Mechanical stimulation of anisotropic fibrous scaffold for cartilage tissue engineering

Cada vez mais surge a necessidade de substituir tecidos humanos por outros materiais capazes de os mimetizar. Neste contexto, a engenharia de tecidos, que combina a utilização de células e biomateriais, permite desenvolver soluções terapêuticas capazes de substituir parte ou a totalidade de um órgão. Para tal, foram desenvolvidos nos últimos anos biomateriais de origem diversa. Entre estes, os polímeros e as respetivas técnicas de processamento, com vista a obter as melhores caraterísticas para mimetizar o tecido alvo, têm sido objeto de investigação. No caso particular da cartilagem, há a necessidade de reproduzir a arquitetura anisotrópica nativa que dá a este tecido a possibilidade de sofrer forças de compressão, tração e de cisalhamento sem danificar a sua estrutura e de suportar cargas superiores ao peso corporal do ser humano. Esta estrutura fibrosa complexa apresenta fibras com orientações distintas, existindo assim microambientes diferentes. A sua recriação in vitro deverá proporcionar a migração e proliferação celular, sendo por isso um grande desafio. No seguimento dos estudos desenvolvidos anteriormente no grupo da equipa de orientação deste projeto, neste trabalho foi desenvolvida uma estrutura em bicamada com diferentes orientações das fibras compostas pela junção de um polímero sintético – policaprolactona – com um natural – gelatina – conseguida por eletrofiação. De forma a obter um maior tamanho de poro, vantajoso para a migração celular, procedeu-se simultaneamente à eletropulverização de micropartículas sacrificiais de polietilenoglicol, que foram posteriormente removidas. Os estudos de viabilidade celular comprovaram a biocompatibilidade da estrutura e a capacidade desta de garantir uma adesão, distribuição e infiltração das células através do scaffold. Este estudo comparou testes de viabilidade celular estáticos e dinâmicos. Verificou-se que sobre compressão cíclica estes biomateriais tridimensionais (3D) apresentam melhores resultados de viabilidade e de penetração celular para o interior da estrutura, talvez devido ao fluxo do meio provocado pela força de compressão.There’s an increasing need to replace human tissues with other materials capable of mimicking them. In this context, tissue engineering, which combines the use of cells and biomaterials, allows the development of therapeutic solutions capable of replacing part or all of an organ. To this end, biomaterials of different origins have been developed in recent years. Among these, polymers and the respective processing techniques, in order to obtain the best characteristics to mimic the target tissue, have been target of research. In the particular case of cartilage, there is a need to reproduce the native anisotropic architecture that gives this tissue the possibility of undergo through compression, traction and shear forces without damaging its structure and supporting loads bigger than the human body weight. This complex fibrous structure presents fibers with different orientations, thus having different microenvironments. Its in vitro recreation should provide cell migration and proliferation, which is why it is a big challenge. Following the studies previously developed in the group of the project's guidance team, in this work a bilayer structure was developed with different orientations of the fibers composed by the junction of a synthetic polymer - polycaprolactone - with a natural - gelatin - achieved by electrospinning. In order to obtain a larger pore size, advantageous for cell migration, electrospraying of polyethylene glycol sacrificial microparticles was carried out simultaneously, which were posteriorly removed. Cell viability studies have proven the biocompatibility of the structure and its ability to guarantee cell adhesion, distribution and infiltration through the scaffold. This study compared static and dynamic cell viability tests. It was found that under cyclic compression these tridimensional (3D) biomaterials show better results of viability and cell penetration into the structure, perhaps due to the flow of the medium caused by the compression force.Not Publishe

Produção de não tecidos de pet reciclado com incorporação de óleo essencial: comparação entre eletrofiação coaxial e eletroaspersão

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016.Tecidos não tecidos são empregados em diversas aplicações como vestuário e lençóis hospitalares, filtros, curativos, entre outros. A eletrofiação é um método que tem se tornado atrativo para a produção de não tecidos. Estes não tecidos podem ser utilizados para a fabricação de têxteis técnicos funcionalizados, com propriedades de liberação de substâncias ativas como óleos essenciais, para usos farmacológicos, clínicos, antimicrobianos, etc. Este trabalho visa à incorporação de óleo essencial de hortelã em fibras sintéticas, para obtenção de não tecidos uniformemente perfumados, através do processo de eletrofiação com uso de agulha coaxial ou eletrofiação e eletroaspersão simultâneos. O material utilizado para a fabricação das fibras foi o poli(tereftalato de etileno) (PET), proveniente de garrafas descartáveis, visando o estudo da incorporação e da liberação de óleo essencial de hortelã. As condições operacionais foram definidas quanto à taxa de infusão do polímero a eletrofiar, tensão aplicada ao polímero, distância entre placa coletora e capilar de infusão (agulha), bem como as concentrações de polímero e solventes. A caracterização dessas fibras foi realizada através de MEV, massa molar viscosimétrica, FTIR e medidas de diâmetro médio. Através de espectroscopia UV-VIS, foi quantificada a liberação do óleo de hortelã dos não tecidos eletrofiados. A melhor condição operacional para eletrofiar o PET foi definida através dos parâmetros: distância entre agulha e coletor de 17,5 cm, tensão de 20 KV e vazão da solução polimérica de 0,65 mL/h de composição 10% (m/v) PET, 20% (v/v) de TFA e 80% (v/v) de DCM. O diâmetro médio das fibras eletrofiadas foi de 303 nm. Através de imagens de MEV foi identificada a presença das gotas de óleo que ficaram retidas no não tecido produzido por eletrofiação e eletroaspersão simultâneos e, após 30 dias, a liberação acumulada alcançou um montante de 56%. Os ensaios de eletrofiação com agulha coaxial, produziram uma estrutura do tipo bainha-núcleo. As imagens de MEV apresentam um não tecido sem contas e sem a presença de óleo no exterior das fibras e, após 30 dias, a quantidade de óleo liberada pelo não tecido produzido com agulha coaxial foi de 33%. A produção de não tecidos eletrofiados de PET, com óleo essencial incorporado, é uma rota promissora na fabricação de têxteis técnicos.Abstract : Nonwovens are used in various industries, such as, clothing and hospital sheets, filters, bandages, among others. Electrospinning is a method that has become attractive for the production of nonwovens. These nonwovens can be used for the manufacture of technical textile functionalized with releasing properties of active substances such as essential oils, for pharmacological, clinical and antimicrobials uses, etc. This study aims to incorporate peppermint essential oil in synthetic fiber, to obtain uniformly scented nonwovens via electrospinning with coaxial needle or via electrospinning and electrospraying simultaneously. The material used to manufacture the fibers was poly(ethylene terephthalate) (PET) from disposable bottles. The operating conditions were defined as the polymer rate of infusion, voltage applied to the polymer, the distance between the collector plate and infusion capillary (needle) as well as the concentrations of polymer and solvents. The characterization of these fibers was performed using SEM, viscosimetric molecular weight, FTIR and diameter measurements. By UV-VIS spectroscopy, the release of peppermint oil was quantified from the electrospun nonwoven. The best operating condition for electrospinning PET was defined as: distance between the needle and collector of 17.5 cm, voltage applied of 20 kV and flow rate of 0.65 mL/h of the polymer solution composition of 10% (w/v) PET, 20% (v/v) TFA and 80% (v/v) DCM. The average diameter of the nanofibers was 303 nm. SEM images showed the presence of oil droplets retained in the nonwoven produced by electrospinning and electrospraying simultaneously. After 30 days of manufacture, the cumulative release of peppermint from the nonwoven reached an amount of 56%. The electrospinning trials with coaxial needle produced a structure of core-shell type. SEM images showed nonwovens without beads and without the presence of oil on the outside of the fibers. After 30 days of manufacture, the amount of oil released from the nonwoven produced with coaxial needle was 33%. The production of electrospun PET incorporating essential oil is a promising route for the manufacture of technical textile

