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Trabalho de Projeto do Mestrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia Este projecto compreende o desenvolvimento de hidrogéis altamente elásticos e resistentes que podem ser degradados pela exposição à luz com comprimentos de onda citocompatíveis. Para isso, foram preparados hidrogéis híbridos de rede dupla de alginato e poliacrilamida. A rede dupla consiste em uma rede de alginato, reticulada ionicamente por catiões divalentes (Ca2+), misturada com uma rede de poliacrilamida, reticulada covalentemente por um reticulador sintetizado à base de ONB. O reticulante à base de ONB é o responsável pela sensibilidade do hidrogel à luz, uma vez que ONB é um grupo fotodegradável. A combinação sinérgica destes dois polímeros resulta em hidrogéis com propriedades mecânicas superiores e permite o controle da degradação por exposição à luz.O reticulante foi preparado através de substituições estruturais no anel aromático e na posição benzílica do ONB, o que resulta em um aumento do comprimento de onda máximo de absorção, aumento da cinética de fotoclivagem e produção de subprodutos da reação de degradação menos tóxicos. Além disso, cadeias de PEG foram incorporadas no reticulante, tornando-o solúvel em água. Diferentes pesos moleculares de PEG (600, 1000 e 2000 g/mol) foram usados para estudar a influência do comprimento da cadeia de PEG nas propriedades fotodegradáveis e mecânicas do hidrogel.A síntese dos reticulantes fotodegradáveis (ONB-PEG) foi acompanhada por 1H NMR e FTIR, e as suas propriedades fotodegradáveis foram analisadas por UV-Vis e, novamente, 1H NMR. Os resultados indicaram uma funcionalização bem-sucedida do reticulante e uma degradação efetiva por luz UV a 365 nm.As propriedades mecânicas dos hidrogéis com diferentes pesos moleculares de PEG (H600, H1000 e H2000) foram testadas e comparadas por testes de tração e reologia, e demonstrou-se que o H600 possui o melhor desempenho mecânico.As propriedades fotodegradáveis do hidrogel foram estudadas por testes de reologia e tração. Os resultados mostraram que ao aumentar o tempo de irradiação UV, mais rapidamente a rede de PAAm colapsa, resultando na perda de tenacidade do hidrogel. A análise por SEM da morfologia dos hidrogéis após irradiação UV mostra uma estrutura porosa interligada com inúmeros orifícios circulares, o que confirma o colapso da rede de PAAm, que compromete o desempenho mecânico do gel.O método de deslocamento de solvente foi usado para trocar as moléculas de água nos hidrogéis por moléculas de glicerol para preparar organo-hidrogéis de redes-duplas não secantes. A estratégia proporcionou estabilidade ao longo do tempo, ao mesmo tempo em que melhorou a rigidez e manteve as propriedades fotodegradáveis dos hidrogéis de redes-duplas.Assim, um hidrogel de rede-dupla fotodegradável com propriedades mecânicas aprimoradas e estabilidade ao longo do tempo foi preparado com sucesso, o que expande as aplicações do gel para áreas emergentes como a bioeletrônica. This project comprises the development of highly stretchable and tough hydrogels that can be degraded by its exposure to light with cytocompatible wavelengths. For that purpose, double-network hybrid hydrogels of alginate and polyacrylamide were prepared. The DN consists of an alginate network, ionically crosslinked by divalent cations (Ca²⁺), mixed with a polyacrylamide network, covalently crosslinked by a synthesized ONB-based crosslinker. The ONB based crosslinker is the responsible for the light-sensibility of the hydrogel, since ONB is a photodegradable group. The synergetic combination of these two polymers results in hydrogels with superior mechanical properties and enables the control over degradation upon light exposure.The crosslinker was prepared through structural substitutions on the aromatic ring and at the benzyl position of the ONB unit, which results in a redshift of the maximum absorption wavelengths, an increase of the photocleavage kinetics and the production of less toxic by-products of the degradation reaction. Furthermore, PEG backbone was incorporated on the crosslinkers, making them soluble in water. Different PEG molecular weights (600, 1000 and 2000 g/mol) were used in order to study the influence of the length of the PEG backbone on the photodegradable and mechanical properties of the hydrogel. The synthesis of the photodegradable crosslinkers (ONB-PEG) was followed by 1H NMR and FTIR, and their photodegradable properties were analysed by UV-Vis and, again, 1H NMR. The results indicated a successful functionalization of the crosslinker, and an effective degradation by UV light at 365 nm. The mechanical properties of the hydrogels with different PEG molecular weights (H600, H1000 and H2000) were tested and compared by tensile and rheology tests, demonstrating that H600 has the higher mechanical performance.The photodegradable properties of the hydrogel were studied by rheology and tensile tests. The results showed that by increasing the time of UV irradiation, more rapidly the PAAm network collapsed, resulting in a loss of toughness of the hydrogel. SEM analysis of the morphology of the hydrogels after UV irradiation shows a porous structure interconnected with numerous circular holes, which confirms the collapse of the PAAm network, which compromises the mechanical performance of the gel. The solvent displacement method was used to displace the water molecules in the hydrogels by glycerol molecules to prepare non-drying DN organohydrogels. The strategy provided stability over time, while enhancing the stiffness and maintaining the photodegradable properties of the DN hydrogels.Thus, a photodegradable DN hydrogel with enhanced mechanical properties and stability over time was successfully prepared, which expands the applications of the gel to emerging areas such as bioelectronics.

