Design and fabrication by inkjet printing of electrodes for electromyography

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A utilização de impressoras de jacto de tinta (inkjet printers) tem dado um enorme contributo na indústria eletrónica reduzindo as dimensões dos componentes e introduzindo processos de fabricação mais rápidos e menos dispendiosos. Uma das grandes vantagens deste método de fabricação é a facilidade de design dos circuitos, a deposição de materiais directamente no substrato sem haver contacto, a sobreposição de desenhos impressos e a versatilidade de materiais utilizados, tirando o maior partido das suas características. Duas formas de tirar partido das funcionalidades de uma impressora inkjet, em engenharia biomédica, é, por um lado, desenvolver circuitos elétricos desenhados especialmente para aquisição de sinais fisiológicos. Esses circuitos, aliados às capacidades da impressão por jacto de tinta, poderão resultar em eletrónica flexível com materiais com elevada biocompatibilidade, promovendo desta forma uma próxima interacção com o corpo humano. Por outro lado, as aplicações da impressora inkjet podem levar ao desenvolvimento de eletródios impressos enquadrando-os no conceito de pele eletrónica, isto é, integrar dispositivos eletrónicos utilizando características da pele humana (flexibilidade, extensibilidade e compatibilidade). Assim, o principal objectivo deste trabalho é fabricar, utilizando esta técnica, elétrodos com a capacidade de medir sinais electromiográficos dos músculos responsáveis pelo movimento da mão e dedos. A fim de utilizar as potencialidades da tecnologia inkjet, os eléctrodos devem obter medições congruentes do ponto de visto fisiológico e devem se mostrar vantajosos face aos, já convencionais, eléctrodos descartáveis. A finalidade da construção destes eléctrodos deverá preencher a carência que os eléctrodos convencionais possuem, de não serem flexíveis e de não serem utilizados durante largos períodos de tempo. As vantagens extraídas de eléctrodos impressos poderão ainda ser mais vastas não só a nível económico, pela construção de eléctrodos low-cost, mas também a nível de desempenho, biocompatibilidade e design, com o desenvolvimento de eléctrodos finos, paper-like e passiveis de acoplarem circuitos eletrónicos também impressos. O desenvolvimento do trabalho apresentou uma variedade de tarefas, com inicio na aprendizagem dos conceitos e métodos de funcionamento da impressora FujiFilm Dimatrix 2831 Materials Printer. Esta impressora, utilizada para obtenção de todos os eléctrodos e circuitos aqui referidos, possui uma tecnologia drop-on-deman coordenada por material piezoeléctrico, conseguindo uma resolução até -5 um. As voltagens induzidas a este material tem um enorme impacto na formação das gotas de tinta, e por isso a uma boa qualidade de impressão. No entanto, outros factores como a viscosidade da tinta e a tensão de superfície também desempenham importantes papeis para aumento da qualidade de impressão. As tarefas seguintes incluíram a otimização dos procedimentos para tratamento dos substratos de forma a que a deposição da tinta de prata fosse óptima. Os substratos utilizados neste trabalho foram: papel fotográfico, biocelulose e polidimetilsiloxano (PDMS). Também os métodos de impressão tiveram que ser optimizados controlando a velocidade e a direcção da deposição das gotas de tinta. Uma vez que foi apenas utilizado um tipo de tinta prata, uma dispersão de nanopartículas de prata, foi utilizada a mesma velocidade de deposição das gotas, 10 m/s com temperatura do tinteiro constante, de 30ºC. Por fim, houve necessidade de melhorar o processo de sinterização que visa a remoção do solvente e outras substâncias presentes na tinta de prata, e que tem enorme impacto na resistividade final do padrão impresso. Um bom processo de sinterização faz com que as nanopartículas de prata tenham um forte contacto entre elas, aumentando consideravelmente a conductividade do material. Para este fim, foi testada a sinterização térmica padrão e introduzida um novo método, a sinterização elétrica cuja aplicação de uma diferença de potencial permite a passagem de corrente elétrica gerando calor localmente. Para impressão de eléctrodos, os seus designs foram adaptados às características dos materiais, sendo que, por exemplo, para materiais mais flexíveis foram implementadas conexões serpenteadas entre pequenos eléctrodos. Para outros substratos, como o papel fotográfico, foi optado um design semelhante ao dos eléctrodos convencionais para obter melhor termo de comparação. Já para aplicação de sinterização elétrica, optou-se por um design que consiste num único filamento para que seja possível a aplicação de uma diferença de potencial em ambas as extremidades. Durante o aperfeiçoamento dos eléctrodos, foi