,015
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,009
Score d'incertitude au seuil0,048

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0090,015
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,039
Tête enseignante GPT0,260
Écart entre enseignants0,222 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2025
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