Biomedical devices engineered based on the control of the surface wettability

Tese de Doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células EstaminaisThe wettability control has been showed as an important parameter for several systems and applications on the biomedical field. Once the surface wettability has crucial influence in protein adsorption and cell adhesion. Here, the focus was on the technology development based on the advanced control of wettability in surfaces, tuning directly the surface characteristics or modifying surfaces by coating with hydrophobic microparticles (HmP). Superhydrophobic (SH) surfaces can be achieved combining low surface energy and hierarchical topography at nano/microscale. A simple method was developed to prepare SH surfaces, using diatomaceous earth (DE) that was able to confer the desired hierarchical topography. SH surfaces were obtained by further fluorosilanization of surfaces that decreased surface energy. The wettability of surfaces could be modified by plasma treatment in a controlled way. Using masks only specific areas were exposed to plasma, allowing to perform hydrophilic/superhydrophobic patterning on surfaces. Planar SHS of polystyrene (PS) with hydrophilic paths or square spots were developed to engineer devices for cellular studies. Paths worked as channels to drive cell culture medium flows without using walls for liquid confinement. Controlling liquid flows on planar surfaces, a cell culture flow system was developed based on the open fluidics concept. The pertinence of the system was showed by studying the effect of shear stress stimuli combined with bone morphogenic protein (specifically BMP-2) stimulation in the osteogenic differentiation of C2C12 myoblast cells. A synergistic effect of these stimuli combination was found on the osteoblast differentiation. Using similar SH surafces of PS but with hydrophilic squared spots, a hanging drop system (HDS) for the production and culturing of human adipose-derived stem cell (hASC) spheroids under co-culture conditions with different cell types was engineered. The co-culture with Saos-2 cells indicated that the spheroid production and hASC differentiation into an early osteogenic phenotype can be obtained in a onestep procedure. By coating liquid droplets with HmP, which were produced by the fluorosilanization of DE, liquid marbles (LM) were produced. Here, the use of LM was showed for high-throughput drug screening on anchorage-dependent cells. To provide the required cell adhesion sites inside the liquid environment of LM, surface-modified poly(L-lactic acid) microparticles are used. By injecting the chemical agent in study and monitoring color changes inside of LM, cytotoxic screening tests were performed. The presence of viable cells was assessed by injecting AlamarBlue reagent, which changed its color from blue to red in presence of viable cells. The developed method was validated by directly comparing with a standardized method used for cytotoxicity assessment. Inspired by LM, a novel class of hydrophobic hydrogels, which can free-float on the surface of different aqueous media, was created by coating conventional hydrogels with a layer of HmP. It was demonstrated that floating hydrogel-based devices could be developed for pH sensing on liquid surfaces. Such as the floating systems preserved the intrinsic biocompatibility of the core hydrogels, floating tissue constructs were also microengineered. On this work, different biomedical devices could be engineered just based on the control of the surface wettability. These devices have high potential to achieve widespread use, namely for applications in sensing, drug screening, fabrication of 3D microtissues for tissue