Electrospinning of nanofibers of gelatin/PVP (poly (vini pyrrolidone)) blends from water/acetic acid solutions

Orientador: Marcos Akira d'ÁvilaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A eletrofiação é reconhecida como uma técnica eficiente para a fabricação de microfibras e nanofibras de polímero, devido à sua versatilidade e potencial para aplicações em diversos campos. As aplicações notáveis incluem engenharia tecidual, biossensores, filtração, curativos, liberação controlada de fármacos e imobilização de enzimas. As nanofibras são geradas através da aplicação de um campo elétrico em uma solução polimérica. As fibras fiadas por este processo oferecem várias vantagens, como elevada área de superfície em relação ao volume, alta porosidade e a capacidade de manipular a composição de nanofibras, a fim de obter as propriedades e funções desejadas. Neste trabalho, a eletrofiação de blendas de gelatina com polivinilpirrolidona (PVP) para a fabricação de nanofibras foi investigada. Os polímeros foram fiados a partir de soluções contendo diversas concentrações de água e ácido acético. As soluções foram fiadas a uma tensão positiva de 29,0-29,2 kV, uma distância da ponta da agulha ao coletor de 10 cm, e uma vazão de 1 mL / h. Todas as soluções foram avaliadas quanto ao pH, condutividade elétrica, tensão superficial e viscosidade. Foram investigados os efeitos da concentração de ácido acético nas propriedades das soluções que por sua vez, influenciaram no processo de obtenção de fibras por eletrofiação. Foi observado que há uma correlação entre a concentração de ácido acético e a formação de fibras desse sistema, assim como a influência no diâmetro final das fibras. No presente estudo, uma matriz de nanofibras uniformes com diâmetro aproximado de 519, 355 e 154 nm foram produzidas via eletrofiação. A morfologia das membranas foi avaliada por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Foi realizada a análise térmica termogravimétrica (TGA) e avaliação de citotoxicidade, visando futuras aplicações em engenharia tecidualAbstract: The electrospinning is recognized as an efficient technique for the fabrication of polymeric microfibers and nanofibers due to its versatility and potential for applications in many fields. Notable applications include tissue engineering, biosensors, filtration, wound dressings, controlled drug release and enzyme immobilization. The nanofibers are generated by applying an electric field in a polymer solution. The fibers spun by this process offers several advantages such as high surface area relative to volume, high porosity and the ability to manipulate the composition of nanofibers in order to obtain the desired properties and functions desired. In this work, the electrospinning blends of gelatin with polyvinylpyrrolidone (PVP) to fabrication nanofibers were investigated. The polymers were electrospun from solutions containing various concentrations of water and acetic acid. The solutions were electrospun at a positive voltage of 29.0 to 29.2 kV, a distance from the needle tip to the collector of 10 cm and a flow rate of 1 mL / h. All solutions were analyzed as your pH, electrical conductivity, surface tension and viscosity. We investigated the effects of acetic acid concentration on the properties of the solutions, on the other hand, influenced the process of obtaining fibers by electrospinning. It was observed that there was a correlation between the concentration of acetic acid and formation of fibers of that system, as well the influence on the final diameter of the fibers. In the present study, a matrix of nanofibers uniform with diameters of approximately 519, 355 and 154 nm had been produced by electrospinning. The morphology of the membranes was evaluated by Scanning Electron Microscopy (SEM). We made thermal analysis (TGA) and assessment of cytotoxicity, aiming future applications in tissue engineeringMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestra em Engenharia Mecânic

Produção e caracterização de membranas nanoestruturadas eletrofiadas de Ce0.9Gd0.1O1.95 com/sem CuO para aplicações eletroquímicas

