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Doutoramento em Engenharia Biomédica A paradigm shift is taking place from using transplanting tissue and synthetic implants to a tissue engineering approach that aims to regenerate damaged tissues by combining cells from the body with highly porous scaffold biomaterials, which act as templates, guiding the growth of new tissue. The central focus of this thesis was to produce porous glass and glass-ceramic scaffolds that exhibits a bioactive and biocompatible behaviour with specific surface reactivity in synthetic physiological fluids and cell-scaffold interactions, enhanced by composition and thermal treatments applied. Understanding the sintering behaviour and the interaction between the densification and crystallization processes of glass powders was essential for assessing the ideal sintering conditions for obtaining a glass scaffolds for tissue engineering applications. Our main goal was to carry out a comprehensive study of the bioactive glass sintering, identifying the powder size and sintering variables effect, for future design of sintered glass scaffolds with competent microstructures. The developed scaffolds prepared by the salt sintering method using a 3CaO.P2O5 - SiO2 - MgO glass system, with additions of Na2O with a salt, NaCl, exhibit high porosity, interconnectivity, pore size distribution and mechanical strength suitable for bone repair applications. The replacement of 6 % MgO by Na2O in the glass network allowed to tailor the dissolution rate and bioactivity of the glass scaffolds. Regarding the biological assessment, the incorporation of sodium to the composition resulted in an inibition cell response for small periods. Nevertheless it was demonstrated that for 21 days the cells response recovered and are similar for both glass compositions. The in vitro behaviour of the glass scaffolds was tested by introducing scaffolds to simulated body fluid for 21 days. Energy-dispersive Xray spectroscopy and SEM analyses proved the existence of CaP crystals for both compositions. Crystallization forming whitlockite was observed to affect the dissolution behaviour in simulated body fluid. By performing different heat treatments, it was possible to control the bioactivity and biocompatability of the glass scaffolds by means of a controlled crystallization. To recover and tune the bioactivity of the glass-ceramic with 82 % crystalline phase, different methods have been applied including functionalization using 3- aminopropyl-triethoxysilane (APTES). The glass ceramic modified surface exhibited an accelerated crystalline hydroxyapatite layer formation upon immersion in SBF after 21 days while the as prepared glass-ceramic had no detected formation of calcium phosphate up to 5 months. A sufficient mechanical support for bone tissue regeneration that biodegrade later at a tailorable rate was achievable with the glass–ceramic scaffold. Considering the biological assessment, scaffolds demonstrated an inductive effect on the proliferation of cells. The cells showed a normal morphology and high growth rate when compared to standard culture plates. This study opens up new possibilities for using 3CaO.P2O5–SiO2–MgO glass to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the content of the crystalline phase. Additionally, the in vitro behaviour of these structures suggests the high potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration. Na chamada cirurgia reconstrutiva decorre, presentemente uma notável mudança de paradigma em que se tende a passar da utilização de tecidos transplantados e implantes sintéticos, para uma abordagem de engenharia de tecidos que tem como objetivo regenerar tecidos danificados, usando para isso células do corpo e biomateriais porosos, que orientam o crescimento do novo tecido. O foco central desta tese foi a produção de estruturas porosas vitreas ou vitroceramicas, que exibem um comportamento bioativo e biocompativel, com reatividade superficial específica em fluidos fisiológicos sintéticos e interações célula-matriz alteradas pela composição e tratamentos térmicos aplicados. Entender o comportamento de sinterização e da interação entre os processos de densificação e cristalização do vidro foi fundamental para avaliar as condições de sinterização ideais para a obtenção de uma estrutura porosa para aplicações em engenharia de tecidos. Foi realizado um estudo abrangente da sinterização, identificando o efeito da distribuição de tamanho de particula do pó de vidro e das variáveis do ciclo de sinterização na produção de scaffolds de vidro com microestruturas funcionais. As estruturas porosas desenvolvidas, preparadas pelo método de sinterização com sal usando o sistema vitreo 3CaO.P2O5 - SiO2 - MgO, com adições de Na2O e um porogéneo, NaCl, apresentam uma elevada porosidade, interconectividade, distribuição de tamanho de poros e resistência mecânica apropriada para aplicações em estratégias de regeneração óssea. A substituição de 6 % de MgO por Na2O na rede vitrea permitiu adequar a taxa de dissolução e bioactividade dos suportes porosos de vidro. Quanto à avaliação biológica, da incorporação de sódio na composição ocorreu uma inibição da resposta celular para períodos curtos. No entanto, foi demonstrado que, após 21 dias, a resposta celular é semelhante para ambas as composições. O comportamento in vitro dos suportes de vidro foi testado através da introdução destes em fluido corporal simulado (SBF) durante 21 dias. A espectroscopia por energia dispersiva de raios-X e as análises de SEM provaram a existência de precipitados de fosfato de cálcio sobre ambas as composições. A cristalização de whitlockite por ceramização das matrizes vítreas afectou o comportamento de dissolução em SBF. Em consequência dos diferentes tratamentos térmicos efectuados, foi possível produzir diferentes estados de cristalização e alterar a bioactividade e biocompatibilidade dos suportes porosos. Para recuperar e ajustar a bioatividade dos vitrocerâmicos com 82 % de fase cristalina foram aplicados diferentes métodos de modificação superficial incluindo a funcionalização com 3-aminopropil-triethoxysilane (APTES). A superfície do vitrocerâmico modificado exibiu a formação de uma camada de hidroxiapatite cristalina após 21 dias de imersão em SBF, enquanto que no vitrocerâmico base não se detetou a formação de fosfato de cálcio até 5 meses.

Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédicos O conceito de bioatividade surgiu com a descoberta, no início década de 70, de que algumas composições vítreas (ex.: 45S5 Bioglass®), tinham a capacidade de estabelecer uma ligação direta e estável com os tecidos vivos. Desde então, este grupo de biomateriais tem vindo a receber uma atenção cada vez maior por parte dos investigadores, tendo como motivação principal a busca de novas composições com propriedades mais adequadas para a regeneração óssea do que as composições comercialmente disponíveis. Na presente tese, avaliou-se o desempenho in vivo de duas composições de biovidro do sistema diopsite (CaMgSi2O6) - fluorapatite (Ca5(PO4)3F) - fosfato tricálcico (3CaO•P2O5) aplicados em defeitos ósseos de tamanho não crítico em carneiros, tendo também sido avaliada a biocompatibilidade dos biomateriais através da aplicação subcutânea de placas dos mesmos vidros. O trabalho realizado também incluiu a avaliação dos materiais in vitro, através de estudos de biomineralização em fluido corporal simulado e estudos de degradação. Os biomateriais foram comparados com o biovidro 45S5 Bioglass®, sendo que em termos de bioatividade in vitro, as duas composições investigadas apresentaram um maior potencial bioativo, levando à formação de uma camada superficial de hidroxiapatite carbonatada, em contraste com a formação de calcite na composição comercial, sob condições idênticas. Os testes de degradação in vitro também apresentaram resultados melhores para as duas novas composições, traduzidos por variações de pH e taxas de degradação menores do que os observados no caso do 45S5 Bioglass®. A avaliação in vivo dos implantes subcutâneos permitiu apurar a biocompatibilidade dos biovidros testados, tendo sido considerados ligeiramente irritantes. Os resultados relativos à aplicação dos pós de vidro bioativo nos defeitos ósseos não foram obtidos em tempo útil de modo a poderem ser incluídos na presente tese. Considerando o desempenho in vitro e a biocompatibilidade dos materiais estudados, estes podem apontar-se como materiais promissores para aplicações em engenharia de tecidos, particularmente na regeneração do tecido ósseo. The concept of bioactivity came with the discovery in the early 70s, that some glassy compositions (eg. 45S5 Bioglass ®), had the ability to establish a direct and stable bonding with living tissues. Since then, this group of biomaterials has been receiving increasing attention from researchers, the main motivation being the search for new compositions with bone regeneration properties more suitable than those of commercially available compositions. In this thesis, the in vivo performance of two bioglass compositions in the system diopside (CaMgSi2O6) - fluorapatite (Ca5(PO4)3F) - tricalcium phosphate (3CaO•P2O5) was evaluated through their application in non-critical size bone defects in sheep. Their biocompatibility was also studied through their subcutaneous application of square plates from the same bioglasses. The work also included the evaluation of materials in vitro by biomineralization studies, through the use of simulated body fluid and also degradation tests. The biomaterials were compared with the 45S5 Bioglass® and in terms of in vitro bioactivity, the two investigated compositions showed a higher bioactive potential, leading to the formation of a surface carbonated hydroxyapatite layer in contrast to the calcite layer formed on the surface of the commercial composition immersed under identical conditions. The in vitro degradation tests also showed better results for the two new compositions, reflected by smaller changes in pH and lower weight losses in comparison to 45S5 Bioglass ®. The in vivo evaluation of the subcutaneous implants allowed the determination of the biocompatibility of bioactive glasses tested, with both materials achieving a “slightly irritant” classification. Unfortunately, the results from the application of bioactive glass powders in bone defects were not obtained in time to enable their inclusion in this thesis. Considering the in vitro performance and the biocompatibility of the studied biomaterials, these may be pointed as promising materials for applications in tissue engineering, particularly in bone tissue regeneration.

Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédicos Os vidros bioativos constituem um material apropriado para o preenchimento de defeitos ósseos, como alternativa a enxertos autólogos, uma vez que, quando expostos a fluidos fisiológicos promovem a formação de uma ligação com o tecido ósseo sob a forma de uma camada de hidroxiapatite carbonatada. No presente trabalho caracterizaram-se vidros bioativos sem conteúdo alcalino, cuja composição incide no sistema binário de diópsido (CaMgSi2O6) e fosfato de tricálcio (3CaO·P2O5), em função da sua molhabilidade, carga superficial, perfil de degradação, carácter bioativo em fluido fisiológico simulado e do seu comportamento in vitro em contacto com células estaminais mesenquimais humanas (hMSCs). A medição do ângulo de contacto inicial de água sobre os vidros demonstrou o carácter hidrofílico dos vidros investigados. A determinação do potencial zeta mostrou que a carga superficial dos vidros é negativa, sendo mais negativa na composição Di-70. O estudo da biodegradação dos vidros, efetuado através da sua imersão em Tris-HCl, permitiu concluir que a perda de peso dos vidros foi reduzida. A caraterização in vitro em meio acelular foi efetuada através da imersão dos vidros numa solução de fluido fisiológico simulado (SBF) e verificou-se que estes possuem capacidade de formar uma camada de hidroxiapatite carbonatada à sua superfície após 7 dias, detetável por XRD, FTIR e SEM/EDS, sugerindo que este conjunto de vidros é potencialmente bioativo, e poderá estimular a proliferação e diferenciação celular. A resposta das hMSCs em cultura aos vidros bioativos foi avaliada em termos de atividade metabólica, morfologia, viabilidade, proliferação e diferenciação osteogénica e conclui-se que os biovidros Di-60 e Di-70 poderão constituir um suporte viável para a proliferação e diferenciação de hMSCs. Bioactive glasses are a viable material to fill bone defects, as an alternative to autografts, since they promote the development of a bond with the bone tissue as a hydroxycarbonate apatite layer, when exposed to physiological fluids. The present work aimed at characterizing alkali-free bioactive glasses in the binary system of diopside (CaMgSi2O6)–tricalcium phosphate (3CaO·P2O5) regarding their wettability, surface charge, chemical degradation profile, in vitro bioactivity and in vitro behavior in contact with human mesenchymal stem cells (hMSCs). Contact angle measurements demonstrated the glasses’ hydrophilic character. Zeta potential measurements showed that the glasses’ surface charge was negative, being Di-70 the most negative one. In order to evaluate their biodegradation performance, the glasses were immersed in Tris-HCl and their weight loss was measured, being possible to conclude that the weight loss was minor. The in vitro bioactivity of glasses has been analyzed by their immersion in simulated body fluid (SBF) confirming the presence of a hydroxycarbonate apatite layer on top of the glasses after 7 days by means of XRD, FTIR e SEM/EDS, suggesting that this series of glasses is potentially bioactive and can stimulate cell proliferation and differentiation. hMSCs’ response to these bioactive glasses was evaluated in terms of cell metabolic activity, morphology, viability, proliferation and osteogenic differentiation, being concluded that Di-60 and Di-70 can be a viable support for hMSCs proliferation and differentiation.

