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Dissertação de Mestrado em Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Atualmente, a principal fonte para a produção de produtos químicos, assim como de energia é baseada no uso massivo de derivados fósseis, o que tem levantado uma série de questões relativamente à continuidade da sua exploração, motivadas pela escassez destas reservas, bem como as preocupações relativamente ao impacto negativo causado no ambiente por estes. Assim, localizar novos e versáteis produtos químicos e biocombustíveis de plataforma de recursos sustentáveis de forma a substituir os derivados petroquímicos tem-se revelado uma tarefa contínua e urgente na tentativa de mitigar os problemas referidos anteriormente.Muitas das alternativas para encontrar estes produtos e biocombustíveis dependem da conversão de carboidratos de biomassa em derivados de furfural. O 5-clorometilfurfural (5-CMF) é um composto obtido a partir da celulose e da biomassa celulósica, tendo já sido reportada a sua utilidade na obtenção de uma ampla gama de derivados capazes de produzir novos materiais e produtos químicos mais verdes.O trabalho que deu origem a esta dissertação tirou partido desta ideia, tendo como objetivo principal o estudo da síntese de derivados de 5-CMF de valor acrescentado, com aplicação em diversas áreas.Este estudo iniciou-se com a síntese de 5-CMF, tendo como composto de partida a frutose. Para a sua obtenção utilizámos alguns procedimentos descritos na literatura, tendo realizado a sua otimização, com alteração de parâmetros como a temperatura, tempo de reação e solvente.A molécula de 5-CMF apresenta três grupos funcionais que podem sofrer transformações para dar origem a novos compostos de valor acrescentado. Assim, tentou-se a síntese de derivados de 5-CMF através de dois tipos de reações, substituição e condensação. Estudaram-se substituições do cloro na posição 5 do anel furânico por reação com álcoois. Foram realizados vários estudos utilizando diferentes compostos com função álcool, nomeadamente, etilenoglicol, glicerol e álcool benzílico, com diferentes condições de reação, obtendo-se assim moléculas com diversos núcleos com potencial aplicação em reações de polimerização. Estudaram-se também reações de condensação de aminas com o grupo carbonilo da posição 2 do anel furânico. Por reação com benzilamina, anilina e naftilamina, obtiveram-se as iminas correspondentes com rendimentos de 91%, 92% e 95%, respetivamente. Foi também possível realizar a proteção do grupo carbonilo com etilenoglicol, o que pode abrir caminho para a realização de outros tipos de reações envolvendo o átomo de cloro de 5-CMF. As iminas obtidas poderão ser testadas como potenciais marcadores de combustíveis de baixo custo para impedir o uso inapropriado para outros fins. Estes compostos também se revelaram ser potenciais candidatos a desenvolvimentos futuros no setor farmacêutico bem como em outras especialidades químicas. Presently, the main source for the production of chemical products, as well as energy, is based on the massive use of fossil derivatives, which has raised a series of questions regarding the continuity of their exploitation, motivated by the scarcity of these reserves, as well as concerns regarding the negative impact they have on the environment. Thus, locating new and versatile chemicals and biofuels from sustainable resources platforms in order to replace petrochemical derivatives has proved to be a continuous and urgent task in an attempt to mitigate the problems mentioned above.Many of the alternatives for finding these products and biofuels depend on the conversion of biomass carbohydrates into furfural derivatives. 5-Chloromethylfurfural (5-CMF) is a compound obtained from cellulose and cellulosic biomass, and its usefulness in obtaining a wide range of derivatives capable of producing new materials and greener chemicals has already been reported.The work that gave rise to this dissertation took advantage of this idea, having as its main objective the study of the synthesis of 5-CMF derivatives of added value, with application in various areas. The 5-CMF molecule has three functional groups that can undergo transformations to give rise to new added-value compounds.The study began with the synthesis of 5-CMF, having fructose as starting material. To obtain it, we used procedures described in the literature, having carried out their optimization, by changing parameters such as temperature, reaction time and solvent. The synthesis of 5-CMF derivatives through two types of reactions, substitution and condensation, was studied.Chlorine substitutions at position 5 of the furan ring were studied by reaction with alcohols. Several studies were carried out using different compounds with alcohol function, namely ethylene glycol, glycerol and benzyl alcohol, with different reaction conditions, thus obtaining molecules with different nuclei having potential application as monomers for polymerization reactions.Condensation reactions of amines with the carbonyl group at position 2 of the furan ring were also studied. By reaction with benzylamine, aniline and naphthylamine, the corresponding imines were obtained in yields of 91%, 92% and 95%, respectively.It was also possible to carry out the protection of the carbonyl group with ethylene glycol. This may open the way to carrying out other types of reactions involving the chlorine atom of 5-CMF.The obtained imines can, in future studies, be tested as potential low-cost fuel markers to prevent inappropriate use for other purposes. These compounds have also proved to be potential candidates for future developments in the pharmaceutical sector as well as in other specialty chemicals.

