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Physiologically responsive mechanically adaptive polymeric materials for biomedical applications
Künstliche neurale Schnittstellen können verwendet werden, um das zentrale Nervensystem mit der äusseren Welt zu verbinden. Sie bieten deshalb grosses Potential für die Rehabilitierung von Patienten, die unter Lähmung, anderen Formen von motorischer Dysfunktion oder Amputationen leiden. Es wurden verschiedene Arten neuraler Gehirnschnittstellen entwickelt, mit unterschiedlichen Invasivitätsgraden sowie der Fähigkeit, neurale Signale aufzunehmen. Beispielsweise können nicht-eindringende aufzeichnende Elektroden, welche extern auf der Kopfhaut oder subdural auf der Hirnoberfläche angebracht werden, funktionale Informationen gewinnen. Allerdings ist unter Forschern die Annahme verbreitet, dass Aufzeichnungs- und Stimulationsgeräte, die in spezifische Regionen des Gehirns eindringen (z. B. intrakortikale Mikroelektroden), wahrscheinlich die nützlichsten Signale einer neuralen Schnittstelle liefern werden. Trotz des Potentials, welches intrakortikale Mikroelektroden gezeigt haben, ist die breite klinische Implementation durch die Tatsache behindert, dass es schwierig ist, beständig qualitativ hochwertige neurale Signale über einen klinisch relevanten Zeitrahmen aufzuzeichnen. Dies wird hauptsächlich durch Neuroinflammation verursacht, was sowohl Neuronendegeneration als auch Fremdkörperverkapselung beinhaltet. Viele Faktoren werden in Zusammenhang gebracht, einen Beitrag zur Entzündung der Gehirnareale in Folge von Geräteimplantationen zu leisten, darunter die mechanische Diskrepanz zwischen dem häufig sehr steifen Implantat und dem deutlich weicheren Hirngewebe, sowie dem oxidativen Stresszustand, der um das Implantat als Resultat der Entzündung entsteht. Um langzeit-beständige neurale Aufzeichnungen zu ermöglichen, werden neue Materialien für die nächste Generation intrakortikaler Mikroelektroden benötigt, mit grösserer Betonung auf einer Reduktion der neuroinflammatorischen Antwort benötigt. Die vorliegende Dissertation verfolgt die Entwicklung physiologisch responsiver, mechanisch adaptiver Polymere für neurale Schnittstellenapplikationen sowie eine Studie zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung dieser Materialien. Ausgehend von einem zuvor etablierten Designprinzip für chemisch-responsive mechanisch adaptive Materialien, inspiriert durch die Architektur der Dermis von Seegurken, wurden verschiedene Familien von Nanokompositen entworfen, präpariert und untersucht. Diese Materialien beinhalten ein Matrixpolymer, welches durch steife Cellulose Nanokristalle (cellulose nanocrystalls, CNCs) und die Wechselwirkungen zwischen den CNCs verstärkt wird, so dass auch die gesamten mechanischen Eigenschaften durch Kontakt mit Wasser beeinflusst werden können. Die adaptive Natur dieses Materials lässt es nützlich erscheinen als Basis für eindringende kortikale Mikroelektroden, die ausreichend steif sind, um einfach in den Kortex implantiert werden zu können, aber unter physiologischen Bedingungen erweichen und besser zur Steifigkeit des Gehirns passen. Mehrere neue, rational entworfene Materialien wurden untersucht. Nanokomposite basierend auf Polyvinylalkohol (PVA) und CNCs, gewonnen aus Manteltieren und Baumwolle, wurden hinsichtlich des Einflusses von Aspektverhältnis, Oberflächenladungsdichte und Füllstoffkonzentration auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die neuen Materialien bieten eine anfängliche Steifigkeit, welche signifikant höher ist als bei vorangegangenen Generationen solcher responsiver Materialien, vermutlich wegen der Wechselwirkungen zwischen Polymer und CNCs. Ferner wurde gezeigt, dass die Quellcharakteristika der Nanokomposite im wässrigen Medium durch die Verarbeitungsbedingungen kontrolliert werden konnten. Unter