Doutoramento em Engenharia Biomédica O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese. Acrylic bone cement is the only material currently used for anchoring the prosthesis in orthopaedic surgery, being an alternative to non-cemented techniques. About one million patients worldwide are treated annually for total replacement of hips and knee joints. With the longer life expectancy of the population, and the increasing number of surgeries performed every year, the use of acrylic bone cements is expected to rise substantially. The non bone bonding capability of the cement is a common problem which can cause aseptic loosening of the prosthesis. Thus, alternative cements must be developed to provide higher stability and better performance of the implant. The main objective of this thesis was to develop a bioactive bone cement, with bone bonding capability, and better properties than the conventional cement. Two different methods of preparation were used in this study, polymerization by chemical route (self-cured) and polymerization by thermal route (heat cured). Initially, through the thermal route, PMMA-co-EHA composites filled with a silicate glass (CSi) and a borate glass (CB) were developed and compared in terms of their in vitro behaviour, both in acellular and in cellular media. The growth of spherical calcium phosphate aggregates was observed in acellular medium on all composite surfaces indicating that these materials became potentially bioactive. Considering the biological assessment, the CSi demonstrated an inductive effect on the proliferation of cells. The cells showed a normal morphology and high growth rate when compared to standard culture plates. On the other hand, inhibition of cell proliferation occurred in the CB probably due to its high degradation rate, leading to high B and Mg ionic concentration in the cell culture medium. The effect of glass in self cured cements, incorporating an activator of reduced toxicity, was also assessed in this work. The results suggested that the new formulations may lessen the exothermal effect on curing and improve the mechanical properties (bending and compressive). Another study conducted in this thesis explores the possibility of incorporating ibuprofen (anti-inflammatory drug) into the cement, aiming the development of a composite that simultaneously show bioactive behaviour and controlled drug release . It was evidenced that, regarding the drug release, the performance of the developed cements can contribute to blunt the inflammatory process associated to an orthopedic surgery. Finally the solid phase of the bioactive self-curing acrylic cements was modified by different biodegradable polymers. The addition of the biodegradable fillers made the cement partially degradable, which could allow the formation of pores and the ingrowth of bone to the interior of the cement, resulting in a stronger fixation of the prosthesis.

Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédicos O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de um termistor de diamante CVD (chemical vapour deposition) dopado com boro, através da deposição de um filme por deposição química em fase de vapor assistida por filamento quente (HFCVD) num substrato cerâmico de nitreto de silício (Si3N4). O objectivo deste termistor é a sua aplicação na biomedicina, nomeadamente na medicina dentária, funcionando como um sensor de temperatura na ajuda ao diagnóstico à vitalidade dos dentes. A adição de boro foi realizada através da dissolução de B2O3 em etanol, sendo o transporte da mistura realizado com árgon através de um borbulhador. Os substratos de nitreto de silício foram produzidos através de uma mistura de pós comerciais de 89,3% α – Si3N4 (Starck Grade C) + 7,0% Y2O3 (Starck Grade M11) + 3,7% Al2O3 (ALCOA CT-3000SG) em um meio de isopropanol. A suspensão resultante foi seca e peneirada, de seguida foi sujeita a uma maquinação através de pressão uniaxial isostática, sendo sinterizada sem pressão aplicada numa atmosfera de nitrogénio. Este tipo de substrato apresenta-se como um candidato ideal para deposição de diamante, devido á sua elevada dureza, mas sobretudo devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser bastante próximo do diamante. Os substratos sofreram um tratamento superficial prévio através de dois métodos: riscagem mecânica (ou manual) com um pó de diamante monocristalino com granolumetria entre 0,5-1 μm, e de seguida uma riscagem em ultrasons numa suspensão de diamante em etanol com a granolumetria de 15μm, com o objectivo de ajudar à nucleação do filme no substrato. Através do método de análise de Taguchi criou-se uma matriz de ensaios através de uma tabela L9, com o objectivo de saber as condições ideias de deposição HFCVD para obter o comportamento eléctrico desejado. Foram variadas condições como a razão CH4/H2 e Ar/H2, a pressão, a distância do substrato ao filamento. A caracterização dos filmes foi feita por microscopia electrónica de varrimento (SEM), difracção de raios-X, e espectroscopia Raman. Através de SEM foi observado que existe uma grande variedade a nível morfológico e de tamanho de grão. Também foi possível medir a espessura de filme a sua taxa de crescimento. Através de DRX (LIBAD) foi analisada a cristalinidade dos filmes e o tamanho de cristalite, e de espectroscopia Raman a sua qualidade e fases de carbono (sp2/sp3). Foram também realizados testes eléctricos com o objectivo de saber o comportamento eléctrico dos filmes, nomeadamente a sua variação da resistência com a temperatura, e calculando o valor de B, um factor que avalia a variação da resistência em função da temperatura, para um dado um material. Através do método Taguchi foram conseguidas as condições óptimas e foram construídos dois termistores com contactos ohmicos de WC. O seu comportamento foi comparado com o de um termistor comercial de 10k . O seu comportamento quando sujeito a ciclos contínuos de aquecimento e arrefecimento, revelou tempos de resposta bastante mais rápidos do que o termistor comercial. Decréscimos na ordem dos 31% e 67% foram conseguidos para os termistores T1 e T2 respectivamente em ciclos de aquecimento, ao passo que no arrefecimento foram conseguidos decréscimos na ordem dos 77% e 46% para T1 e T2. Os ciclos foram feitos num intervalo de temperatura entre os 24ºC e os 32ºC. Estes resultados suportam a aplicabilidade de termistores de diamante na medicina dentária com melhorias significativas no diagnóstico. The present work aimed at the development of a diamond based termistor, using the Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) technique. The boron doped diamond coatings were deposited on silicon nitride based ceramics. This devices were developed bearing in mind biomedical applications, namely in dentistry, working as a temperature sensor to help in the teeth vitality diagnose. Boron addition in the gas mixture was accomplished by the dissolution of B2O3 in ethanol, carried along with argon trough a bubbler. Silicon nitride (Si3N4) based ceramic substrates were obtained by mixing commercial powders α -Si3N4 (Starck grade C), Y2O3 (Starck grade M11) and Al2O3 (ALCOA CT-3000SG) in a 89,3%/7,0%/ 3,7% weight proportion, in a isopropyl alcohol media. The resulting suspension was dried and sieved, consolidated by uniaxial and isostatic pressing and finally pressureless sintered in a nitrogen atmosphere. The Si3N4 substrates are an ideal candidate for diamond deposition, due to their high hardness and toughness, but specially for possessing a thermal expansion coefficient close to that of diamond. Prior to diamond deposition the ceramic surface was pretreated with a manual scratching with a 0,5-1 μm diamond powder and then sonicated in a 15μm diamond suspension in ethanol, to increase the diamond nucleation density. A Taguchi matrix was designed to study the HFCVD diamond deposition parameters, using a L9 orthogonal array, where CH4/H2 and Ar/H2 gas ratios, the pressure and the substrate-filament distance were used as controllable factors. The characterization of the coatings was performed by SEM, XRD and μ- Raman spectroscopy. SEM allowed the evaluation of the coatings morphology and thickness (cross-sectional micrographs), thus the determination of the growth rate. XRD (LIBAD) allowed the determination of the grain size for nanocrystalline diamond, as well as the crystallographic orientation. μ-Raman spectroscopy allowed the evaluation of the carbon phase content (sp2/sp3) in the coatings. The electrical behavior of the films was accessed, namely the dependence of the resistance with the temperature, allowing the calculation of the B parameter, which is a set parameter of each material, for a given range of temperature. Using the Taguchi Method the optimal Diamond deposition conditions were achieved and two diamond termistors were built with WC ohmic contacts. Their electrical behavior was compared to that of a commercial termistor with resistances of the order of 10k . However, their electrical response to cyclic heating and cooling steps evidence much fasters response times. Decreases in response time on the order of 31% and 67% were achieved respectively for T1 and T2 upon heating, and 77% and 46% for respectively T1 and T2 termistors during cooling in the temperature range of 24-32ºC. These results support the applicability of diamond based termistors in the field of dentistry with significant improvements in the diagnose accuracy.