Doctoral thesis in Chemical Engineering, supervised by Professor Doctor Jorge Fernando Jordão Coelho and Professor Doctor Paulo Jorge da Silva Bártolo, submitted to the Chemical Engineering Department, Faculty of Science and Technology, University of Coimbra. The goal of the present PhD work was the development of new biobased unsaturated polyesters (UPs) to be applied in additive manufacturing technologies, such as microstereo-thermal-lithography (STLG), aiming to produce 3D scaffolds for biomedical applications. UPs are widely used in industrial fields, however their excellent thermomechanical properties and tunability make them excellent candidates for tissue engineering applications. UPs were produced by step-growth polycondensation, using several glycols and diacids of sustainable resources, such as succinic acid (SuCA) and sebacic acid (SeBA). Fumaric acid (FA) was used as the source of double bonds to promote posterior crosslinking reactions with vinylic monomers. In a first approach, the synthesis of UPs using renewable monomers was performed. The properties of the polyesters were extensively studied, namely thermal and mechanical properties, and the final products compared with a commercial resin named Crystic 272, which has been successfully tested on STLG. To understand the polyesters properties, the study of the ratio between diacids and glycols as well as the type of monomers used was performed. By carefully selecting the monomers and the ratio between diacids and glycols it is possible to control the final properties of the polymers. The produced oligomers, characterized by low molecular weights and obtained from aliphatic monomers and natural based diacids, showed high thermal stability, with Ton higher than 330 ºC. Thermal stability remains constant even with the replacement of isophthalic acid by aliphatic diacids. To achieve the proper viscosity to be applied in µSTLG experiments, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and styrene (St) were used as the crosslinking agents. The results were very promising, with the production of two layered scaffolds based on bio resins. Preliminary cell viability tests showed that the synthesized polyesters are biocompatible. The choice of the crosslinking agent also plays a determinant role in the properties of the final unsaturated polyester resins (UPRs). Although St is one the most used unsaturated monomer (UM) to promote the formation of 3D networks, a more friendly UM is desired. Therefore, the prepared biobased UPs were crosslinked with different vinylic monomers, such as HEMA and N-vinyl-2-pyrrolidinone (NVP). Since the final viscosity of the formulations is a crucial parameter, determining the applicability on the µSTLG, the viscosity of the formulations was measured and HEMA was selected as the proper monomer due to its low viscosity and biocompatible character. Photo and thermal polymerization studies were performed to evaluate the properties of the final biobased UPRs. The thermal crosslinked polyesters showed low gel content with variable water contact angles (WCA) with hydrophilic character. Morphology and roughness of the polymers were also studied since these parameters strongly influences the cell adhesion. Posteriorly, a full characterization of the UPRs, cytotoxicity and cell adhesion tests were performed. After 48 h of incubation, for the STLG UPRs, 50-60% of the cells were viable, but both thermal and STLG scaffolds presented high levels of acidity. Alongside with the synthesis and processing of the polyesters, new formulations were tested. Due to the low incorporation of the diacids observed in the previous formulations, new synthesis were performed in two distinct steps, which also resulted in a reduction of the time of the polycondensation reaction. The formulations based on SuCA, diethylene glycol (DG) and other renewable sources (UP7 to UP11s formulations) were prepared in a two-step bulk polycondensation reaction. Glutaric acid (GA) an isosorbide (IS) were some of the chosen renewable sources for the development of the new UPs formulations. Afterwards, the UPs were crosslinked with HEMA. Overall, the developed formulation showed better reaction times, and had the desired properties for the intended final application. GA also proved to be an interesting diacid to be used in the preparation of new UPs for biomedical areas, with high water solubility, high thermal stability and low Tg. Several problems arise concerning the viability of the materials regarding their use in biomedical field. The UPs showed surface acidity and to overcome this issue, several strategies were attempted to eliminate the scaffolds acidity. Reflux treatment with ethanol and oxygen plasma were some of the protocols used to change the polyesters surface. The simplest technique, reflux with ethanol, demonstrate to be adequate in the elimination of surface acidity. Results obtained from plasma treatments suggested that they are not effective to solve the acidity problem and enhance biocompatible character of the polyesters. The µSTLG scaffolds Scf6 and Scf7, based on formulations UP6 and UP7, respectively, were subjected to reflux and showed cell viabilities around 100% after 48 h. The use of renewable sources to obtain fully biobased UPs was accomplished within this PhD work, and the final materials reveal to be strong candidates to be used in the fabrication of 3D scaffolds by µSTLG. The materials exhibit low viscosity, good thermo-mechanical properties, similar to commercial products, high hydrophilicity and cell viability. Ultimately, these polymers can bring new advances and opportunities for the use of these unsaturated polyesters in the preparation of tailored scaffolds for specific uses. RESUMO: O objetivo do presente trabalho de doutoramento consistiu no desenvolvimento de poliésteres insaturados para aplicação em técnicas de prototipagem rápida, nomeadamente em microestereo-termo-litografia (μSTLG). Os materiais desenvolvidos são deste modo processados tendo em vista o desenvolvimento de scaffolds para aplicações biomédicas. Os poliésteres insaturados, regra geral, são extensivamente utilizados em aplicações industriais, contudo as suas propriedades revelam-se de extrema utilidade em áreas como a engenharia de tecidos. A possibilidade de manipular as propriedades destes materiais consoante a aplicação final pretendida torna-os bastante atrativos para o desenvolvimento de scaffolds. Os poliésteres insaturados foram obtidos por policondensação de massa, tendo sido utilizados vários glicóis e diácidos de base natural, tais como o ácido succínico (SuCA) e sebácico (SeBA). O ácido fumárico (FA) foi usado em todas as reações desenvolvidas como a fonte de ligações duplas, de modo a promover a posterior reticulação com monómeros vinílicos. Numa primeira abordagem, a síntese de poliésteres insaturados tendo como materiais de partida monómeros de base natural foi executada. O estudo das propriedades destes poliésteres foi realizado, nomeadamente no que diz respeito às suas propriedades térmicas e mecânicas, e os produtos comparados com uma resina comercial, Crystic 272, previamente testada, com sucesso, no equipamento de STLG. O estudo das propriedades dos poliésteres, a razão entre diácidos e glicóis bem como o tipo de monómeros usados foi fundamental para a compreensão das características dos poliésteres. Uma seleção cuidada dos monómeros e da razão entre diácidos e dióis permite controlar a estrutura final dos polímeros. Os oligómeros obtidos, de baixos pesos moleculares, com base em monómeros alifáticos e diácidos de base natural, mostraram elevada estabilidade térmica, com Ton superiores a 330 C. A substituição do ácido isoftálico, presente na resina comercial, por ácidos alifáticos, não resultou na perda de estabilidade térmica. Os materiais obtidos foram processados por μSTLG, usando 2-hidroxietil metacrilato (HEMA) e estireno (St) como agentes reticulantes, conferindo assim uma viscosidade adequada ao processamento dos scaffolds. Os resultados foram bastante promissores, tendo-se fabricado scaffolds constituídos por duas camadas de resina de caráter bio. Resultados preliminares de viabilidade celular revelaram que os poliésteres sintetizados não apresentaram citotoxicidade. A escolha dos agentes de reticulação determina em grande parte as propriedades finais dos poliéstres insaturados reticulados (UPRs). Embora o St seja dos monómeros insaturados (UMs) mais utilizados para a formação de redes reticuladas 3D, a sua substituição por um composto de caráter bio é desejável. Por conseguinte, os poliésteres insaturados foram posteriormente reticulados com diferentes monómeros vinílicos, tais como o HEMA e N-Vinil-2-pirrolidona (NVP). Uma vez que a viscosidade final das formulações é um parâmetro crucial para a sua aplicação na μSTLG, as viscosidades das formulações desenvolvidas foram determinadas, tendo-se selecionado o HEMA devido à baixa viscosidade conferida ao poliéster, bem como ao seu caráter biocompatível. Estudos de foto reticulação e reticulação térmica foram desenvolvidos de modo a avaliar as propriedades finais das resinas de caráter bio. Os poliésteres reticulados termicamente revelaram baixo teor gel, com ângulos de contacto variáveis, apresentando na sua maioria um caráter hidrofílico. A morfologia das resinas, bem como a determinação da rugosidade, foram analisadas, uma vez que estes parâmetros influenciam a adesão das células na superfície polimérica. Após uma completa caracterização das resinas de poliéster insaturado, testes de citotoxicidade e de adesão celular foram realizados. As amostras preparadas por μSTLG demonstraram viabilidades na ordem dos 50-60% após 48 horas, tendo-se, no entanto, comprovado a acidez dos materiais, tanto dos scaffolds processados por μSTLG como dos UPs preparados por reticulação térmica. Em paralelo à síntese e processamento dos poliésteres, a otimização do processo de policondensação de massa foi efetuada. Tendo-se registado anteriormente a baixa incorporação dos ácidos, as sínteses foram realizadas em dois passos distintos, verificandose a diminuição do tempo de reação de policondensação. As formulações desenvolvidas à base de SuCA, dietilenoglicol (DEG) e outras fontes de origem renovável (formulações UP7 a UP11s) foram preparadas por policondensação em massa. O ácido glutárico (GA) e o isosorbide (IS) foram algumas das matérias-primas de fontes renováveis selecionadas para a síntese das novas formulações que, posteriormente, foram reticulados com HEMA. De um modo geral, verificou-se que as novas formulações possuíam as propriedades desejadas tendo em vista a aplicação final pretendida. O GA mostrou ser um diácido interessante para ser usado na preparação de novos UPs para aplicação biomédica, apresentando elevada solubilidade, estabilidade térmica e baixo Tg. Vários problemas surgiram no que diz respeito à viabilidade dos materiais para aplicação biomédica. A maioria dos UPs sintetizados apresentava uma acidez elevada, que em última instância daria origem à morte celular. De modo a contornar esta limitação, uma série de tratamentos foram efetuados, com o intuito de remover a acidez da superfície dos scaffolds. Tratamento por refluxo com etanol e tratamento por plasma com oxigénio, foram algumas das estratégias usadas para modificação da superfície dos poliésteres. O tratamento mais simples, por refluxo, revelou-se extremamente eficaz na eliminação da acidez dos UPs. Ao passo que o tratamento por plasma não foi eficiente para resolver o problema da acidez. Os materiais processados por μSTLG, Scf6 e Scf7, tratados com refluxo de etanol por 3 h, demonstraram viabilidades superiores a 100 % após 48 h. O desenvolvimento de UPs e UPRs à base de matérias-primas renováveis foi realizado com sucesso, tendo sido demonstrado que são excelentes candidatos para a fabricação de scaffolds tridimensionais por μSTLG. Propriedades tais como baixa viscosidade, performance térmica e mecânica semelhantes às exibidas pelos produtos comerciais, elevada hidrofilicidade, viabilidade e adesão celular caracterizam os polímeros obtidos, reforçando a sua potencialidade em áreas como a engenharia de tecidos.

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os sistemas de libertação controlada de fármacos à base de polímeros têm sido estudados, por contribuírem para uma maior especificidade, redução da toxicidade, e melhorarem as características de solubilidade dos fármacos com características hidrofóbicas. O fenómeno de self-assembly de polímeros tem papel de destaque por permitir o processo a encapsulação do fármaco. Para um efetivo sistema libertador é necessário também garantir a estabilidade do mesmo desde a administração até à libertação do fármaco, por ação de um estímulo externo, de forma rápida e eficiente. A biocompatibilidade e biodegradabilidade dos copolímeros é também fundamental para a eficácia do sistema formado. Devido à sua inocuidade na zona do visível e capacidade de penetração tecidular, a luz como estímulo externo, revela-se uma estratégia muito interessante para provocar a destruição de nanopartículas.Assim, a presente dissertação descreve um sistema de libertação controlada à base de copolímeros de bloco PEG-PLA, com um segmento sensível ao oxigénio singuleto que tem a capacidade de encapsular e libertar a doxorrubicina usada como fármaco. Aqui, as nanopartículas do tipo micelar, pela ação das porfirinas, reagem à luz de elevado comprimento de onda (superior a 600 nm) de modo a libertar o material encapsulado de forma rápida. Assim sendo, a este processo de libertação poderá trazer benefícios ao nível da seletividade de fármacos anti tumorais com toxicidade elevada, permitindo que a sua especificidade seja alcançada num alvo específico que seja irradiado. Os objetivos do projeto centram-se no desenvolvimento de copolímeros de bloco unidos pelo segmento sensível ao oxigénio singuleto, SegS, procedido pela análise da capacidade de self-assembly dos copolímeros preparados. Posteriormente determinou-se a capacidade de encapsulação das nanoestruturas e realizou-se o estudo de libertação da doxorrubicina após incidência de luz vermelha.Os resultados sugerem que as nanopartículas desenvolvidas são eficientes no sentido em que apresentaram baixa polidispersividade e capacidade de encapsulação da doxorrubicina segundo o método de diálise. Após irradiação por laser de 650 nm, as nanopartículas PEG5k-seg-PLA1k, evidenciaram uma taxa de cinética de libertação significativa nos instantes iniciais que tornam o sistema de libertação de fármacos promissor na terapia fotodinâmica. Controlled drug delivery systems based on polymers have been studied because they increase specificity, reduce toxicity and improve the solubility characteristics of drugs with hydrophobic characteristics. The self-assembly technique of polymers stands out because it allows the encapsulation of the drug. For an effective release system, it is also necessary to guarantee the drug stability from the administration until the drug release, by the action of an external stimulus, quickly and efficiently. The copolymers biocompatibility and biodegradability is also important to the effectiveness of the system. Due to its innocuity in the visible zone and capacity of tissue penetration, light as an external stimulus, proves to be a very interesting strategy to cause the destruction of nanoparticles.Thus, the present dissertation describes a controlled release system based on PEG-PLA block copolymers with a singlet oxygen sensitive segment that has the ability to encapsulate and release doxorubicin used as a drug. Here, micellar nanoparticles, by the action of porphyrins, react to high wavelength light (greater than 600 nm) in order to release the encapsulated material quickly. Thus, this release process may brings benefits to the level of selectivity of antitumor drugs with high toxicity, allowing their specificity to be achieved in a specific target that is irradiated.The objectives of this project are the development of block copolymers bound by the singlet oxygen-sensitive segment, SegS, carried out by analyzing the self-assembly capacity of the prepared copolymers. Subsequently, the nanostructures were encapsulated and the doxorubicin release study was performed after red light.The results suggest that the developed nanoparticles are efficient since they presented low polydispersity and doxorubicin encapsulation capacity according to the dialysis method. After 650 nm laser irradiation, the PEG5k-seg-PLA1k nanoparticles evidenced a significant rate of release kinetics at the initial instants that makes the drug delivery system promising in photodynamic therapy.