Esta tese tem por objetivo investigar a síntese por electrospinnig de nanofibras de Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) para formar membranas livres de suporte, sem e com adição de óxido de cobre ao CGO, e sua caracterização para aplicações em dispositivos eletroquímicos. Para a síntese das nanofibras de CGO, foram utilizados nitratos hexahidratados de cério e de gadolínio. Como agente estruturante das fibras no processo de electrospinning, foi utilizada a polivinilpirrolidona. Após a síntese, as nanofibras de CGO foram tratadas termicamente ao ar a 500, 600, 700, 800 e 900 °C, a fim de remover o agente polimérico e formar a fase cerâmica desejada. Como resultado, constatou-se um crescimento gradual do grão de estruturas policristalinas densamente compactadas para estruturas semelhantes a um colar de pérolas em função do aumento da temperatura de tratamento térmico. Essa evolução é acompanhada de fragilidade para amostras tratadas em temperaturas acima de 800 °C. A caracterização eletroquímica por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) das membranas espessas (100μm) e porosas, formadas pelas nanofibras de CGO sugere tanto uma condutividade percolativa iônica pela rede cristalina ao longo das nanofibras individuais, quanto à condução através de intersecções entre nanofibras individuais. As membranas otimizadas tratadas a 600 e 700 °C exibem uma resposta eletroquímica bulk semelhante, mas um comportamento eletroquímico interfacial diferente (baixa frequência), associado a um efeito de tamanho de grão. Nanofibras com 10% do elemento cobre em relação ao elemento cério, resultaram em nanofibras policristalinas de CGO decoradas com partículas de CuO, caracterizandose como heteroestruturas fixadas às nanofibras. Tais sistemas são relatados na literatura com potencial de aplicação como eletrodos na conversão de gases NOx de combustão.This thesis aims to investigate the electrospinnig synthesis of Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) nanofibers to form support free membranes, without and with copper oxide addition to CGO, and their characterization for applications in electrochemical devices. For the synthesis of CGO nanofibers, cerium and gadolinium hexahydrate nitrates were used. As a structuring agent for the fibers in the electrospinning process, polyvinylpyrrolidone was used. After synthesis, the CGO nanofibers were heat treated in air at 500, 600, 700, 800 and 900 °C, in order to remove the polymeric agent and form the desired ceramic phase. As a result, there was a gradual growth of the grain from densely compacted polycrystalline structures to pearl necklace-like structures due to the increase in heat treatment temperatures. This evolution is accompanied of brittleness for samples treated at temperatures above 800 °C. The electrochemical characterization by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of the thick (100μm) and porous membranes, formed by CGO nanofibers suggests an ionic percolative conductivity through the crystalline network along the individual nanofibers, and a conduction through intersections between individual nanofibers. Optimized membranes treated at 600 and 700 °C exhibit a similar electrochemical bulk response, but different interfacial electrochemical behavior (low frequency), associated with a grain size effect. Nanofibers with 10% of the copper element in relation to the cerium element, resulted in CGO polycrystalline nanofibers decorated with CuO particles, characterized as heterostructures attached to the nanofibers. Such systems are reported in the literature with potential for application as electrodes in the conversion of NOx flue gases

Projeto de um sistema automatizado de fabricação de enxertos de cartilagem em grande-escala

O objetivo do presente trabalho consistiu no desenvolvimento e anteprojeto de um sistema-de-fabricação automatizado para a produção de matrizes tridimensionais de nanofibras de alinhamento controlado, visando a sua aplicação à engenharia de tecidos de cartilagem, eliminando assim a tradicional mão-de-obra laboratorial intensiva, aumentando a reprodutibilidade, a segurança e a eficiência-económica, contribuindo desta forma para uma mais fácil aplicação clinica. Este projeto iniciou-se com uma abordagem aos aspetos da biofabricação na engenharia de tecidos em particular os processo e materiais utilizados na produção de matrizes tridimensionais de fibras (scaffolds) para a engenharia de cartilagem. Foram detalhados os principais processos de eletrofiação, em particular os relacionados com o controlo do alinhamento das nanofibras depositadas e com a electropulverização de células. Numa segunda fase realizou-se um benchmarking aos princípios de funcionamento dos equipamentos disponíveis comercialmente assim como uma pesquisa às bases de dados de patentes internacionais relacionadas com a eletrofiação de nanofibras de alinhamento controlado. Procedeu-se ao desenvolvimento de diferentes conceitos para o sistema de biofabricação, sendo detalhados os principais requisitos funcionais e estabelecidas as especificações técnicas a que o equipamento deveria responder, sendo finalmente gerados diferentes conceitos de funcionamento do sistema de biofabricação e selecionado o mais promissor através de uma matriz de ponderação. O anteprojeto proposto consistiu numa inovadora solução que combina diferentes movimentos que permitem de uma forma totalmente automatizada a produção de matrizes tridimensionais de nanofibras eletrofiadas alinhadas, capaz de formar estruturas com qualquer espessura. O depósito e o alinhamento do fluxo de nanofibras são controlados pela combinação dos movimentos de duas fitas coletoras paralelas em movimento linear que estabelecem o alinhamento da fibra aquando da sua eletrofiação e de uma mesa com deslocamentos lineares e de rotação que permite o controlo do alinhamento das nanofibras depositadas nesta, assim como o seu espaçamento. Finalmente o movimento vertical desta mesa de deposição possibilita a acumulação de diferentes camadas de nanofibras alinhadas permitindo este movimento o controlo da espessura final da matriz fabricada.The aim of the present work is the development and design an automated manufacturing system for the production of threedimensional nanofiber matrices with controlled alignment using a cartilage tissue engineering application, thus eliminating traditional laboratory work, increasing reproducibility, safety and economic efficiency, thus contributing to an easier clinical application. This project started with an approach to the aspects of biofabrication in tissue engineering in particular the processes and materials used in the production of three-dimensional scaffolds for cartilage engineering. The main electrospinning processes were detailed, in particular those related to the alignment control of the deposited nanofibers and the Electrospraying of cells. In a second phase, a benchmarking was made of the principles of operation of commercially available equipment, as well as a search for international patent databases related to the control of the alignment of electrospun nanofibers. Different concepts for the biofabrication system were developed, detailing the main functional requirements and technical specifications to which the equipment should respond, and finally different concepts of biofabrication system operation were generated and selected the most promising using a matrix of weighting. The proposed project consisted of an innovative solution that combines different motions that use a fully automated form to produce electrospun three-dimensional aligned nanofiber matrices capable of forming structures of any thickness. The deposition and alignment of the nanofiber flow is controlled by the combination of the motion of two parallel moving linear tapes and a table with linear and rotational displacements which allows the control of the alignment of the nanofibers deposited on it, as well as their spacing. Finally the vertical movement of this deposition table enables the accumulation of different aligned nanofiber layers allowing this movement to control the final thickness of the fabricated matrix.Mestrado em Engenharia Mecânic