Doutoramento em Engenharia Biomédica The main purpose of this thesis was to produce new formulations of PMMA-co- EHA and study its feasibility as being an alternative to traditional PMMA bone cements. Thus, were originally produced several co-polymers of PMMA-co-EHA and its mechanical properties and in vitro behaviour were evaluated. The copolymers were obtained by radical polymerization and several formulations were produced by partial replacement of MMA (up to about 50%) for EHA. Overall, the results suggest that the partial replacement of MMA by EHA decreased the modulus of the materials and, consequently, increased its flexibility. Then, PMMA commercial beads were added to PMMA-co-EHA formulations (to get bone cement) and the general properties of the resulting bone cements were evaluated. In general, the results revealed that the partial replacement of MMA by EHA led to beneficial changes in curing parameters (there was a reduction of the peak temperature and an increase of curing/setting time), in the in vitro behaviour (the water capacity increased) and in the mechanical properties (the bending strength increased) of new cements. The in vitro cellular response of new formulations of PMMA-co-EHA was compared with that of traditional PMMA bone cement. To this end, we tested the cell adhesion and proliferation of osteoblast-like MG63 cells and human cells from bone marrow. The results revealed that both types of cells were able to attach and proliferate in both formulations. The only exception was observed for the formulation prepared with the highest percentage of EHA, where a few cells that adhere failed to proliferate. Moreover, it was found that increasing the amount of EHA in cement led to an increasing inhibition of cell growth, especially during the first week of culture. This was related to increased water uptake capacity by the new formulations and consequent release of some of its toxic components. Finally, PMMA commercial beads were partially replaced by HA particles and the influence of this substitution on the curing parameters, the mechanical properties and in vitro behaviour of the resulting composites was also evaluated. Incorporation of HA into the bone cements induced a number of significant changes in its final properties: 1) decrease the peak temperature; 2) increase of curing time, 3) increasing the value of elastic modulus accompanied by decrease of the strength/tension. This last finding was related to poor interfacial adhesion between the various components of the bone cements and a heterogeneous distribution (possible agglomeration) of HA particles. O principal objectivo desta tese foi produzir novas formulações de PMMA-co- EHA e estudar a sua viabilidade como alternativa aos tradicionais cimentos ósseos de PMMA. Assim sendo, foram inicialmente produzidos vários co-polímeros de PMMA-co- EHA e as suas propriedades mecânicas e comportamento in vitro foram avaliados. Os co-polímeros foram obtidos por polimerização radicalar e diversas formulações foram produzidas por substituição parcial do MMA (até cerca de 50 %) por EHA. Globalmente, os resultados sugerem que a substituição parcial do MMA por EHA diminuiu o módulo de elasticidade dos materiais e, consequentemente, aumentou a sua flexibilidade. Posteriormente, foram adicionados grânulos de PMMA pré-polimerizado (para se obter um cimento ósseo) às várias formulações de PMMA-co-EHA e as propriedades gerais dos cimentos resultante foram avaliadas. De um modo geral, os resultados obtidos revelaram que a substituição parcial do MMA pelo EHA levou a alterações benéficas dos parâmetros de cura (houve uma redução da temperatura máxima de polimerização e um aumento do tempo de cura), do comportamento in vitro (verificou-se um aumento da capaciadade de retenção de água) e das propriedades mecânicas (aumento da capacidade de flexão) dos novos cimentos. A resposta celular in vitro das novas formulações de PMMA-co-EHA foi comparada com a dos cimentos tradicionais. Para o efeito, foram avaliadas a adesão e proliferação celular de células tipo-osteoblastos MG63 e de células humanas provenientes de medula óssea. Os resultados revelaram que os dois tipos de células foram capazes de aderir e proliferar em ambas as formulações. A única excepção foi observada para a formulação preparada com maior percentagem de EHA, onde as poucas células que aderiram não conseguiram proliferar. Para além deste facto, verificou-se que o aumento da quantidade de EHA nos cimentos conduziu a uma crescente inibição do crescimento celular, sobretudo durante a primeira semana de cultura. Este facto foi relacionado com a crescente capacidade de retenção de água por parte das novas formulações e consequente libertação de alguns dos seus componentes tóxicos. Por último, os grânulos de PMMA foram parcialmente substituídos por partículas de HA e a influência desta substituição nos parâmetros de cura, nas propriedades mecânicas e no comportamento in vitro dos compósitos resultantes foi também avaliada. A incorporação de HA nos cimentos induziu uma série de alterações importantes nas suas propriedades finais: 1) diminuição da temperatura máxima de polimerização; 2) aumento significativo do tempo de cura; 3) aumento do valor do módulo elástico acompanhado de uma dimuição da sua força/tensão. Este último resultado foi relacionado com a baixa adesão interfacial entre os vários componentes e com uma distribuição heterogénea (possível aglomeração) das partículas de HA.

Mestrado em Materiais e Dispositivos Biomédicos Esta dissertação aborda as potencialidades de um novo material cerâmico, o nitreto de silício (Si3N4), revestido com um filme de nanodiamante CVD (Chemical Vapour Deposition), que tem vindo a ser desenvolvido nos laboratórios do Centro de Investigação em Materiais Cerâmicos e Compósitos (CICECO) da Universidade de Aveiro. O novo material é um possível candidato à utilização em próteses articulares, nomeadamente na cabeça de fémur. No presente trabalho estudaram-se, por tomografia computorizada (TC), as propriedades imagiológicas do novo material comparando-as com as propriedades dos materiais comerciais, nomeadamente no que se refere ao eventual aparecimento de artefacto metálico que habitualmente se verifica devido à presença de objectos de elevada densidade (próteses) no corpo em estudo. Foi concebido um equipamento de teste que permitiu a aquisição das imagens de TC das diferentes amostras de cabeças de fémur (comerciais e realizadas em nitreto de silício com e sem revestimento de diamante) e posterior comparação do artefacto produzido nas imagens. As imagens de TC, adquiridas com diferentes protocolos e parâmetros, foram analisadas e caracterizadas em termos qualitativos e quantitativos. Nomeadamente caracterizou-se o erro devido à presença do artefacto metálico utilizando diferentes medidas de erro. Este estudo permitiu demonstrar que o nitreto de silício apresenta propriedades imagiológicas promissoras, dado que, quer do ponto de vista qualitativo quer quantitativo, o artefacto de tipo metálico produzido por este material é reduzido comparativamente com o artefacto produzido pelos materiais actualmente utilizados para este tipo de próteses. This dissertation approaches the potentialities of a new ceramic material, the silicon nitrite (Si3N4), covered with a CVD (Chemical Vapour Deposition) nanodiamond film that is being developed in the Investigation Centre laboratories of Ceramic Materials and Composites (CICECO) in Aveiro University. The silicon nitrite is a possible candidate to be used in articular prosthesis, namely in the head of femur. In the present work have been studied, by computed tomography (CT), the imaging properties of the silicon nitrite, comparing them with the properties of the commercial materials, namely in what refers to the eventual appearance of a metal artefact that is usually verified due to the presence of objects with high density (prosthesis) in the body under study. It have been conceived a test equipment that allowed the acquisition of the CT images of the different samples of head of femur (commercial and made in silicon nitrite with and without diamond covering) and posterior comparison of the artefact produced in the images. The images of CT, acquired with different protocols and parameters, were analyzed and characterized in qualitative and quantitative terms. Namely, the error due to the presence of the metal artifact was characterized through different error measures. This study allowed to show that the silicon nitrite presents promising imaging properties and from the qualitative and quantitative point of view, the metal artifact produced by this material is reduced when compared with the artifact produced by materials actually used for this type of prosthesis.

Mestrado em Engenharia Biomédica A substituição das superfícies articulares por implantes artificiais constitui, actualmente, um procedimento cirúrgico corrente, com resultados inquestionáveis. No que se refere ao modo de fixação dos seus componentes, consideram-se basicamente dois tipos de artroplastias: cimentadas e não cimentadas Implantes, sistemas cimentação. Mais recentemente, tem emergido o conceito de fixação híbrida em que apenas algumas regiões da prótese são fixadas com cimento O presente trabalho versa sobre a análise do escoamento de um cimento, para fixação de implantes ortopédicos, através de um canal com geometria previamente estabelecida. O estudo pretende dar uma contribuição neste campo ao utiliza-se um software de CFD (Computational Fluid Dynamics) multi-objectivos, CFX, para criar um modelo “virtual” da geometria a ser preenchida com cimento. Através da realização de estudos paramétricos, avalia-se que factores, e em que medida, influenciam o escoamento do cimento contribuindo para um melhor desempenho do implante. O do modelo numérico é validado através da realização de ensaios experimentais. As propriedades do cimento são implementadas no código através de uma equação retirada da literatura. A folga entre o osso e o implante não pode ser modelada e é simulada através como uma equação da implementação de uma porosidade em zonas específicas do domínio. Os resultados numéricos obtidos reproduzem com boa fidelidade outros resultados numéricos e experimentais disponíveis, Os resultados obtidos permitem constatar a viabilidade da utilização do software no estudo das condições de escoamento de cimentos para fixação de implantes ortopédicos, desde que sejam conhecidas as características do cimento e a geometria do canal. ABSTRACT: The replacement of join surfaces by artificial implants is a surgical procedure currently used, with undeniable results. Concerning to the method of fixation of its components, two types are usually considered: cemented and without cement systems. More recently, it has emerged the concept of hybrid setting in which only some regions of the prosthesis are fixed with cement. This work deals with the analysis of the flow of cement for fixation of orthopaedic implants, through a channel with predetermined geometry. The study contributes to this field of study by using a CFD (Computational Fluid Dynamics) package, CFX, to generate a virtual model of the geometry to be filled. By conducting parametrical studies, it’s possible to evaluate which factors, and in what extent, can influence the flow and contribute to a better performance. The validation of the numerical model is made trough the realization of experimental tests Cement’s properties are implemented in code through an equation extracted from the literature. Gap between bone and the implant can not be modelled and is simulated by the implementation of porosity in specific areas of the domain. Numerical results reproduce with fidelity experimental data. Results show the feasibility of using this kind of software in the study bone cement flow in orthopaedic applications, since cement’s characteristics and implant geometry are known.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Instrumentação, Sinal e Imagem Médica Foi desenvolvido um sistema Electrónico de Apoio à Mobilidade para invisuais, baseado em ultra-sons e substituição sensorial no plano visão-audição. Foram abordadas duas soluções. A primeira partiu da implementação de um localizador de obstáculos que recorre a espacialização de um som monofónico artificial com o objectivo de virtualizar a presença do obstáculo através de sinais sonoros. A segunda solução partiu da utilização de um sistema binaural, para captação dos ecos recebidos, seguido de transformação dos ecos para a gama do audível. Em ambos os casos utilizador usa o seu sistema auditivo para fazer a localização. A prototype of an Electronic Travel Aid for the blind was developed in this work. It is based on ultrasounds and sensory substitution at the hearingseeing level. Two solutions were studied. The first approach is based on localization of obstacles and sound spatialization to generate artificial sounds that virtualize the presence of obstacles. The second approach is based on the use of a binaural system and on the transposition of the received echo to the audible zone. In both cases the user’s auditory system is responsible to make the localization.

