Interactions of Tris with rutile surfaces and consequences for in vitro bioactivity testing

Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) has been used as the buffer in bioactivity testing for over two decades and has become a standard choice for the scientific community. While it is believed to be non-interacting, the extent of its interactions with titanium oxide surfaces has not been systematically studied. Here, we use experimental (zeta potential measurements) and computational (molecular dynamics) approaches to evaluate the interaction of Tris with a rutile surface and how it affects the adsorption of other molecules relevant in biomedical in vitro testing. We show that the interaction of Tris with the rutile surface is strong and significantly affects the interaction of other organic residues with the surface. These strong interactions are compounded by the Tris concentration in the in vitro testing protocol which is much higher compared to other components. Our findings indicate that the kinetics observed in in vitro tests will be strongly influenced by the presence of Tris as a buffering agent when compared to the natural CO2 buffer in blood. These results reveal that considering the so-far neglected active role of Tris in in vitro testing is critically needed and that in vitro protocols using CO2 partial pressure as the buffering agent should yield more reliable results

A Review of Permeability and Flow Simulation for Liquid Composite Moulding of Plant Fibre Composites

Liquid composite moulding (LCM) of plant fibre composites has gained much attention for the development of structural biobased composites. To produce quality composites, better understanding of the resin impregnation process and flow behaviour in plant fibre reinforcements is vital. By reviewing the literature, we aim to identify key plant fibre reinforcement-specific factors that influence, if not govern, the mould filling stage during LCM of plant fibre composites. In particular, the differences in structure (physical and biochemical) for plant and synthetic fibres, their semi-products (i.e., yarns and rovings), and their mats and textiles are shown to have a perceptible effect on their compaction, in-plane permeability, and processing via LCM. In addition to examining the effects of dual-scale flow, resin absorption, (subsequent) fibre swelling, capillarity, and time-dependent saturated and unsaturated permeability that are specific to plant fibre reinforcements, we also review the various models utilised to predict and simulate resin impregnation during LCM of plant fibre composites

Investigations by AFM of Ageing Mechanisms in PLA-Flax Fibre Composites during Garden Composting.

PLA-flax non-woven composites are promising materials, coupling high performance and possible degradation at their end of life. To explore their ageing mechanisms during garden composting, microstructural investigations were carried out through scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). We observe that flax fibres preferentially degrade 'inwards' from the edge to the core of the composite. In addition, progressive erosion of the cell walls occurs within the fibres themselves, 'outwards' from the central lumen to the periphery primary wall. This preferential degradation is reflected in the decrease in indentation modulus from around 23 GPa for fibres located in the preserved core of the composite to 3-4 GPa for the remaining outer-most cell wall crowns located at the edge of the sample that is in contact with the compost. Ageing of the PLA matrix is less drastic with a relatively stable indentation modulus. Nevertheless, a change in the PLA morphology, a significant decrease in its roughness and increase of porosity, can be observed towards the edge of the sample, in comparison to the core. This work highlights the important role of intrinsic fibre porosity, called lumen, which is suspected to be a major variable of the compost ageing process, providing pathways of entry for moisture and microorganisms that are involved in cell wall degradation

Caractérisation multi-échelle de composites de lin biodégradables par le biais d’études structurelles, mécaniques et de vieillissement