Produção de nanofibras adsorventes de poliestireno através de fiação por jato de ar

As inovações tecnológicas associadas aos produtos da nanotecnologia vêm trazendo inúmeras descobertas interessantes à sociedade. Embora os avanços tecnológicos representem soluções e necessidades à vida moderna, estes nem sempre estão voltados para estratégias de desenvolvimento sustentável. Há muitas dificuldades na avaliação de situações de riscos no emprego de novas tecnologias como a nanotecnologia, contudo, os benefícios, quando comprovados, devem ser balanceados de forma a minimizar o eventual impacto na sua utilização. Neste sentido, observou-se o impacto ambiental pela geração de resíduos sólidos, especificamente pelo poliestireno expandido (EPS), largamente utilizado pela sociedade, e buscou-se o emprego da nanotecnologia para transformação de resíduos pós-consumo deste material. A produção de nanofibras de poliestireno representa uma alternativa para aproveitamento deste material, além de apresentarem propriedades diferenciadas de adsorção no desenvolvimento de mantas para remoção de óleos na remediação de efluentes líquidos. Esse trabalho investigou a produção e caracterização de nanofibras de poliestireno a partir de uma solução de poliestireno expandido e clorofórmio, produzidas pelo processo de fiação por jato de ar. As nanofibras foram caracterizadas morfologicamente por microscopia eletrônica de varredura e submetidas a testes de desempenho adsorvente em óleo. Para as soluções de poliestireno com concentrações de 10 e 15%, as fibras apresentaram diâmetros médios de 149,7 e 330 nm respectivamente. A capacidade de adsorção das amostras atingiu um valor máximo de 102 g/ g. Os resultados indicaram potencial de aplicação de nanofibras de poliestireno devido ao desempenho sorvente para remediação de efluentes líquidos contaminados com óleo.Technological innovations associated with nanotechnology products have brought many interesting discoveries to the society. Although technological advances represent solutions and needs for modern life, they are not always focused on sustainable development strategies. There are many difficulties in assessing risk situations in the use of new technologies such as nanotechnology, but the benefits, when proven, must be balanced in order to minimize the possible impact on their use. In this sense, the environmental impact of the generation from solid waste, specifically the expanded polystyrene (EPS), widely used by society, was observed and the use of nanotechnology for post-consumer waste processing of this material was searched. The production of polystyrene nanofibers represents an alternative for the reuse of this material, besides having differentiated properties of adsorption in the development of fibers blanket for the oils removal in the remediation of liquid effluents. This paperwork investigated the production and characterization of polystyrene nanofibers from a solution of expanded polystyrene and chloroform produced by the air jet spinning process. The nanofibers were characterized morphologically by scanning electron microscopy and subjected to adsorbent performance tests in oil. For the polystyrene solutions with concentrations of 10 and 15%, the fibers had average diameters of 149.7 and 330 nm respectively. The adsorption capacity of the samples reached a maximum value of 102 g/ g. The results indicated potential application of polystyrene nanofibers due to the sorbent performance for remediation liquid effluents contaminated with oil