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 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 Química Forense apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Latex gloves are commonly used by felons to avoid leaving fingerprints and DNA when committing crimes. Most felons discard the gloves at the crime scene or nearby. Although latex gloves are mass produced items, they can provide important information to crime scene investigators, for instance by comparing gloves found at crime scene with gloves seized at the suspect’s premises. Latex is a highly regular cis-1,4-polyisoprene produced by more than 2500 species of plants. The manufacture of latex gloves includes a compounding step, which allows to improve their final properties. This step proves to be important in the discrimination of latex gloves since each producer uses different additives according to the final product and the desired price /quality ratio. Based on these premises, we propose a multidisciplinary approach using the combined potential of analytical methodologies such as attenuated total reflectance infrared spectroscopy (FTIR-ATR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetry (TGA), X-ray powder diffraction (XRPD) and nuclear magnetic resonance in the time domain (TD - NMR), without any sample preparation, to differentiate latex gloves of different origin. Twenty-four latex gloves of six different brands were analyzed, each of them at 3 random locations. The results obtained by the five experimental methods were evaluated by multivariate statistical analysis using principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA). This analysis led to the formation of five groups, being two of the brands indistinguishable.The discrimination efficacy of the proposed methodology was further confirmed by the additional analysis of eight blind samples, some of them belonging to the initial set, others of different origin. The blind samples were successfully grouped, allowing validation of the results obtained.The Random Forest algorithm was also used with quite promising results. As luvas de látex são comumente utilizadas por criminosos para evitar deixar impressões digitais ou ADN, e são muitas vezes descartadas no local do crime ou nas suas imediações. Apesar de serem itens produzidos em massa, comuns, podem fornecer informação relevante aos investigadores forenses, por exemplo comparando luvas encontradas no local do crime com luvas apreendidas na casa/ pertences dos suspeitos.As luvas de látex são compostas por cis-1,4-poli-isopreno, que é produzido por mais de 2500 espécies de plantas. A manufatura de luvas inclui uma etapa de aditivação, que permite melhorar as suas propriedades finais. Esta etapa revela-se importante na discriminação de luvas de látex dado que, cada produtor utiliza diferentes aditivos de acordo com o produto final e a razão preço/qualidade pretendida. Com base nestas premissas, neste trabalho foi usada uma abordagem multidisciplinar com recurso ao potencial combinado de um conjunto de metodologias analíticas, espetroscopia de infravermelho no modo de refletância total atenuada (FTIR-ATR), calorimetria diferencial de varrimento (DSC), termogravimetria (TGA), difração de raios – X de pó (XRPD) e ressonância magnética nuclear no domínio do tempo (TD-RMN), que requerem pouca ou nenhuma preparação da amostra, para diferenciar luvas de látex com origens diferentes. Foram analisadas 24 luvas de látex de seis marcas distintas, cada uma delas em 3 locais aleatórios. Os resultados obtidos nas cinco metodologias foram avaliados por análise estatística multivariada com recurso à análise de componentes principais (PCA) e à análise de agrupamentos hierárquicos (HCA). Esta análise conduziu à formação de cinco grupos, sendo duas das marcas indistinguíveis.A eficácia de discriminação da metodologia foi comprovada com a análise adicional de oito amostras cegas, algumas do conjunto inicial, outras de origem distinta, as quais foram corretamente atribuídas.O algoritmo Random Forest foi também utilizado com resultados muito promissores.

Dissertação de Mestrado em Química Forense apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os sacos de plástico consistem num tipo de materiais poliméricos de interesse forense que podem ser encontrados em locais de crime. Estes podem, por exemplo, ser usados para ocultar o corpo de uma vítima ou noutros fins relacionados com o crime, tais como o embalamento de drogas ilícitas para serem vendidas no mercado do consumidor. Deste modo, torna-se útil caracterizar estas evidências poliméricas para determinar a sua origem e obter informações suplementares que podem ajudar nas investigações forenses. O objetivo deste projeto é aplicar uma abordagem combinada de métodos instrumentais de análise com técnicas de análise estatística multivariada para a discriminação de sacos de plástico em contexto forense.Neste estudo, vinte e oito sacos de plástico obtidos a partir de sete marcas diferentes foram analisados em três sítios aleatórios