elaborado uma série de estudos acerca das características dos mesmos (resistividade e impedância) e as suas medições foram comparadas com os resultados obtidos, em condições semelhantes, aos eléctrodos tipicamente utilizados em ambiente clínico. Como resultados de medições de sinais electrocardiográficos, os eléctrodos impressos em papel fotográfico mostraram-me vantajosos quanto à morfologia do traçado, pois o termo de comparação foi similar aos obtidos por eléctrodos convencionais. No estudo de sinais electromiográficos, os eléctrodos impressos em biocelulose e papel fotográfico tiveram taxas de sinal-ruído abaixo das obtidas pelos tradicionais eléctrodos de uso clínico. Ainda assim, os dados dos eléctrodos impressos podem ser utilizados para captação de sinais fisiológicos pois foi possível demonstrar a extração de informações acerca do movimento dos músculos esqueléticos e cardíaco. Contudo, não foi possível a obtenção de sinais fisiológicos utilizando eléctrodos impressos em PDMS. Devido a uma fraca adesão da tinta de prata à superfície do substrato, a tinta era removida do eléctrodo quando havia contacto entre o eléctrodo e a pele. Tarefas intermédias incluíram a impressão de pequenos circuitos eletrónicos, nomeadamente um circuito impresso cuja principal função é a leitura e tratamento (amplificação e filtragem) de sinais electrocardiográficos. Dois outros circuitos, mais simples, foram impressos: um díodo emissor de luz e um sensor de luz. Todas as pistas de condução de ambas as camadas foram impressas com prata em papel fotográfico e os componentes eletrónicos foram colados com cola de prata. A otimização deste processo poderá trazer enormes vantagens pela possibilidade de construção de circuitos eletrónicos flexíveis e finos com eléctrodos incorporados. Por fim, a última tarefa inclui processamento de sinal a qual inclui a implementação de algoritmos em ambiente MatLab para extracção de movimentos dos músculos do antebraço. Com a informação extraída por três movimentos distintos da mão foi provado que os eléctrodos impressos podem ser usados para posterior reconhecimento de padrões. A distinção dos três movimentos foi feita com sucesso, sobretudo para os eléctrodos impressos em biocelulose e para os eléctrodos de baixa resistividade em papel fotográfico. Este trabalho também abriu portas para investigações futuras em que mais substratos e tintas podem ser testadas e mais componentes podem ser integrados aos já aqui desenvolvidos. Desta forma, a tecnologia inkjet pode contribuir com a sua versatilidade para a inovação nos campos electrofisiologia e das interacções homem-máquina.Inkjet technology has advantages as a fabrication method when compared to other conventional procedures. Inkjet technology allows the deposition of several materials directly with non contact with it, mask-less and the possibility of printing over a previous printed pattern. Due its versatility of inks (conductive, polymers and organic) and substrates, direct deposition of materials with high precision (-5 um) using simple methods, this technique shows a high potential as a fabrication method. Despite the wide range of applications of inkjet printing in electronics, a lack of intend for printing devices for collecting biosignals. The subject of the work presented was the first step towards the development of a inkjet device for a close contact with skin for collecting biosignals. One way to apply the functionalities of an inkjet printer, in biomedical engineering, is developing printed electrodes introducing electronic skin concept, i.e., implement electronic devices using features of electronic skin (exibility, extensibility and compatibility). Thus, the major goal of this work was develop, using this technique, electrodes capable of measuring electromyographic signals from the forearm's muscles responsible to move hand and fingers. In order to use the potentials of inkjet technology, these electrodes must obtain congruent measurements and should prove advantageous when compared to the standard electrodes. The versatility of inkjet printing allowed to print electrodes, using a inkjet printer DMP-2831, onto substrates that included photographic paper, biocellulose and PDMS and test the performance of different designs: standard at discs, spiked, filamentary and serpentine array of small electrodes. This thesis presents the development of tasks that includes the design and choice of materials, optimization of printing and sintering procedures, printing electronic circuits and ends with signal processing. During the optimization of the electrodes measurements of resistivity and impedance were performed to understand the behavior and characteristics of them. Finally, a linear discriminant analysis was used to successfully distinguish between three hand movements