The production and disposal of materials is an important source of our environmental challenges. Flax fibres are interesting reinforcements for polymer composites, as they are biodegradable, renewably-sourced, and retain low density with good mechanical properties. Furthermore, transitioning to biodegradable thermoplastics as matrices for flax composites will lead to fully- biodegradable composites. This work aims to investigate the feasibility of biodegradable flax thermoplastic composites. Poly-(lactide) (PLA), poly- (butylene-succinate) (PBS) and poly-(hydroxy alkanoate) (PHA) polymers are considered in this thesis, binding a range of flax fibre preforms. The mechanical potential of these biodegradable composites is investigated through a multi-scale approach, from fibre-matrix adherence to composite mechanical properties. The influence of the ply mesostructure on composite mechanical properties is investigated, particularly porosity content, fibre orientation, and the presence of shives. Finally, the ageing of biodegradable composite is tackled, focussing on the evolution their mesostructure and mechanical properties over time in harsh environments: six weeks under hygroscopic conditions and six months buried in a garden compost. The challenging paradox that needs to be addressed is to maintain good mechanical properties over time during service, until their biodegradation upon disposal. This work contributes to the study of biodegradable composites by highlighting their mechanical potential and degradation mechanisms at several scales.La production des matériaux et la gestion des déchets sont une cause importante de nos défis environnementaux. Les fibres de lin sont des ressources biodégradables et renouvelables tout en présentant une propriétés mécaniques spécifiques, idéales pour le renforcement des composites. En outre, la transition vers des thermoplastiques biodégradables comme matrice pour les composites renforcés lin conduit à des matériaux entièrement biodégradables. Ce travail vise à étudier la faisabilité des composites thermoplastiques biodégradables à fibres de lin. Les polymères poly-(lactide) (PLA), poly-(butylène- succinate) (PBS) et un poly-(hydroxy alkanoate) (PHA), renforcés par des préformes en lin, sont étudiés dans cette thèse. Le potentiel mécanique de ces composites biodégradables est étudié à travers une approche multi-échelle, de l'adhérence aux propriétés mécaniques du composite. L'influence de la mésostructure des plis sur leurs propriétés mécaniques est ensuite analysée, en particulier la teneur en porosité́, l'orientation des fibres et la présence d'anas. Enfin, en se concentrant sur l'évolution dans le temps de leur mésostructure et de leurs propriétés mécaniques, le vieillissement des composites biodégradables dans des environnements sévères est abordé : six semaines dans différentes conditions hygroscopiques et enfouis six mois dans du compost de jardin. L’ambitieux paradoxe de tels composites est en effet de conserver de bonnes propriétés mécaniques, pendant leur phase d’usage et jusqu'à leur biodégradation. Ce travail contribue à l'étude des composites biodégradables en mettant en évidence à différentes échelles leur potentiel mécanique et leurs mécanismes de degradation

Caractérisation multi-échelle de composites de lin biodégradables par le biais d’études structurelles, mécaniques et de vieillissement

The production and disposal of materials is an important source of our environmental challenges. Flax fibres are interesting reinforcements for polymer composites, as they are biodegradable, renewably-sourced, and retain low density with good mechanical properties. Furthermore, transitioning to biodegradable thermoplastics as matrices for flax composites will lead to fully- biodegradable composites. This work aims to investigate the feasibility of biodegradable flax thermoplastic composites. Poly-(lactide) (PLA), poly- (butylene-succinate) (PBS) and poly-(hydroxy alkanoate) (PHA) polymers are considered in this thesis, binding a range of flax fibre preforms. The mechanical potential of these biodegradable composites is investigated through a multi-scale approach, from fibre-matrix adherence to composite mechanical properties. The influence of the ply mesostructure on composite mechanical properties is investigated, particularly porosity content, fibre orientation, and the presence of shives. Finally, the ageing of biodegradable composite is tackled, focussing on the evolution their mesostructure and mechanical properties over time in harsh environments: six weeks under hygroscopic conditions and six months buried in a garden compost. The challenging paradox that needs to be addressed is to maintain good mechanical properties over time during service, until their biodegradation upon disposal. This work contributes to the study of biodegradable composites by highlighting their mechanical potential and degradation mechanisms at several scales.La production des matériaux et la gestion des déchets sont une cause importante de nos défis environnementaux. Les fibres de lin sont des ressources biodégradables et renouvelables tout en présentant une propriétés mécaniques spécifiques, idéales pour le renforcement des composites. En outre, la transition vers des thermoplastiques biodégradables comme matrice pour les composites renforcés lin conduit à des matériaux entièrement biodégradables. Ce travail vise à étudier la faisabilité des composites thermoplastiques biodégradables à fibres de lin. Les polymères poly-(lactide) (PLA), poly-(butylène- succinate) (PBS) et un poly-(hydroxy alkanoate) (PHA), renforcés par des préformes en lin, sont étudiés dans cette thèse. Le potentiel mécanique de ces composites biodégradables est étudié à travers une approche multi-échelle, de l'adhérence aux propriétés mécaniques du composite. L'influence de la mésostructure des plis sur leurs propriétés mécaniques est ensuite analysée, en particulier la teneur en porosité́, l'orientation des fibres et la présence d'anas. Enfin, en se concentrant sur l'évolution dans le temps de leur mésostructure et de leurs propriétés mécaniques, le vieillissement des composites biodégradables dans des environnements sévères est abordé : six semaines dans différentes conditions hygroscopiques et enfouis six mois dans du compost de jardin. L’ambitieux paradoxe de tels composites est en effet de conserver de bonnes propriétés mécaniques, pendant leur phase d’usage et jusqu'à leur biodégradation. Ce travail contribue à l'étude des composites biodégradables en mettant en évidence à différentes échelles leur potentiel mécanique et leurs mécanismes de degradation