por espetroscopia de infravermelho com transformada de Fourier em modo de refletância total atenuada (FTIR-ATR), calorimetria diferencial de varrimento (DSC), análise termogravimétrica (TGA), difração de raios-X (XRD) e microscopia com luz polarizada (PLM). A variabilidade inter e intra-amostras da mesma marca foi investigada, juntamente com a diversidade entre amostras de marcas diferentes. Posteriormente, três métodos de análise estatística multivariada foram aplicados com o intuito de explorar e interpretar os resultados obtidos: análise de agrupamento hierárquico (HCA), análise de componentes principais (PCA) e random forest (RF). A complementaridade dos métodos analíticos e quimiométricos permitiu observar a presença de cinco agrupamentos naturais entre o conjunto de amostras, sendo útil para estabelecer uma análise comparativa rápida e, consequentemente, discriminar a maior parte das marcas estudadas de sacos de plástico aparentemente semelhantes, que apresentam diferenças significativas resultantes do processo de manufatura. Os mesmos métodos também foram aplicados no estudo e investigação de oito amostras cegas, as quais foram identificadas com sucesso e usadas para testar e validar os métodos estatísticos. Plastic bags consist in a type of polymeric materials of forensic interest that may be found in crime scenes. They can for example be used to hide the body of a victim or in other crime related purpose, such as packing illicit drugs to be sold in the consumer market. Thus, it becomes useful to characterize these polymeric evidences to determine their source and obtain supplementary information that can help forensic investigations.The purpose of this project is to apply a combined approach of instrumental methods of analysis with multivariate statistical analysis techniques for discrimination of plastic bags in forensic context.In this study, twenty-eight plastic bags obtained from seven different brands were analyzed in three random sites by Fourier transform infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (FTIR-ATR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD) and polarized light microscopy (PLM). Inter and intra-sample variability of the same brand was investigated, along with the diversity among samples from different brands.Three methods of multivariate statistical analysis were applied in order to explore and interpret the obtained results: hierarchical clustering analysis (HCA), principal component analysis (PCA) and random forest (RF). The complementarity of analytical and chemometric methods allowed to observe the presence of five natural clusters among the set of samples which was useful for establishing a rapid comparative analysis and, consequently, to discriminate most of the studied brands of apparently similar plastic bags, which have significant differences as a result of the manufacture process.The same methods were also applied in the study and investigation of eight blind samples, which were successfully identified and used to test and validate the statistical methods.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da plastificação do poli(ácido láctico) (PLA) com recurso à extrusão reativa (REx), utilizando três plastificantes diferentes: álcool ramificado (AR), diéster derivado do AR e oligómeros de ácido láctico funcionalizados com ligações duplas (OLA-HEMA de 1000 e 5000 g/mol) na presença de peróxido de dicumilo (DCP). O AR está disponível comercialmente, ao passo que o diéster e o OLA-HEMA foram sintetizados com sucesso no decorrer do trabalho. Os plastificantes foram depois usados em diferentes concentrações (4, 10 e 20 % m/m), tendo sido utilizados dois métodos de mistura das formulações: (i) dissolução dos componentes da mistura (PLA, DCP, plastificante) em clorofórmio, seguido de evaporação para a obtenção de um filme e (ii) mistura física dos componentes sem uso de solvente. De seguida as misturas foram submetidas à REx numa extrusora laboratorial de fuso simples com objetivo de enxertar os plastificantes nas cadeias do PLA. O PLA plastificado foi recolhido na forma de fios com cerca de 1.4 mm de diâmetro. Para alguns testes de caracterização, nomeadamente, análise dinâmica termomecânica (DMTA) e ensaios de tração, foi necessário obter provetes pelo que o fio extrudido foi sujeito a um processamento adicional (prensagem a quente).A partir da avaliação preliminar efetuada às misturas extrudidas, constatou-se que o efeito plastificante nos materiais misturados fisicamente e plastificados com OLA-HEMA de menor peso molecular (˜1000 g/mol) não foi significativo, razão pela qual foram abandonados e o estudo passou a dar atenção aos materiais resultantes da REx a partir das misturas obtidas por dissolução dos componentes em clorofórmio, seguido de evaporação, e em cujas misturas foram usados como plastificantes o AR, diéster e OLA-HEMA de 5000 g/mol.Da avaliação efectuada, os resultados de análise termogravimétrica (TGA) revelaram maior estabilidade térmica (359 °C) para os materiais plastificados com 10 % (m/m) de diéster em comparação com PLA puro (311 °C). No entanto, é de salientar que nenhum dos outros plastificantes levou a um decréscimo acentuado da estabilidade térmica. A calorimetria diferencial de varrimento (DSC) revelou uma redução da Tg em 12 ºC e 13 ºC, para o PLA plastificado (na forma de fio) com 4 e 20 % (m/m) de diéster e OLA-HEMA, respetivamente. Os resultados de DMTA revelaram que as misturas não apresentaram nenhuma separação de fase relacionada com imiscibilidade do sistema PLA-plastificante, tendo-se verificado que todos os materiais plastificados tinham um módulo elástico (E’) inferior ao apresentado para o PLA puro. Esta diminuição é mais evidente para a formulação com 10 % (m/m) de diéster (E’PLA/Ester-10=1415 MPa vs E’PLA puro=2524 MPa). Os ensaios de tração revelaram aumento da elongação em até 6 e 52 vezes para amostras em provetes (PLA/AR-10) e fios (PLA/OLA-10), respetivamente em relação ao PLA puro. O PLA plastificado com OLA-HEMA apresentou boa estabilidade química face ao ácido acético e etanol nos testes de migração. This work aimed to study the plasticization of poly(lactic acid) (PLA) by means of reactive extrusion (REx) using three different plasticizers: a branched alcohol (BA), a BA based diester and lactic acid oligomers functionalized with double bonds (OLA-HEMA, 1000 and 5000 g/mol) in the presence of dicumyl peroxide (DCP). The BA is commercially available, whereas the diester and OLA-HEMA were successfully synthesized in this work. Plasticizers were then used in different concentrations (4, 10 to 20 % wt.) and two blending methods were used: (i) dissolution of the components of the mixture (PLA, DCP, plasticizer) in chloroform, followed by evaporation to obtain a film and (ii) physical mixture of the components without solvent. Then the mixtures were subjected to REx on a laboratory single-screw extruder in order to graft the plasticizers onto PLA chains. The plasticized blends were collected in the form of strands with 1.4 mm in diameter. For some characterization tests, namely, dynamic thermomechanical analysis (DMTA) and tensile tests, it was necessary to obtain test pieces (e.g., dog-bone-shape) and in such cases the extruded strand was subjected to additional processing (hot melt pressing).From the preliminary studies performed on the extruded blends, it was found that the plasticization effect of the materiasl mixed physically and where lower molecular weight OLA-HEMA (˜1000 g/mol) was used as plasticizer was not significant and because of that, the work developed during the study focused essentially on the REx of the mixtures obtained by dissolving the components in chloroform, followed by evaporation, and mixtures in which the BA, diester and OLA-HEMA (5000 g/mol) were used as plasticizers .The results of thermogravimetric analysis (TGA) showed that the blends comprising 10 % (wt.) of the diester had better thermal stability (359 °C) than neat PLA (311 °C). However, it is noteworthy that none of the other plasticizers led to a significant decrease in thermal stability. The differential scanning calorimetry (DSC) showed a reduction of Tg by 12 °C and 13 °C for plasticized PLA (in the form of strands) with 4 and 20 % (wt) of diester and OLA-HEMA, respectively. The DMTA results revealed that the blends showed no phase separation related to the immiscibility of the PLA-plasticizer system, and it was found that all the plasticized materials had an elastic modulus (E’) lower than that of neat PLA. This decrease is more evident for formulation with 10 % (wt.) of the diester (E’PLA/Ester-10=1415 MPa vs E’neat PLA=2524 MPa). Tensile tests showed increased elongation up to 6 and 52 times for samples on dog-bone-shaped samples (PLA/AR-10) and strands (PLA/OLA-10), respectively, compared to neat PLA. The plasticized PLA with OLA-HEMA showed good chemical stability against acetic acid and ethanol in the migration tests.

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.

O poli(ácido láctico) (PLA) é um polímero caracterizado por ser rígido e quebradiço à temperatura ambiente. Neste contexto, o presente trabalho teve como principal objetivo o estudo da plastificação do PLA com recu rso à extrusão reativa (REx), utilizando três plastificantes diferentes: álcool ramificado (AR), diéster derivado do AR e oligómeros de ácido láctico funcionalizados com ligações duplas (OLA-HEMA de 1000 e 5000 g/mol) na presença de peróxido de dicumilo (DCP). O AR está disponível comercialmente, ao passo que o diéster e o OLA-HEMA foram sintetizados com sucesso no decorrer do trabalho. Os plastificantes foram depois usados em diferentes concentrações (4, 10 e 20 % m/m), tendo sido utilizados dois métodos de mistura das formulações: (i) dissolução dos componentes da mistura (PLA, DCP, plastificante) em clorofórmio, seguido de evaporação para a obtenção de um filme e (ii) mistura física dos componentes sem uso de solvente. De seguida as misturas foram submetidas à REx numa extrusora laboratorial de fuso simples com objetivo de enxertar os