Verwendung dieses Instruments konnte der „Schaltkontrast“ der Nanokomposite durch Kontakt mit (emulierten) physiologischen Bedingungen variiert werden. Physiologisch responsive mechanisch adaptive Materialien basierend auf Polyvinylalkohol oder Polyvinylacetat und CNCs, die aus Manteltieren oder Baumwolle gewonnen wurden, wurden so konzipiert, auch lokal die antioxidativen Wirkstoffe Curcumin, Resveratrol oder Superoxiddismutase mimetisch mit plötzlichen („burst“) oder nachhaltigen Freisetzungsprofilen zu regulieren. Diese Materialien repräsentieren die ersten Beispiele für interkortikale Implantate, welche zwei voneinander unabhängig effektive Mechanismen kombinieren – mechanische Verformbarkeit und lokale Freisetzung von Antioxidantien. Sie erlauben erstmals Untersuchungen darüber, wie die Freisetzungskinetik bei Antioxidanstherapie an der intrakortikalen Implantat-Gewebe Grenzfläche die neurale Integration beeinflusst. Eine erste in-vivo Studie mit PVA/CNC/Curcumin Nanokompositen an Ratten zeigte, dass über die ersten vier Wochen der Implantation Curcumin-freisetzende, mechanisch adaptive Implantate mit einer höheren Neuronenüberlebensrate und einer stabileren Blut-Hirn-Schranke an der Grenzfläche zwischen Implantat und Gewebe assoziiert wurden als die reinen Polyvinylalkohol Kontrollproben. Abschliessend wurde die Fähigkeit der mechanischen Verformung durch Einfluss physiologischer Bedingungen für optische Fasern für die Optogenetik verwendet. Diese kürzlich entwickelte Plattform für neurale Schnittstellen beruht auf der Aktivierung oder Stummschaltung von Neuronen, die Licht verwenden. Es wird erwartet, dass die mechanische Diskrepanz zwischen konventionellen optischen Fasern und kortikalem Gewebe auch zur chronischen neuroinflammatorischen Antwort beiträgt. Daher wurden mechanisch adaptive optische Fasern aus PVA entwickelt, welche dieses Problem lindern könnten. Die Fasern wurden in einem einstufigen „dry-jet“ Nassspinnprozess produziert und sie zeigen eine anfängliche Steifigkeit, die geringfügig höher ist als die kommerziell erhältlicher optischer Fasern, und die müheloses Einführen von Implantaten mit geringem Durchmesser in den Kortex ermöglicht. Unter (emulierten) physiologischen Bedingungen quellen die Fasern mit Wasser geringfügig auf und ihre Steifigkeit wird signifikant reduziert, während die begleitenden Veränderungen der optischen Eigenschaften der Faser gering sind. Die optischen Fasern aus PVA erlauben es, Licht in einem Wellenlängenbereich zu transportieren, der hinreichend intensiv ist, Neuronen im Gehirn zu stimulieren und optischen Anforderungen für optogenetische Anwendungen gerecht zu werden. Die vorliegende Dissertation leitet fundamentale Einblicke in Struktur- Eigenschaftsbeziehungen her, indem sie die adaptive Natur dieser Materialien durch Zusammensetzung (z.B. unterschiedliche Polymermatrices, Art und Menge der Nanofüller und therapeutischer Substanzen) sowie die Verarbeitungsbedingungen vertieft. Während in-vivo Studien zum hier vorliegenden neuen Material gerade erst begonnen haben, ist es schon heute ersichtlich, dass die im Rahmen dieser Dissertation hergestellten und untersuchten Materialien zum Fortschritt des Verständnisses nützlich sind, wie stimuli-responsive Polymere helfen können, neuroinflammatorische Effekte in Zusammenhang mit Intrakortikalimplantaten zu verringern
Data ongreenhousegasesemission in condensateseparationunitofapetrochemical companyinIran
Sinceglobalwarmingduetogreenhousegasemissionsisno
respecterofgeographicalboundariesofcountries,concerted
mitigation activitiessuchas CleanDevelopmentMechanism
(CDM), aresuitable.Inthis mechanism,somedeveloped
countriescangaincertified emissionreductioncreditsfrom
emission reductionactionsundertakenindevelopingcoun-
tries.Thus,thedataofgreenhousegasemissionsindeveloping
countrieswouldbeinformativeforimplementingofCDM.