Development of electrospun nanofibrous-based scaffolds for bone regeneration

Tese de doutoramento em Ciência e Tecnologia de Materiais (área do conhecimento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células Estaminais)Biomaterials and scaffolds play a significant role in many strategies followed in regenerative medicine and tissue engineering. Those systems are intended and designed to help and guide the cells to contribute for the tissue regeneration process. To achieve that goal, the system needs to actively participate in the signaling process for the cells. It is widely believed that a successful scaffold should mimic the main properties and structure of the extracellular matrix of the tissue of interest. The fibrous nature of the natural extracellular matrix (ECM) has led many researchers to focus on the development of fiber-based scaffolds. Electrospinning has emerged as a very promising technology enabling to produce synthetic polymeric ultrafine fibers. These fibers in mesh-like structure have diameters in the submicron range which results in a high surface area-to-volume ratio and high porosity. The meshes have a typically random distribution or, in some special cases, some preferential directions of alignment. Despite the claim similarity to the morphology of natural ECM, the surface chemical properties of electrospun nanofibers must be optimized. It is herein shown that defined plasma treatments are able to improve the proliferation of different cell types (fibroblastic, chondrogenic and osteogenic) when seeded at the surface of those meshes. Bone ECM is a complex ordered hierarchical structure, as a result of the assembling of collagen fibrils at several length scales, ranging from macro to the nanoscale. To test the interest of those morphologies, patterned nanofiber meshes were developed, having areas of uniaxial/parallel alignment and areas of orthogonal/random distribution of fibers. Those patterned nanofiber meshes, not only induced human bone marrow mesenchymal stem cell (hBMSCs) guidance at the early culture periods, but also influence the cell ECM deposition along the predefined fiber direction. Electrospun nanofibrous structures, due to the inherent planar structure, could compromise a successful reconstruction or regeneration of thick tissues. Two alternative strategies are proposed to overcome this limitation and allowing developing complex ordered fibrous structures that may mimic the hierarchical organization of bone. One structure involves aligned microfibers processed by a 3D rapid prototyping technique, intercalated by electrospun nanofiber meshes. Human osteobastic-like cells showed significantly higher proliferation and maturation when dynamically seeded on these hierarchical fibrous scaffolds, adhering preferentially to the nanofiber meshes. The other structure developed is composed by randomly distributed microfibers reinforced by electrospun chitosan nanofibers, processed by melt extrusion and assembled by fiber bonding. The PBS/Cht-based composite scaffolds sustained ECM deposition and mineralization, as suggested by the increased amount of calcium phosphates produced by the hBMSCs under osteogenic induction conditions. Among the very interesting properties of electrospun nanofiber meshes, their morphological similarity to the natural ECM is very attractive for tissue engineering applications. However, the small size of the pores constitutes a limitation for the infiltration of cells into the inner regions of the fibrous scaffold, hindering its application for thicker 3D tissues. Herein, we propose the electrospinning of a dual composition nanofiber mesh to solve the low cell infiltration capacity on random electrospun nanofiber meshes. The production is followed by the selective dissolution of one fraction of the dual mesh to generate open porosity. The obtained meshes showed statistically significant larger pores, without inducing significant alterations on their morphology. Those highly porous meshes allow human osteoblastic cells infiltration into the full thickness of the mesh structure, showing enhanced viability and proliferation. The properties of electrospun nanofiber meshes were also explored as bioactive agent release systems. Based in large surface area of the meshes, the release rate of a drug/bioactive agent may be modulated by the concentration of loading in the system. We intended to promote the release of the bioactive agent close to the cells to maximize its efficacy. An osteogenic differentiation factor, dexamethasone, was incorporated into electrospun nanofiber meshes at different concentrations (5, 10, 15 and 20 wt.% polymer), in a single-step process. The 15 wt.% nanofibrous system was selected for the cell studies because of its typical morphology and the sustained release of a biologically relevant dexamethasone concentration. An increased alkaline phosphatase concentration and deposition of mineralized matrix was observed on dexamethasone releasing nanofibrous system, cultured with hBMSCs in dexamethasone-absent osteogenic differentiation medium, showing the potential of this strategy for bone related applications. We proposed herein different ways to overcome some of the limitations of the electrospun meshes for bone tissue engineering related applications. The strategies enabled showing that, by systematically facing its limitations, we could generate structures that have many more possibilities, enabling also its application in many different problems in the context of tissue engineering and regenerative medicine.Os biomateriais e as estruturas de suporte ao crescimento celular, ou ‘scaffolds’, desempenham um papel importante em inúmeras estratégias de medicina regenerativa e engenharia de tecidos. Esses sistemas são projectados e desenhados a fim de auxiliar e guiar as células durante a regeneração tecidular. De forma a alcançar este objectivo, o ‘scaffold’ deve imitar as propriedades e estrutura da matriz extra-celular (ECM) do tecido alvo. A natureza fibrosa da ECM tem direccionado os investigadores no desenvolvimento de ‘scaffolds’ fibrosos. O ‘electrospinning’ é uma das tecnologias mais promissoras na produção de fibras poliméricas sintéticas ultra-finas. Essas fibras organizadas numa estrutura semelhante a uma malha têm diâmetros sub-micrométricos, resultando numa elevada área de superfície e porosidade. As malhas têm, tipicamente, uma distribuição aleatória ou, em alguns casos especiais, direcções preferenciais de alinhamento. Apesar da similaridade morfológica destas malhas com a ECM nativa, as propriedades químicas da superfície das nanofibras devem ser optimizadas. Demonstra-se nesta tese que tratamentos de plasma específicos podem melhorar a proliferação de diferentes tipos celulares (fibroblasticos, condrogénicos e osteogénicos) quando semeados à superfície dessas malhas. A ECM do osso é uma estrutura hierárquica organizada e complexa, resultante do arranjo espacial de fibrilos de colagénio a diversas escalas, partindo da dimensão nanométrica. Para testar a relevância dessa morfologia, foram desenvolvidas malhas de nanofibras com padrão definidos, contendo áreas de alinhamento uniaxial/paralelo e áreas de distribuição ortogonal/aleatória das fibras. Essas malhas de nanofibras padronizadas induzem não só a orientação de células estaminais mesenquimais de medula óssea humana (hBMSCs) para tempos de cultura curtos, mas também influenciam favoravelmente a deposição de ECM ao longo das fibras com alinhamento predefinido. Estruturas produzidas por ‘electrospinning’, devido à sua estrutura planar, poderão comprometer o sucesso da reconstrução ou regeneração de tecidos espessos. Duas estratégias alternativas foram aqui propostas para ultrapassar esta limitação e permitir o desenvolvimento de estruturas fibrosas ordenadas complexas que podem recapitular a organização hierárquica do osso. Uma estrutura envolve microfibras alinhadas processadas por uma técnica de prototipagem tridimensional, intercaladas por malhas de nanofibras produzidas por ‘electrospinning’. Células osteoblásticas humanas demonstraram niveis de proliferação e maturação significativamente mais elevadas, quando semeadas dinamicamente nesses ‘scaffolds’ fibrosos hierárquicos, aderindo preferencialmente às malhas nanofibrosas. Uma outra estrutura desenvolvida é composta por microfibras aleatoriamente distribuídas reforçadas por nanofibras de quitosano produzidas por ‘electrospinning’, processadas por extrusão e aglomeradas por compressão a quente. Estes ‘scaffolds’ compósitos à base de PBS/Cht reforçados sustentam uma acrescida deposição de ECM e mineralização, como sugerido pelo aumento de fosfatos de cálcio produzidos pelas hBMSCs cultivadas em condições de indução osteogénica. A semelhança morfológica das malhas de nanofibras com a ECM é muito atraente para várias aplicações em engenharia de tecidos. No entanto, a pequena dimensão dos poros constitui uma limitação à infiltração de células, prejudicando a sua aplicação na geração de tecidos mais espessos. Nesta tese, propõe-se a produção de uma malha nanofibrosa com dupla composição para solucionar a baixa capacidade de infiltração celular em malhas aleatórias. A subsequente dissolução selectiva de uma das fracções da malha permite obter maiores porosidades. As malhas obtidas demonstraram um aumento estatisticamente significativo do tamanho dos poros, sem alteração da sua morfologia. Demonstrou-se que estas malhas altamente porosas permitem a infiltração das células osteoblásticas humanas em todo o volume da sua estrutura, apresentando maior viabilidade e proliferação celular. As malhas produzidas por ‘electrospinning’ foram também exploradas como sistemas de libertação de agentes bioactivos. Pretendia-se uma libertação do agente bioactivo directamente na vizinhança das células, de modo a maximizar a sua eficácia. Um componente indutor da diferenciação osteogénica, dexametasona, foi incorporado nas malhas nanofibrosas em diferentes concentrações (5, 10, 15 and 20 wt.% polymer), num passo único. A concentração de fosfatase alcalina e a deposição de matriz mineralizada aumentadas foram observadas em sistemas nanofibrosos com libertação de dexametasona cultivados com hBMSCs em meio de diferenciação osteogénica sem dexametasona, demonstrando o potencial desta estratégia em aplicações ósseas. Neste trabalho propusemos diferentes possibilidades para obviar a importantes limitações das malhas produzidas por ‘electrospinning’ quando aplicadas em estratégias de regeneração de tecido ósseo. Estas estratégias permitiram demonstrar que, encarando sistematicamente essas limitações, foi possível desenvolver estruturas com maiores potencialidades e funcionalidades acrescidas. Estes desenvolvimentos podem ainda estender o seu potencial a outras aplicações em engenharia de tecidos e medicina regenerativa.Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) for PhD grant SFRH/BD/24382/2005, the ‘Naturally Nano’ project (POCI/EME/58982/2004) and the European Integrated Project GENOSTEM (LSH-STREP-CT-2003-503161) for the initial scholarship