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia A engenharia de tecidos visa criar modelos in vitro de tecidos e estruturas biológicas funcionais recorrendo a diferentes tecnologias, conforme o objectivo final. Uma estratégia importante para adquirir um bom conhecimento do funcionamento dos órgãos humanos e da sua interações enquanto sistema biológico passa por devenvolver modelos in vitro que representem, da melhor forma possível, a sua anatomia e fisiologia.Desenvolvimento de um modelo 3D in vitro de alvéolo humano por microengenharia. Cavidades com semelhança de forma e dimensional à do órgão a ser modelado foram formadas em policarbonato por microthermoforming assistido por gás. Porosidade destas membranas foi introduzida por ion track etching. e forma a alcançar uma estrutura para a cavidade o mais semelhante possível ao alvéolo humano, diferentes parâmetros para optimização do microthermoforming assistido por gás e do ion track etching foram testados. A avaliação do impacto que a curvatura poderá ter em células epiteliais de pulmão baseou-se na análise de resultados obtidos para proliferação celular, apoptose, densidade celular, adesão célula-substrato, interacção célula-célula e teste de actividade metabólica. A caracterização destes resultados foi efectuada por marcação de estruturas específicas com anticorpos, microscópio electrónico de varrimento (MEV) e por microscopia laser de varrimento (3D profilómetro). Após desenvolvida a plataforma porosa com curvatura, células epiteliais de alvéolo pulmonar humano foram cultivadas. Avaliação de actividades celulares como proliferação, apoptose, densidade celular, adesão celular, actividade metabólica e interacção célula-célula, as quais foram quantificadas. Desenvolvimento e estudo preliminar de uma interface ar-líquido com a curvatura referida, aproximando mais o modelo à barreira ar-sangue responsável pela troca gasosa a nível alveolar. Tissue engineering aims to create functional tissues and in vitro biological structures using different technologies, approaches and to address different goals. An important strategy to have a better understanding of human organs and their interactions is by developing in vitro models that represent their anatomy and physiology. Development of a microengineered 3D in vitro model of human alveoli. Cavities similar to the shape and dimensions of human alveoli were created in polycarbonate by gas-assisted microthermoforming. Porosity in these membranes was introduced by ion track etching. Different parameters were tested to optimise gas-assisted microthermoforming and ion track etching in order to achieve a structure that was as close as possible to the human alveoli' dimensions and shape. To assess the impact of substrate’s curvature on epithelial cells, proliferation, apoptosis, cell density, cell-substrate adhesion, cell-cell interaction and metabolic activity assays were performed. Samples were analysed and characterised by specific immunostainings by respective fluorescent imaging, by scanning electron microscope (SEM) and by laser scanning microscope profilometer. After achieving the desired design for the cavities, lung epithelial cells were cultured and their basic activities were analysed and quantified such as proliferation, apoptosis, cell density, metabolic activity, cell-cell interaction and cell-substrate adhesion. Trial of an Air-Liquid Interface (ALI) and preliminary study of cell barrier intefrity and epithelial cells differentiation when exposed to air, mimicking the air-blood barrier responsible for gas exchange in the human alveoli.

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia O registo da atividade cerebral, técnica conhecida por eletroencefalografia (EEG) é amplamente usada no diagnóstico de várias patologias, desde epilepsia, demência, perturbações de sono, monitorização da atividade cerebral e em muitas outras áreas. A sua natureza não invasiva torna-a uma técnica ideal para diagnóstico clínico e outras aplicações. Todas as aplicações têm em comum o facto de necessitarem de sinais robustos e detetados com boa sensibilidade, de forma a fornecerem resultados fiáveis. Apesar de todos os avanços efetuados na área, o registo de EEG continua a ser um desafio importante e contínuo, devido essencialmente à transmissão do sinal na interface elétrodo/pele.Atualmente a aquisição de sinais EEG utiliza geralmente os elétrodos de Ag/AgCl, compostos por um disco de prata revestidos de cloreto de prata, sendo os atuais gold standard. As suas maiores vantagens são a biocompatibilidade, a confiabilidade, a pouca suscetibilidade ao ruído e a reprodutibilidade dos sinais elétricos. Contudo, estes necessitam obrigatoriamente da aplicação de uma pasta condutora para formar uma interface condutora com o escalpe. Esta operação de colocação do gel pode demorar até 45 minutos, sendo que é necessário um técnico especializado para a realização de tal. Em exames longos, a pasta tem de ser reaplicada periodicamente, sendo esta a principal desvantagem inerente a este método. Desta forma, a aplicação autónoma e aquisição por longos períodos de tempo, apenas poderá ser conseguida prescindindo da pasta condutora.Uma possível solução é a criação de uma interface condutora, não metálica e com boa capacidade de conformação ao escalpe, que poderá constituir o revestimento de elétrodos utilizando um gel polimérico contendo um líquido iónico (ionogel). Um líquido iónico é definido como um sal que à temperatura ambiente é líquido. Estes compostos possuem propriedades únicas, nomeadamente uma pressão de vapor negligenciável, boa estabilidade térmica e química e ainda uma excelente condutividade iónica. Nesse sentido, o ionogel garantiria a condutividade elétrica desejada, sem evaporar ou libertar-se do gel. A presente dissertação descreve o desenvolvimento de elétrodo para o registo de EEG, combinando um elétrodo polimérico (desenvolvido em trabalhos anteriores) e um ionogel que o reveste. O ionogel funciona como um eletrólito, diminuindo a impedância da interface elétrodo/pele. Os objetivos do projeto centram-se no desenvolvimento de um elétrodo reprodutível e com propriedades necessárias à sua aplicação, desenvolvimento de um ionogel, caracterização do ionogel utilizado (elétrica e mecânica) e comparação do registo de EEG in vivo entre estes elétrodos e os elétrodos comerciais de Ag/AgCl. Os resultados sugerem que o ionogel desenvolvido é apropriado e eficiente no sentido em que baixa a impedância da interface elétrodo/pele, resistindo a todos os procedimentos necessários para a colocação deste. Este possui condutividades da ordem de 1x10-2 S.cm-1, imobiliza de forma eficaz o IL, com uma resistividade à compressão de cerca de 64 N/cm2. Pelos ensaios in vivo comprovou-se a fiabilidade dos elétrodos para registo de atividade cerebral, com correlação de 90% em relação aos sinais obtidos pelos elétrodos comerciais de Ag/AgCl. Recording of brain activity, a technique also known as electroencephalography (EEG), is widely used for diagnostic of several pathologies, from epilepsy and dementia to sleep disorders, for monitoring of brain activity as well as in many other areas. Its non-invasive nature makes it ideal for clinic diagnostics and other applications. All applications have in common the need of robust signals and good sensibility data acquiring, in order to provide reliable results. Despite of all the advances seen in this area, EEG recording continues to be an important and continuous challenge, mainly due to signal transmission on the electrode/skin interface.Nowadays, EEG signal acquisition normally uses Ag/AgCl electrodes composed by a silver disk covered by silver chloride, this being today’s gold standard. Their main advantages are its biocompatibility, reliability, low noise susceptibility and electric signals reproducibility. However, they necessarily need the appliance of a conductive paste to form a conductive interface with the scalp. Gel appliance can take up to 45 minutes, and can only be performed by a specialized technician. During longer exams, the paste is applied periodically, being this one inherent disadvantage of this method. Therefore, autonomous application and acquisition for long periods of time can only be achieved by dispensing the conductive paste.A possible solution is the development of a conductive interface, non-metallic and with good capacity of scalp conformation to be used in the covering of electrodes with a polymeric gel containing an ionic liquid (ionogel). An ionic liquid (IL) is defined as a salt, being liquid at room temperature. These compounds have unique properties, namely a negligible vapor pressure, good thermic and chemical stability, as well as an excellent ionic conductivity. This being said, the ionogel would assure the desirable electric conductivity, without evaporate or releasing itself from the gel. The present dissertation describes the development of an electrode for EEG recording, combining a polymeric electrode (developed in previous related works) and an ionogel that covers it up. Here, the ionogel serves as an electrolyte, diminishing electrode/skin interface’s impedance.Project’s objectives consist on the development of a reproducible electrode meeting the necessary properties for its application, the development of a capable ionogel and proper characterization (electrical and mechanical), and also the comparison of in vivo EEG recordings between this electrode and Ag/AgCl commercial electrodes.Results suggest that the ionogel is capable and efficient, once it decreases the electrode/skin interface’s impedance, resisting to all necessary procedures to a proper appliance. It possesses conductivities values around 1x10-2 S.cm-1, immobilizes the IL in an efficient manner and its resistivity to compression is around 64 N/cm2. Electrode reliability for brain activity recordings is proved by in vivo trials, with a correlation of 90% in relation to the signals obtained using Ag/AgCl commercial electrodes.