Caractérisation multi-échelle de composites de lin biodégradables par le biais d’études structurelles, mécaniques et de vieillissement

La production des matériaux et la gestion des déchets sont une cause importante de nos défis environnementaux. Les fibres de lin sont des ressources biodégradables et renouvelables tout en présentant une propriétés mécaniques spécifiques, idéales pour le renforcement des composites. En outre, la transition vers des thermoplastiques biodégradables comme matrice pour les composites renforcés lin conduit à des matériaux entièrement biodégradables. Ce travail vise à étudier la faisabilité des composites thermoplastiques biodégradables à fibres de lin. Les polymères poly-(lactide) (PLA), poly-(butylène- succinate) (PBS) et un poly-(hydroxy alkanoate) (PHA), renforcés par des préformes en lin, sont étudiés dans cette thèse. Le potentiel mécanique de ces composites biodégradables est étudié à travers une approche multi-échelle, de l'adhérence aux propriétés mécaniques du composite. L'influence de la mésostructure des plis sur leurs propriétés mécaniques est ensuite analysée, en particulier la teneur en porosité́, l'orientation des fibres et la présence d'anas. Enfin, en se concentrant sur l'évolution dans le temps de leur mésostructure et de leurs propriétés mécaniques, le vieillissement des composites biodégradables dans des environnements sévères est abordé : six semaines dans différentes conditions hygroscopiques et enfouis six mois dans du compost de jardin. L’ambitieux paradoxe de tels composites est en effet de conserver de bonnes propriétés mécaniques, pendant leur phase d’usage et jusqu'à leur biodégradation. Ce travail contribue à l'étude des composites biodégradables en mettant en évidence à différentes échelles leur potentiel mécanique et leurs mécanismes de degradation.The production and disposal of materials is an important source of our environmental challenges. Flax fibres are interesting reinforcements for polymer composites, as they are biodegradable, renewably-sourced, and retain low density with good mechanical properties. Furthermore, transitioning to biodegradable thermoplastics as matrices for flax composites will lead to fully- biodegradable composites. This work aims to investigate the feasibility of biodegradable flax thermoplastic composites. Poly-(lactide) (PLA), poly- (butylene-succinate) (PBS) and poly-(hydroxy alkanoate) (PHA) polymers are considered in this thesis, binding a range of flax fibre preforms. The mechanical potential of these biodegradable composites is investigated through a multi-scale approach, from fibre-matrix adherence to composite mechanical properties. The influence of the ply mesostructure on composite mechanical properties is investigated, particularly porosity content, fibre orientation, and the presence of shives. Finally, the ageing of biodegradable composite is tackled, focussing on the evolution their mesostructure and mechanical properties over time in harsh environments: six weeks under hygroscopic conditions and six months buried in a garden compost. The challenging paradox that needs to be addressed is to maintain good mechanical properties over time during service, until their biodegradation upon disposal. This work contributes to the study of biodegradable composites by highlighting their mechanical potential and degradation mechanisms at several scales

