Selective functionalization of electrospun fibres

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A engenharia de tecidos é uma área multidisciplinar da engenharia biomédica que articula conceitos da química, física, engenharia e medicina com o objetivo de recuperar ou substituir uma função perdida de determinado órgão ou tecido. Um dos principais desafios desta área da biotecnologia é a criação de matrizes tridimensionais biocompatíveis e biodegradáveis que sejam capazes de garantir um suporte físico e bioquímico adequado à regeneração celular. Assim, as características mecânicas, químicas e biológicas destas matrizes devem ser adaptadas ao ambiente celular que se pretende reproduzir, dando origem quer à resposta celular específica das células cultivadas na matriz, quer à otimização da resposta fisiológica do próprio organismo. Com efeito, dependendo da função a que se destina, as matrizes usadas em engenharia de tecidos variam tanto no biomaterial que lhes dá origem como na técnica de fabricação utilizada. As vantagens dos polímeros face aos outros materiais tais como biocompatibilidade, biodegradação, alta porosidade e boas propriedades mecânicas, tornam-nos no tipo de material mais utilizado na construção de matrizes tridimensionais. É o caso do copolímero PolyActive, já aprovado pela Food and Drug Administration (FDA) e utilizado em múltiplas aplicações em engenharia de tecidos, com especial destaque para a regeneração óssea. A versatilidade deste polímero está estreitamente relacionada com o rácio dos segmentos químicos que o constituem, um segmento hidrofílico de Politereftalato de etileno (PEOT) e outro hidrofóbico de Poli(tereftalato de butileno) (PBT), que ao ser modificado permite o controlo das propriedades mecânicas e químicas do material. Por outro lado, a eletrofiação é uma técnica de fabricação que tem crescido em termos de popularidade pois permite o fabrico de matrizes fibrosas capazes de simular detalhadamente a topografia das fibras de colagénio que compõem a matriz extracelular natural. Tendo tudo isto em conta, neste estudo foram construídas matrizes tridimensionais de PolyActive por eletrofiação capazes de modular e guiar a resposta celular a partir de recursos topográficos e bioquímicos. A topografia das matrizes foi controlada com a introdução de elétrodos capazes de influenciar o campo elétrico e, assim, alinhar as fibras de PolyActive durante o processo de eletrofiação, que ocorreu num ambiente controlado para garantir a reprodução das propriedades das fibras. Já a incorporação de biomoléculas na superfície das fibras foi conseguida a partir da investigação de duas estratégias distintas. Numa das abordagens, matrizes fibrosas de dois tipos de PolyActive (1000PEOT70PBT30 e 300PEOT55PBT45) foram expostas a irradiação ultravioleta (UV) com o objetivo de introduzir grupos químicos na superfície das fibras capazes de aumentar a adesão de biomoléculas. As diferenças entre superfícies tratadas e não tratadas com UV foram analisadas com recurso às técnicas de espetroscopia de infravermelho médio com transformada de Fourier acoplada ao acessório de reflexão total atenuada (ATR-FTIR) e de fotoeletrões excitados por raios X (XPS). Os resultados mostram que os grupos funcionais resultantes da interação da superfície das fibras com o UV dependem do rácio PEOT/PBT e do conteúdo de Polietilenoglicol (PEG) presente no copolímero. Assim, as fibras de 1000PEOT70PBT30 (PA 1000) apresentaram um grande número de grupos carboxilo e hidroxilo na sua superfície devido à degradação do segmento de PEOT e da sua grande cadeia polimérica de PEG após 40 minutos de exposição à radiação UV. Por sua vez, a matriz fibrosa de 300PEOT55PBT45 (PA 300), quando sujeita ao mesmo período de irradiação UV, originou p-benzoquinonas na superfície das suas fibras devido ao alto teor cristalino da sua estrutura. Em ambos os casos, o tratamento UV aumentou as áreas de adesão das proteínas oriundas do meio de cultura celular e por conseguinte a adesão celular tornou-se também mais eficiente. Porém, a resposta celular é dependente não só das características das matrizes, mas também da linha celular utilizada. Por exemplo, as células Schwann de rato mostraram não só preferência pelas áreas ativadas pelo UV, mas também se mostraram sensíveis a pequenas alterações do alinhamento das fibras resultantes das diferenças entre os dois copolímeros. Foi também utilizada uma máscara de níquel para controlar espacialmente a introdução de novos grupos químicos nas superfícies das matrizes fibrosas de PA 300 e PA 1000. A segunda estratégia apresentada consistiu na eletrofiação de fibras de PA 300 com grupos químicos incorporados para uma funcionalização posterior. Basicamente, uma solução polimérica composta por PA 300 e PEG com determinados grupos funcionais numa proporção 4:1 foi sujeita ao processo de eletrofiação, originando fibras de PA 300 com os grupos funcionais do PEG na sua superfície. Esta abordagem inovadora e inédita possibilitou a seleção dos grupos funcionais localizados na superfície das matrizes fibrosas e consequentemente o controlo do tipo de biomoléculas que vão aderir às fibras. Neste estudo foram utilizados dois tipos de PEG funcionalizado: PEG com terminais alcinos ((bis)PEG-Alkyne), que possibilitam a cicloadição azida-alcino com biomoléculas que tenham a função azida; e PEG com grupos terminais de N-hidroxisuccinimida ((bis)PEG-SVA), que facilitam a ligação com proteínas. As superfícies das matrizes de PA 300 + (bis)PEG-SVA e de PA 300 + (bis)PEG-Alkyne foram analisadas recorrendo às técnicas de ATR-FTIR e XPS. No primeiro caso, os resultados provaram a existência de N-hidroxisuccinimida na superfície das fibras, que depois foi confirmada com recurso a microscopia de fluorescência; relativamente às matrizes de PA 300 + (bis)PEG-Alkyne, apesar das técnicas de espectrometria não produzirem resultados conclusivos, foi possível confirmar a presença de alcinos na superfície das fibras a partir das imagens de microscopia de fluorescência. O sucesso da segunda abordagem permite abrir as portas ao aparecimento de novas metodologias de design e fabricação de matrizes biofuncionais, já que torna possível a simulação e controlo do ambiente bioquímico que influencia as respostas celulares de uma forma simples e eficiente.The principal objective of a new generation of tissue engineering scaffolds is to reproduce the spatial and biochemical microenvironmental characteristics of the natural extracellular matrix (ECM) with the purpose of modulating the cell response and consequently enhance tissue repair. There is an enormous variety of scaffolding approaches that highly depend on the biomaterial selection, on the fabrication technique used and on the specific function of the scaffold. In this study, bioactive electrospun scaffolds made of PolyActive (Poly(ethylene oxide terephthalate) / Poly(buylene terephthalate) (PEOT/PBT)) copolymer, capable of combining a spatially organized structure with bioactive factors, was developed. The design and fabrication strategies used to create the scaffolds allow the tailoring of the scaffold’s function by manipulating the introduction of specific chemical groups on its surface for further selective immobilization of complex biomolecules, resulting in the desired cell response. In one approach, the surface of both 300PEOT55PBT45 (PA 300) and 1000PEOT70PBT30 (PA 1000) electrospun fibres were modified via UV exposure, resulting in the introduction of specific functional groups able to improve the protein adsorption process and consequently increase the available areas for cell attachment. A spatial definition of protein adsorption was accomplished by exposing the fibres via patterned mask. An alternative strategy consisted of electrospinning PA 300 fibres with incorporated chemical groups for later functionalization. Alkyne and NHS-esters functional groups were successfully incorporated on the surface of the electrospun fibres via the introduction of specific PEG linkers ((bis)PEG-alkyne and (bis)PEG-SVA) in the electrospinning blend solution. This innovative methodology can be adopted for multiple tissue engineering applications since specific chemical groups can be introduced onto the surface of electrospun fibres, leading to a meticulous selection of the biochemical elements that will be adsorbed and consequently to a detailed control of the cell behaviour