engineering, and biomedicine.O controlo da molhabilidade mostra-se como um importante parâmetro em vários sistemas e aplicações na área biomédica. Uma vez que a molhabilidade de superfícies tem grande influência na adsorção de proteínas e adesão celular. Aqui, o foco caiu sobre o desenvolvimento de tecnologia baseada no controlo da molhabilidade de superfícies, manipulando diretamente as características da superfície ou cobrindo superfícies com micropartículas hidrofóbicas (mPH). Superfícies superhidrofóbicas (SSH) podem ser obtidas combinando baixa energia de superfície com topografia à escala nano/micrométrica. Foi desenvolvido um método simples para preparação de SSH, usando terra de diatomáceas (TD) para conferir a topografia desejada e posterior reação química na superfície com um fluorosilano que diminuiu a energia de superfície. A molhabilidade destas superfícies pôde ser alterada de uma forma controlada e seletiva por tratamento de plasma e usando máscaras, permitindo a criação de padrões hidrófilicos/superhidrofóbicos nas superfícies. SSH de poliestireno com padrões hidrófilicos com a forma de tiras ou quadrados foram desenvolvidas para a construção de dispositivos para uso em estudos celulares. As tiras hidrófilicas funcionaram como canais capazes de conduzir o escoamento do meio de cultura sem o uso de paredes físicas. Tendo o controlo do escoamento de fluidos em superfícies planas, um sistema para cultura celular foi desenvolvido sob o conceito de fluídica aberta. A pertinência deste sistema foi mostrada pelo estudo do efeito combinado, da tensão de corte do escoamento com a presença de uma proteína morfogénica do osso (BMP-2), na diferenciação osteogénica de mioblastos C2C12. Tendo sido encontrado um efeito de sinergia entre os dois estímulos na diferenciação. Usando SSH mas com quadrados hidrófilicos, um sistema de gota suspensa foi desenvolvido para a produção e cultura de esferoides de células estaminais humanas extraídas de gordura (hASC) em condições de co-cultura com diferentes tipos de células. A co-cultura com células Saos-2 indicou que se pode, num só passo, produzir e diferenciar esferoides de hASC numa fase inicial do fenótipo osteogénico. Cobrindo uma gota de líquido com mPH – produzidas através de reação química à superfície da TD com um fluorosilano – produziram-se “berlindes líquidos” (BL). Aqui, foi mostrado o uso destes BL para a análise do efeito de fármacos sobre células aderentes. Para fornecer os pontos de adesão essenciais às células usaram-se micropartículas de ácido poliláctico no interior dos BL. Injetando os agentes químicos em análise e monitorizando a mudança de cor no interior dos BL foram realizados testes de rastreio de citotoxicidade. A existência de células viáveis foi determinada através do uso do reagente AlamarBlue, que muda a sua cor de azul para vermelho na presença de células viáveis. O método desenvolvido foi validado por comparação com um método padronizado usado em análises de citotoxicidade. Inspirado nos BL, uma nova classe de hidrogéis hidrofóbicos foi criada cobrindo hidrogéis convencionais com uma camada de mPH, mostrando estes a capacidade de flutuar sobre meio aquoso. Com base neste hidrogéis foram criados dispositivos flutuantes para monitorizar o pH na superfície de um líquido. Como a biocompatibilidade intrínseca do hidrogel base usado se manteve, construções de tecidos celulares flutuantes foram também criadas. Neste trabalho, diferentes dispositivos biomédicos foram construídos apenas com base no controlo da molhabilidade de superfícies. Os dispositivos mostraram um elevado potencial para várias aplicações como monitorização, análise de fármacos e construção de tecidos celulares para engenharia de tecidos