Mestrado em Engenharia Biomédica A análise multimodal do cérebro tem sido um importante tema de estudos recentes. A observação deste recorrendo a técnicas como a ressonância magnética funcional (RMF) permitem avanços significativos na análise, devido à sua resolução espacial, faltando no entanto a desejada revolução temporal. A observação simultânea recorrendo a RMF e outras técnicas como Electroencefalografia (EEG), devido à sua complementaridade na resolução espacial e temporal, tornam-se numa importante ferramenta para a comunidade médica. No entanto, devido aos fortes campos magnéticos encontrados dentro do scanner, a aquisição simultânea induz artefactos no EEG, ocultando o sinal fisiológico. Dois artefactos principais podem ser identificados: O artefacto de gradiente, devido aos campos magnéticos de alta frequência, e o Balistocardiograma, devido à actividade cardíaca do sujeito e ao forte campo magnético estático. Esta dissertação apresenta uma introdução à RMF, EEG e as vantagens da sua combinação, explorando as diferentes técnicas e limitações destas para a remoção dos artefactos. As técnicas mais frequentemente utilizadas para este fim, apesar da sua simplicidade, assumem sinais biomédicos como determinísticos, e desta forma nem sempre conseguindo remover o artefacto da forma mais eficiente. Um algoritmo capaz de se adaptar às variações naturais do artefacto é apresentado e a sua eficiência é estudada tanto em contexto de simulação como em sinais reais. ABSTRACT: Multimodal brain analysis has been the scope of many recent studies. Functional magnetic resonance imaging show remarkable advances in the study of the brain, because of its good spatial resolution, lacking however the desired time resolution. By simultaneously imaging the brain with gold standard techniques for the observation of the brain dynamics, such as Electroencephalography, the complementary advantages become a valuable tool for the medical community. Because of the strong static and varying magnetic fields found in the scanner, this simultaneous acquisition induces artifacts in the EEG, obscuring the underlying physiological signal. Two main artifacts can be identified: The Gradient artifact, caused by the fast changing magnetic fields and the Ballistocardiogram artifact, due to the cardiac activity and the strong static magnetic field. This dissertation presents an overview of both EEG and fMRI, showing the added value of combining them together, and explores different techniques of overcoming the induced artifacts. The most frequently used techniques, although simple, assure biomedical signals as deterministic and end up distorting the underlying physiological signal to a certain degree. An algorithm capable of adapting to the artifacts variations is presented and analyzed with simulated and real signals.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Instrumentação, Sinal e Imagem O cancro da mama é uma patologia com elevada morbilidade e a possibilidade de cura é tanto maior quanto mais precoce for o diagnóstico. A mamografia digital é o exame de primeira linha na prevenção do cancro da mama, que deve ser classificado segundo o padrão de relatório mamográfico BIRADS. Os sistemas CAD visam melhorar a acuidade diagnóstica e a consistência da interpretação da imagem radiológica, com base no processamento de imagem. O CAD mamográfico pretende detectar lesões não identificadas pelo médico radiologista e funcionar como a opinião de um segundo especialista. Por este motivo, têm sido testados vários algoritmos que contribuem para a detecção de lesões, através do realce de imagens, como o MUSICA. Foram usados neste estudo quarenta e sete casos da Digital Database for Screening Mammography da Universidade de South Florida, classificados à escala BIRADS: dez são da categoria BIRADS 1, cinco da BIRADS 2, quinze da BIRADS 3, doze da BIRADS 4 e cinco da BIRADS 5. Cada caso é constituído por 4 incidências radiológicas da mama, uma incidência crâniocaudal e uma incidência obliqua-médio-lateral, de cada mama, criando assim uma amostra com 188 imagens. Para a realização deste estudo, dois médicos radiologistas relataram em dois momentos distintos os quarenta e sete casos. No primeiro momento as mamografias não possuíam qualquer tratamento de imagem. Dois meses depois, ocorre o segundo momento, com a aplicação do algoritmo de melhoria de imagem, baseado no MUSICA. Para a obtenção dos resultados foram comparados os valores da área abaixo da curva ROC para cada médico, em cada momento, de modo a verificar se o seu desempenho se alterou com a aplicação do algoritmo. Foram também realizados testes estatísticos de Wilcoxon, para verificar as diferenças dos valores de BIRADS atribuídos pelos médicos, e do X2 de modo a comparar esses valores com os da base de dados de referência. Concluímos que, com a aplicação do algoritmo, os dois médicos melhoraram o seu desempenho, pois os seus resultados estão mais próximos da base de dados de referência. Este facto foi mais evidente para o médico B, pois obteve um incremento da área abaixo da curva ROC de 0,747para 0.910, com a aplicação do algoritmo. Quanto aos valores de BIRADS atribuídos, os médicos radiologistas obtiveram melhorias estatisticamente significativas no momento 2. Verificou-se também uma diminuição do número de casos com BIRADS 0, o que induz a uma diminuição de dúvidas quanto ao diagnóstico. ABSTRACT: Breast cancer is a pathology with high morbidity, and early diagnosis significantly increases the possibility of cure. Digital mammography is the gold standard exam in the prevention of breast cancer, that must be classified according to the standard of mammographic report BIRADS. CAD system aims to improve the diagnostic perceptiveness and the consistency of the interpretation of the radiologic image, based on image processing. The mammographic CAD intends to detect injuries not identified by the radiologist and to work as a second specialist opinion. Several image enhancement algorithms, like MUSICA, that contribute to the detection of injuries have been used in mammography. Forty seven cases, from the Database for Screening Mammography of the University of South Florida were used in this study, classified to the scale BIRADS: ten are of the category BIRADS 1, five BIRADS 2, fifteen BIRADS 3, twelve BIRADS 4 and five BIRADS 5. Each case has 4 radiographic breast incidences, a Caudal-Cranium and a Medium-Lateral-Oblique incidence, of each breast, constituting a sample of 188 images. For this study, two radiologists reported, at two different moments, forty seven cases. At the first moment the mammography images had no added processing. Two months later, the radiologists reported again but on images processed the MUSICA algorithm. The values of the area under the ROC curve were compared for each radiologist, at each moment, to check if their performance was altered by the algorithm application. Wilcoxon statistical test was also carried out to identify differences between the values of BIRADS attributed by the radiologist. X2 statistical test was use to compare the same values with the reference database. Comparing with the reference database we concluded that both radiologists increased their performance with the support of the algorithm. The improvement was more pronounced for radiologist B, the area under its ROC curve increased from 0,747 to 0.910 with the algorithm application. The radiologists obtained statistically significant improvements of reported BIRADS at moment 2. The number of cases reported with BIRADS 0 diminished at moment 2 which may mean a reduction on the diagnosis doubts.

Mestrado em Engenharia Biomédica A visualização tridimensional de uma anomalia num tecido biológico constitui um problema prático em diagnóstico clínico. A escolha de medidas terapêuticas depende do conhecimento mais preciso da localização e de outras características morfológicas da patologia. A informação tridimensional é produzida através do processamento de uma pilha de imagens digitalizadas do objecto em análise, obtidas a diferentes níveis de profundidade de campo, num microscópio óptico equipado com varrimento vertical. Apesar de comercialmente se encontrarem disponíveis vários métodos de reconstrução tridimensional de objectos a partir de imagens bidimensionais adquiridas em planos axiais onde a dimensão linear do objecto é da gama do cm, pouca informação se encontra disponível nas condições limite de visualização de patologias a nível celular. É de notar que a espessura típica do glóbulo vermelho é da ordem de grandeza do mícron e dimensão de estruturas sub celulares da gama dos sub-mícron. Este trabalho foi motivado pelo problema prático de interpretação clínica das inclusões citoplasmáticas em glóbulos vermelhos, denominadas de pontuado basófilo, observados em imagens de esfregaços de sangue de pacientes com patologia associada à deficiência de P5’N. As imagens foram obtidas em microscopia óptica de elevada resolução. O principal objectivo da dissertação apresentada consiste na avaliação de desempenho de algoritmos de desconvolução para reconstrução tridimensional a partir de uma pilha de imagens referentes a planos axiais de células de glóbulos vermelhos com estruturas patológicas. Foram estudadas duas classes de algoritmos, algoritmos iterativos e não iterativos. O procedimento de desconvolução necessita do conhecimento prévio da resposta impulsional do sistema de formação de imagem (Point-Spread-Function - PSF). Foram testados dois procedimentos diferentes para determinação da PSF. Num dos casos, a PSF foi extraída de pequenas estruturas visíveis na própria imagem e, no outro, foram usadas PSFs teóricas de parâmetros variáveis. A eficiência dos algoritmos foi primeiro testada em dados obtidos por simulação do processo de formação de imagem sobre dados sintéticos, tendo em conta que objectos experimentais com estruturas na gama dos sub-mícron não se encontravam disponíveis. Os resultados do estudo mostram que, apesar das estruturas analisadas serem da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz, os algoritmos iterativos optimizados podem contribuir para a melhoria do contraste global das imagens e em alguns casos são conseguidas estimativas da profundidade relativa das estruturas anómalas. No sentido de fornecer informação adicional ao estudo foram efectuadas estimativas de parâmetros morfológicos do pontuado basófilo. Visualization in three dimensions of an anomaly in the body or in the tissue is an important problem in clinical diagnostics; the choice of the therapeutic measures depends upon the reliable knowledge of the localization and other geometrical features of the pathology. The three-dimensional information is produce by processing a digitalized stack of 2-D images taken at different levels of depth through the sample, on an optical microscopy system. Though many methods are commercially available for reconstructing the object in 3-D from the two dimensional images taken at various axial sections, in the cases the typical linear dimension of the object is in the cm range, very little information is available when the challenge is to visualize the pathologies at the cellular level. It is to be recalled that the typical thickness of a red blood cell is in the micron range and the pathologies in the cell are in the submicron region. The work was motivated by a practical problem of understanding the clinical implications of geometrical features of basophilic stippling that is observed in the high resolution optical microscopy images of blood smear of patients with pyrimidine 5'-nucleotidase deficiency. The main objective of the thesis presented here is to analyse the effectiveness of some of the available deconvolution algorithms in reconstructing the pathological features of a red blood cell from a Z-stack of the X-Y images. Two classes, iterative and non iterative, of algorithms were studied. The deconvolution procedure necessitates the availability of Point Spread Function (PSF). Two different kinds of procedures for PSF were tested. In one case PSF was extracted from the smallest visible feature in the image itself and in another case a theoretical PSF with the possibility of varying the parameters was used. The effectiveness of the algorithms was tested on data obtained by simulating the imaging process on synthetic objects since suitable phantom objects with submicron features were not available. The results of the study show that despite the fact that features are of the order of the wavelength of the probing light, optimised iterative algorithms can contribute to the enhancement of the global contrast of the images and some clinically useful estimates of the relative depths of the anomalies can also be made. Additionally, some relevant statistical parameters of the geometry of the stippling were also determined.

