Development of 2-oxazoline-based hydrogels and porous polyester microparticles in scCO2

Thesis submitted to Faculdade de Ciências e Tecnologia from Universidade Nova de Lisboa in partial fulfillment of the requirements for the obtention of the degree of Master of Science in Biotechnology

Development of composite particles for pulmonary delivery

In this work, biocompatible and biodegradable poly(D-L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microparticles with the potential for use as a controlled release system of vaccines and other drugs to the lung were manufactured using supercritical CO2, through the Supercritical Assisted Atomization (SAA) technique. After performing a controlled variance in production parameters (temperature, pressure, CO2/solution flow ratio) PLGA microparticles were characterized and later used to encapsulate active pharmaceutical ingredients (API). Bovine serum albumin (BSA) was chosen as model protein and vaccine, while sildenafil was the chosen drug to treat pulmonary artery hypertension and their effect on the particles characteristics was evaluated. All the produced formulations were characterized in relation to their morphology (Morphologi G3 and scanning electronic microscopy (SEM)), to their physical-chemical properties (X-ray diffraction (XRD, differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FTIR)) and aerodynamic performance using an in vitro aerosolization study – Andersen cascade impactor (ACI) - to obtain data such as the fine particle fraction (FPF) and the mass median aerodynamic diameter (MMAD). Furthermore, pharmacokinetic, biodegradability and biocompatibility tests were performed in order to verify the particle suitability for inhalation. The resulting particles showed aerodynamic diameters between the 3 and 5 μm, yields up to 58% and FPF percentages rounding the 30%. Taken as a whole, the produced microparticles do present the necessary requests to make them appropriate for pulmonary delivery.

Metodologias de tratamento em microfilmes de acetato de celulose

A presente dissertação, integra-se no projeto ‘Digitalização e Tratamento da Filmoteca Ultramarina Portuguesa’, que inclui o tratamento e digitalização de uma coleção de microfilmes em películas de 35 mm em AC. A coleção é composta por mais de meio milhão de exposições (511.397) de variadas marcas comerciais. Deste conjunto, os negativos da marca Perutz são a parte considerada em pior estado de preservação, contendo itens considerados irrecuperáveis, devido ao seu total encurvamento e enrolamento, comportamento incomum relacionado com a deterioração do AC. Portanto, este conjunto constitui o nosso objeto de estudo, prioritário a recuperar a informação contida nestes microfilmes, pois as coleções originais, em papel, estão inacessíveis e em mau estado de conservação. Devido a uma deterioração atípica, uma das etapas principais é compreender o material, tendo-se recorrido à MO, para análise da estratigrafia, à μ-FTIR e à medição da acidez com as A-D STRIPS® e dois métodos de potenciometria de pH (com a utilização de dois tipos de elétrodo, superfície plana e microelétrodo). Nos microfilmes aparentemente impossíveis de desenrolar, foram ensaiados e comparados neste estudo, diferentes tratamentos de C&R tradicionalmente aplicados nesta área, designadamente humidificação e transferência de emulsão, os quais se revelaram inadequados para as deteriorações em presença. Foi assim necessário recorrer a outras áreas afins da fotografia, para poder encontrar uma solução já testada com sucesso, a qual estaria na área do cinema, com o tratamento deshrinking que permitiu a recuperação da imagem possibilitando a sua informatização e colocação em base de dados, com o benefício inesperado de uma planificação permanente do objeto. Recorreu-se também à área da digitalização 3D e modulação computacional, mas sem resultados até a data. Assim, o tratamento deshrinking mostrou-se o mais eficaz sendo aprimorado, tendo-se passado de uma simples ação pontual e reversível de planificação para uma mais definitiva.

Desenvolvimento piloto de novas tipologias de fibras sintéticas

O presente trabalho, desenvolvido nas instalações da FISIPE, teve como objectivo a caracterização de fibra oxidada (FOX),actualmente em desenvolvimento, com vista ao controlo de processo e de qualidade, e centrou-se em quatro parâmetros: i. Densidade; ii. Índice de Aromaticidade; iii. Índice de Oxigénio Limitante; iv. Grupos funcionais. No estudo da densidade realizou-se: a. Consolidação do método actualmente usado na empresa, observando-se uma redução da incerteza para metade (±0,005 gcm-3). b. Análise de diferentes amostras de FOX que apresentaram valores entre 1,348-1,387 gcm-3, que atendendo à incerteza do método, se encontram dentro dos valores de referência (1,35-1,39 gcm-3). c. Previsão de densidades ao longo da etapa de estabilização oxidativa. Confirmou-se ser apenas possível pela expressão apresentada numa das fontes consultada. Para o Índice de Aromaticidade (AI) efectuou-se: a. Estudo de quatro métodos de integração de curvas de DSC para determinação do calor de combustão que permite determinar o AI. Verificou-se que o mais indicado seria o uso da temperatura de on-set como limite inferior à linha de base de integração. b. Análise de diferentes amostras de FOX, observando-se valores de AI entre os 66% e 81%. Na determinação do Índice de Oxigénio Limitante, parâmetro exclusivo de qualidade, analisaram-se amostras de cabo pela adaptação da norma ASTM D 2863-06a. Obtiveram-se valores acima dos 40%O2 para a fibra oxidada. Para a verificação dos grupos funcionais realizou-se: a. Análise de FTIR, confirmando-se o desaparecimento de grupos nitrilo em função do tempo de oxidação, e a formação de bandas conjugadas e sobrepostas, indicando a presença de estruturas ciclizadas e aromatizadas. b. Proposta de um mecanismo reaccional para a reacção de oxidação de uma determinada fibra precursora. Com o intuito de minimizar o tempo de caracterização das FOX, procurou-se ainda encontrar uma correlação entre a densidade e o Índice de Aromaticidade, tanto ao longo da etapa de oxidação, como da fibra oxidada final. Conclui-se que não é possível estabelecer uma relação matemática para as amostras analisadas.