Recent advances on open fluidic systems for biomedical applications: A review

Microfluidics has become an important tool to engineer microenvironments with high precision, comprising devices and methods for controlling and manipulating fluids at the submillimeter scale. A specific branch of microfluidics comprises open fluidic systems, which is mainly characterized by displaying a higher air/liquid interface when compared with traditional closed-channel setups. The use of open channel systems has enabled the design of singular architectures in devices that are simple to fabricate and to clean. Enhanced functionality and accessibility for liquid handling are additional advantages inputted to technologies based on open fluidics. While benchmarked against closed fluidics approaches, the use of directly accessible channels decreases the risk of clogging and bubble-driven flow perturbation. In this review, we discuss the advantages of open fluidics systems when compared to their closed fluidics counterparts. Platforms are analyzed in two separated groups based on different confinement principles: wall-based physical confinement and wettability-contrast confinement. The physical confinement group comprises both open and traditional microfluidics; examples based on open channels with rectangular and triangular cross-section, suspended microfluidics, and the use of narrow edge of a solid surface for fluid confinement are addressed. The second group covers (super)hydrophilic/(super)hydrophobic patterned surfaces, and examples based on polymer-, textile- and paper-based microfluidic devices are explored. The technologies described in this review are critically discussed concerning devices' performance and versatility, manufacturing techniques and fluid transport/manipulation methods. A gather-up of recent biomedical applications of open fluidics devices is also presented.European Research Council grant agreement ERC-2012-ADG 20120216-321266 for project ComplexiTE and ERC-2014-ADG-669858 for project “ATLAS”. N. M. Oliveira acknowledges the financial support from Portuguese Foundation for Science and Technology − FCT (Grant SFRH/BD/73172/2010), from the financial program POPH/FSE from QREN. The work was developed within the scope of the project CICECO Aveiro Institute of Materials, POCI-01-0145-FEDER-007679 (FCT Ref. UID/CTM/50011/2013). Sara Vilabril acknowledges the financial support from national funds through the FCT/MEC and when appropriate co-financed by FEDER under the PT2020 Partnership Agreementinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Programa Regional de Ordenamento Florestal Lisboa e Vale do Tejo - Capítulo F - Articulação com os Instrumentos de Gestão Territorial Relevantes para os Espaços Florestais

A Lei n.º 31/2014, de 30 de maio, alterada pela Lei n.º 74/2017, de 16 de agosto, estabelece as bases gerais da política pública de solos, de ordenamento do território e de urbanismo (LBPSOTU). O sistema de gestão territorial estruturado por instrumentos de gestão territorial (IGT), organizados num quadro de interação coordenada de âmbitos nacional, regional, intermunicipal e municipal, desenvolve a política de solos, de ordenamento do território e de urbanismo A revisão do Regime Jurídico dos Instrumentos de Gestão Territorial (RJIGT foi aprovada pelo Decreto-Lei n.º 80/2015, de 14 de maio que desenvolve a reforma estruturante determinada pela LBPSOTU e define o regime de coordenação dos âmbitos nacional, regional, intermunicipal e municipal do sistema de gestão territorial, o regime geral de uso do solo e o regime de elaboração, aprovação, execução e avaliação dos IGT

Programa Regional de Ordenamento Florestal Lisboa e Vale do Tejo - Capítulo E - Normas e Modelos Gerais de Silvicultura e de Gestão

A abordagem às funções e vocações dos territórios florestais nacionais tem subjacente a necessidade de um crescimento sustentável e de uma competitividade económica, metas sociais como a inclusão e o emprego, assim como o aumento da sua contribuição para as metas ambientais (ENF, 2015). Este capítulo compreende a identificação dos objetivos de gestão dos principais sistemas florestais e espécies da região, a definição de normas e modelos gerais de silvicultura e de gestão, para além da definição de normas de gestão específicas para as áreas florestais sensíveis. Foram consideradas para este efeito um conjunto de normas e orientações constantes de bibliografia, com as necessárias adaptações. Pretende-se que os modelos de silvicultura compreendam orientações gerais para os produtores florestais, os engenheiros e os técnicos florestais e como tal, considerando a escala dos PROF, sejam suficientemente flexíveis para acomodar novos abordagens que se pretendam promover face às tendências identificadas, porém respondendo às especificidades dos diferentes tipos e sistemas florestais mais representativos e adequados às sub-regiões homogéneas definidas. Definem-se um conjunto de normas gerais e de silvicultura preventiva, de aplicação generalizada, e normas e modelos gerais de silvicultura e gestão desenvolvidas em torno das cinco funções dos espaços florestais. Para um mesmo espaço podem ser recomendadas normas relativas a mais do que uma função, sendo que as normas relativas às três funções principais terão prevalência sobre as demais, já que as diferentes funções são coincidentes na maior parte do território. De notar que as normas preconizadas no PROF dizem respeito aos espaços florestais, sendo que existe ainda um conjunto de disposições legais e de servidões administrativas e restrições de utilidade pública que são de aplicação direta e imediata, sobrepondo-se às presentes normas