Mestrado em Engenharia Mecânica A engenharia de tecidos é um domínio emergente multidisciplinar, que combina especialistas de múltiplos domínios no sentido de se produzirem substitutos biológicos para restaurar, manter ou melhorar a função de um tecido ou órgão. A estratégia mais importante em engenharia de tecidos envolve a deposição de células sobre matrizes de suporte biocompatíveis e biodegradáveis. Esta estratégia permite a manipulação experimental a três níveis com o objectivo de se obterem estruturas optimizadas: células, os materiais utilizados no fabrico de matrizes de suporte (scaffolds) e o processo de fabrico. Neste trabalho propõe-se um novo processo de biofabricação baseado no princípio da extrusão e designado por Bioextruder. Este sistema foi concebido para a produção de matrizes multifuncionais ou para a impressão de soluções célula/polímero. O sistema foi testado para o caso da policaprolactona, material biocompatível e biodegradável. Com este material produziram-se scaffolds com diferentes topologias, possuindo poros de geometria quadrada com dimensão aproximada de 650 mm e diâmetro de filamento de 250 mm. As condições de processamento não originaram qualquer tipo de alteração química na estrutura da policaprolactona, preservando as suas características de biocompatibilidade. Foi observado no fabrico dos scaffolds um elevado grau de repetibilidade e elevada precisão. Finalmente a análise de citotoxicidade efectuada sobre a policaprolactona processada e não processada demonstrou um elevado nível de proliferação celular. ABSTRACT: Tissue engineering is an emerging, multidisciplinary scientific field where a broad range of experts combine their knowledge and efforts in order to produce biological substitutes to restore, maintain or improve tissue function. The most promising approach in tissue engineering involves the seeding of 3D biocompatible and biodegradable scaffolds, with donor cells to promote tissue regeneration. This approach allows experimental manipulation at three levels to achieve optimal constructs: the cells, the biomaterial used for the scaffold and the fabrication technique. This study proposes a novel extrusion based technology called Bioextruder to produce functionally graded tissue engineering scaffolds and to print solutions cell/polymer. Policaprolactone (PCL) has been used to test the Bioextruder device. Scaffolds with different geometries have been made by layers of directionally aligned microfilaments. The PCL scaffolds were produced with an approximate channel size of 650 mm, filament diameter of 250 mm and regular geometrical square pores. Processing conditions do not cause any chemical change in the structure of PCL, keeping its biocompatibility characteristics. High levels of accuracy and repeatability have been achieved. Finally cytotoxicity analysis of both non processed and processed PCL revealed a high level of cell proliferation.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Instrumentação, Sinal e Imagem O presente trabalho apresenta uma nova abordagem à análise de imagens de RMf do cérebro, especificamente a utilização de medidas associativas na análise de séries temporais de RMf. Este tipo específico de análise, computacionalmente intensivo, requer recursos que normalmente não se encontram disponíveis em ambientes clínicos. Redes Grid é um novo paradigma de computação distribuída de elevada performance que pode ser utilizado para potenciar a utilização deste tipo de análise, disponibilizando a capacidade de computação necessária. Implementouse um framework que permite a utilização de uma infraestrutura Grid para correr este tipo de análise de forma transparente, viabilizando a sua utilização em ambientes clínicos, onde o tempo é um factor crítico. ABSTRACT: This work, introduces a new approach to fMRI brain image analysis, namely multivoxel fMRI association analysis. The problem associated with this type of approach is that requires a large computing capacity that is not normally available at clinical sites. To enable this specific type of analysis we are required to use High Performance Computing paradigms. In this context we analysed the use of Grid computing and implemented a framework that allows running the multivoxel fMRI association analysis using a grid infrastructure resources. The use of this framework makes this type of analysis usable in clinical environments where time constraints can have a vital importance.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Biomateriais Na reparação e regeneração de tecido ósseo torna-se cada vez mais atraente o recurso a suportes porosos temporários capazes de interagir com o organismo, através de respostas específicas que conduzam à formação de novo osso. O presente trabalho teve como objectivo produzir estruturas porosas a partir de composições vítreas, com uma composição que, em trabalhos anteriores, mostrou ter características bioactivas, com reactividade superficial específica em fluidos fisiológicos sintéticos. Os suportes foram obtidos por sinterização de uma mistura de vidro, de composição ponderal 54.89% 3CaO.P2O5 – 24.81%SiO2 – 20.30%MgO com um sal, NaCl, cuja granulometria e quantidade determinam as características da porosidade aberta dos suportes, após lixiviação. Investigaram-se neste trabalho algumas das variáveis de processamento, nomeadamente, a quantidade de sal, mantendo a sua granulometria constante, o valor da pressão de prensagem usada na conformação e a velocidade de aquecimento, temperatura máxima e tempo de patamar, no ciclo de sinterização. Investigou-se, ainda, a possibilidade de reacção entre o sal e o vidro durante a sinterização e o efeito das inclusões de sal na cinética de sinterização da matriz vítrea. A “janela de trabalho” para a sinterização dos compactos da mistura vidro-sal revelou-se estreita em termos de gama de temperaturas e a retracção total severamente limitada. Para estes efeitos contribuíram a reacção entre o sal e o vidro durante o aquecimento, com desenvolvimento de produtos gasosos e desestruturação da superfície das partículas de vidro, a presença das partículas de sal que actuam como inclusões rígidas na matriz vítrea e a cristalização um pouco mais precoce do vidro. O estudo do processamento dos suportes porosos permitiu seleccionar as condições mais adequadas de composição, conformação e sinterização, com base nas características microestruturais dos suportes, nomeadamente a fracção volúmica e a distribuição de tamanhos dos poros abertos, assim como a sua área superficial específica. Os espécimes porosos desenvolvidos com as variáveis de processamento seleccionadas apresentam uma percentagem de porosidade elevada, boa interconectividade, tamanho de poro e resistência mecânica compatíveis com a possibilidade de serem utilizados na reparação de tecido ósseo. Adicionalmente, o comportamento destas estruturas em meio fisiológico acelular e a sua capacidade de induzir a precipitação de fosfatos de cálcio à sua superfície sugeriu o elevado potencial destes materiais no campo da regeneração óssea. ABSTRACT: In the bone repair and regeneration it becomes more and more attractive to use temporary porous supports, or scaffolds, capable of interacting with the living tissues, through adequate responses that lead to the formation of new bone. The main goal of this work was to produce porous glass scaffolds with a composition that, in previous work, exhibited a bioactive behaviour with specific surface reactivity in synthetic physiological fluids. The porous specimens were prepared by sintering a 54.89%3CaO.P2O5 -24.81%SiO2 - 20.30%MgO glass (wt %) with a salt, NaCl, whose particle size and amount determine the characteristics of the scaffolds open porosity, after leaching. In this work some of the process parameters were investigated, namely the amount of salt, for a constant particle size, pressing pressure and sintering rate, maximum temperature and holding time of the thermal cycle. The possibility of reaction between the salt and the glass surface during sintering was evaluated and the effect of salt inclusions on the kinetics of glass sintering was also investigated. The “working window” for the sintering of the glass/salt mixture was seen to be very narrow with respect to the range of temperature and the total shrinkage severely restrained. For these effects several contributions should be taken into account, namely the reaction between the salt and the glass during sintering, with probable gas production and disruption of glass structure on the particles surface, the presence of salt particles that act as rigid inclusions within the glass matrix and the premature crystallization of glass. The study of the porous scaffold processing allowed the selection of the most suitable composition, shaping and sintering conditions based on the microstructural characteristics of the scaffolds, namely the volume fraction and the distribution of open porosity as well as their specific surface area. The developed scaffolds exhibit high porosity, interconnectivity, pore size distribution and mechanical strength suitable for bone repair applications. Additionally, the behaviour of these structures in physiological acelular medium and their capability to induce the precipitation of calcium phosphates on their surface, suggests the high potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration.