Gamificação de competências transversais na Universidade de Aveiro

The need for future employees to show skill beyond that of “hard” knowledge is growing in several industries of the job market. To address the changing expectations of future employers and to guarantee a prosperous professional life, higher education institutions (HEI) are making increasing efforts to provide their students with soft skills, which go beyond that of the traditional courses’ curriculum. Therefore, HEIs are faced with the challenge of teaching transversal competencies to their students while ensuring that their development is authenticated and valued by employing organizations. To this end, open badging and micro-credentials are increasingly being employed, since they provide an answer for both the need for soft skill validation and for motivating their development. Digital badges have been subject to educational research in recent years, with results which point to a successful relationship between gamification, badges and learning outcomes. This work aims to further this research by establishing a theoretical framework for implementing a digital badge strategy to encourage students to perform activities that promote the development of soft skills. Our findings will inform the creation of a badge system suited be adapted and applied to various learning contexts and institutions.A necessidade de trabalhadores demonstrarem competências para além das de conhecimento técnico está a aumentar em diversas indústrias no mercado de trabalho. Para encarar as crescentes expectativas de futuros empregadores e garantir um futuro profissional mais próspero, as instituições de ensino superior (IES) estão a investir cada vez mais na aquisição de competências transversais por parte dos seus estudantes, que vão para além das do currículo tradicional. Deste modo, as IES estão perante o desafio de ensinar competências transversais aos seus alunos ao mesmo tempo que procuram assegurar que o seu desenvolvimento é autenticado e valorizado por organizações empregadoras. Observa-se, para este fim, uma crescente adoção de “Open Badges” e micro-credenciais, visto que estas oferecem uma solução tanto para a necessidade de validação de competências transversais como para a motivação para a sua aprendizagem por parte dos alunos. Durante os últimos anos, os crachás digitais têm sido alvo de investigação educacional, cujo resultado aponta para uma relação proveitosa entre gamificação, crachás e resultados de aprendizagem. Este trabalho tem como objetivo expandir essa investigação ao estabelecer um enquadramento que sirva para a implementação de uma estratégia de crachás digitais para encorajar alunos a realizarem atividades que promovam o desenvolvimento de competências transversais. Os resultados deste estudo poderão ainda ser utilizados para guiar a construção de um sistema de crachás apto para se adaptar a vários contextos de aprendizagem e instituições.Mestrado em Comunicação Multimédi