Estudo da aplicação de adesivos de cura UV em conservação e restauro de vidro e vitral

Do presente trabalho resultou a submissão de um artigo, com o título UV Curing Adhesives for Conservation of Glass- Chemical and Mechanical Stability, para comunicação oral em conferência internacional intitulada Recent Advances in Glass and Ceramics Conservation, a ocorrer em Wroclaw, Polónia, de 25 a 29 de Maio de 2016, no âmbito do ICOM-CC Glass and Ceramics Working Group Interim Meeting.

Engineering bio-based polymers using alternative solvents and processes

The work presented in this thesis explores novel routes for the processing of bio-based polymers, developing a sustainable approach based on the use of alternative solvents such as supercritical carbon dioxide (scCO2), ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DES). The feasibility to produce polymeric foams via supercritical fluid (SCF) foaming, combined with these solvents was assessed, in order to replace conventional foaming techniques that use toxic and harmful solvents. A polymer processing methodology is presented, based on SCF foaming and using scCO2 as a foaming agent. The SCF foaming of different starch based polymeric blends was performed, namely starch/poly(lactic acid) (SPLA) and starch/poly(ε-caprolactone) (SPCL). The foaming process is based on the fact that CO2 molecules can dissolve in the polymer, changing their mechanical properties and after suitable depressurization, are able to create a foamed (porous) material. In these polymer blends, CO2 presents limited solubility and in order to enhance the foaming effect, two different imidazolium based ILs (IBILs) were combined with this process, by doping the blends with IL. The use of ILs proved useful and improved the foaming effect in these starch-based polymer blends. Infrared spectroscopy (FTIR-ATR) proved the existence of interactions between the polymer blend SPLA and ILs, which in turn diminish the forces that hold the polymeric structure. This is directly related with the ability of ILs to dissolve more CO2. This is also clear from the sorption experiments results, where the obtained apparent sorption coefficients in presence of IL are higher compared to the ones of the blend SPLA without IL. The doping of SPCL with ILs was also performed. The foaming of the blend was achieved and resulted in porous materials with conductivity values close to the ones of pure ILs. This can open doors to applications as self-supported conductive materials. A different type of solvents were also used in the previously presented processing method. If different applications of the bio-based polymers are envisaged, replacing ILs must be considered, especially due to the poor sustainability of some ILs and the fact that there is not a well-established toxicity profile. In this work natural DES – NADES – were the solvents of choice. They present some advantages relatively to ILs since they are easy to produce, cheaper, biodegradable and often biocompatible, mainly due to the fact that they are composed of primary metabolites such as sugars, carboxylic acids and amino-acids. NADES were prepared and their physicochemical properties were assessed, namely the thermal behavior, conductivity, density, viscosity and polarity. With this study, it became clear that these properties can vary with the composition of NADES, as well as with their initial water content. The use of NADES in the SCF foaming of SPCL, acting as foaming agent, was also performed and proved successful. The SPCL structure obtained after SCF foaming presented enhanced characteristics (such as porosity) when compared with the ones obtained using ILs as foaming enhancers. DES constituted by therapeutic compounds (THEDES) were also prepared. The combination of choline chloride-mandelic acid, and menthol-ibuprofen, resulted in THEDES with thermal behavior very distinct from the one of their components. The foaming of SPCL with THEDES was successful, and the impregnation of THEDES in SPCL matrices via SCF foaming was successful, and a controlled release system was obtained in the case of menthol-ibuprofen THEDES.

A influência da água nas propriedades termofísicas dos solventes eutécticos

Nos últimos anos, têm sido efectuados muitos estudos acerca do impacto ambiental dos Líquidos Iónicos (LIs). Estes estudos provaram que apesar das suas características únicas e vantagens claras sobre os solventes orgânicos comuns, numa vasta gama de aplicações e processos, que os LIs por vezes não são totalmente verdes. Com o objectivo de superar algumas das limitações dos LIs em termos de sustentabilidade e estado físico, surgem recentemente os Solventes Eutécticos Profundos (SEs) que têm sido alvo de grande pesquisa científica. O objectivo deste trabalho é estudar os SEs e as suas propriedades termofísicas em soluções aquosas, como condutividade, densidade e viscosidade, com diferentes teores de água. Para esse efeito foi utilizado o cloreto de colina que é um líquido iónico benigno, que será utilizado como aceitador de pontes de hidrogénio, combinado com os vários dadores de pontes de hidrogénio, como o ácido glicólico, o ácido glutárico, o ácido levulínico, o ácido malónico e o ácido oxálico. O principal objectivo deste trabalho baseia-se no estudo do efeito da água na estabilidade dos SEs, quando estes estão presentes em soluções aquosas. No final, foi ainda realizada uma caracterização destes SEs por espectroscopia FTIR, de forma a garantir que ocorreram as pontes de hidrogénio entre o aceitador de pontes de hidrogénio, cloreto de colina e os dadores de pontes de hidrogénio, diversos ácidos carboxílicos.