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

Human Neurospheroid Arrays for In Vitro Studies of Alzheimer’s Disease

Neurospheroids are commonly used for in vitro disease modeling and drug screening. However, the heterogeneity in size of the neurospheroids mixtures available through current methods limits their utility when employed for basic mechanistic studies of neurodegenerative diseases or screening for new interventions. Here, we generate neurospheroids from immortalized neural progenitor cells and human induced pluripotent stem cells that are uniform in size, into large-scale arrays. In proof of concept experiments, we validate the neurospheroids array as a sensitive and robust tool for screening compounds over extended time. We show that when suspended in three-dimensional extracellular matrix up to several weeks, the stem cell-derived neurospheroids display extensive neurite outgrowth and extend thick bundles of dendrites outward. We also cultivate genetically-engineered stem cell-derived neurospheroids with familial Alzheimer’s disease mutations for eight weeks in our microarray system. Interestingly, we observed robust accumulation of amyloid-β and phosphorylated tau, key hallmarks of Alzheimer’s disease. Overall, our in vitro model for engineering neurospheroid arrays is a valuable tool for studying complex neurodegenerative diseases and accelerating drug discovery

Endothelium and Subendothelial Matrix Mechanics Modulate Cancer Cell Transendothelial Migration

Cancer cell extravasation, a key step in the metastatic cascade, involves cancer cell arrest on the endothelium, transendothelial migration (TEM), followed by the invasion into the subendothelial extracellular matrix (ECM) of distant tissues. While cancer research has mostly focused on the biomechanical interactions between tumor cells (TCs) and ECM, particularly at the primary tumor site, very little is known about the mechanical properties of endothelial cells and the subendothelial ECM and how they contribute to the extravasation process. Here, an integrated experimental and theoretical framework is developed to investigate the mechanical crosstalk between TCs, endothelium and subendothelial ECM during in vitro cancer cell extravasation. It is found that cancer cell actin-rich protrusions generate complex push-pull forces to initiate and drive TEM, while transmigration success also relies on the forces generated by the endothelium. Consequently, mechanical properties of the subendothelial ECM and endothelial actomyosin contractility that mediate the endothelial forces also impact the endothelium's resistance to cancer cell transmigration. These results indicate that mechanical features of distant tissues, including force interactions between the endothelium and the subendothelial ECM, are key determinants of metastatic organotropism