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) flexíveis têm tido um crescente interesse, quer pelas suas potencialidades sensoriais quer pelas suas capacidades de processar informação do ambiente onde estão inseridos e, por sua vez, gerar efeitos.Um dos principais obstáculos à evolução desta tecnologia é a fraca adesão das tintas condutoras ao substrato dos MEMS, na sua maioria membranas de poli(dimetil siloxano) (PDMS), que se reflecte numa perda de condutividade.De modo a superar esta questão, têm sido desenvolvidas várias alternativas para modificar as propriedades da superfície do PDMS que envolvem tratamentos físicos, químicos ou a combinação de ambos. Uma destas alternativas, consiste na incorporação através da combinação de modificações físicas e químicas de determinadas funcionalidades na matriz do PDMS, nomeadamente compostos hidrofílicos e/ou com elevada afinidade a partículas metálicas, como por exemplo a poli(4-vinil piridina) (P4VP).A técnica de polimerização radicalar por desativação reversível (RDRP) permite sintetizar (co)polímeros com composição, arquitetura e peso molecular controlados. Dos vários métodos RDRP existentes, a polimerização radicalar por transferência de átomo (ATRP) destaca-se por ser uma técnica muito robusta e eficiente para a síntese de (co)polímeros. A ATRP foi, portanto, o método adotado neste trabalho para obter copolímeros de bloco constituídos por segmentos de PDMS e de P4VP.Nesse sentido, neste trabalho foram sintetizados vários copolímeros de bloco PDMS-P4VP, com diferentes composições e pesos moleculares através da técnica de ATRP. Os polímeros resultantes foram caracterizados pela técnica de espetroscopia de ressonância magnética protónica (1H NMR). A capacidade dos copolímeros de bloco dispersarem nanopartículas metálicas foi avaliada através de testes de dispersão dinâmica da luz (DLS).Numa tentativa de melhorar a afinidade do PDMS a tintas compostas por partículas metálicas, diferentes alternativas de incorporação dos copolímeros nas membranas de PDMS foram testadas. A aplicação direta na superfície do PDMS curado, a incorporação na constituição da camada superficial do PDMS antes do processo de cura e, ainda, na substituição do agente de acoplamento utilizado na formulação de tintas, são exemplos dessas alternativas.Para além da aplicação dos copolímeros, foi também estudada a alteração da superfície do PDMS pela polimerização direta da P4VP. O sucesso das diferentes modificações foi avaliado através da análise do ângulo de contacto e espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR).Os resultados obtidos através da utilização dos copolímeros não foram os desejados, uma vez que as propriedades da superfície do PDMS não foram alteradas de forma a resolver completamente o problema associado à adesão das tintas metálicas. Contudo, verificou-se que é possível melhorar as propriedades da superfície do PDMS, como a hidrofobicidade, através do método de polimerização direta da P4VP neste substrato. Neste caso, verificou-se uma melhoria significativa da adesão das tintas metálicas ao substrato PDMS.O trabalho desenvolvido contribuiu para compreender de que forma as propriedades da superfície do PDMS se alteraram através da aplicação de copolímeros de bloco de base PDMS, e também o impacto da polimerização direta da P4VP no substrato PDMS. A modificação das propriedades da superfície das membranas de PDMS esperou-se ser um passo decisivo para o desenvolvimento de melhores tecnologias MEMS. The interest in flexible microelectromechanical systems (MEMS) technologies is growing rapidly, not only because of their capacity to be used as sensors, but also to process information and generate effects in the environment where they are inserted.One of the main issues for the development of this technology is the weak adhesion of conductive inks to the substrate of MEMS, mainly polydimethylsiloxane (PDMS) membranes, which is reflected on a loss of conductivity.In order to overcome this problem, many alternatives to change the PDMS surface properties have been developed that involve physical or chemical treatments or the combination of both. One of them involves the incorporation of certain functionalities through the combination of physical and chemical modifications in the PDMS structure, like hydrophilic compounds and/or compounds with a high affinity to metallic particles, as for instance poly(4-vinylpyridine) (P4VP).Reversible-deactivation radical polymerization (RDRP) techniques allow the synthesis of (co)polymers with controlled composition, architecture and molecular weight. Among all of the existing RDRP methods, the atom transfer radical polymerization (ATRP) stands out for being particularly useful and efficient for the synthesis of (co)polymers. For that reason, the ATRP was the method adopted in this work to obtain block copolymers composed by PDMS and P4VP segments.Therefore, in this work several block copolymers were synthesized with different compositions and molecular weight through the ATRP technique. The ensuing polymers were characterized by nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy. The block copolymers ability to disperse metallic nanoparticles was evaluated through dynamic light scattering (DLS).In an attempt to improve the PDMS affinity to inks composed by metallic nanoparticles, a lot of different approaches to incorporate copolymers in PDMS membranes were tested. For instance the direct application on cured PDMS, on the constitution of PDMS before cured and even in the replacement of the coupling agent used on inks were some of the approaches tested.Beside the copolymers application, it was also studied the modification on the PDMS surface by direct polymerization of P4VP. The success of different modifications was evaluated through contact angle analyses and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR).The final results concerning block copolymers were not the expected since the PDMS surface properties were not modified in order to completely solve the problem associated with the metallic inks adhesion. However, the improvement of the PDMS surface properties like hydrophobicity was observed when P4VP was direct polymerized on it. In this case, it was possible to verify a significant improvement in the adhesion of metallic inks to the PDMS substrate.The work contributed to the understanding of how PDMS surface properties change with the application of block copolymers based on PDMS, and also the impact of the direct polymerization of P4VP on the PDMS substrate. The modification of the PDMS surface properties is expected to be a decisive step forward aiming the development of better MEMS technologies.

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os dispositivos eletrónicos flexíveis e deformáveis estão na base de desenvolvimentodas tecnologias wearable. A exigência de flexibilidade requer o uso de materiaiscondutores extremamente flexíveis. A maioria dos sensores sob investigação sãofeitos de materiais intrinsecamente deformáveis, à base de silicone, conjugados comnanopartículas condutoras. Um dos materiais mais usados é o poli(dimetilsiloxano)(PDMS). Contudo, o PDMS é um material não condutor que possui fraca adesãoàs partículas metálicas, pelo que, a integração destes componentes condutores semostra um desafio.O objectico deste trabalho foi melhorar as propriedades adesivas e a afinidadedos elastómeros de PDMS, usando copolímeros em bloco à base de silicone, quepossuem elevada afinidade para as tintas metálicas e capacidade de ligação ao metal.Os coplímero em bloco, poli[2-(dimetilamino) etil metacrilato]-block-poli(dimetilsiloxano)-block-poli[2-(dimetilamino) etil metacrilato] (PDMAEMA-b-PDMS-b-PDMAEMA) e poli[2-(dimetilamino) etil metacrilato]-block-poli(dimetilsiloxano) (PDMAEMA-b-PDMS), com diferentes pesos moleculares, foram sintetizados atravésde polimerização radicalar por transferência de átomo com ativador suplementar eagente redutor (SARA ATRP), um método que permite o desenvolvimento de polímerosbem definidos, com peso molecular e arquitetura controlados, enquanto usaquantidades reduzidas de catalizadores de cobre. A estrutura química dos polímerossintetizados foi caracterizada por espectroscopia de ressonância magnética nuclear(RMN).De modo a melhorar a interação das partículas metálicas com a superfíciedo PDMS, os copolímeros foram aplicados utilizando diferentes estratégias. Inicialmente,os copolímeros (PDMAEMA-b-PDMS-b-PDMAEMA e PDMAEMA-b-PDMS) foram aplicados diretamente na superfície das membranas de PDMS. Numafase posterior, a capacidade dos copolímeros desenvolvidos em estabilizar as nanopartículasmetálicas foi avaliada, através da realização de análises da difusão dinâmica da luz (DLS) e do potencial zeta, e estes foram incorporados nas formulações dastintas metálicas.Quando aplicados diretamente na superfície, os copolímeros mostraram umafraca adesão à superfície do PDMS, criaram uma rugosidade superficial, e portanto,este processo não serviu para o propósito de melhorar as capacidades adesivas aometal. Por sua vez, os resultados de DLS e potencial zeta mostraram-se promissores.No entanto, os resultados da incorporação dos copolímeros na formulação das tintasrevelaram que, apesar de condutoras, a capacidade de adesão à superfície do PDMSé limitada.De forma a provar o conceito de que o DMAEMA é efetivamente capaz demelhorar as propriedades de superfície do PDMS e de promover a adesão da tintametálica, foi feita uma polimerização direta na superfície. Os resultados das mediçõesdo ângulo de contacto e das análises FTIR confirmaram a presença das unidadesde DMAEMA na superfície de PDMS e uma alteração drástica da sua molhabilidade.Por sua vez, os resultados dos testes de adesão com o jato de tinta, provaramque o PDMAEMA é responsável por promover a adesão da tinta metálica. Estesresultados evidenciam o papel significativo da presença dos grupos hidrofílicos nosrevestimentos, para modificação superficial. Contudo, quando a tinta metálica, formuladana presença dos copolímeros, foi aplicada sobre estas superfícies de PDMSmodificadas, voltou-se a observar a fraca capacidade de adesão da tinta. Estes resultadosinesperados sugerem que o bloco de PDMS, apesar da afinidade que temcom o substrato da mesma natureza, não é suficiente para promover uma melhorinteração entre as tintas e o substrato.Os resultados da polimerização direta demonstram elevado potencial na modificaçãopermanente da superfície de membranas de PDMS, não existindo, até aomomento, documentada nenhuma modificação semelhante.Apesar da limitação dos resultados obtidos na interação das tintas metálicascom a superfície do PMDS, este trabalho contribuiu significativamente para a compreensãode todo o processo, e constituiu uma etapa considerável no desenvolvimentode dispositivos eletrónicos flexíveis.Palavras-chave: dispositivos eletrónicos flexíveis, PDMS, nanopartículas metálicas,modificação superficial, copolímeros em bloco, PDMAEMA, agentes estabilizadores,polimerização direta da superfície. Soft and stretchable electronics are the genesis of wearable technologies. Theuse of extremely malleable conductive parts is required for flexibility. Most softsensors under development are constituted of silicone based materials conjugatedwith conductive nanoparticles. One of the main materials is the poly(dimethyl siloxane)(PDMS). However, PDMS is a non-conductive material that possesses a weakadhesion to metallic particles, which transforms PDMS-based devices integration ofconducting components into a challenging task.The objective of this work was to improve the adhesive properties and theaffinity of PDMS elastomers through silicone-containing block copolymers with highaffinity to metal ink formulations and improved metal binding capabilities.Poly[2-(dimethylamino) ethyl methacrylate]-block-poly(dimethyl siloxane)-blockpoly[2-(dimethylamino) ethyl methacrylate] (PDMAEMA-b-PDMS-b-PDMAEMA)and poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate]-block-poly(dimethyl siloxane) (PDMAEMA-b-PDMS) block copolymers, with different molecular weights, were synthesizedby a supplemental activator and reducing agent atom transfer radical polymerization(SARA ATRP) method that enables the development of well-defined polymerswith controlled molecular weight and architecture while using reduced concentrationsof copper catalyst. The chemical structure of the ensuing copolymers wascharacterized by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.To improve metallic particles interaction with the PDMS surface, copolymerswere applied using different approaches. Firstly PDMAEMA-b-PDMS-b-PDMAEMAand PDMAEMA-b-PDMS were applied directly to PDMS membrane surface. Thecopolymers ability to stabilize the metallic nanoparticles was assessed through DynamicLight Scattering (DLS) and zeta potential, and directly applied to metal inkformulation.When applied directly to the surface, the copolymers exhibited a low adhesionto PDMS with a rugose surface, not improving the adhesive metal abilities. On the other hand, the DLS and zeta potential results were promising. However, thecopolymers incorporation in ink formulation showed limited PDMS surface adhesion.Direct surface polymerization was performed to show DMAEMA abilities toimprove PDMS surface properties and metal ink adhesion promotion. The contactangle and FTIR analysis proved DMAEMA presence in PDMS surface and a drasticchange in its wettability. Ink jet adhesion tests promoted PDMAEMA metal inkadhesion. Taking together, these results showed a significant role for the hydrophilicgroups in superficial modification. Metal ink formulated with copolymers showed alow ink adhesion ability. These unexpected results suggest that block PDMS is notenough to ink binding to PDMS.The results of direct polymerization showed a high permanent modificationpotential in the PDMS membrane surface.Although the limiting results obtained in the metal ink interaction with PDMSsurface, this work is an important step in soft and stretchable devices development.