Herein,thedataofgreenhousegasemissionsofBandarImam
PetrochemicalComplex,oneof the biggestpetrochemical
companiesintheMiddleEastregionispresented.Thedatawas
acquiredusingemissionfactormethodandself-presentedraw
information oftheBandarImamPetrochemicalComplex.
Overall,thedatawillbeinterestingforenvironmentalists,non-
governmentalorganization(NGO), anddevelopedcountriesto
perform CDM.
& 2016TheAuthors.PublishedbyElsevierInc.Thisisanop
Data onbiodegradationoftotalpetroleum hydrocarbonsusingco-compostingofcow manure/oilydrillwastes
Oil drillcuttingsarechallengingwastesinoilsitesespeciallyin
Khuzestan province,amajoroilproducingregioninIran.Asco-
composting isasimpleandeco-friendlytechniqueforbior-
emediation ofoilbasedrillcutting,thisdataarticledesignedto
describe co-compostingofoilbasedrillcuttingwithcowmanure.
The datasuggestthatwithoptimizedmixtureofcowmanure/oily
drill wastes(here,20:1)couldengendermoreeffectivetreatment
of thewastes(with final totalpetroleumhydrocarbonof0.01g/
Kg). Thedatawillbeinformativeforoildrillingcompaniesand
environmentalagenciesforchoosingitasapracticalbioremedia-
tion processofsoil/wastespollutedbypetroleumhydrocarbons.
& 2016TheAuthors.PublishedbyElsevierInc.Thisisanopen
access articleundertheCCBYlicens
Mechanically switchable polymer fibers for sensing in biological conditions
The area of in vivo sensing using optical fibers commonly uses materials such as silica and polymethyl methacrylate, both of which possess much higher modulus than human tissue. The mechanical mismatch between materials and living tissue has been seen to cause higher levels of glial encapsulation, scarring, and inflammation, leading to failure of the implanted medical device. We present the use of a fiber made from polyvinyl alcohol (PVA) for use as an implantable sensor as it is an easy to work with functionalized polymer that undergoes a transition from rigid to soft when introduced to water. This ability to switch from stiff to soft reduces the severity of the immune response. The fabricated PVA fibers labeled with fluorescein for sensing applications showed excellent response to various stimuli while exhibiting mechanical switchability. For the dry fibers, a tensile storage modulus of 4700 MPa was measured, which fell sharply to 145 MPa upon wetting. The fibers showed excellent response to changing pH levels, producing values that were detectable in a range consistent with those seen in the literature and in proposed applications. The results show that these mechanically switchable fibers are a viable option for future sensing applications
Magnetic titanium/carbon nanotube nanocomposite catalyst for oxidative degradation of Bisphenol A from high saline polycarbonate plant effluent using catalytic wet peroxide oxidation
In this study, a magnetic titanium nanotube/carbon nanotube nanocomposite (magnetite TNT@CNT nanocomposite)
was developed and its efficiency was evaluated towards oxidative degradation of Bisphenol A (BPA)
from high saline polycarbonate plant wastewater (PCW) using catalytic wet peroxide oxidation (CWPO). The
characterization of the nanocomposite was performed using XRD, SEM, BET surface area, FT-IR, and VSM
analysis. The effects of operating conditions, including solution pH, H2O2 dosage, reaction temperature and
catalyst loading, were optimized in the CWPO process for degradation of BPA in the PCW. In the best obtained
experimental condition, at pH of 6.30, H2O2 dosage of 2.5 g/L, temperature of 70 °C and 100 mg/L of catalyst
dosage, CWPO process exhibits the best catalytic performance with the complete BPA degradation, 68.78% of
COD removal and 47.14% of TOC reduction for PCW being obtained. The role of hydroxyl radicals in the
reaction mechanism was shown by indirect analysis i.e. tert Butanol (tBuOH) scavenging experiment. Under the
optimum experimental conditions, the stability and reusability of the nanocomposite was demonstrated with
slight decline (< 10% reduction) in the CWPO after four consecutive runs in terms of its catalytic activity. The
fate of organic pollutants in the treated PCW by CWPO was identified by qualitative GC/MS analysis. The