Mestrado em Engenharia Biométrica - Biomateriais Um dos grandes desafios no campo da engenharia de tecidos é o desenvolvimento de estruturas porosas tridimensionais (scaffolds) que permitam a adesão, a proliferação e a produção de matriz extracelular à taxa a que decorre a degradação do scaffold. Os scaffolds compósitos de matriz polimérica com enchimentos cerâmicos bioactivos têm sido objecto de investigação recente, pois combinam as vantagens destes dois tipos de materiais e mimetizam razoavelmente o osso, que é um compósito natural. Neste trabalho, foram preparados scaffolds compósitos usando o ácido poli (Lláctico) (PLLA) como matriz e um vidro bioactivo (BG) do sistema 3CaO.P2O5- MgO-SiO2 como enchimento inorgânico. O PLLA foi escolhido por ser um polímero sintético biodegradável, biocompatível e também piezoeléctrico à semelhança do osso, propriedade que tem sido apontada como responsável pela regulação do crescimento ósseo. Por sua vez, a composição vítrea seleccionada evidenciou, em estudos anteriores, a capacidade de induzir a precipitação de apatite, responsável pela bioactividade. Os scaffolds foram preparados por separação de fases termicamente induzida (TIPS) de soluções de 5.5% (m/m) PLLA/dioxano/água variando o teor de biovidro de 0 a 50% (m/m), o peso molecular do PLLA e o tempo de separação de fases. A adição crescente de biovidro mostrou influenciar o desenvolvimento da morfologia dos scaffolds, verificando-se o aumento do tamanho de poro com a adição de biovidro. O efeito do biovidro sobre a morfologia dos scaffolds foi relacionado com a solubilidade do vidro, atribuindo-se as variações na cinética de separação de fases às alterações que os iões lixiviados produzem na tensão interfacial entre as fases rica e pobre em polímero. Mostrou-se também que o biovidro actua como um agente nucleante na cristalinidade final da matriz de PLLA. O potencial carácter bioactivo dos scaffolds foi igualmente provado pela formação de uma camada apatítica à sua superfície após imersão em SBF. O efeito da polarização do PLLA sobre a adsorção de proteinas foi investigado. Para isso, foram preparados filmes finos de PLLA com diferentes graus de cristalinidade e usada a microscopia de força piezoeléctrica para manipular os dipolos do PLLA criando zonas polarizadas com diferentes polaridades. Mostrou-se, por microscopia de força atómica em meio líquido, que a adsorção de proteinas é largamente promovida pela polarização. Foi sugerido que a promoção da adsorção de proteinas, devido à polarização, na superfície dos polímeros piezoeléctricos poderia constituir o primeiro mecanismo do fenómeno da indução do crescimento ósseo. ABSTRACT: One of the main challenges in tissue engineering field is the development of three-dimensional scaffolds designed to allow cells to proliferate and secrete their own extracellular matrix while the scaffold gradually degrades. Recently, biopolymer/ceramic composite scaffolds have been investigated because they combine the advantages of these two types of materials and reasonably mimic the bone, which is a natural composite. In the present work, we prepared macroporous composite scaffolds using poly- L-lactic acid (PLLA) as the polymeric matrix and a bioactive glass (BG) from the 3CaO.P2O5-MgO-SiO2 system as the inorganic filler. PLLA was chosen because it is a synthetic biodegradable, biocompatible polymer which is additionally piezoelectric, similarly to bone, a property that has been implicated as responsible for bone growth regulation. The selected glass composition has previously shown the capability to induce apatite precipitation, assumed to be responsible for bioactivity. Composite scaffolds have been developed via a thermally induced phase separation (TIPS) of 5,5 wt% PLLA/dioxane/water solutions varying the BG content (0 to 50wt%), the molecular weight of PLLA and the time of phase separation. The addition of the bioactive glass has shown to act as a porogen increasing in a large extent the pore size of the scaffold. The effect of the glass content on the scaffold morphology was related to the glass surface solubility. The changes in the phase separation kinetics were attributed to the changes produced by the leached ions on the interfacial tension between polymer-rich and polymer-poor phases. The experiments also revealed that bioactive glass acted as a nucleating agent of the PLLA matrix promoting its crystallization. The in vitro bioactive character of the scaffolds was confirmed by the formation of an apatite layer on the surface of the scaffolds after immersion in synthetic plasma. The effect of polarization of PLLA on protein adsorption was also investigated. For this purpose, PLLA thin films with different crystallinity degrees were prepared and piezoresponse force microscopy was used to manipulate dipoles in order to generate polarized areas with different polarities. Observation by atomic force miscroscopy in liquid has shown that protein adsorption is widely promoted by the polarization. It was suggested that the polarization induced enhanced protein adsorption could be the first happening in the bone growth induction phenomenom.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Ramo de Biomateriais O presente estudo visa optimizar a metodologia de PCR em tempo real para a identificação de 5 bactérias que contribuem para a iniciação e/ou progressão de diversas formas de periodontite. Nos pacientes com periodontite foram ainda estudados os polimorfismos do gene IL-1, que têm vindo a ser relacionados com uma maior susceptibilidade de desenvolvimento da doença. Foram analisadas, por PCR em tempo real, amostras da placa bacteriana infragengival de indivíduos doentes (n=14) e indivíduos saudáveis (n=6), no sentido de identificar diferenças respeitantes à presença de Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia, Actinobacillus actinomycetemcomitans, Treponema denticola e Prevotella intermedia. Todas as bactérias analisadas foram identificadas por PCR em tempo real, que mostrou ser uma técnica mais sensível e económica quando comparada com um kit de Hibridização comercial (Micro-Ident). Observou-se uma elevada prevalência dos microrganismos periodontais em todos os pacientes, não tendo sido detectada a bactéria A. actinomycetemcomitans em cerca de 50% dos casos analisados. Nos indivíduos saudáveis foram detectados T. forsythia, T. denticola e P. intermedia, mas nunca P. gingivalis. Alguns destes indivíduos apresentavam níveis detectáveis de A. Actinomycetemcomitans. Nos pacientes com periodontite foram também analisados os polimorfismos IL-1A(C-889T) e IL-1B(C+3953T), pela metodologia de PCR-RFLP,verificando- -se que cerca de 50% dos indivíduos estudados eram homozigóticos para o alelo 1 do polimorfismo IL-1B(C+3953T). Os restantes 50% possuíam o alelo 2 (associado à periodontite agressiva), 21% dos quais em homozigotia. No caso do polimorfismo IL-1A(C-889T), 42,9% dos pacientes eram homozigóticos para o alelo 1 e os restantes possuíam o alelo 2 (14,3% em homozigotia). O PCR em tempo real mostrou ser uma técnica de elevada sensibilidade que permite a rápida identificação dos microrganismos associados à doença periodontal. A população estudada apresenta diferenças relativamente aos polimorfismos IL-1A(C-889T) e IL-1B(C+3953T). ABSTRACT: The aim of this study was to develop a real-time polymerase chain reaction (PCR) methodology for the detection of 5 bacterial species that have been correlated with several periodontitis forms. We also intended to study the IL-1 gene polymorphisms in patients with confirmed periodontitis, since some studies suggest that host genes are important for disease susceptibility. The presence of Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia, Actinobacillus actinomycetemcomitans, Treponema denticola and Prevotella intermedia was analyzed by real-time PCR in order to identify differences between subgingival plaque samples of patients with periodontitis and healthy individuals. 14 patients with periodontitis and 6 healthy individuals were included in the study. All bacterial species were identified by real-time PCR, which was shown to be a more sensitive and less expensive technique, when compared with a commercial hybridization kit (Micro-Ident). A high prevalence of the periodontal microorganisms was found in all patients studied; however A. actinomycetemcomitans was not present in about 50% of these patients. In healthy individuals, T. forsythia, T. denticola and P. intermedia were detected, but P. gingivalis was not found. Some of these individuals showed detectable levels of. A. Actinomycetemcomitans. Gene polymorphisms IL-1A(C-889T) and IL-1B(C+3953T) were analyzed in all the patients diagnosed with periodontitis, by the PCR-RFLP methodology. About 50% of the individuals were homozygous for allele 1 of the polymorphism IL-1B(C+3953T), while the remaining 50% presented allele 2 (21% being homozygous), which has been correlated with severe periodontitis. For IL-1A(C-889T) polymorphism, about 42,9% of the individuals were homozygous for allele 1, while the remaining presented allele 2 (14,3% being homozygous) Real-time PCR was found to be a highly sensitivity technique allowing the rapid identification of periodontal microorganisms. In the present work we found significant differences regarding gene polymorphisms IL-1A(C-889T) and IL-1B(C+3953T), in the studied population.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Instrumentação, Sinal e Imagem Médica A utilização de tecnologia nas habitações domésticas é uma realidade crescente. Os sistemas domóticos apoiam-nos na realização de um sem número de tarefas quotidianas. Além do conforto que proporcionam, estes sistemas permitem que as pessoas com limitações funcionais tenham maior autonomia e mobilidade dentro das suas habitações. Existem, contudo, alguns casos em que as interfaces entre os sistemas domóticos e as pessoas com limitações funcionais não são as mais adequadas. O objectivo deste trabalho é desenvolver uma interface de fácil utilização entre pessoas com limitações funcionais e o sistema domótico B-LIVE. Tendo em conta as limitações físicas destas pessoas, a fala, como interface humano-máquina, foi o ponto de partida para o trabalho desenvolvido. Esta dissertação apresenta uma interface humano-máquina com reconhecimento de fala, tendo em vista a sua utilização por pessoas com limitações funcionais para que estas possam interagir com o B-LIVE. Foram desenvolvidas duas versões da interface, uma com um reconhecedor dependente do orador e outra com um reconhecedor independente do orador. Em ambos os casos os resultados obtidos (quer em ambiente laboratorial, quer em utilização real), permitem concluir que a fala é uma interface viável para a utilização em questão. The utilization of technology in our homes is a growing reality. Home automation can support us in many of our daily tasks. Apart from the comfort that these systems provide, they allow disabled people to achieve more autonomy and mobility within their homes. There are, however, some cases where the interfaces between home automation systems and disabled people are not the most appropriate. The purpose of this work is to develop a user friendly interface between disabled people and the home automation system B-LIVE. Given the physical limitations of these people, speech as human-machine interface was the starting point for this work. This dissertation presents a human-machine interface with speech recognition, that can be used by disabled people so that they can interact with the B-LIVE system. We have developed two versions of the interface: one with a speaker dependent speech recogniser and another with a speaker independent speech recogniser. In both cases the results (both in laboratory environment and in real utilization), suggest that speech is a viable interface to be used in these applications.

Mestrado em Engenharia Biomédica Com este trabalho, pretende-se fazer uma avaliação do uso de poliuretanos em aplicações biomédicas. A extensa diversificação de propriedades permite que se sintetizem materiais biodegradáveis ou bioestáveis. Os biodegradáveispodem ser bastante promissores, contudo existe uma grande controvérsiaquanto à libertação de produtos eventualmente tóxicos no organismo, cinética da degradação e metabolização dos mesmos. Os Poliuretanos bioestáveispodem efectivamente estabelecer ligações com o meio (bioactividade),apresentam por si só boas propriedades mecânicas, permitindo a suaaplicação em locais de carga elevada (substituição óssea). Mesmo assim,pode existir algum grau de degradaçãopassível de ser eliminado com a utilização de antioxidantes. As propriedades mecânicas poderão sermelhoradas substancialmente com a introdução de enchimentos cerâmicos, podendo obter-se umcompósito de alta estabilidade química com propriedades mecânicas próximas das do osso. O trabalho que se segue teve por objectivo produzir compósitos PU/HA obtidospor extrusão. Para tal foram sintetizados poliuretanos de base éster e éter, utilizando o método de pré-polímero, fazendo-se variar o tamanho de cadeia do poliol. Foi adicionado a um dos poli (éter-uretanos) um antioxidante (BHA), com o objectivo de se avaliar qual o seu efeito na protecção da degradação. Para avaliar a resistência à degradação efectuaram-se testes de degradação acelerada em soluções de H2O2 e HNO3, tendo-se observado que os polímeros de base poliéter apresentaram maior resistência à degradação. Para além disso os poli (éster-uretanos) sofreram degradação mais acentuada em HNO3. Verificou-se ainda que,o antioxidante adicionado se difundia para o meio agressor. Foram também efectuados estudos reológicos dos compósitos para se avaliar o efeito da química da matriz e enchimento na extrusão. Os resultados mostraram que o aumento do tamanho de cadeia dos polímeros resulta numaumento da viscosidade complexa. Foi demonstrado que os poli (éter-uretanos) oferecem maior resistência à extrusão que os poli (éster-uretanos). Até 50% (m/m) de enchimento observa-se um efeito lubrificante no compósito, acima deste teor geram-se viscosidades que comprometem a extrusão. As características de resistência à degradação associadas à altahomogeneidade conferida pela extrusãoapontam estes compósitos como materiais promissores para aplicações de longo termo em substituição dotecido ósseo. In this study, we intend to evaluate the use of polyurethanes inbiomedical applications. Their extent of chemical properties allows the synthesis of biodegradable or biostable materials. Biodegradable materials can be verypromising; however there is some controversy regarding the liberation of toxic products, degradation kinetics and elimination of those by the organism. Biostable Polyurethanes can effectively establish connections with the living tissue (bioactivity), and have mechanical properties ideal for applications in load bearing sites (bone substitution). Even so, it is possible that degradationoccurs, eventually eliminated with the use of antioxidants. The mechanical properties can be improved substantially with the introduction of ceramic fillers, resulting in composites of high chemical stability and mechanical propertiesidentical to human bone. This work has the objective of producing compositesof PU/HA obtained by screw-extrusion. Polyurethanes, ester and ether based were synthesised, using the pre-polymer technique, and variable polyol chain lengths. It was added an antioxidant (BHA) to one of the poly (ether-urethanes), regarding the evaluation of the degradation protection given by this material. Materials were kept in accelerated degradation solutions of H2O2 and HNO3. It was found that polyether based polyurethanes, presented less degradationrates. Nevertheless, the poly (ester-urethanes) suffered degradation,more intense in HNO3 solution than H2O2. It was observed that the antioxidantadded was diffused to the environment. There were also performed rheologic studies of the composites to evaluating the effect of the matrix chemistries and filler addition. The results showed that the increasing the size of polymers chain results in an increase of the complex viscosities. It was also shown that poly(ether-urethanes) has higher resistance to extrusion than poly (ester-urethanes). At 50% (m/m) of filler, it was observed a lubricanteffect in the composites, above such contents it was generate viscosities that compromise extrusion. The characteristics of low degradation rates associated to the high homogeneity conferred by the extrusion, aim these compositesas promising materials for long term applications in bone tissue substitution.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Biomateriais Os filmes de carbono amorfo tipo diamante (DLC) actuam como lubrificantes sólidos em muitas aplicações de desgaste incluindo os implantes articulares da anca e joelho. Entre estes, os filmes de carbono não-hidrogenado podem ser depositados pela técnica de deposição física em fase vapor (PVD) a baixas temperaturas (

