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

Este relatório é relativo à cadeira de projecto, do 5º ano da licenciatura em Engenharia Biomédica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. O projecto foi desenvolvido no Instituto Biomédico de Investigação da Luz e Imagem, IBILI, da Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, com coorderação do Professor Doutor Miguel de Sá e Sousa de Castelo-Branco. Pretende-se com este projecto, adquirir um aprofundado conhecimento das técnicas de imagiologia por ressonância magnética estrutural e funcional, bem como o domínio do software BrainVoyager, na análise e processamento dos dados adquiridos. O principal objectivo é, através destas técnicas, a obtenção de mapas funcionais detalhados do cérebro, nomeadamente, mapas de áreas visuais cerebrais: áreas retinotópicas e áreas MT, FFA, PPA e LOC. O relatório está estruturado em onze capítulos: no primeiro capítulo é feita uma breve introdução ao trabalho. No capítulo II são abordados os princípios de ressonância magnética nuclear e no capítulo III os princípios de formação de imagem. O capítulo IV introduz alguns fundamentos de ressonância magnética funcional. No capítulo V é feita uma abordagem à organização funcional do córtex visual. No capítulo VI são apresentados os procedimentos para a obtenção de mapas funcionais do córtex cerebral. Nos capítuos seguintes são abordados o mapeamento retinotópico (capítulo VII) e de outras áreas visuais (capítulo VIII). O capítulo IX refere-se ao tratamento dos dados adquiridos (pré-processamento dos dados funcionais e processamento dos dados anatómicos). No capítulo X são abordadas as ferramentas de análise estatística utlizadas. Por fim, no capítulo XI são apresentados a análise e os resultados obtidos

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