biodegradability of the treated PCW increased during the CWPO process with a 4-fold increase of the BOD5/COD ratio being obtained, namely from 0.1 (indicating non-biodegradability) to 0.43 (showing biodegradability by
means of biological treatment) and AOS and COS were increased to 2.26 and 3.08, respectively. Overall, the
CWPO process with magnetite TNT/CNT nanocomposite, due to the simple and easy in-situ catalyst recovery/
separation and good catalytic activity, can be considered as a promising destructive technology for industrial
wastewater treatment.The present work was a part of a Ph.D. thesis of Seyyed Abbas Mirzaee in Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences (AJUMS), Ahvaz, Iran. This study was financially supported by Environmental Technologies Research Center, AJUMS (grant No. ETRC-9612 ). The authors would also like to grateful to Mrs. Atashin, Mrs. Azizi and Mrs. Khodadadi for running the TOC , HPLC and GC/MS analyzer, respectively. Appendix Ainfo:eu-repo/semantics/publishedVersio
Advancedtreatmentofsalinemunicipal wastewaterby Ruppia maritima: Adataset
Saline municipalwastewatertreatmentisachallengingenviron-
mental issueincoastalcities,duetothedischargeofsalinewater
into thesewers.Thepresentresearcharticlefocusesonthephy-
toremediationofhighsalinemunicipalwastewaterby Ruppia
maritime, awidespreadplantwhichcanbefoundinsalinemedium
such astraditional fish ponds,estuaries,tidal flats, saltpans,
coastal paddy fields, coastallagoons,marshpools,andmangrove
salt marshesinKhuzestanprovince,Iran.Theexperimentaldata
wasobtainedusingapilotplantconstructedinChobeinehwas-
tewatertreatmentplantinAhvazcity,fedbyactivatedsludge
effluent in3levelsofelectricalconductivity(EC)(10,15,
20 mscm�1), during45daysoftheexperiment.Chemicaloxygen
demand (COD),totalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP)andtotal
suspended solids(TSS)weredailymonitoredinblankandpilot
study.TheCODremovaldecreasedfrom83.26%to72.39%by
increasing theEClevelfrom10to20mscm�1, respectively.The
experimentaldatawillpracticallybeanappropriatesourceof
information forenvironmentalengineerstodesignanatural
treatment scenarioforsalinewastewatertreatment
Biodegradation of total petroleum hydrocarbons in contaminated soils using indigenous bacterial consortium
Background: Biodegradation of hydrocarbon compounds is a great environmental concern due to
their toxic nature and ubiquitous occurrence. In this study, biodegradation potential of oily soils was
investigated in an oil field using indigenous bacterial consortium.
Methods: The bacterial strains present in the contaminated and non-contaminated soils were
identified via DNA extraction using 16S rDNA gene sequencing during six months. Furthermore, total
petroleum hydrocarbons (TPH) were removed from oil-contaminated soils. The TPH values were
determined using a gas chromatograph equipped with a flame ionization detector (GC-FID).
Results: The bacterial consortium identified in oil-contaminated soils (case) belonged to the
families Halomonadaceae (91.5%) and Bacillaceae (8.5%), which was significantly different from
those identified in non-contaminated soils (control) belonging to the families Enterobacteriaceae
(84.6%), Paenibacillaceae (6%), and Bacillaceae (9.4%). It was revealed that the diversity of bacterial
strains was less in oil-contaminated soils and varied significantly between case and control samples.
Indigenous bacterial consortium was used in oil-contaminated soils without need for amplification of
heterogeneous bacteria and the results showed that the identified bacterial strains could be introduced
as a sufficient consortium for biodegradation of oil-contaminated soils with similar texture, which is
one of the innovative aspects of this research.
Conclusion: An oil-contaminated soil sample with TPH concentration of 1640 mg/kg was subjected to
bioremediation during 6 months using indigenous bacterial consortium and a TPH removal efficiency
of 28.1% was obtained.
Keywords: Oil-contaminated soils, Biodegradation, Bacterial diversity, Total petroleum hydrocarbons,
Indigenous bacterial consortiu
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