Mestrado em Engenharia Biomédica - Biomateriais O quitosano é um policatião de origem natural que tem vindo a ser investigado como sistema não viral de vectorização de genes devido à sua biocompatibilidade e baixa toxicidade. No entanto, a sua baixa eficiência de transfecção tem dificultado o seu uso generalizado. Num estudo anterior mostrámos que a conjugação de resíduos de imidazol a cadeias de quitosano resulta numa melhoria da eficiência de transfecção do polímero. O principal objectivo deste estudo foi avaliar a aplicação de quitosano modificado com imidazol (CHimi) como vector para entrega de genes em medicina regenerativa, bem como encontrar novas vias para melhorar a eficiência. A expressão genética mediada por CHimi com dois graus de substituição - 13% e 22% das aminas primárias do quitosano - foi avaliada em células 293T (células embrionárias humanas do epitélio do rim) por um período de 8 dias, usando o gene da β-Galactosidase (β-gal) como gene repórter. Os complexos de CHimi-DNA foram preparados numa razão molar de 18 entre aminas primárias e grupos fosfato. As células transfectadas com estes complexos apresentam um pico de actividade da β-gal às 72 horas pós-transfecção, verificando-se a expressão sustentada da proteína repórter durante todo o período de avaliação. Nestas condições a viabilidade celular não é comprometida. Quando se efectua um segundo tratamento das células com complexos à base de CHimi, a actividade de transfecção volta a aumentar, sem haver alterações na viabilidade celular. Verificou-se também que células transfectadas com estes vectores sobrevivem a um ciclo de congelação/descongelação, mantendo uma actividade de transfecção sustentada no tempo. Uma polietilenimina comercial (Escort V) foi usada como referência neste estudo. Apesar de os níveis de transfecção mediados por este vector serem duas ordens de grandeza mais elevados, a viabilidade celular decresce até aos 50% após cada tratamento. De forma a investigar o processo de transfecção mediado por polímeros de CHimi, o tráfego intracelular destes complexos foi estudado por microscopia confocal de varrimento laser. Complexos de CHimi e DNA marcados com fluoróforos foram encontrados no citoplasma celular 2 horas depois da transfecção, sendo detectados até 48 horas pós-transfecção. Estes resultados podem em parte explicar a expressão sustentada de β-gal ao longo do tempo. Os complexos foram detectados no interior do núcleo 4 horas pós-transfecção. O DNA marcado com fluorescência não foi observado na forma livre em nenhum dos momentos analisados, enquanto que CHimi foi detectado num evento único no citoplasma. Num ensaio “cell-free” de transcrição/tradução in vitro não foi detectada a síntese de proteína quando o DNA estava complexado com CHimi, apesar de este ser expresso na ausência do polímero. Este conjunto de resultados sugere que, apesar dos complexos poderem ser encontrados no interior do núcleo rapidamente após a transfecção, a expressão genética parece depender da desintegração do complexo. O CHimi é um potencial candidato a vector para transporte de genes num cenário de regeneração. Este material medeia uma expressão proteica sustentada sem afectar a viabilidade celular. Com este sistema, as células toleram uma segunda adição de complexos, pelo que a administração repetida poderá ser potencialmente usada como estratégia para prolongar o efeito terapêutico de uma proteína de interesse. Em relação aos resultados de tráfego intracelular dos complexos, e considerando o perfil de expressão genética obtido, pode pôr-se a hipótese de que a expressão sustentada do gene resulta de um processo de libertação dependente do tempo. Neste sentido, ajustar a velocidade de degradação dos polímeros de CHimi pode ser usado como estratégia para melhorar o processo de expressão do gene tendo em vista o fim terapêutico pretendido. ABSTRACT: Chitosan is a polycation of natural origin, emerging in the non-viral gene delivery vectors scene due to its biocompability and low cytotoxicity. However, its low transfection efficiency has hampered its wide application so far. We have previously shown that grafting imidazole moieties into the chitosan backbone results in improved transfection efficiency of this polymer. The main goal of this study was to assess the application of imidazole-grafted chitosan (CHimi) as gene delivery vector in a regenerative medicine scenario and to find avenues to further improve its efficiency. Gene expression mediated by CHimi with two degrees of substitution - 13% and 22% of chitosan primary amines - was assessed in 293T cells for periods up to 8 days, using the β-Galactosidase (β-gal) gene as reporter gene. CHimi- DNA complexes were prepared at a primary amine to phosphate groups molar ratio of 18. Cells transfected with the CHimi-based complexes have a peak of β-gal activity 72 hours post-transfection and show a sustained β-gal production for 8 days. During this time period cell viability is not impaired. When a second treatment with CHimi-based complexes is performed, transfection activity increases, without changes on cell viability. Additionally, cells transfected with CHimi-based vectors are able to withstand a freeze/thawing cycle, maintaining a sustained transfection activity. A commercially available polyethylenimine (Escort V) was used as a reference. Though transfection levels are two orders of magnitude higher, cell viability decreases up to 50% after each treatment. In order to investigate the transfection process mediated by CHimi-based vectors a study of the intracellular pathway of the complexes has been performed by confocal laser scanning microscopy. Complexes formed by fluorescently labeled CHimi and DNA were found inside the cell cytoplasm 2 hours after transfection and were detected up to 48 hours post-transfection. These results could explain in part the sustained gene expression over time. Complexes were detected inside cell nucleus since 4 hours post-transfection. Fluorescently labeled DNA in the free form was not observed at any of the time points analyzed. Free CHimi was detected in the cytoplasm in an atypical event. In a cell-free in vitro transcription/translation assay no protein production was detected when DNA was complexed with CHimi, though expressed when using plasmid DNA in the absence of CHimi. Taken together these results suggest that, though CHimi-based complexes can be detected inside cell nucleus promptly after transfection, gene expression is dependent on the complex disassembling. CHimi is a potential candidate vector for gene delivery in a regenerative scenario. This material is able to mediate a sustained protein expression without impairing cell viability. In our system, cells can sustain another addition of the complexes suggesting that repeated administration could be used as a strategy to prolong the therapeutic effect. In view of the trafficking results and considering the gene expression profile, one can hypothesize that the observed sustained transgene expression is a time dependent release process. Thus, tuning the degradation rate of CHimi-based polymers could be a strategy to further improve the overall transgene expression process to fulfill the therapeutic end.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Instrumentação, Sinal e Imagem Médica A Utilização de microarrays para detecção de mutações genómicas é uma das vastas aplicações desta tecnologia em biologia e medicina. Mutações são alterações em genes a nivel dos nucleótidos que podem ser tão pequenas como uma diferença de apenas um nucleótido entre duas sequências, as quais neste caso se dá o nome de Polimorfismo Nucleotidico Simples (SNP). É possivel detectar tais mutações recorrendo a tecnologia de microarrays, apesar de que requer um extenso e moroso procedimento (trabalho) associado ao desenho de sondas, devido a determinadas propriedades comuns que todas as sondas têm de respeitar e ainda o facto de terem de ser únicas. Depois de avaliado diverso software de desenho de sondas, foi detectada uma evidente falta de ferramentas bioinformáticas para desenho automático de sondas para detecção de mutações. Analisados os procedimentos utilizados no desenho manual de sondas, desenvolveu-se um soflware de forma a automatizar o processo, reduzindo o tempo dispendido e aumentando a especificidade das sondas finais, ABSTRACT: Microarrays for genome rnutations analysis is one of the wide variety applications of this technology in molecular biology and rnedicine. Mutations are changes in genes nucleotides, and can be as srnall as a single base difference between two sequences, known, in this case, as Single Nucleotide Polymorphisrn (SNP). With microarrays technology it is possible to detect such mutations. However, it is a large time consuming work associated with the design of probesfor such propose, dueto the several properties that ali probes rnust have in common and, at sarne time, the uniqueness of each one. After evaluated several probes design software, it was evident the rnissing of bioinforrnatic tools for autornatic probes design for mutation detection. Analyzing the usual procedure of manual probes design, we developed software in order to automate the process, reducing the overall workflow time and increasing the accuracy of final probes.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Biomateriais Na actualidade os biomateriais têm assumido uma importância crescente. O desenvolvimento de um dispositivo médico exige uma simbiose perfeita entre o criador e o utilizador, que se inicia com o conhecimento detalhado dos biomateriais que o podem constituir. A manipulação correcta e segura de um cateter venoso totalmente implantável com reservatório subcutãneo exige formação adequada não só quanto ao biomaterial que o compõe mas também quanto a sua colocação, utilização e manutenção. O objectivo deste projecto é caracterizar os conhecimentos dos profissionais de saúde relativamente aos cateteres venosos centrais totalmente implantáveis com reservatório subcutãneo. A crescente dispersão geográfica dos portadores destes dispositivos justifica que a amostra inclua indivíduos de hospitais e de centros de saúde. Os resultados obtidos certamente permitirão tirar ilações quanto a necessidade de formação nesta área que se encontra em franca expansão. ABSTRACT: Nowadays, biomaterials are becoming increasingly irnportant. The development of a medical device requires a perfect symbiosis between developer and user. The safe handling of a totally implantable venous catheter with subcutaneous reservoir demands adequate knowledge not only of the biomaterial that can constitute it but also about its placernent, use and maintenance. The goal of this project isto evaluate the knowledge of health care professionals regarding totally implantable venous catheter with subcutaneous reservoir. The increasing geographic dispersion of these devices carriers justifies that the sample comprises individuals from hospitals and primary care units. The results obtained will most certainly allow taking conclusions as to the need of acquiring skills in this expanding field.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Biomateriais O presente trabalho consistiu numa revisão dos estudos efectuados até à data, no que respeita a metodologias in vitro para avaliação da biocompatibilidade de biomateriais, bem como prespectivas futuras. O aumento considerável na sua utilização, torna-os uma área de estudo atractiva, que sendo multidisciplinar, permite diversas abordagens. Sendo a biocompatibilidade a principal característica a mencionar num biomaterial, e das únicas a reunir consenso, foi sob este parâmetro que incidiu a primeira parte do trabalho, isto é, sob as diferentes metodologias in vitro que permitem a sua avaliação. Desta forma, foi analisada bibliografia nacional e internacional, pretendendo-se fazer uma revisão das metodologias que reunissem as melhores características (tendo em atenção aspectos laboratoriais como disponibilidade de material, duração dos ensaios, entre outros). Num segundo ponto pretendeu-se fazer uma abordagem dos biomateriais, usados actualmente em grande escala, mas sob um outro ponto de vista – impacto ambiental. Para isso, recorreu-se à realização de testes de ecotoxicidade, usando duas espécies de microalgas verdes – Pseudokirchnereilla subcapitata (Korshikov) Hindak e Pandorina morum (Müller) Bory. O biomaterial eleito foi a zircónia (ZrO2). Ainda na mesma linha de investigação, e também pela escassez de informação observada durante a pesquisa bibliográfica, pretendeu-se compreender de que forma alterações no pH do meio, podem influenciar o grau de toxicidade. Estatisticamente, procedeu-se à análise dos dados obtidos recorrendo-se à análise de variância (ANOVA) de uma via, tendo sido aplicado o teste de Tukey, sempre que diferenças significativas foram encontradas. Esta análise permitiu verificar diferenças significativas no crescimento das duas algas, quando submetidas a concentrações crescentes do metal zircónio (Zr IV), observando-se ainda diferenças de sensiilidade apresentadas pelas mesmas, tendo Pandorina morum revelado maior sensibilidade. Concluiu-se ainda que variações no pH do meio alteram o grau de toxicidade do composto. ABSTRACT: The present work consisted in a review about the studies, untill today, surrounding the in vitro methodologies to evaluate biocompatibility, as well as future developments. The considerable increases in their utility, turns biomaterials in an interesting area of study, that being multidisciplinary, allows different approaches. Considering biocompatibility as a primordial characteristic in a biomaterial, and one of the only that get consensus among authors, this parameter as been choosen for the first part of the dissertation. According to this, national and international bibliography have been analysed, pretending to combine a set of the more effective methodologies, attending to laboratory aspects (such as material used and time dispense). In a second point, a different approach to biomaterial was consider, their environmental impact. For that, ecotoxicity tests were made, using to different species of green algae - Pseudokirchneriella subcapitata (Korshikov) Hindak and Pandorina morum (Müller) Bory. The biomaterial selected was zirconia (ZrO2). The present study try to understand the influence of pH environmental alterations in the toxicity observed. Data analysis was done using variance analysis (one-way ANOVA), and Tukey test was applied when significant differences were found. Observing the results, significant differences on the growth of the two green algae were found, when submitted to crescent concentrations of zirconium (Zr IV), and it was also observed that they present different sensibilities to Zr (IV), with Pandorina morum showing more sensibility. Besides that, pH alterations influence compound toxicity, with alkaline environment increasing it.