Coating of polypropylene mesh with chitosan and polyethylene glycol through electrospinning deposition

Orientadores: Ângela Maria Moraes, José Alberto Fracassi da SilvaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O uso de implantes em cirurgias de correção da parede abdominal é freqüentemente necessário. Telas de poli(propileno) podem ser empregadas com sucesso para essa finalidade, possuindo boa aceitação tecidual e baixo custo. O uso deste tipo de biomaterial pode, porém, ocasionar a aderência indesejada entre tecidos e/ou entre órgãos como o fígado e os intestinos e a tela, resultando em dores abdominais, obstrução intestinal e infertilidade. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi o de desenvolver uma estratégia de recobrimento de telas de poli(propileno) enfocando a deposição de soluções de quitosana de massa molar baixa e média e de polietilenoglicol (PEG) de massa molar igual a 1000 Da por electrospinning. Para fins de comparação, telas de poli(propileno) foram alternativamente recobertas por imersão com diferentes soluções combinando quitosana e PEG. Nos estudos de recobrimento via electrospinning, foram avaliadas as variáveis tipo de solvente para a dissolução da quitosana e do PEG, vazão de solução de recobrimento, proporção entre quitosana e PEG, diferença de potencial usada durante a deposição e distância entre a tela e o jato de injeção. As telas recobertas através da imersão em soluções de quitosana a 1% (tanto com a de baixa massa molar quanto a com massa molar média) e em soluções de quitosana misturada ao PEG também com concentração de sólidos total de 1% apresentaram-se satisfatórias para fins de barreira física em cirurgias de hérnia, considerando-se o aspecto, a uniformidade, os valores médios de espessura (de 1140 e 990 mm, respectivamente), a perda de massa em fluido corpóreo simulado (5,1 e 8,9%, respectivamente) e a capacidade de absorção do mesmo fluido (0,76 e 0,59 g/g, respectivamente). Já o recobrimento por electrospinning resultou no depósito de fibras emaranhadas na superfície das telas, que apresentaram, então espessuras finais variando entre 581 e 612 mm, perdas de massa entre 4,9 e 9,2% em fluido corpóreo simulado, capacidade de absorção de 0,17 a 0,36 g/g em fluido corpóreo simulado e diâmetros de fibras de 20,9 a 92,2 mm. O recobrimento via electrospinning resultou em biomateriais menos espessos e com menos massa associada, com bom potencial de uso na aplicação pretendidaAbstract: The use of implants in surgical correction of the abdominal wall is frequently required. Polypropylene meshes can be successfully employed for this purpose, having good tissue acceptance and low cost. The use of this biomaterial, however, can lead to undesired adhesion between tissues and/or between organs such as the liver and intestines and the mesh, resulting in abdominal pain, bowel obstruction and infertility. In this context, the objective of this work was to develop different coatings of polypropylene meshes, focusing on the deposition of solutions of chitosan of low and medium molecular weight and polyethylene glycol (PEG) of molecular weight equal to 1000 Da by electrospinning. For comparison, polypropylene meshes were alternatively coated by immersion in different solutions combining chitosan and PEG. In the studies of coating via electrospinning, the effect of the variables type of solvent for the dissolution of chitosan and PEG, coating solution flow rate, chitosan to PEG mass ratio, the potential difference used during the deposition and the distance between the mesh and the injection jet were evaluated. Meshes coated by immersion in chitosan (both with low and medium molar mass) and PEG solutions with total solids concentration of 1% were satisfactory for purposes of physical barrier in hernia surgery, considering aspect, uniformity, mean thickness (1140 and 990 mm, respectively), mass loss (5.1 and 8.9%, respectively) and the capacity of fluid absorption (0.76 and 0.59 g/g, respectively). Coating by electrospinning resulted in the deposition of entangled fibers on the surface of the meshes, which had final thickness ranging between 581 and 612 mm, losses of mass between 4.9 and 9.2% in simulated body fluid, absorption capacity of 0.17 to 0.36 g/g in the same fluid and fiber diameters from 20.9 to 92.2 mm. Coating the meshes via electrospinning resulted in thinner biomaterials and with less associated mass, with good potential for use in the intended applicationMestradoDesenvolvimento de Processos BiotecnologicosMestre em Engenharia Químic

Desenvolvimento de sensor piezoresistivo flexível para aplicação têxtil desportiva