Youth Unemployment Determinants and Interactions with Inequality

Youth unemployment rates are significantly and consistently higher than total unemployment rates, hitting particularly high values in a crisis context. The aim of this work is to assess the determinants of youth unemployment in developed countries, relying on a youth to total unemployment ratio, and investigate its impact on income inequality. Using data from 18 OECD countries from 1990 to 2019, the results of the estimations indicate a widening effect of labor market flexibilization and economic growth on the gap between youth and total unemployment rates, with a narrowing effect from postsecondary educational attainment. Moreover, this work shows no evidence of a significant impact of youth unemployment on income inequality.As taxas de desemprego jovem são significativa e consistentemente mais elevadas em comparação com as taxas de desemprego totais, atingindo valores particularmente altos em contexto de crise. O objetivo deste trabalho é aferir os determinantes do desemprego jovem em países desenvolvidos, recorrendo ao rácio entre as taxas de desemprego jovem e total, e investigar o seu impacto na desigualdade de rendimentos. Utilizando dados de 18 países da OCDE entre 1990 e 2019, os resultados das estimações demonstram que a flexibilização dos mercados de trabalho e o crescimento económico ampliam a disparidade entre as taxas de desemprego jovem e total, enquanto o nível educacional pós-secundário a reduz. Adicionalmente, este trabalho não demonstra evidências de que exista um impacto significativo do desemprego jovem na desigualdade de rendimentos

Genetic and genomic diversity in a Tarwi (Lupinus mutabilis Sweet) germplasm collection and adaptability to Mediterranean climate conditions

Lupinus mutabilis (tarwi) is a species of Andean origin with high protein and oil content and regarded as a potential crop in Europe. The success in the introduction of this crop depends in part on in depth knowledge of the intra-specific genetic variability of the collections, enabling the establishment of breeding and conservation programs. In this study, we used morphological traits, Inter-Simple Sequence Repeat markers and genome size to assess genetic and genomic diversity of 23 tarwi accessions under Mediterranean conditions. Phenotypic analyses and yield component studies point out accession LM268 as that achieving the highest seed production, producing large seeds and e ciently using primary branches as an important component of total yield, similar to the L. albus cultivars used as controls. By contrast, accession JKI-L295 presents high yield concentrated on the main stem, suggesting a semi-determinate development pattern. Genetic and genomic analyses revealed important levels of diversity, however not relatable to phenotypic diversity, reflecting the recent domestication of this crop. This is the first study of genome size diversity within L. mutabilis, revealing an average size of 2.05 pg/2C (2001 Mbp) with 9.2% variation (1897–2003 Mbp), prompting further studies for the exploitation of this diversityinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

The venomous toadfish Thalassophryne nattereri (niquim or miquim): report of 43 injuries provoked in fishermen of Salinópolis (Pará State) and Aracaju (Sergipe State), Brazil

Fishes of family Batrachoididae are responsible for great number of injuries in fishermen in North and Northeast regions of Brazil. The genus Thalassophryne presents various venomous species of fishes found in the Brazilian coast, T. nattereri being the most common of them. The venom is ejected through two hollow spines on the dorsal fin and two on pre-opercular regions, which present a venomous gland in the base and can be erected or depressed by the fish. The manifestations of the envenoming were intense local pain, edema and erythema in 43 patients observed in Salinópolis (Pará State) and Aracaju (Sergipe State). There were no systemic manifestations, but necrosis was detected in eight and bacterial infection in ten injured fishermen. The circumstances of the contacts and therapeutic aspects are discussed. Envenoming by the genus Thalassophryne is important and frequent and should be considered of moderate severity grade, since there are not the excruciating pain or the massive local necrosis provoked by scorpionfishes (Scorpaena) or stingrays injuries nor the systemic manifestations that are the most important marker of severe envenoming.Os peixes da família Batrachoididae causam um grande número de acidentes em pescadores das regiões Norte e Nordeste do Brasil. O gênero Thalassophryne apresenta várias espécies no Brasil e a espécie Thalassophryne nattereri é a mais comum, todas apresentando veneno. O veneno é inoculado por duas espículas ocas na nadadeira dorsal e duas nas regiões pré-operculares, ligadas a uma glândula de veneno na base. Os envenenamentos causaram dor intensa, edema e eritema iniciais em 43 pescadores observados em Salinópolis (Pará) e Aracaju (Sergipe). Em todos os casos, não ocorreram fenômenos sistêmicos dignos de nota, mas ocorreu necrose local em oito pacientes e infecção bacteriana em dez. As circunstâncias dos acidentes são comentadas, assim como aspectos terapêuticos. Nossa conclusão foi que o envenenamento por Thalassophryne é importante e freqüente e deve ser considerado de média gravidade, em função de não haverem fenômenos sistêmicos, como observado nos acidentes por peixes-escorpião (Scorpaena) ou arraias marinhas e fluviais

The Analysis of Partial Sequences of the Flavonone 3 Hydroxylase Gene in Lupinus mutabilis Reveals Differential Expression of Two Paralogues Potentially Related to Seed Coat Colour