plastificantes nas cadeias do PLA. O PLA plastificado foi recolhido na forma de fios com cerca de 1.4 mm de diâmetro. Para alguns testes de caracterização, nomeadamente, análise dinâmica termomecânica (DMTA) e ensaios de tração, foi necessário obter provetes pelo que o fio extrudido foi sujeito a um processamento adicional (prensagem a quente). A partir da avaliação preliminar efetuada às misturas extrudidas, constatou-se que o efeito plastificante nos materiais misturados fisicamente e plastificados com OLA-HEMA de menor peso molecular (=1000 g/mol) não foi significativo, razão pela qual foram abandonados e o estudo passou a dar atenção aos materiais resultantes da REx a partir das misturas obtidas por dissolução dos componentes em clorofórmio, seguido de evaporação, e em cujas misturas foram usados como plastificantes o AR, diéster e OLA-HEMA de 5000 g/mol. Da avaliação efetuada, os resultados de análise termogravimétrica (TGA) revelaram maior estabilidade térmica (359 C) para os materiais plastificados com 10 % (m/m) de diéster em comparação com PLA puro (311 C). No entanto, é de salientar que nenhum dos outros plastificantes levou a um decréscimo acentuado da estabilidade térmica. A calorimetria diferencial de varrimento (DSC) revelou uma redução da Tg em 12 C e 13 C, para o PLA plastificado (na forma de fio) com 4 e 20 % (m/m) de diéster e OLA-HEMA, respetivamente. Os resultados de D MTA revelaram que as misturas não apresentaram nenhuma separação de fase relacionada com imiscibilidade do sistema PLA-plastificante, tendo-se verificado que todos os materiais plastificados tinham um módulo elástico (E') inferior ao apresentado para o PLA puro. Esta diminuição é mais evidente para a formulação com 10 % (m/m) de diéster (E'PLA/Ester- 10=1415 MPa vs E'PLA puro=2524 MPa). Os ensaios de tração revelaram aumento da elongação até 6 e 52 vezes para amostras em provetes (PLA/AR-10) e fios (PLA/OLA-10), respetivamente em relação ao PLA puro. O PLA plastificado com OLA-HEMA apresentou boa estabilidade química face ao ácido acético e etanol nos testes de migração. The poly(lactic acid) (PLA) is a polymer characterized by being hard and brittle at room temperature. In this context, this work aimed to study the plasticization of PLA by means of reactive extrusion (REx) using three different plasticizers: a branched alcohol (BA), a BA based diester and lactic acid oligomers functionalized with double bonds (OLA-HEMA, 1000 and 5000 g/mol) in the presence of dicumyl peroxide (DCP). The BA is commercially available, whereas the diester and OLA-HEMA were successfully synthesized in this work. Plasticizers were then used in different concentrations (4, 10 to 20 % wt.) and two blending methods were used: (i) dissolution of the components of the mixture (PLA, DCP, plasticizer) in chloroform, followed by evaporation to obtain a film and (ii) physical mixture of the components without solvent. Then the mixtures were subjected to REx on a laboratory single-screw extruder in order to graft the plasticizers onto PLA chains. The plasticized blends were collected in the form of strands with 1.4 mm in diameter. For some characterization tests, namely, dynamic thermomechanical analysis (DMTA) and tensile tests, it was necessary to obtain test pieces (e.g., dog-bone-shape) and in such cases the extruded strand was subjected to additional processing (hot melt pressing). From the preliminary studies performed on the extruded blends, it was found that the plasticization effect of the materials mixed physically and where lower molecular weight OLAHEMA (=1000 g/mol) was used as plasticizer was not significant and because of that, the work developed during the study focused essentially on the REx of the mixtures obtained by dissolving the components in chloroform, followed by evaporation, and mixtures in which the BA, diester and OLA-HEMA (5000 g/mol) were used as plasticizers. The results of thermogravimetric analysis (TGA) showed that the blends comprising 10 % (wt.) of the diester had better thermal stability (359 C) than neat PLA (311 C). However, it is noteworthy that none of the other plasticizers led to a significant decrease in thermal stability. The differential scanning calorimetry (DSC) showed a reduction of Tg by 12 C and 13 C for plasticized PLA (in the form of strands) with 4 and 20 % (wt) of diester and OLA-HEMA, respectively. The DMTA results revealed that the blends showed no phase separation related to the immiscibility of the PLA-plasticizer system, and it was found that all the plasticized materials had an elastic modulus (E') lower than that of neat PLA. This decrease is more evident for the formulation with 10 % (wt.) of the diester (E'PLA/Ester-10=141 5 MPa vs E'neat PLA=2524 MPa). Tensile tests showed increased elongation up to 6 and 52 times for samples on dog-bone-shaped samples (PLA/AR-10) and strands (PLA/OLA-10), respectively, compared to neat PLA. The plasticized PLA with OLA-HEMA showed good chemical stability against acetic acid and ethanol in the migration tests.