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia TêxtilAtualmente, os têxteis inteligentes vêm promover à indústria um fator económico e competitivo muito importante para a sua sustentabilidade. A sua importância vai permitir às empresas novas oportunidades de negócio e expansão para outros mercados. A modernização e a evolução do mercado, passa pela diferenciação de produtos e pela produção de artigos de valor acrescentado. Neste sentido, a incorporação de funcionalidades tecnológicas aos produtos vestíveis vai permitir elevar a indústria e os têxteis a outro patamar. Por outro lado, a implementação de tecnologia nos têxteis pode ser aplicada em vários campos, como em áreas de medicina, militar, social, desportiva, entre outras. No que diz respeito ao âmbito desportivo, a procura por têxteis inteligentes está muito valorizada e é hoje, efetivamente, um produto apetecível na medida em que garantam o mesmo conforto que habitualmente conferem. Têm funcionalidades acrescidas, como por exemplo o de reagir perante um estímulo, adaptar, informar, medir ou quantificar mediante à atividade que exercem. O incremento da tecnologia nos têxteis vai permitir que, por exemplo, um atleta monitorize o seu treino instantaneamente, e permita melhorar a sua performance e rentabilidade desportiva. Nesta conjuntura, a implementação de sensores nos produtos têxteis vai garantir a criação de produtos inovadores. Assim, este trabalho teve como objetivo principal desenvolver um sensor têxtil de pressão flexível para envolver um saco de boxe, capaz de quantificar a força exercida quando aplicada uma pancada. Os sensores foram produzidos com base num tecido condutor e num filme piezoresistivo, em que a união destes dois materiais fez-se através de um termoadesivo, obtendo por fim uma sandwich de materiais. Foram testados dez termoadesivos distintos, com diferentes estruturas e composições químicas, para garantir elevada adesão e excelente resistência ao uso. O estudo permitiu a análise das propriedades térmicas e mecânicas dos materiais, por forma a assegurar a fiabilidade e a resistência necessária. Quanto à construção do sensor, recorreu-se a um método industrial em processo contínuo, para assegurar a reprodutibilidade e a otimização de produção. O processo utilizado para a união dos materiais foi através de laminagem com uma calandra rotativa. O comportamento dos sensores foi avaliado através de um processo integrado, entre a análise da força exercida e da tensão aplicada em simultâneo sobre o sensor, por forma a verificar a fiabilidade, a sensibilidade e a linearidade do sensor. Após a identificação do termoadesivo com melhores resultados de adesão - termoadesivo 6388.003, foi realizado recorte a laser com estruturas distintas para avaliar a estrutura ideal. O recorte do adesivo é necessário para proporcionar condução elétrica entre os elétrodos e a camada piezoresistiva visto que o termoadesivo é isolante elétrico. Assim, o termoadesivo 6388.003 estrutura G, recortado com circunferências de diâmetro 0,3cm e superfície livre de 59% apresenta resultados mais positivos que as outras estruturas testadas. Quanto à resistência ao desprendimento, o termoadesivo 6388.003 apresenta 87% de maior adesão face ao termoadesivo 311 testado. Em suma, neste estudo, o sensor têxtil piezoresistivo que apresenta melhores características eletromecânicas e de desprendimento é o que se apresenta na forma combinada de tecido condutor Statex, filme polimérico piezoresistivo Linqstat e do termoadesivo 6388.003 estrutura G.Currently, smart textiles are a very important factor for textile industry’s economic and competitive progress, as well as for its sustainability. It is one of the areas that provides companies with new business opportunities and expansion to other markets. Modernization and evolution of the market involves product differentiation and added-value- articles. In this sense, incorporation of new technological functionalities into wearable products will allow industry and textiles to be taken to another level. On the other hand, implementation of technology in textiles can be applied in several areas, such as medical, military, sports, social areas, among others. In regards to sports, the search for smart textiles is highly valued and it’s today, effectively a product in high demand that should provide the same comfort as normal products confer. By adding functionalities, it offers the capability of reacting to stimulus, adapting, recording, measuring or quantifying parameters related to the activity exercised. By applying technology in textiles, it is possible, for example, for an athlete to monitor his training instantly, and allows him to improve his performance and sports profitability. In this context, the implementation of sensors in textile products provides a development opportunity of new and innovative products. Therefore, this work had as the main objective developing a pressure sensor made with flexible materials to involve a punching bag, capable of quantifying force applied when punched. The sensors were produced based on conductive fabric and a piezoresistive film. The bonding of these two materials (sandwich) was made through a thermo-adhesive material, having in this work ten different adhesives been tested with distinct structures and chemical compositions, to guarantee high adhesion and excellent wear and tear resistance. The study enabled the analysis of the thermal and mechanical properties of the materials used, in order to guarantee reliability and the necessary mechanical resistance. In regards to the creation of the sensor itself, an industrial method based on a continuous process has been tested, to allow reproducibility and optimization of production. The bonding of the materials was completed by a laminating process by the use of rotating calander (rolling machine). The behaviour of the sensors was evaluated through an integrated process, involving the analysis of force applied on the sensor and relating this to the sensor’s reaction, in order to verify the reliability, sensitivity and linearity of the sensor. After identifying the thermal adhesive with the best adhesion results – thermal adhesive 6388.003, a laser cut with different structures was performed to evaluate an ideal structure. Given that the adhesive is an electric isolator, it was necessary to produce a cut pattern to allow electrical contact between the sensor’s material layers. It was found that the thermal adhesive 6388.003 cut with pattern G, with a diameter with 0.3 cm and a free surface of 59% provides better results than other tested forms. Regarding resistance of adhesion, thermal adhesive 6388.003 presents 87% higher adherence than others thermal adhesive tested. Based on the results, the piezoelectric textile sensor that offer the best electromechanical behaviour and characteristics is the sandwich with conductive fabric Statex, piezoresistive polymeric film Linqstat and adhesive 6388.003 structure G

Nanobiofabricação de estruturas 3D com nanopartículas de prata antimicrobianas utilizando técnicas manuais e robóticas