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O poli(ácido láctico) (PLA) é um polímero produzido com recurso a matérias-primas renováveis, sendo também biodegradável. Nos últimos anos, o PLA tem ganho lugar de destaque em algumas aplicações industriais, nomeadamente na indústria da embalagem. Contudo, o PLA é caracterizado por ser rígido e quebradiço à temperatura ambiente, o que não permite que este seja usado mais vastamente. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo central o estudo da plastificação do PLA com recurso à mistura reativa, utilizando diferentes plastificantes: monoéster de álcool ramificado (MONO_ISO), oligómeros de ácido láctico com ligações duplas terminais (OLA_HEMA), e oligómeros de acido láctico funcionalizados com ligações -OH terminais (OLA_ISO e OLA_GL). Todos os plastificantes foram sintetizados no decorrer do trabalho e posteriormente empregues em duas concentrações, 4 e 20% (m/m). Após a mistura reativa, os materiais foram processados por prensagem a quente. A calorimetria diferencial de varrimento (DSC) revelou a diminuição mais significativa na temperatura de transição vítrea (Tg), para os plastificantes do tipo OLA_HEMA, no valor de 20% (m/m). O plastificante OLA_HEMA (2.5K) foi o que mais se destacou, tendo promovido uma redução na Tg de 11 ºC, face ao PLA puro. No entanto, é de salientar que a utilização de qualquer um dos plastificantes levou a uma redução da Tg face ao PLA puro, quando usados na proporção mássica 20% (m/m).Os ensaios de DMTA, por sua vez, revelaram que todos os plastificantes foram efetivos em reduzir o módulo elástico (E’) sendo que aquele que levou a resultados mais expressivos foi o MONO_ISO-4, com uma diminuição de 880 MPa do E’ face ao PLA puro. No entanto, foi o OLA_HEMA (10K)-20 que levou à maior diminuição da Tg, em 8ºC. Os testes de migração mostraram que todas as amostras plastificadas tinham uma perda de massa nula ou negligenciável, com a exceção das misturas PLA/OLA_HEMA (2.5K) e PLA/OLA_HEMA (10K) na proporção de 20% (m/m) de plastificante. Poly (lactic acid) (PLA) is a polymer produced using renewable raw materials, being also biodegradable. In recent years, PLA has gained prominence in some industrial applications, particularly in the packaging industry. However, PLA is characterized by being rigid and brittle at room temperature, which does not allow it to be used more widely. In this sense, the main objective of this work was to study the plasticization of PLA by reactive mixture, using different plasticizers, namely a monoester derived from a branched alcohol (MONO_ISO), lactic acid oligomers with double terminal bonds (OLA_HEMA), and lactic acid oligomers functionalized with terminal -OH groups (OLA_ISO and OLA_GL). All plasticizers were synthesized in the course of the work and then used in two concentrations, 4 and 20% (w /w). After the reactive mixture, the materials were processed by hot pressing.Differential scanning calorimetry (DSC) revealed that the OLA_HEMA plasticizers were the most effective in reducing the Tg, for amounts of 20% (w/w). OLA_HEMA (2.5K) was the one that promoted the highest reduction in the Tg value (ca. 11ºC), in comparison with pure PLA. However, it should be pointed out that the use of any of the plasticizers led to a reduction of Tg in comparison with pure PLA when used in the 20% (w/w).The DMTA data showed that all plasticizers were effective in reducing the elastic modulus (E'), and the one that led to more expressive results was the MONO_ISO-4. MONO_ISO-4 presented a reduction of 880 MPa in the E’ value, when compared with neat PLA. However, it was OLA_HEMA (10K) -20 that led to the greatest decrease in Tg values (ca. 8 ºC). Migration tests revealed that all the plasticized samples had zero or negligible mass loss, with the exception of PLA/OLA_HEMA (2.5K) and PLA/OLA_HEMA (10K) mixtures in the proportion of 20% (w / w) of plasticizer.

Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de materiais de base dextrano para uma futura aplicação na regeneração do nervo. O trabalho realizado compreendeu três passos: (i) modificação do dextrano com ligações duplas; (ii) preparação de poliésteres-polióis de base ácido láctico (LA) e sua modificação com ligações duplas para obtenção dos reticulantes de base LA; e (iii) preparação das membranas por fotopolimerização. O dextrano foi modificado por reacção dos seus grupos –OH com o metacrilato de 2-isocianoetilo (IEMA) e com o anidrido metacrílico (AM). A estrutura química do dextrano modificado foi avaliada por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier com reflectância total atenuada (FTIR-ATR) e espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (1H RMN) e os resultados indicam que os materiais foram sintetizados com sucesso. A estabilidade térmica dos dextranos modificados foi avaliada por análise termogravimétrica (TGA), tendo-se verificado que estes são estáveis termicamente até cerca de 280 ºC. A análise de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) revelou que os dextranos modificados são amorfos, tendo sido possível detectar a temperatura de transição vítrea (Tg = 217 ºC) para o dextrano modificado com anidrido metacrílico (Dex-AM). Os reticulantes de base LA foram preparados através da reação das diferentes unidades centrais dos poliésteres-polióis com o AM. As diferentes unidades centrais foram escolhidas de modo a conferir aos materiais diferentes propriedades. A estrutura química dos reticulantes de base LA foi avaliada por FTIR e 1H RMN, tendo-se verificado que estes foram obtidos com sucesso. A TGA relevou que estes materiais são estáveis até temperaturas próximas dos 195 ºC. A DSC mostrou que todos os materiais são amorfos e com a Tg mostraram ser dependentes do tipo de unidade central. As membranas de base dextrano foram obtidas por fotopolimerização dos dextranos modificados na presença dos diferentes reticulantes, usando como fotoiniciador o Irgacure2959®. Como referências, foram preparadas duas membranas contendo somente Dex-IEMA ou Dex-AM. As membranas obtidas foram analisadas por FTIR, tendo-se verificado a ausência das bandas correspondentes à ligação dupla, o que indica que a fotopolimerização foi levada a cabo com sucesso. O FTIR revelou ainda que as membranas de base Dex-AM apresentavam uma banda alargada na zona dos –OH, o que indica a presença de água na sua constituição. Esta água mostrou ter um efeito plastificante nas membranas, uma vez que estas apresentavam Tg muito baixas (entre os 5 ºC e os 36 ºC) quando comparadas com as membranas de Dex-IEMA, que não apresentava esta banda no seu espectro de FTIR. A capacidade de inchaço das membranas foi avaliada em água destilada, tendo-se verificado que, de um modo geral, as membranas de Dex-IEMA tinham capacidades de inchaço inferiores às de Dex-AM. Verificou-se ainda que a introdução dos reticulantes de base LA diminui a capacidade de inchaço das membranas, provavelmente devido à hidrofobicidade dos mesmos. Foi ainda avaliada a perda de massa dos materiais em tampão fosfato (PBS, pH=7,4), a 37 º C, tendo-se observado uma maior perda de massa para as membranas com Dex-AM. A inclusão dos reticulantes de base LA, na formulação das membranas, levou a um aumento da perda de massa das mesmas. Estes resultados indicam que as propriedades das membranas podem ser facilmente ajustadas quer pelo tipo de dextrano modificado usado, quer pelo tipo de reticulante The main goal of this work was the development of dextran based materials for application in nerve regeneration. The work comprised three steps: (i) modification of the dextran with double bonds; (ii) preparation of lactic acid (LA) based polyester polyols and their modification with double bonds to obtain the LA-based crosslinkers; and (iii) preparation of the membranes by photopolymerization. The dextran was modified by reacting the –OH groups with 2-isocyanatoethyl methacrylate (IEMA) and methacrylic anhydride (AM). The chemical structure of the modified dextran was evaluated by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR) and the results indicate that the materials were successfully synthesized. Thermal stability of the modified dextran was evaluated by thermogravimetric analysis (TGA), and it was found that they are thermally stable until 280 °C. The differential scanning calorimetry (DSC) analysis showed that both the modified dextran are amorphous and it was possible detect the glass transition temperature (Tg = 217 °C) for the dextran modified with methacrylic anhydride (Dex-AM). The LA-based crosslinkers were prepared by reacting different LA based polyester polyols with the AM. Different central units were chosen in order to give different properties to the material. The chemical structure of LA-based crosslinkers was evaluated by FTIR and 1H NMR, and it was found that they were successfully obtained. The TGA revealed that these materials are stable around 195 °C. The DSC showed that all materials are amorphous and the Tg is dependent on the type of central unit. The dextran based membranes were obtained by photopolymerization of modified dextrans in the presence of the different LA crosslinkers, using Irgacure2959® as photoinitiator. As references, two membranes were prepared containing only Dex-IEMA or Dex-AM. The membranes obtained were analyzed by ATR-FTIR, verifying the absence of bands corresponding to double bond, which indicates that photopolymerization was carried out successfully. The ATR-FTIR spectrum of the Dex-AM based membranes also revealed a broad band in the region of the –OH groups, indicating the presence of water. The water had a plasticizing effect on the membranes, since they showed a low Tg (between 5 °C and 36 °C) when compared with the Dex-IEMA membrane, which did not presented this band in its FTIR spectrum. The swelling capacity of the membranes was evaluated in distilled water, and it was found that, in general, the Dex-IEMA membranes had less swelling capacity than the Dex-AM. It was also found that the introduction of LA-based crosslinkers decreases the swelling capacity of the membranes, probably due to their hydrophobic nature. It was also evaluated the weight loss of materials in phosphate buffered saline solution (PBS, pH = 7.4), at 37 °C, and it was observed a higher weight loss for membranes with Dex-AM. The inclusion of LA-based crosslinkers, in the formulation of the membranes, led to an increase in mass loss. These results indicate that the properties of the membranes can be easily adjusted by either type of modified dextran used or the type of crosslinker.