Programa Regional de Ordenamento Florestal. Alentejo - Capítulo H - Monitorização e Avaliação

A gestão florestal compreende uma grande diversidade de dados e informações que são associados ao conhecimento atempado do inventário florestal e diversas formas de uso desses recursos, envolvendo o desenvolvimento da pesquisa e tecnologia associada ao setor florestal, à formação dos recursos humanos e a capacidade institucional e legal instalada para gerir esses mesmos recursos. Neste complexo contexto de dados e números associados à Floresta, a criação e operação de um sistema de informação que permita a correta obtenção, tratamento, organização, armazenamento, recuperação, análise e gestão de uma ampla base de dados e informações, constituem atividades essenciais à prossecução da política florestal preconizada na Estratégia Nacional para as Florestas (ENF). Assim, para monitorizar o cumprimento dos objetivos, medidas, ações e metas definidas no Programa Regional de Ordenamento Florestal do Alentejo (PROF-ALT), nomeadamente nos Capítulos D – “Análise Prospetiva e Definição de Objetivos” e G – “Programa de Execução e Atribuição” do Documento Estratégico, criou-se um conjunto de indicadores associados ao cumprimento dos objetivos e metas a atingir no curto (2020), médio (2030) e longo prazo (2050)

Programa Regional de Ordenamento Florestal. Alentejo - Capítulo E - Normas e Modelos Gerais de Silvicultura e de Gestão

A abordagem às funções e vocações dos territórios florestais nacionais tem subjacente a necessidade de um crescimento sustentável e de uma competitividade económica, metas sociais como a inclusão e o emprego, assim como o aumento da sua contribuição para as metas ambientais (ENF, 2015). Este capítulo compreende a identificação dos objetivos de gestão dos principais sistemas florestais e espécies da região, a definição de normas e modelos gerais de silvicultura e de gestão, para além da definição de normas de gestão específicas para as áreas florestais sensíveis. Foram consideradas para este efeito um conjunto de normas e orientações constantes de bibliografia, com as necessárias adaptações. Pretende-se que os modelos de silvicultura compreendam orientações gerais para os produtores florestais, os engenheiros e os técnicos florestais e como tal, considerando a escala dos PROF, sejam suficientemente flexíveis para acomodar novos abordagens que se pretendam promover face às tendências identificadas, porém respondendo às especificidades dos diferentes tipos e sistemas florestais mais representativos e adequados às sub-regiões homogéneas definidas

Programa Regional de Ordenamento Florestal. Alentejo - Capítulo F - Articulação com os Instrumentos de Gestão Territorial Relevantes para os Espaços Florestais

A Lei n.º 31/2014, de 30 de maio, alterada pela Lei n.º 74/2017, de 17 de agosto, estabelece as bases gerais da política pública de solos, de ordenamento do território e de urbanismo (LBPSOTU). O sistema de gestão territorial estruturado por instrumentos de gestão territorial (IGT), organizados num quadro de interação coordenada de âmbitos nacional, regional, intermunicipal e municipal, desenvolve a política de solos, de ordenamento do território e de urbanismo (art. 38.º da LBPSOTU). A revisão do Regime Jurídico dos Instrumentos de Gestão Territorial (RJIGT), elaborada no cumprimento do estabelecido no art. 81.º da LBPSOTU, foi aprovada pelo Decreto-Lei n.º 80/2015, de 14 de maio que desenvolve a reforma estruturante determinada pela LBPSOTU e define o regime de coordenação dos âmbitos nacional, regional, intermunicipal e municipal do sistema de gestão territorial, o regime geral de uso do solo e o regime de elaboração, aprovação, execução e avaliação dos IGT

Programa Regional de Ordenamento Florestal. Alentejo - Capítulo D - Análise Prospetiva e Definição de Objetivos