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

Tese de doutoramento em Química, no ramo de Síntese Orgânica, apresentada ao Departamento de Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra O estudo, que originou esta tese de Doutoramento, teve como objectivos principais o desenvolvimento de novas metodologias sintéticas para a obtenção de dipirrometanos funcionalizados com hidrazonas e oximas e, além disso, a síntese de novas clorinas e bacterioclorinas (hidroporfirinas) com características ideais para a sua aplicação como fotossensibilizadores em Terapia Fotodinâmica (PDT). Esses objectivos foram alcançados através de dois tipos de reacções de ciclo-adição, reacções de hetero-Diels-Alder e de ciclo-adição [8π+2π]. Foi descrita uma nova funcionalização-1,9 de dipirrometanos, baseada em reacções de hetero-Diels-Alder de azo- e nitroso-alquenos. Os dipirrometanos participam em reacções de ciclo-adição com azo- e nitroso-alquenos, gerados in situ a partir de α-halo-hidrazonas e α-halo-oximas, respectivamente, originando derivados com cadeias contendo hidrazonas e oximas. Em ambos os casos, os ciclo-aductos formados inicialmente sofrem abertura de anel, possibilitando a aromatização das unidades pirrólicas. Controlando a estequiometria da reacção, é possível obter derivados mono- ou bis-funcionalizados, alargando o leque de futuras aplicações. É importante realçar que estas reacções são consideravelmente mais rápidas em meios aquosos, passando de 2-3 dias de reacção, em meios orgânicos, para 2-3 horas. A redução do grupo oxima do 5,5-dietil-1-(2’-etoxicarbonil-2’-hidroxi-iminoetil)dipirrometano, a amina, permitiu obter uma nova classe de dipirrometanos funcionalizados com α-aminoésteres. Foi desenvolvida uma nova estratégia de síntese “on-water” de dipirrometanos 5-substítuidos. Duas reacções de Diels-Ader consecutivas (“one-pot”) de azo- e nitroso-alquenos, gerados a partir α,α-di-halo-hidrazonas e α,α-di-halo-oximas, respectivamente, com pirrol, permitiram a síntese eficiente de dipirrometanos meso-substituídos com hidrazonas e oximas. Estes resultados demonstraram a vantagem do uso de meios aquosos, levando a tempos reaccionais reduzidos. Através desta metodologia sintética, conseguiu-se introduzir grupos funcionais não muito usuais neste tipo de compostos dipirrólicos. Foi descrita a síntese de uma nova classe de clorinas e bacterioclorinas que apresentam uma estabilidade considerável para macrociclos tetrapirrólicos do tipo hidroporfirinas. Apresentámos, pela primeira vez, uma reacção de ciclo-adição [8π+2π] envolvendo porfirinas que, ao reagirem com aniões metil diazafulvénio, gerados a partir da extrusão térmica de dióxido de enxofre de 2,2-dioxo-1H,3H-pirazolo[1,5-c]tiazóis, originaram clorinas fundidas com o sistema 4,5,6,7-tetra-hidropirazolo[1,5-a]piridina. Os melhores resultados foram encontrados sob irradiação de micro-ondas em apenas 20 minutos de reacção. As meso-tetraarilclorinas participam igualmente na ciclo-adição [8π+2π] com os aniões metil diazafulvénio formando novas bacterioclorinas fundidas com o sistema 4,5,6,7-tetra-hidropirazolo[1,5-a]piridina duma forma site-, regio- e estereosselectiva. Dados de absorção no UV-Vis e de fluorescência mostraram que as clorinas e bacterioclorinas apresentam intensas bandas de absorção em 650 nm e 730 nm, respectivamente, na desejada “janela” terapêutica para PDT (600-800 nm). Essas características fotofísicas, requeridas para PDT, aliada a uma boa estabilidade, levou-nos a avaliar a actividade biológica, como fotossensibilizadores, de algumas dessas clorinas em linhas celulares do melanoma. A redução dos grupos ésteres, presentes no anel fundido, a hidroximetilos permitiu aumentar a hidrofilicidade das clorinas, que foi determinante nos estudos de PDT que realizámos. O derivado di-hidroximetilo da meso-tetrafenilclorina, com um IC50 = 31 nM numa determinada linha celular do melanoma, colocou-o entre os mais eficientes em células tumorais do melanoma. O interesse deste tipo de fotossensibilizadores é reforçado pela elevada citotoxicidade observada em células do melanoma do tipo melanótico que, normalmente, apresentam alguma resistência ao tratamento de PDT, por interferência da melanina. Algumas das clorinas foram derivatizadas. Foi encontrada uma via para a transformação dos grupos ésteres, presentes no anel fundido, a grupos azidas. A presença de grupos azidas nestas hidroporfirinas abriu a porta à sua exploração em reacções químicas de “click”. Aliás, estudos preliminares evidenciam que estas clorinas com azidas formam bioconjugados, por reacções de “click”, com determinadas biomoléculas, possibilitando, no futuro, uma maior selectividade destes fotossensibilizadores para os tumores. Globalmente, apresentámos os primeiros exemplos de reactividade de azo- e nitroso-alquenos com compostos dipirrólicos e a descrição, pela primeira vez, duma ciclo-adição [8π+2π] de aniões metil diazafulvénio com macrociclos tetrapirrólicos. Estes estudos originaram um vasto leque de compostos com elevadas potencialidades para aplicações biológicas. The main goals of the study that led to this PhD thesis were, first of all, the development of new synthetic methods to obtain dipyrromethanes functionalized with hydrazones and oximes and, secondly, the synthesis of new chlorins and bacteriochlorins (hydroporphyrins) with ideal characteristics for being used as photosensitizers in photodynamic therapy (PDT). These objectives were achieved with two types of cycloaddition reactions, hetero-Diels-Alder and [8π + 2π] cycloaddition reactions. A new 1,9-funcionalization of dipyrromethanes based on hetero-Diels–Alder reaction of azo- and nitrosoalkenes was developed. Dipyrromethanes participate in cycloadditions with azo- and nitrosoalkenes, generated in situ from α-halohydrazones and α-halohydrazones, respectively, giving derivatives with side chains containing hydrazones and oximes. In both cases the initially formed cycloadducts undergo ring opening, allowing the aromatization of the pyrrolic units. By controlling the reaction stoichiometry it is possible to get mono or bis-functionalized derivatives, thus widening the range of future applications. It must be emphasized that these reactions are considerably quicker in aqueous media, going from 2-3 days in organic media to 2-3 hours. The reduction of oxime moiety of 1-(2'-ethoxycarbonyl-2'-hydroxyiminoethyl)-5,5-diethyldipyrromethane