Cardiovascular diseases, which are mostly related to high levels of low density lipoproteins (LDL), are currently one of the major causes of death. Currently, there are various polymer based drugs (hydrogels) capable of lowering the cholesterol levels in the blood, through bile acid complexation. However, all of the commercially available bile acid sequestrants have problems in terms of efficiency. Thus, in order to try to create a more effective drug, hydrogels of 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) and ((3- acrylamidopropyl)trimethylammonium chloride) (AMPTMA) were prepared using two different polymerization methods: free radical polymerization (FRP) and supplemental activator and reducing agent atom transfer radical polymerization (SARA ATRP). It was found that the new hydrogels were able to bind the sodium cholate (NaCA) (bile acid model molecule), but showing lower binding capacity than the products of the same category that are already present on the market. The effect of the amount of HEA present on the hydrogels on the binding parameters was also investigated. Generally, the results showed that an increase on the amount of HEA lead to an decrease of the binding capacity of the new BAS. The results also showed that BAS produced using SARA ATRP techniques present a higher binding capacity than the ones produced using FRP techniques. Finally, it was observed that copolymers of PAMPTMA-co-PHEA showed no sign of degradation in solutions that mimic the stomach and intestine environment. Keywords: Hydrogels; Bile acid sequestrants; FRP; SARA ATRP; 2-hydroxyethyl acrylate; ((3- acrylamidopropyl)trimethylammonium chloride) As doenças cardiovasculares, que na sua maioria, estão relacionadas com elevados níveis de lipoproteínas de baixa densidade (colesterol LDL), constituem atualmente uma das principais causas de morte. De momento, já existem vários fármacos baseados em polímeros (hidrogéis) capazes de diminuir os níveis de colesterol no sangue, através da complexação de ácidos biliares. Porém, todos os sequestradores de ácidos biliares(BAS) presentes no mercado apresentam problemas ao nível da eficiência. Assim, de modo a tentar criar um fármaco mais eficaz, recorreu-se à preparação de hidrogéis de acrilato de 2-hidroxietil(HEA) e cloreto de (3-acrilamidopropil)trimetil amónio (AMPTMA), usando dois métodos de polimerização distintos: polimerização radicalar livre (FRP) e polimerização radicalar por transferência de átomo com ativador suplementar e agente de redução (SARA ATRP). Verificou-se que os novos hidrogéis são capazes de se ligar ao sal de sódio do ácido cólico (NaCA) (ácido biliar modelo), mas apresentam uma capacidade de ligação inferior aos produtos da mesma categoria que já se encontram no mercado. Foi ainda investigado o efeito que a quantidade de HEA presente no hidrogel tem nos parâmetros de ligação. De um modo geral, verificou-se que a capacidade de ligação diminui com o aumento da quantidade de HEA nos BAS. Os resultados mostraram ainda que os BAS produzidos usando técnicas de SARA ATRP apresentam uma maior capacidade de ligação que os produzidos por técnicas de FRP. Finalmente, foi observado que o copolímero PAMPTMA-co-PHEA não mostrou sinais de degradação pela solução que simulou o ambiente estomacal e intestinal.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Estima-se que, atualmente, cerca 67 milh˜oes de pessoas em todo o mundo sofram de glaucoma, doen¸ca esta que pode levar `a cegueira quando n˜ao tratada. Os tratamentos dispon´ıveis no mercado possuem efeitos secund´arios adversos e/ou necessitam de destreza manual por parte do paciente para serem administrados corretamente. Nesta perspectiva, e de forma a melhorar a biodisponibilidade do f´armaco no olho atrav´es da administra¸c˜ao de uma dose mais baixa de medicamento, diversos tipos de sistemas de liberta¸c˜ao tˆem vindo a ser desenvolvidos. Devido essencialmente `a sua elevada biocompatibilidade e interesse para aplica¸c˜oes biom´edicas, o poli(´acido l´actico) (PLA) foi o pol´ımero escolhido para o desenvolvimento deste trabalho. Contudo, sendo um material duro e quebradi¸co, a sua utiliza¸c˜ao em diversas aplica¸c˜oes tem sido limitada. Por forma a viabilizar a sua utiliza¸c˜ao na aplica¸c˜ao final, o uso de plastificantes tem-se mostrado como uma promissora alternativa. Assim, o presente trabalho tem como finalidade o estudo do PLA como material pass´ıvel de ser utilizado na entrega de f´armacos anti glaucoma. Para tal, numa primeira etapa, procedeu-se `a s´ıntese e caracteriza¸c˜ao de poli´esteres saturados (SP) para plastifica¸c˜ao do PLA e, utilizando os filmes de PLA desenvolvidos, estudou-se numa segunda fase a capacidade de liberta¸c˜ao controlada de f´armaco anti glaucoma dos mesmos. Diferentes poli´esteres saturados foram sintetizados por policondensa¸c˜ao utilizando, para tal, diferentes glic´ois e ´acidos saturados. Ap´os sintetizados, os diversos SPs foram caracterizados qu´ımica, t´ermica e morfologicamente. Atrav´es das referidas an´alises verificou-se, com sucesso, a obten¸c˜ao de quatro poli´esteres: dois alif´aticos (SP1 e SP3) e dois arom´aticos (SP2 e SP4). De seguida, por solvent casting, procedeu-se `a forma¸c˜ao de filmes de PLA com poli´esteres, utilizando o clorof´ormio como solvente. Para a obten¸c˜ao do filme final, o solvente utilizado na sua prepara¸c˜ao foi evaporado numa estufa a 50 oC. Atrav´es deste m´etodo todos os poli´esteres mostraram ser capazes de formar filmes com o PLA. Contudo, apenas os poli´esteres SP1 e SP3 mostraram ser capazes de formar filmes com o PLA e cujas propriedades mecˆanicas os tornam pass´ıveis de ser estudados para liberta¸c˜ao controlada de f´armaco. Ap´os caracteriza¸c˜ao, os filmes com melhores propriedades - SP1 PLA50 (formula¸c˜ao SP1/PLA na propor¸c˜ao de 50/50), SP3 PLA70 (formula¸c˜ao SP3/PLA na propor¸c˜ao de 30/70) e SP3 PLA50 (formula¸c˜ao SP3/PLA na propor¸c˜ao de 50/50) - foram revestidos com a solu¸c˜ao polim´erica de origem (PLA com SP) ou com um silicone reativo. Posteriormente foram realizados estudos de liberta¸c˜ao de acetazolamida, um f´armaco anti glaucoma. O filme SP3 PLA70, formula¸c˜ao de PLA com poli´ester de ´acido seb´acico e 1,6-hexanodiol, provou ser o mais promissor dos trˆes no que se refere aos perfis de liberta¸c˜ao do f´armaco. No que respeita aos revestimentos estudados, ambos mostraram ser eficazes na diminui¸c˜ao da liberta¸c˜ao do f´armaco. Paralelamente, e numa an´alise comparativa, o mesmo processo de secagem foi realizado `a temperatura ambiente, avaliando assim o impacto da evapora¸c˜ao lenta do clorof´ormio sendo obtidos os mesmos resultados quando em compara¸c˜ao com a evapora¸c˜ao na estufa. Currently, about 67 million people worldwide are affected by glaucoma. Without an appropriate treatment this disease can lead to irreversible blindness. The treatments available in the market present adverse side effects and/or require manual dexterity of the patient to be administered properly. In this regard, and in order to improve the bioavailability of the drug in the eye, a variety of drug delivery systems have been developed. Poly(lactic acid) (PLA) was chosen for the development of this work due to its high biocompatibility and interest for biomedical applications. However, this polymer is a brittle and stiff material, which restricts its use in a variety of applications, namely ocular drug delivery systems. The use of plasticizers aims to improve the mechanical properties in order to meet the specifications of the final application. Thus, the present work aims to study the PLA as a material that can be used in the delivery of anti glaucoma drugs. To this end, in a first stage, different saturated polyesters (SP) were synthesized and characterized in order to plasticize PLA. In a second stage, the developed SP/PLA films were studied by their ability for controlled release of acetazolamide, an anti-glaucoma drug. Different saturated polyesters were synthesized by polycondensation using different saturated glycols and acids. Once synthesized, the different SPs have been characterized chemically, thermally and morphologically. Through these analyzes, it was verified that four polyesters, two aliphatic (SP1 and SP3) and two aromatic (SP2 and SP4), were successfully obtained. Then, using chloroform as solvent, the formation of SP/PLA films was performed by solvent casting. To obtain the final films, the solvent used in their preparation was evaporated in an oven at 50 oC. All the polyesters showed to be able to form films with PLA. However, only SP1 and SP3 polyesters showed to be able to form films with the PLA with mechanical properties of interest for drug controlled release. After characterization, the films with improved properties - SP1 PLA50 (films containing 50/50 wt.% of SP1/PLA), SP3 PLA70 (films containing 30/70 wt.% of SP3/PLA) and SP3 PLA50 (films containing 50/50 wt.% of SP3/PLA) - were coated with the film main solution (SP PLA) or with a silicone. Afterwards, acetazolamide release studies were performed. The SP3 PLA70 films proved to be the most promising of the three films used in this study, in what concerns the drug release profiles. As regards the studied coatings, both showed to be effective in lowering drug release. At the same time, the same drying process was performed at room temperature in order to evaluate the impact of slow evaporation of the chloroform in the film properties. The obtained results were similar to those obtained for the film prepared in the oven at 50 oC.