Neste capítulo procede-se à análise de tendências quanto à evolução dos espaços florestais e ao eventual desempenho das suas funções, identificando as Forças Motrizes em função das quais se desenvolve o exercício prospetivo. Pretende-se estruturar e objetivar, procedendo-se à avaliação dos cenários de desenvolvimento sem que seja realizada uma descrição exaustiva da situação de referência e das respetivas perspetivas de desenvolvimento, centrando-se antes na avaliação dos aspetos considerados críticos e determinantes nos eventuais efeitos florestais/ambientais e socioeconómicos, que os cenários e as opções de desenvolvimento, possam provocar no território. A definição dos Cenários de Desenvolvimento Florestal para o ano horizonte deste Programa – 2050, teve por base o inventário florestal e o diagnóstico ambiental, social e económico realizado nos Capítulos A, B e C do Documento Estratégico. Além do diagnóstico da situação atual foram identificadas as respetivas visões, oportunidades, constrangimentos e perspetivas de desenvolvimento, sendo adotados os eixos de desenvolvimento setorial preconizados pela Estratégia Nacional para as Florestas (ENF). A consistência dos cenários elaborados teve em conta a Matriz de Consistência definida na ENF e que será desenvolvida no Capítulo G - “Programa de Execução e Atribuições”. No caso particular do Cenário de Referência (“Business as usual” - BAU) pesou sobretudo a definição exposta para a “Situação atual de referência”. Introduziram-se ainda alguns ajustamentos em função de critérios de consistência e de forma a integrar algumas das expetativas descritas ao nível das “Perspetivas de desenvolvimento”. Este cenário foi delineado ainda de forma a contemplar uma lógica de desenvolvimento desprovido de grandes expetativas multissetoriais otimistas, ainda que incorporando todas as medidas em avançado estado processual/político de concretização

Automatic strategy for extraction of anthropometric measurements for the diagnostic and evaluation of deformational plagiocephaly from infant’s head models

Deformational Plagiocephaly (DP) refers to an asymmetrical distortion of an infant's skull resulting from external forces applied over time. The diagnosis of this condition is performed using asymmetry indexes that are estimated from specific anatomical landmarks, whose are manually defined on head models acquired using laser scans. However, this manual identification is susceptible to intra-/inter-observer variability, being also time-consuming. Therefore, automatic strategies for the identification of the landmarks and, consequently, extraction of asymmetry indexes, are claimed. A novel pipeline to automatically identify these landmarks on 3D head models and to estimate the relevant cranial asymmetry indexes is proposed. Thus, a template database is created and then aligned with the unlabelled patient through an iterative closest point (ICP) strategy. Here, an initial rigid alignment followed by an affine one are applied to remove global misalignments between each template and the patient. Next, a non-rigid alignment is used to deform the template information to the patient-specific shape. The final position of each landmark is computed as a local weight average of all candidate results. From the identified landmarks, a head's coordinate system is automatically estimated and later used to estimate cranial asymmetry indexes. The proposed framework was evaluated in 15 synthetic infant head's model. Overall, the results demonstrated the accuracy of the identification strategy, with a mean average distance of 2.8 +/- 0.6 mm between the identified landmarks and the ground-truth. Moreover, for the estimation of cranial asymmetry indexes, a performance comparable to the inter-observer variability was achieved.The present submission corresponds to original research work of the authors and has never been submitted elsewhere. Moreover, this work was funded by the project NORTE-01-0145-FEDER-024300, supported by Northern Portugal Regional Operational Programme (Norte2020), under the Portugal 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (FEDER). Moreover, this work has been also supported by FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia within the Project Scope: UID/CEC/00319/2019. Furthermore, the authors acknowledge FCT, Portugal, and the European Social Found, European Union, for funding support through the "Programa Operacional Capital Humano" (POCH) in the scope of the PhD grants SFRH/BD/136721/2018 (Bruno Oliveira), SFRH/BD/136670/2018 (Helena R. Torres), and SFRH/BD/131545/2017 (Fernando Veloso)