Mestrado em Engenharia Biomédica - Ramo Biomateriais Apesar de o titânio ser um sucesso clínico em aplicações de ortopedia edentária, ainda persistem problemas relacionados com a ligação osso-implante para além das diferenças em termos de propriedades mecânicas, entre o osso e o material de implante, levando a que a reabsorção óssea ocorra. Para fazer frente as estes problemas, têm sido feitas tentativas a nível dodesign do implante de modo a desenvolver materiais com uma superfícieporosa tridimensional osteocondutiva para a regeneração óssea. A utilização de materiais com a estrutura anteriormente descrita permite uma ancoragembiológica para os tecidos circundantes através do crescimento ósseo nointerior dos seus poros. Além disso, o valor do módulo de Young pode serajustado de modo a equiparar o osso trabecular limitando o efeito deblindagem de tensões (“stress shielding”), prevenindo assim a reabsorção óssea na interface do implante. Este tipo de estrutura favorece aosteointegração uma vez que provê espaços de ancoragem para as células ósseas e para o aumento do tecido ósseo e vascular. Para além disto, e parase conseguir um crescimento ósseo mais rápido, através do espaço aberto doporo, e uma estabilização rápida e forte, mesmo sob condições desfavoráveis,recorresse ao revestimento destes materiais com cerâmicos bioactivos, talcomo a hidroxiapatite. Neste trabalho apresenta-se a produção de estruturas porosas de titânio, recorrendo-se ao método de replicação da esponja usando uma suspensão dehidreto de titâniocom as características reológicas adequadas, e revestidascom hidroxiapatite pelo método sol-gel. As estruturas porosas são caracterizadas em termos de microestrutura e propriedades mecânicas. Demodo a avaliar o carácter bioactivo destes materiais realizaram-se ensaios in vitro numa solução simuladora do plasma humano (SBF). Foram aindarealizados ensaios electroquímicos que permitiram avaliar a influência dorevestimento na protecção à corrosão. As estruturas porosas obtidas apresentam uma estrutura tridimensional, com porosidade aberta interligada. A introdução da porosidade faz baixar o valor domódulo de elasticidade reduzindo assim o efeito de blindagem de tensõese consequentemente evitando a reabsorção óssea. Os ensaios in vitromostraram o aparecimento de uma camada de hidroxiaptite nas paredes domaterial. Para além da bioactividade introduzida pelo revestimento aresistência à corrosão é também melhorada. While titanium has been successful as an orthopedic or dental implant material,performance problems still persist related to implant-bone interfacial strength and mechanical modulusmismatch between titanium and tissue. To address these issues, current attempts in implant design have shifted towards thedevelopment of biomaterials incorporating three-dimensional osteoconductiveporous structures for bone regeneration. The advantage of porous materials is their ability to provide biological anchorage for the surrounding bone tissue viathe ingrowth of mineralized tissue into the pore space. Porous structures are anadvantageous alternative because the elastic modulus can be adjusted tomatch that of trabecular bone to limit stress shielding thereby preventing boneresorption at the implant interface. Furthermore, to achieve early and strong stabilization theses structures arecoated with bioactive ceramics, as hydroxyapatite. In the present work, titanium porous structures were produced by replicationsponge method, from TiH2 slurry, and coating with HA by the sol-gel process. The obtained structures were microstructure and mechanical characterized.The in vitro bioactivity was investigated by soaking them in a simulated body fluid (SBF). Electrochemical characterization was also recorded with the aim ofevaluated the coating effect on the corrosion resistance. The structures present a three-dimensionally interconnected porous structure. The porosity adjusts young’s modulus. With the in vitro tests an apatite layer on the porous surface was observed. The corrosion resistance is also improvedwith the coating.

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica O detector ultra-sónico de fluxo sanguíneo usa o efeito Doppler para estimar de forma não invasiva a velocidade do sangue na circulação. Tem sido bastante usado nas ultimas quatro décadas para detectar a presença de estenoses. O desenvolvimento de novas técnicas de processamento do sinal Doppler necessita de sinais de teste cujas características sejam conhecidas ou possam ser medidas com precisão. Isto é difícil de obter com sinais Doppler medidos in vivo devido à elevada variação do fluxo sanguíneo de pessoa para pessoa e também com o estado fisiológico da pessoa no momento da medida, por exemplo a tensão arterial influencia significativamente o fluxo sanguíneo. Um modelo para gerar sinais Doppler simulados cujas características sejam controláveis e/ou mensuráveis é uma ferramenta bastante útil, pois permite que as novas técnicas de processamento do sinal Doppler sejam testadas em condições controladas. Permite, também, estudar o efeito de viários factores que afectam o espectro do sinal Doppler. Habitualmente o efeito individual dos viários factores não pode ser identificado quando são usados sinais medidos in vivo. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para gerar sinais Doppler ultra-sónicos simulados. O modelo contêm dois sub-modelos, um para o fluxo sanguíneo nos membros inferiores de um ser humano e outro para gerar os sinais simulados a partir do campo de velocidades do sangue e das características do instrumento. O fluxo sanguíneo nos membros inferiores foi simulado com um análogo eléctrico para a rede vascular dos membros inferiores. Cada artéria foi simulada por uma linha de transmissão com perdas e as redes vasculares periféricas por um circuito Windkessel com três elementos. O circuito eléctrico foi implementado com o simulador de circuitos SPICE. Para simular a interacção entre os glóbulos vermelhos e o campo de ultra-sons o vaso sanguíneo foi dividido em pequenos volumes elementares. As contribuições dos volumes elementares foram todas somadas para gerar o sinal Doppler simulado. O modelo fez algumas aproximações como sejam, por exemplo, considerar o fluxo sanguíneo laminar e sem rotação. As características dos sinais gerados pelo modelo são bastante parecidas com as esperadas para o sinal Doppler real. O modelo desenvolvido foi usado para estudar a influencia que a aceleração sanguínea, o tamanho do volume de amostragem e a duração da janela de amostragem têm na largura de banda eficaz do espectro do sinal Doppler. Foi deduzida uma formula que estima a largura de banda eficaz a partir das contribuições individuais do alargamento espectral devido à não estacionaridade, do alargamento espectral intrínseco, do alargamento espectral devido à duração da janela de amostragem e ainda da gama das velocidades que passam pelo volume de amostragem. Foram, ainda, deduzidas expressões em forma fechada para o espectro de potência do sinal Doppler devido unicamente à gama de velocidades que atravessam um volume de amostragem com forma Gaussiana colocado num perfil de velocidades com forma exponencial. Foram, também, obtidas expressões para a largura de banda eficaz no caso especial do volume de amostragem Gaussiano ter simetria esférica e estar colocado no centro do vaso sanguíneo. The Doppler ultrasonic blood ow detector estimates non-invasively the velocity of blood in the circulatory system. It has been extensively used in the last four decades for the detection of stenoses in the circulation. The development of new signal processing techniques for the Doppler signal requires test signals with known or measurable characteristics. This is very di cult to achieve with Doppler signals obtained in vivo because of the variability of blood ow between persons and with physiological state, for example blood pressure. A model for generating simulated Doppler signals whose characteristics are controllable and/or measurable is a useful tool because it permits the test of new processing techniques under controlled conditions. It permits also the study of the e ect of various factors on the Doppler spectrum. Usually these e ects cannot be isolated with in vivo measurements. During this work a model for the generation of simulated Doppler ultrasound signals was developed. It comprised two sub-models one for blood ow in the human lower limb and the other for generating simulated signals from the blood velocity eld and the instrument's characteristics. Blood ow in the lower limb was modelled by an electric analogue for the lower limb vascular tree. Each artery was modelled by a lossy transmission line and the peripheral vascular beds by three{element Windkessel models. The electric analogue circuit was implemented with the SPICE circuit simulator. To simulate the inter-action of the blood cells with the ultrasonic eld the vessel was divided into small elemental volumes whose contributions were added together to generate the simulated Doppler signal. The model assumed irrotational laminar ow and some other simplifying approximations. The characteristics of the signals generated by the model were similar to those expected for the Doppler signal. The model was used to study the in- uence of blood acceleration, sample volume size and data segment duration on the root mean square (rms) width of the Doppler spectrum. A simple formula was derived for estimating the Doppler rms spectral width from the individual contribution of non-stationarity broadening, intrinsic broadening, window broadening and the range of blood velocities passing through the sample volume. In addition closed form expressions were derived for the Doppler power spectrum due solely to the range of blood velocities passing through a Gaussian sample volumes placed in irrotational laminar ow with a velocity pro le obeying a simple power law. Closed form expressions were also obtained for the root mean square spectral width in the special case of a spherically symmetric Gaussian sample volume placed in the centre of the vessel.