A terapia génica é reconhecida como um dos grandes avanços da medicina, ao permitir o tratamento de doenças a nível genético, mudando o atual paradigma da terapêutica. A terapia génica tem como objetivo a inserção de material genético nas células e tecidos alvo de um indivíduo, de forma a curar doenças do foro genético, como, por exemplo, o cancro. Neste sentido, o desenvolvimento de vetores de entrega de material genético seguros e eficientes surge como o grande desafio para a sua aplicação clínica. Das duas classes de vetores existentes, os de natureza viral são os mais eficientes. No entanto, a sua utilização é potencialmente perigosa, provocando, entre outros danos, reações imunitárias e inflamatórias graves, razão pela qual existe um interesse crescente sobre os vetores não-virais, onde se incluem os de base polimérica. Os vetores não virais oferecem como vantagens a sua segurança e reduzida resposta por parte do sistema imunitário, assim como flexibilidade de construção e facilidade de fabrico. Neste campo, a engenharia de polímeros possibilita a afinação das propriedades químicas e físicas dos polímeros, adaptando-os, de forma a conseguir polímeros com características ótimas para a entrega de material genético. O objetivo deste trabalho foi assim investigar o potencial de um novo sistema de base polimérica para a entrega de material genético, constituído por diferentes combinações entre três polímeros catiónicos: poli(etileno glicol)-bloco-poli[2-(dimetilamino)etil metacrilato] (PEG-b-PDMAEMA), poli[2-(dimetilamino)etil metacrilato] (PDMAEMA) e poli(β-amino éster) (PβAE), sendo ainda de especial relevância o estudo da influência do PEG sobre o sistema. Foram sintetizados três copolímeros de bloco PEG-b-PDMAEMA, com segmentos de PEG com pesos moleculares entre os 400 e os 2000 g.mol-1 e um homopolímero de PDMAEMA. A síntese realizou-se com recurso a técnicas de polimerização radicalar por transferência de átomo (ATRP), o que permitiu obter polímeros com massas molares e dispersividades controladas. Foi sintetizado um quinto polímero, o PβAE, por uma reação de adição de Michael. Por limites temporais, apenas três destes polímeros foram testados in vitro como vetores de entrega de material genético: os dois homopolímeros e o copolímero PEG1000-b-PDMAEMA. x A atividade de transfeção in vitro foi avaliada em células COS-7 através de ensaios de luminescência. Paralelamente, outros parâmetros como a citotoxicidade, o grau de condensação do DNA e o tamanho e a carga superficial das nanopartículas foram também estimados. Os resultados obtidos indicaram que os poliplexos baseados na combinação de polímeros proposta são bons candidatos para a entrega de material genético, devido à sua grande capacidade de transfeção, principalmente quando comparada com o gold standard dos vetores poliméricos, a polietilenimina ramificada (bPEI). De acordo com o presente estudo, a introdução de PEG não teve influência sobre a atividade de transfeção do sistema, já que as variações na quantidade de polímero PEG1000-b-PDMAEMA não se traduziram em alterações significativas na atividade biológica das diferentes formulações. Todas as outras análises efetuadas indicaram que os poliplexos produzidos têm propriedades físico-químicas adequadas à sua aplicação, nomeadamente, carga superficial positiva, diâmetro médio abaixo dos 150 nm e uma excelente condensação do DNA. Palavras-chave: RDRP, ATRP, copolímeros de bloco, polímeros catiónicos, terapia génica.

Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada ao Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The aim of this work was the development of well-defined co(polymers) based on stimuli-responsive segments to further use as building blocks in the development of nanocarriers for biomedical applications. The synthesis strategy involved the use of reversible deactivation radical polymerization (RDRP) methods, as well as “click” coupling reactions that led to the preparation of well-defined polymers, with controlled molecular weight, narrow molecular weight distributions, and well-defined chain-end functionalities. The homopolymerization studies of the 2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate (DPA) by atom transfer radical polymerization (ATRP) involving an eco-friendly catalytic system that uses sodium dithionite (Na2S2O4) as a reducing agent and supplemental activator originated well-defined pH-responsive polymers with controlled properties. The detailed mechanism of such reaction system was investigated and the structure of the initiator, solvent, concentration of the catalyst, and the ratios of Na2S2O4 were adjusted to optimize the polymerization and afford polymers with narrow molecular weight distribution (Đ < 1.15) even at high monomer conversion (~ 90%). The slow and continuous feed of Na2S2O4 solution to the reaction mixture allowed the polymerization to be carried out in the presence of only 100 ppm of CuBr2 when the ligand tris(2-pyridylmethyl)-amine (TPMA) was used. This system was successfully extended to the polymerization of oligo(ethylene oxide) methyl ether methacrylate (OEOMA). The residual metal catalyst concentrations used and non-toxic nature of the Na2S2O4 make this SARA ATRP method very attractive for the well-controlled synthesis of water soluble polymers for biomedical applications. The high conversion and preservation of the chain-end functionality allowed the direct synthesis of POEOMA-b-PDPA block copolymers through one-pot polymerization approach. The pH-dependent self-assembly behavior of these brush-like copolymers in aqueous solutions was studied and the preliminary results suggested that the preparation method plays an important role on the final morphology of the nanoaggregates. Due to the pH critical value of the DPA block, these block copolymers form stable nanostructures at physiological pH, but disassemble at pH < 6.2. Copolymers composed by longer PDPA segments were found to originate larger self-assembled particles with critical micelle concentration (CMC) in the range of 1.0 x 10-3 mg.mL-1. Despite the high versatility of the ATRP method, it is not very efficient in the polymerization of the so called non-activated monomers, namely vinyl acetate (VAc) and N-vinyl caprolactam (NVCL). The reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) was proposed as an alternative RDRP method for the polymerization of such monomers and two new xanthates with alkyne functionalities were designed and synthesized. The kinetic studies revealed that the protected alkyne-terminated RAFT agent (PAT-X1) was able to conduct the RAFT polymerization of both VAc and NVCL in 1,4-dioxane at 60 °C, with a good control over the molecular weight and relatively narrow MW distributions (Đ < 1.4) up to high monomer conversions. The linear evolution of Mn,GPC with conversion as well as the close agreement between Mn,th and Mn,GPC values confirmed the controlled feature of the RAFT system. The poly(N-vinyl caprolactam) (PNVCL) is a temperature-responsive polymer and its solution behaviour was fully investigated under different conditions. The stringent control over the polymer molecular weight allows the development of PNVCL with tunable phase transition temperatures around 37 °C. The deprotection of the alkyne functionality of the polymers synthesized by RAFT, allowed a further copper catalyzed azide–alkyne [3+2] dipolar cycloaddition (CuAAC) to obtain new linear block copolymers. This “click” coupling reaction allowed the conjugation of the alkyne-terminated PNVCL synthesized by RAFT with and azide-terminated POEOMA synthesized by ATRP, originating POEOMA-b-PNVCL copolymers. Such block copolymers are hydrophilic but, due to the temperature responsive nature of the PNVCL segment, they become amphiphilic at temperatures above its low critical solution temperature (LCST) and self-assemble into spherical vesicular aggregates with narrow size distributions. A small drop in the solution temperature caused the disruption of the nanostructures and induced the fast release of nile red (NR), an hydrophobic small molecule used as a model drug. Moreover, the sharp and reversible solution properties of the PNVCL block turn those copolymers interesting candidates for the development of temperature-triggered drug delivery systems (DDS). The CuAAC coupling reaction was extended for the development of responsive polymers with linear-dendritic architectures. The synthesized linear pH-responsive and temperature-responsive polymers were conjugated to polyester dendritic structures based on the monomer 2,2-bis(hydroxymethyl) propionic acid (bis-MPA), functionalized with poly(ethylene glycol) (PEG) segments, to obtain linear dendritic block copolymers (LDBC). This thesis contributed to the development of methods that allow the synthesis of new block copolymers having stimuli-responsive segments, and intended to extend the application of these structures to the development of tailor made nanocarriers to be used as DDS for cancer therapy. FCT - SFRH/BD69635/2010

Dissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

O principal objetivo deste projeto consiste em desenvolver técnicas de processamento de polímeros e de imobilização de fármacos para a preparação de um novo sistema de libertação controlada de fármaco (SLCF) para posterior aplicação intraocular. Para a síntese de implantes biodegradáveis foram utilizados polímeros como a poli-ε-caprolactona (PCL) e o Lutrol F127, ambos promissores na área da medicina quando aplicados em SLCF. O desenvolvimento de SLCF biodegradáveis tem sido crucial para auxiliar o tratamento da doença do glaucoma (principal causa de cegueira irreversível e deficiência visual em todo o mundo). Como tal, filmes biodegradáveis para SLCF foram desenvolvidos em forma de disco, caracterizados térmica, mecânica, física e morfologicamente, bem como processados com encapsulamento de fármaco para posteriores estudos acerca da sua libertação ao longo de cerca de 20 dias. Os filmes utilizados nos estudos de libertação foram sujeitos a um conjunto de variáveis como diferentes fármacos (acetazolamida ou dorzolamida), diferentes locais onde estes foram colocados durante o estudo, diferentes tipos de filme (tipo 1 ou tipo 2, consoante o seu diâmetro e a sua espessura), utilização (ou não) de um revestimento e reposição (ou não) do meio utilizado a cada leitura. Os resultados destes estudos revelaram que ambos os fármacos mostram um comportamento idêntico ao longo do tempo, que uma menor percentagem de libertação de fármaco se verifica para filmes tipo 2, que a utilização de um revestimento controla de certa forma a libertação do fármaco e que, por fim, a colocação dos filmes no shaker aliada à reposição do meio revelam-se como sendo os procedimentos mais adequados para desenvolver os estudos, devido a uma maior proximidade com as características do corpo humano.

Na última década, as resinas de poliéster insaturado (UPRs) têm vindo a tornar-se um material importante na área Biomédica. Estas resinas apresentam excelentes propriedades mecânicas e uma capacidade intrínseca de biodegradação, contudo são constituídas normalmente por monómeros ou agentes de reticulação/monómeros reativos que não são biocompatíveis, o que pode comprometer a sua aplicabilidade em produtos da área da Saúde, como implantes e adesivos, scaffolds e sistemas de libertação controlada de fármacos. Esta tese pretende desenvolver UPRs mais adequados para aplicações biomédicas. Para isso, são usados monómeros de origem renovável na produção dos poliésteres insaturados (UPs), na tentativa de aumentar a sua biocompatibilidade sem comprometer as suas propriedades mecânicas. Para isso, os UPs foram reticulados com 2-hidroxietil metacrilato (HEMA), pois é bastante usado em áreas médicas, como a Oftalmologia e a Engenharia de Tecidos. Os UPs sintetizados foram caracterizados pelas técnicas de FTIR, 1H NMR (composição química), SEC (peso molecular), SDT e DMTA (propriedades termo-mecânicas). As UPRs obtidas através de reticulação térmica e fotoreticulação foram primeiramente analisadas relativamente ao seu teor de gel. Seguidamente, as amostras reticuladas termicamente foram analisadas pelas técnicas SDT e DMTA (propriedades termo-mecânicas), e as suas capacidades de absorção e degradação hidrolítica in vitro também foram avaliadas. Os resultados revelaram sucesso na preparação dos UPs e UPRs compostos por monómeros de fonte renovável, assim como a observação de efeitos interessantes nas suas propriedades, constituindo pontos de partida importantes para a futura otimização dos sistemas e respectiva aplicação no campo biomédico.