to amine led to a new class of dipyrromethanes functionalized with α-amino esters. A novel “on-water” synthetic strategy to 5-substituted dipyrromethanes was achieved. Two consecutive Diels-Ader reactions (one-pot) of azo-alkenes or nitroso-alkenes, generated from α,α-dihalohydrazones or α,α-dihalooximes, respectively, with pyrrole, gave hydrazone or oxime meso-substituted dipyrromethanes in good yields. Our results demonstrated the advantage of the use of aqueous media which leads to reduced reaction times. With this synthetic methodology we were able to introduce functional groups which are unusual in this type of dipyrrolic compounds. The synthesis of a new class of chlorins and bacteriochlorins, exhibiting considerable stability for hydroporphyrinic tetrapyrrolic macrocycles, was described. We presented a new and unprecedented [8π+2π] cycloaddition of diazafulvenium methides, generated by thermal extrusion of sulfur dioxide from 2,2-dioxo-1H,3H-pyrazolo[1,5-c][1,3]thiazoles, with porphyrins, affording chlorins fused with a 4,5,6,7-tetrahydropyrazolo[1,5-a]pyridine. The best results were obtained in just 20 minutes under microwave irradiation. meso-Tetraarylchlorins also participate in cycloadditions with diazafulvenium methides to afford new 4,5,6,7-tetrahydropyrazolo[1,5-a]pyridine-fused bacteriochlorins with site-, regio-, and stereoselectivity. UV-Vis absorption and fluorescence data have shown that the chlorins and bacteriochlorins exhibit intense absorption bands at 650 nm and 730 nm, respectively, in the desired therapeutic window for PDT (600-800 nm). These favorable photophysical characteristics, combined with high stability, led us to evaluate the biological activity of some of the chlorins as photosensitizers in melanoma cell lines. The reduction of the fused ring ester groups to hydroxymethyl increased the hydrophilicity of chlorins which was crucial in our PDT studies. The dihydroxymethyl derivative of meso-tetraphenylchlorin has an IC50 = 31 nM in a melanoma cell line, making this photosensitizer one of the most photoactive in melanoma cells. The interest of this type of photosensitizers is enhanced by the high cytotoxicity observed in melanotic melanoma cell type which normally presents some resistance to PDT treatment by the action of melanin. Some of the chlorins were derivatized. A route to convert the ester groups present in the fused ring to azides was found. The presence of the azides in these hydroporphyrins opened a new door to their study in click chemistry. Indeed, preliminary studies showed that these chlorins with azides form bioconjugates with certain biomolecules, from "click" reactions, which will allow, in the future, greater selectivity of these photosensitizers to tumors. Overall, the first examples of reactivity of azo- and nitrosoalkenes towards dipyrrolic compounds as well an unprecedented [8π+2π] cycloaddition of 1,2-diazafulvenium methides with tetrapyrrolic macrocycles was described. These studies led to a wide range of compounds with high potential for biological applications. FCT - SFRH/BD/61573/2009

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra As resinas de poliéster são um termoplástico com diversas aplicações práticas. Este polímero combina variadas propriedades: é transparente, translúcido numa alargada gama de comprimentos de onda, acima dos 290 nm, é um dos plásticos mais leves do mercado, com uma densidade com valores entre os 1.040-1.065 g/cm3 , apresenta uma boa rigidez e é estável em meios agressivos. As suas aplicações vão desde embalagens de alimentos, lentes de contacto, marcações de estrada, entre outras. Neste trabalho estudou-se a possibilidade de introdução de elementos distintivos (fluoresceína e vermelho de metilo) em resinas de poliéster por forma a alterar as suas características ópticas quando sujeitas a estímulos externos, como a luz ou variações de pH. Numa primeira fase foram preparadas moléculas contendo os elementos distintivos para que quando se incorporassem na resina esta pudesse responder aos estímulos pretendidos. A caracterização dessas moléculas foi feita por 1H RM. Mais concretamente, introduzimos numa molécula de estireno a fluoresceína e o vermelho de metilo. Após alteradas e isoladas, as moléculas contendo fluoresceína e vermelho de metilo foram introduzidas em resinas de poliestireno sob a forma de provetes, os quais foram analisados por espectrometria de fluorescência e espectrofotometria, para além disso foi estudada a capacidade dos provetes mudarem de cor a diferentes valores de pH. O vermelho de metilo foi também introduzido na superfície dos provetes utilizando uma polimerização superficial, bem como no interior de um hidrogel, para que as suas características fossem exploradas ao máximo. The polyester resins are a thermoplastic with many practical applications. The material combines an huge variety of polymer properties: it is transparent, translucent over a wide range of wavelengths, is one of lighter plastics in the market, it has density values between 1040-1065 g/cm3 , exhibits good stiffness and is stable in aggressive environments. Moreover, these materials can be used in a wide range of applications in different fields, since food wraps, contact lenses, road marks, and more. In this work, the possibility of introducing distinctive elements (fluorescein and methyl red) in polyester resins in order to change their optical characteristics when exposed to external stimulus, such as light or pH variations was studied. Initially, molecules containing distinctive elements were prepared. The aim of this procedure is once these elements are incorporated into the resins, the material would be able to respond to an intended stimuli. More specifically, we introduce fluorescein and methyl red in a molecule of styrene. The characterization of these molecules was performed by 1H NMR. After the alteration and isolation of the molecules containing fluorescein and methyl red, they were introduced into polystyrene resins in the form of test pieces, which were analyzed by spectrophotometry and fluorescence spectrophotometry. Furthermore, the ability of the test pieces to change their color at differents pH was studied. The methyl red was also introduced on the surface of the samples using a surface polymerization, as well as within a hydrogel, so that their characteristics were exploited to the maximum.