Flavonone 3 hydroxylases (EC 1.14.11.9) are key enzymes in the synthesis of anthocyanins and other flavonoids. Such compounds are involved in seed coat colour and stem pigmentation. Lupinus mutabilis (tarwi) is a legume crop domesticated in the Andean region, valued for the high protein and oil content of its seeds. Tarwi accessions are being selected for cultivation in Europe under defined breeding criteria. Seed coat colour patterns are relevant breeding traits in tarwi, and these are conditioned by anthocyanin content. We identified and isolated part of the tarwi flavonone 3-hydroxylase gene (LmF3h) from two accessions with distinct seed coat colour patterns. Two partial LmF3h paralogues, with predicted 20% amino-acid changes but little predicted tertiary structure alterations, were identified in the coloured seed genotype, while only one was present in the white seed genotype. Upon selection and validation of appropriate reference genes, a RT-qPCR analysis showed that these paralogues have different levels of expression during seed development in both genotypes, although they follow the same expression patterns. DNA and transcription analyses enabled to highlight potential F3H paralogues relatable to seed coat pigmentation in tarwi and, upon biochemical and genetic confirmation, prompt marker-assisted breeding for relevant phenotypic traits associated with flavonoid synthesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Knockout of insulin-degrading enzyme leads to mice testicular morphological changes and impaired sperm quality

Insulin-degrading enzyme (IDE) is a zinc metalloprotease responsible for degrading and inactivating several bioactive peptides, including insulin. Individuals without this enzyme or with a loss-of-function mutation in the gene that codifies it, present hyperinsulinemia. In addition, impairment of IDE-mediated insulin clearance is associated with the development of metabolic diseases, namely prediabetes. Although insulin regulates male fertility, the role of IDE on male reproductive function remains unknown. We proposed to study the influence of IDE in the reproductive potential of males. As insulin mediates key events for the normal occurrence of spermatogenesis, we hypothesized that IDE functioning might be linked with sperm quality. We used C57BL/6N mice that were divided in three groups according to its genotype: wild type (WT), heterozygous and knockout (KO) male mice for Ide. Spermatozoa were collected from the cauda of epididymis and sperm parameters were evaluated. Testicular tissue morphology was assessed through hematoxylin and eosin stain. Mitochondrial complex protein levels and lipid peroxidation were also evaluated in the testicular tissue. Our results show that KO mice present a 50% decrease in testes weight compared to WT mice as well as a decrease in seminiferous tubules diameter. Moreover, KO mice present impaired sperm quality, namely a decrease in both sperm viability and morphology. These results provide evidence that IDE plays an important role in determining the reproductive potential of males.publishe

Surface crystallization of ionic liquid crystals

The evidence for surface crystallization in ionic liquids is scarce. The existing reports seem to be contradictory as for its driving forces, since in the two compounds investigated in the literature, the contribution of coloumbic and van der Waals forces is very different. In this work 1-dodecyl-3- methylimidazolium tetrafluoroborate was studied and its surface crystallization characterized by surface tension, ellipsometry and optical microscopy. The results obtained seem to reconcile previous observations, and it was further shown, using the same techniques, that this phenomenon is prevalent in other ionic liquids. MD simulation results illustrate the different possibilities of organization, providing reasonable models to rationalize the experimental observations.This work was developed with the scope of the project CICECO – Aveiro Institute of Materials, UID/CTM/50011/2019, Associate Laboratory LSRE-LCM, UID/EQU/50020/2019, and of Instituto de Telecomunicaço˜es/IT (UID/EEA/50008/2013) – funded by national funds through FCT/MCTES (PIDDAC). M. A. R. M. acknowledges financial support from NORTE-01-0145-FEDER- 000006 – funded by NORTE2020 through PT2020 and ERDF, and P. J. C. acknowledges the FCT for the contract IF/00758/2015. A. R. Bastos from UA is acknowledged for help in the ellipsometry measurements. M. C. C. aknowledges FAPESP (2012/05027-1) and CNPq (310272/2017) for financial support.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Effect of biofertilizers and neem oil on the entomopathogenic fungi beauveria bassiana (Bals.) vuill. and metarhizium anisopliae (Metsch.) sorok.

The in vitro fungitoxic effect of three biofertilizers, E.M.-4, Multibion Ô and Supermagro used in organic agriculture and the neem oil (Azadirachta indica A. Juss) on the entomopathogenic fungi Metarhizium anisopliae and Beauveria bassiana was studied. These products were mixed in a medium where the two fungi were inoculated, and germination, vegetative growth and conidiogenesis were assessed. The biofertilizers Supermagro and E.M.- 4 showed to be less toxic for the two fungi whereas MultibionÔ caused major inhibition on M. anisopliae, with reductions in germination (-37.74%), colony diameter (-30.26%) and conidiogenesis (-42.62%). Neem oil promoted a larger negative effect on B. bassiana, inhibiting germination (-45.27%), colony diameter (-36.62%) and conidiogenesis (-84.93%)