Développement de composites non-tissés biodégradables renforcés par des fibres de lin : étude des performances mécaniques et de la biodégradabilité

International audienceFlax fibres progressively find their place in the composite sector. There are already largely used in the automotive sector and some semi-structural part starts to be built. Nevertheless, the biodegradation aspect of flax fibres is often neglected because of the non-biodegradable petrochemical resin used to make those composites. This study deals with the manufacturing parameters as well as the mechanical properties of biocompostables composites made of a flax non-woven and three biocompostables thermoplastic polymers: the poly-(hydroxyalkanoate) (PHA),the poly-(lactic acid)(PLA) and the poly-(butylene succinate) (PBS). Rheology and calorimetry studies were used to determine an optimal manufacturing temperature foreach polymers, aiming to work at a constant viscosity during the film-stacking process. Mechanical results highlight that non-woven flax/PLA shows the highest stiffness however, the flax/PBS has an important strain with an acceptable strength and stiffness regarding the poly-propylene as reference.These preliminary results show the possibility to develop new non-woven composites which are thermoplastic, recyclable, biocompostable, with configurable mechanical properties depending on the selected matrixLa place des fibres de lin dans le domaine des composites n’est plus à présenter. Ces dernières sont déjà couramment utilisées dans le domaine de l’automobile et des pièces structurelles se développent.Cependant, dans la réalisation des composites actuels,la capacité de biodégradation des fibres de lin est souvent délaissée en raison l’utilisation de résine non biodégradable. Cette étude s’intéresse aux paramètres de la mise en œuvre ainsi qu’aux propriétés mécaniques de composites biocompostables réalisés à partir d’un non-tissé de lin et de trois polymères thermoplastiques biocompostables: Le poly-(hydroxy-alcanoate) (PHA), le poly-(lactide) (PLA)et le Poly-(butylène-succinate) (PBS). Des études rhéologiques et calorimétriques ont permis de déterminer une température de mise en œuvre optimale pour chacun des composites afin de travailler à viscosité constante avec le procédé de film-stacking. Les résultats mécaniques montrent que le non-tissé PLA-lin possède la plus forte rigidité,mais que le PBS/lin permet d’atteindre un allongement important tout en conservant une rigidité, une contrainte et un allongement à rupture performants par rapport au poly-(propylène) (PP) de référence. Ces résultats préliminaires permettent d’envisager le développement de nouveaux composites non-tissés thermoplastiques, recyclables,biocompostables et aux performances mécaniques adaptables au cahier des charges en fonction de la matrice sélectionnée

A Review of Permeability and Flow Simulation for Liquid Composite Moulding of Plant Fibre Composites.

Liquid composite moulding (LCM) of plant fibre composites has gained much attention for the development of structural biobased composites. To produce quality composites, better understanding of the resin impregnation process and flow behaviour in plant fibre reinforcements is vital. By reviewing the literature, we aim to identify key plant fibre reinforcement-specific factors that influence, if not govern, the mould filling stage during LCM of plant fibre composites. In particular, the differences in structure (physical and biochemical) for plant and synthetic fibres, their semi-products (i.e., yarns and rovings), and their mats and textiles are shown to have a perceptible effect on their compaction, in-plane permeability, and processing via LCM. In addition to examining the effects of dual-scale flow, resin absorption, (subsequent) fibre swelling, capillarity, and time-dependent saturated and unsaturated permeability that are specific to plant fibre reinforcements, we also review the various models utilised to predict and simulate resin impregnation during LCM of plant fibre composites.The authors acknowledge the INTERREG IV Cross Channel programme for funding this work through the FLOWER project