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.

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

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 Química Forense apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Devido às diferentes taxas de impostos atribuídas aos combustíveis utilizados em diversos setores, os governos de vários países têm vindo a encontrar problemas de contrafação destes produtos. Os marcadores adicionados aos combustíveis são removidos pela atividade criminosa e estes são vendidos como combustível normal ou “sem cor” a um preço superior ao que foi adquirido, o que resulta em grandes ganhos para os falsários e perdas nos orçamentos nacionais. Este projeto teve como objetivo sintetizar derivados de furfural, pois este composto tem sido amplamente utilizado como marcador de produtos petrolíferos, e testar o seu potencial como marcadores de gasóleo. Estes marcadores têm de ser resistentes ao processo de destilação que é frequentemente utilizado como método de remoção de marcadores. O 5- (clorometil)furfural (5-CMF), um composto produzido diretamente da biomassa bruta, foi utilizado para sintetizar o 5-etoximetilfurfural (5-EMF), a (E)-1-(5-(clorometil)furan-2-il)- N-benzilmetanimina (BMA) e a (E)-1-(5-(clorometil)furan-2-il)-N-ciclo-hexilmetanimina (CHMA). Estes compostos foram adicionados ao gasóleo em diferentes concentrações e foram utilizadas as espectroscopias UV/Visível e de fluorescência para verificar a possibilidade da sua deteção. Apenas a BMA e CHMA possuem fluorescência, no entanto, esta não é observada quando as iminas são adicionadas ao gasóleo. O 5-EMF tem o seu pico de absorção aos 273 nm, a BMA aos 269 nm e a CHMA aos 277 nm. Através da espectroscopia UV/Visível, foi possível diferenciar as amostras de gasóleo marcadas das não marcadas (5-EMF até aos 5.000 ppm e BMA e CHMA até aos 200 ppm). Após a destilação, verificou-se que apenas a BMA permanecia no destilado, sendo este o marcador mais promissor dos estudados. Embora os compostos não sejam ideais para serem detetados pela fluorescência, conclui-se que será necessário, em estudos posteriores, sintetizar derivados de 5-CMF com outros tipos de aminas de modo a assegurar a formação de compostos que apresentem fluorescência mais distanciada da do gasóleo. Due to the different tax rates attributed to fuels used in different sectors, governments of several countries have encountered problems of counterfeiting of these products. Markers added to fuels are removed by criminal activity and these are sold as regular or “colorless” fuels at a higher price than purchased, resulting in large gains for the criminals and big losses in national budgets. This project aimed to synthesize furfural derivatives, as this compound has been widely used as a marker for petroleum products, and to test their potential as a diesel markers. These markers must resist the distillation process which is often used as a marker removal method. 5-(Chloromethyl)furfural (5- CMF), a compound produced directly from crude biomass, was used to synthesize ethoxymethylfurfural (5-EMF), (E)-1-(5-(chloromethyl)furan-2-yl)-N-benzylmethanimine (BMA) and (E)-1-(5-(chloromethyl)furan-2-yl)-N-cyclo-hexylmethanimine (CHMA). These compounds were added to diesel at different concentrations and UV/Visible spectroscopy and fluorescence spectroscopy were used to determine if they could be detected. Only BMA and CHMA have fluorescence, however this is not observed when the imines are added to the diesel. 5-EMF has its absorption peak at 273 nm, BMA at 269 nm and CHMA at 277 nm. Using UV/Visible spectroscopy, it was possible to differentiate the marked diesel samples from the unmarked (5-EMF up to 5,000 ppm and BMA and CHMA up to 200 ppm). After distillation, it was found that only BMA remained in the distillate, making it the most promising marker studied. although the compounds are not ideal to be detected by fluorescence, it can be concluded that in future studies, 5-CMF derivatives must be synthesized with different types of amines in order to assure the formation of compounds with fluorescence further from that of diesel.