Biomechanical evaluation of pyrocarbon proximal interphalangeal joint arthroplasty: An in-vitro analysis

Background Pyrocarbon proximal interphalangeal (PIP) joint arthroplasty provided patients with excellent pain relief and joint motion, however, overall implant complications have been very variable, with some good outcomes at short-medium-term follow-up and some bad outcomes at longer-term follow-up. Implant loosening with migration, dislocation and implant fracture were the main reported clinical complications. The aim of the present work was to test the hypothesis that the magnitude PIP joint cyclic loads in daily hand functions generates stress-strain behaviour which may be associated with a risk of pyrocarbon component loosening in the long-term. Methods This study was performed using synthetic proximal and middle phalanges to experimentally predict the cortex strain behaviour and implant stability considering different load conditions for both intact and implanted states. Finite element models were developed to assess the structural behaviour of cancellous-bone and pyrocarbon components, these models were validated against experimentally measured cortex strains. Findings Cortex strains showed a significant increase at dorsal side and reduction at palmar side between intact and implanted states. Cancellous-bone adjacent to the condylar implant base components suffers a two to threefold strain increase, comparing with the intact condition. Interpretation The use of pyrocarbon implant changes the biomechanical behaviour of the joint phalanges and is associated with a potential risk of support cancellous-bone suffer fatigue failure in mid to long term due to the strain increase for cyclic loads in the range of daily hand activities, this risk is more prominent than the risk of bone resorption due to strain-shielding effec

Physiological collagen architecture in engineered tissue cartilage through a combined approach of mechanical stimulus and anisotropic fibrous scaffolds

This work consists on improvement of the functionality of tissue engineered cartilage through a combined approach of mechanical stimulus with anisotropic fibrous scaffolds provided on a bioreactor culture environment, in order to bring the structural organization of engineered cartilage close to the native tissue, reducing the risk of failure of this promising method for osteoarthritis treatment

Treat me well : affective and physiological feedback for wheelchair users

This work reports a electrocardiograph and skin conductivity hardware architecture, based on E-textile electrodes, attached to a wheelchair for affective and physiological computing. Appropriate conditioning circuits and a microcontroller platform that performs acquisition, primary processing, and communication using Bluetooth were designed and implemented. To increase the accuracy and repeatability of the skin conductivity measuring channel, force measurement sensors were attached to the system certifying measuring contact force on the electrode level. Advanced processing including Rwave peak detector, adaptive filtering and autonomic nervous system analysis based on wavelets transform was designed and implemented on a server. A central design of affective recognition and biofeedback system is described.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

A biomimetic tissue engineering scaffold for repairing the injured spinal cord: proof of concept

Sem resumo disponível.publishe

Wearable biopotential measurement using the TI ADS1198 analog front-end and textile electrodes : signal conditioning and signal quality assessment

The development of mobile systems for monitoring bioelectric signals outside a hospital environment involves many challenges that do not arise when it is in a controlled environment, like a hospital. The dimensions of these systems are an important factor to consider in order to facilitate their use without interfering with the daily activities of individuals. The purpose of this work is the implementation of a single-supply battery-powered, low power ECG/EMG signal monitoring system based on the ADS1198 Analog Front-End from Texas Instruments. The system was designed to acquire ECG signals from three electrodes using the integrated Right-Leg-Drive (RLD) circuit from the ADS1198. The developed analog front-end was connected for testing purposes through the SPI interface to a NI-USB 8451 board and signals were acquired using LabVIEW. The circuit was tested in several situations and proved to provide high quality signals using textile integrated electrodes and conventional disposable gel electrodes.FEDER- “Programa Operacional Factores de Competitividade – COMPETE”, FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia, projects PEst-C/CTM/UI0264/2011 and PTDC/EEA-ELC/70803/2006, and Instituto de Telecomunicaçõe

Continuous health monitoring using e-textile integrated biosensors

In this work, continuous health monitoring for disabled or elderly people is proposed using textile integrated electrodes for ECG measurement. Other applications, such as EMG or skin impedance measurement are also envisaged. The paper specifically describes a shirt integrating electrodes for ECG measurement that has been tested in several conditions. The techniques for integration of ECG electrodes can be directly applied for production of EMG or skin-impedance electrodes.Signal processing techniques for heart rate value extraction and to deal with low-quality signal or motion artefacts are being tested and will also be described. Results show that signals acquired with the shirt are comparable to signals acquired with conventional gel electrodes. The complete integration of the electrodes into clothing may have a very interesting psychological benefit, but some issues related to comfort and daily use have to be further investigated.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

A self-assembled 3D Go-Col composite scaffold for tissue engineering

A portfolio of Graphene Oxide-Collagen (GO-Col) composite scaffolds was prepared and submitted to mechanical and swelling tests in order to select the most suitable candidate for tissue engineering applications. The optimal GO-Col scaffold composition and its reduced contra-part were then tested as promising materials for cell culture assays