Este projecto teve como principal objectivo o desenvolvimento de uma estrutura dendrítica de quarta geração, de base poliéster, funcionalizada com um grupo alcino. O dendron de quarta geração (baseada no composto bis-MPA) foi sintetizado segundo o método double-stage convergent growth, tendo os resultados obtidos sido confirmados por ressonância magnética nuclear e espectrometria de massa. A estrutura sintetizada, com um grupo carboxílico no seu `núcleo', foi sujeita a diversas reacções de funcionalização com terminais alcino, revelando-se, no entanto, infrutíferas. Deste modo, um novo método, através do anidrido carboxílico, foi testado e um dendron de segunda geração, funcionalizado com o grupo alcino, foi sintetizado com sucesso. Com o mesmo intuito de construir uma estrutura de quarta geração, reacções de esterificação e acilação foram executadas, mas os resultados obtidos sugerem que o terminal alcino, presente inicialmente, foi afectado. Concomitantemente, reacções de funcionalização do polietilenoglicol com um terminal alcino foram também realizadas, tendo sido sintetizado com sucesso (após várias tentativas). Embora o objectivo inicial não tenho sido totalmente alcançado, as metodologias abordadas e os resultados obtidos neste projecto, permitem retirar algumas ilações acerca do processo de síntese de estruturas dendríticas. Este conhecimento reveste-se de especial importância na definição de novas estratégias que devem ser adoptadas futuramente. Palavras-chave: anidrido, bis-MPA, PEG

Dissertação de mestrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The main goal of this work is to study the thermal dynamics of a lab-scale vessel that can be used for polymerization experiments. It involves a study of the thermal dynamics of a 250 mL jacketed lab-scale glass reactor intended to be used in the future for batch polymerization reaction experiments. A mathematical model is developed and is used to simulate the thermal dynamics of the system. The mathematical model available in the literature for methyl methacrylate (MMA) solution free-radical polymerization is also considered in this simulation study. The numerical implementation of the models has been made in the MATLAB programming language. The simulation results of the lab-scale reactor show the heating and cooling performance, and a feedback control scheme using a split-range control strategy is tested as well to simulate the temperature setpoint tracking of the MMA polymerization mixture in the lab-scale reactor. Neste trabalho é efectuado um estudo térmico de um reactor laboratorial em vidro, dotado de uma camisa de arrefecimento/aquecimento e com uma capacidade de 250 mL. Prentende-se no futuro utilizar este reactor para realizar ensaios experimentais de polimerização. É formulado um modelo matemático do reactor e é simulado numericamente o seu comportamento dinâmico. O estudo desenvolvido inclui também o modelo matemático para a polimerização de metacrilato de metilo (MMA) em solução em modeo descontínuo, disponibilizado na literatura cientÃfica. A implementação numérica dos modelos matemáticos é efectuada com recurso à linguagem de programação MATLAB. Os resultados de simulação demonstram o desempenho térmico do reactor, nomeadamente a sua capacidade de resposta quando é aquecido ou arrefecido. É também apresentado um estudo do reactor sob controlo por realimentação da temperatura da mistura do sistema de polimerização de MMA, em que é adoptada uma estratégia de controlo do tipo split-range.

The main aim of this thesis was to develop multifunctional porous calcium phosphate (CaP) based scaffolds as bone grafts for advanced therapies. Undoped and doped (Sr2+, Mg2+ and/or Zn2+) biphasic calcium phosphate (BCP) scaffolds were obtained through a hydrothermal treatment (HT) of cuttlefish bone (CB). The unique microstructure of CB was preserved after HT and its complete transformation was confirmed by X-ray diffraction (XRD). The presence of the doping elements on BCP scaffolds was observed through the shifts of XRD patterns to different angles and the differences of phase quantification were obtained by Rietveld refinement. Nevertheless, inductively couple plasma spectroscopy revealed that the incorporated amounts of the doping elements were significantly lower than the planned ones. The live/dead staining results of human mesenchymal stem cells cultured in vitro in the presence of different scaffolds indicated that cells maintain their viability for 72 h. The presence of doping elements (Sr2+, Mg2+ and Zn2+) improved cell proliferation as observed by MTT assay. As an alternative approach to calcium partial replacement in the crystalline lattices of BCP, the doping elements were incorporated as sol-gel derived bioactive glass (BG) surface coating. This coating improved the mechanical properties of the scaffolds and their in vitro biomineralization activity when immersed in simulated body fluid (SBF). Despite the apparent advantages of this coating, preliminary MTT assay results indicated some pH-induced toxicity associated with ionic leaching from the coating. To overcome the major drawbacks of BCP scaffolds obtained from CB (brittleness and low fracture toughness), polymeric coatings were applied onto their surfaces. With this purpose, two commercial polymers, poly(εcaprolactone) (PCL) and poly(DL-lactide) (PDLA), and two other polymers synthesized in the laboratory, poly(ester amide) (PEA) and poly(ester urea) (PEU) were used. The polymeric coatings enhanced the overall mechanical properties, without compromising the interconnected porous structure, as observed by scanning electron microscopy. Higher values of compressive strength were registered for scaffolds coated with PEU. The presence of the polymers was further confirmed by FTIR. The preliminary in vitro cell culture results performed with polymer coated BCP scaffolds doped by calcium partial substitution with Sr2+, Mg2+ and Zn2+ showed a greater cell proliferation for those coated with PEU. The synergetic effect between CaP and polymers were explored to release rifampicin (RFP) as a model antibiotic, conferring to the scaffolds sustained drug delivery capabilities. The presence of the drug was confirmed by the colour change from white to orange and by the drug release studies. The polymers influence differently the drug release profiles. The release kinetics were faster for the scaffolds coated with PCL in comparison to the samples coated with PEA or PEU. The RFP loaded samples demonstrated to have a strong antibacterial activity against both Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Staphylococcus aureus. In conclusion, we successfully obtain undoped and doped BCP scaffolds derived from CB. The combination of these scaffolds with PCL, PDLA, PEA or PEU improved the mechanical properties and enabled a sustained drug release. These scaffolds can potentially be used as bone graft substitutes to improve bone regeneration and prevent bacterial biofilm formation. Esta tese teve como principal objetivo o desenvolvimento de scaffolds multifuncionais à base de fosfatos de cálcio (CaP) para substitutos ósseos. As scaffolds bifásicas de fosfatos de cálcio (BCP) não dopadas e dopadas (Sr2+, Mg2+ e/ou Zn2+) foram obtidas através do tratamento hidrotermal (HT) do osso de choco (CB). A microestrutura única do CB foi preservada após a HT e a sua completa transformação foi confirmada por difração de raios-X (XRD). A presença dos elementos dopantes nas scaffolds de BCP foi observada através da deslocação dos padrões de XRD para diferentes ângulos e as diferenças na quantificação de fases for obtida por refinamento de Rietveld. No entanto, a espectrometria de emissão atómica com fonte de plasma mostrou que a quantidade de iões dopantes era significativamente inferior à planeada. A coloração live/dead das células mesenquimais humanas que estiveram na presença das diferentes scaffolds indicaram que as células mantiveram a sua viabilidade durante as 72 h. Através do ensaio com MTT observou-se que a presença dos iões dopantes (Sr2+, Mg2+ e Zn2+) melhorou a proliferação celular. Numa abordagem alternativa à substituição parcial do cálcio na estrutura cristalina do BCP, os iões dopantes foram introduzidos através de um revestimento de superfície com vidro bioativo obtido por sol-gel. Este revestimento melhorou as propriedades mecânicas das scaffolds e também a atividade de bio mineralização in vitro quando imerso em fluido corporal simulado (SBF). Apesar das vantagens deste revestimento, os ensaios preliminares de MTT demonstraram alguma toxicidade induzida pelo pH elevado associado à lixiviação iónica do revestimento. De forma a ultrapassar a principal desvantagem das scaffolds BCP obtidas através de CB (fragilidade e baixa tenacidade à fratura) foram feitos revestimentos poliméricos nas superfícies das scaffolds. Com esse objetivo, dois polímeros comerciais, poli(e-caprolactona) (PCL) e poli(DL-láctico) (PDLA), e dois outros polímeros sintetizados em laboratório, poli(éster amida) (PEA) e poli(éster ureia) (PEU). Os revestimentos poliméricos melhoraram as propriedades mecânicas sem comprometer a estrutura porosa interconecta, tal como observado por microscopia eletrónica de varrimento. As scaffolds revestidas com PEU registaram os valores mais altos de resistência à compressão. A presença dos polímeros foi ainda confirmada por FTIR. Os resultados preliminares dos ensaios de cultura celular in vitro realizados com scaffolds dopadas por substituição parcial de cálcio por Sr2+, Mg2+ e Zn2+ mostraram uma maior proliferação celular para aquelas revestidas com PEU. O efeito sinergético entre CaP e polímeros foi explorado para permitir a libertação de rifampicina (RFP) como um antibiótico modelo, conferindo às scaffolds a capacidade de libertação controlada de fármaco. A presença do fármaco foi confirmada pela alteração de cor de branco para cor-de-laranja e pelos estudos de libertação do fármaco. Os polímeros influenciam diferentemente os perfis de libertação do fármaco. A cinética de libertação foi mais rápida nas scaffolds revestidas com PCL em comparação com as amostras revestidas com PEA ou PEU. As amostras com RFP demonstraram ter uma forte atividade antibacteriana contra Gram-negativa Escherichia coli e Gram-positiva Staphylococcus aureus. Em conclusão, obtivemos com sucesso scaffolds BCP não dopadas e dopadas derivadas de CB. A combinação destas scaffolds com PCL, PDLA, PEA e PEU melhorou as propriedades mecânicas e permitiu uma libertação controlada do fármaco. Estas scaffolds podem ser potencialmente utilizadas como substitutos ósseos para melhorar a regeneração óssea e impedir a formação de um biofilme bacteriano. Programa Doutoral em Materiais e Processamento Avançados