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Pós-Graduação em Nanociência e Nanobiotecnologia, 2019.As nanopartículas metálicas (NPMs) podem ser sintetizadas por rotas químicas, as quais comumente utilizam-se de reagentes tóxicos e geram resíduos prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Uma alternativa é a síntese via rotas verdes, as quais utilizam-se reagentes menos tóxicos e biodegradáveis. Entre as NPMs estão as nanopartículas de prata (AgNPs) que entre outras características, apresentam atividade antimicrobiana. Para a síntese verde de AgNPs podem ser utilizados diferentes tipos de recursos biológicos para a biorredução da prata, como plantas, células e biomoléculas. Além disso, a biofabricação 3D consiste na utilização de materiais biológicos como matéria-prima na produção de miméticos de tecidos e estruturas com propriedades específicas. Já a nanobiofabricação é uma vertente que consiste na utilização de nanomateriais - por exemplo AgNPs - e materiais biológicos - como biopolímeros e células - como insumos na produção de estruturas funcionais. Adicionalmente, um dos desafios na engenharia de tecidos é a produção de estruturas 3D a partir de hidrogéis com atividade antimicrobiana para evitar contaminações de microrganismos em cultivo celular 3D. Sendo assim, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de estruturas biopoliméricas contendo AgNPs em sua composição ou imobilizadas em estruturas termoplásticas para avaliação da atividade antibacteriana. As rotas de síntese de AgNPs foram realizadas utilizando extratos de chá preto (CP) e verde (CV) com sachês novos (I) e usados (II). As AgNPs foram caracterizadas por espectrofotometria UV-vis, espalhamento de luz dinâmico (DLS), potencial Zeta e microscopia eletrônica de transmissão (MET). A AgNP (CV) apresentou maior absorbância, indicando maior formação de AgNPs. As medidas das quatro AgNPs, como o Z-average foi entre 80 e 140 nm; o PdI entre 0,3 e 0,4; e o potencial Zeta negativo, com instabilidade incipiente. Ambas AgNPs dos extratos I e II apresentaram atividade antibacteriana contra E. coli em até 50%. No entanto, a AgNP (CP) apresentou concentração inibitória mínima (CIM) em 256 μM. Foram utilizadas as AgNPs de CP e CV do extrato II para a produção de 3 composições de hidrogéis baseados em alginato de sódio. Também foram utilizadas técnicas de escaneamento 3D e fotogrametria para a digitalização 3D de materiais botânicos. Os modelos CAD foram obtidos a partir das técnicas de digitalização 3D para a utilização de um modelo CAD nos processos de fabricação e biofabricação 3D. Posteriormente, utilizou-se técnicas de biofabricação como fiação úmida, gotejamento e bioimpressão 3D e foram produzidas fibras, esferoides e modelos 3D, respectivamente. As estruturas 3D contendo AgNPs apresentaram atividade antibacteriana e foram seccionadas para caracterização de sua estrutura interna por microscopia de luz e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As estruturas se demonstraram estáveis, com atividade antibacteriana e estrutura interna favorável à aplicação em cultivo celular 3D. Além disso, as AgNPs de CP e CV do extrato II foram imobilizadas em modelos 3D impressos em termoplástico de ABS. A superfície de termoplástico foi caracterizada utilizando MEV, e apesar das imagens apresentarem indícios de AgNPs imobilizadas, não foi possível observar atividade antibacteriana nos ensaios com os mesmos modelos 3D impressos em termoplástico.Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP/DF); Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES); Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Matter and Form.Metal nanoparticles (MNPs) can be synthesized by chemical routes, which commonly use toxic reagents and generate residues that are harmful to health and the environment. An alternative is the synthesis via green routes, which use less toxic and biodegradable reagents. Among the MNPs are silver nanoparticles (AgNPs) that, among other characteristics, have antimicrobial activity. For the green synthesis of AgNPs different types of biological resources can be used for the bioreduction of silver, such as plants, cells and biomolecules. In addition, 3D biofabrication consists of the use of biological materials as raw material in the production of tissue mimetics and structures with specific properties. Nanobiofabrication is a component that consists of the use of nanomaterials - for example AgNPs - and biological materials - as biopolymers and cells - as inputs in the production of functional structures. Additionally, one of the challenges in tissue engineering is the production of 3D structures from hydrogels with antimicrobial activity to avoid contamination of microorganisms in 3D cell culture. Thus, the main objective of this work was the production of biopolymer structures containing AgNPs in their composition or immobilized in thermoplastic structures to evaluate antibacterial activity. AgNP synthesis routes were performed using black (BT) and green (GT) tea extracts with new (I) and used (II) sachets. AgNPs were characterized by UV-vis spectrophotometry, dynamic light scattering (DLS), Zeta potential and transmission electron microscopy (TEM). AgNP (GT) showed higher absorbance, indicating a higher formation of AgNPs. The measurements of the four AgNPs, such as Z-average, were between 80 and 140 nm; the PdI between 0.3 and 0.4; and the negative Zeta potential, with incipient instability. Both AgNPs from extracts I and II showed antibacterial activity against E. coli in up to 50%. However, AgNP (BT) showed minimal inhibitory concentration (MIC) in 256 μM. The BT and GT AgNPs of extract II were used for the production of 3 hydrogel compositions based on sodium alginate. We also used 3D scanning and photogrammetry techniques for the 3D scanning of botanical materials. The CAD models were obtained from 3D scanning techniques for the use of a CAD model in 3D manufacturing and biofabrication processes. Subsequently, biofabrication techniques such as wet spinning, dripping and 3D bioprinting were used and fibers, spheroids and 3D models were produced, respectively. The 3D structures containing AgNPs showed antibacterial activity and were sectioned to characterize their internal structure by light microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The structures were shown to be stable, with antibacterial activity and internal structure favorable to the application in 3D cell culture. In addition, BT and GT AgNPs from extract II were immobilized in 3D models printed on ABS thermoplastic. The thermoplastic surface was characterized using SEM, and although the images showed signs of immobilized AgNPs, it was not possible to observe antibacterial activity in the assays with the same 3D models printed in thermoplastic