Production and characterization of electrospun composite fibers: confinement of thermosensitive microgels

Materials engineering focuses on the assembly of materials´ properties to design new products with the best performance. By using sub-micrometer size materials in the production of composites, it is possible to obtain objects with properties that none of their compounds show individually. Once three-dimensional materials can be easily customized to obtain desired properties, much interest has been paid to nanostructured poly-mers in order to build biocompatible devices. Over the past years, the thermosensitive microgels have become more common in the framework of bio-materials with potential applicability in therapy and/or diagnostics. In addition, high aspect ratio biopolymers fibers have been produced using the cost-effective method called electrospinning. Taking advantage of both microgels and electrospun fibers, surfaces with enhanced functionalities can be obtained and, therefore employed in a wide range of applications. This dissertation reports on the confinement of stimuli-responsive microgels through the colloidal electro-spinning process. The process mainly depends on the composition, properties and patterning of the precur-sor materials within the polymer jet. Microgels as well as the electrospun non-woven mats were investigated to correlate the starting materials with the final morphology of the composite fibers. PNIPAAm and PNIPAAm/Chitosan thermosensitive microgels with different compositions were obtained via surfactant free emulsion polymerization (SFEP) and characterized in terms of chemical structure, morphology, thermal sta-bility, swelling properties and thermosensitivity. Finally, the colloidal electrospinning method was carried out from spinning solutions composed of the stable microgel dispersions (up to a concentration of about 35 wt. % microgels) and a polymer solution of PEO/water/ethanol mixture acting as fiber template solution. The confinement of microgels was confirmed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The electrospinning process was statistically analysed providing the optimum set of parameters aimed to minimize the fiber diameter, which give rise to electrospun nanofibers of PNIPAAm microgels/PEO with a mean fiber diameter of 63 ± 25 nm.

The influence of geometric factors on the wall shear stress distribution in realistic human coronary arteries

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica. A presente dissertação foi desenvolvida no Erasmus Medical Center em Roterdão, Holanda

Caracterização da aterosclerose sub-clínica e doença coronária em doentes com síndrome metabólica e diabetes mellitus

RESUMO- Introdução: A obesidade e a Síndrome Metabólica (SM) são atualmente um importante problema de saúde pública, com prevalências crescentes, que se acompanham também por aumento da prevalência de Diabetes Mellitus (DM).Estudos prévios demonstram associação destas entidades com o aumento de risco de eventos cardiovasculares, em particular a DM. A SM tem sido uma entidade muito debatida nos últimos anos, com aparecimento de diversas definições, contribuindo para resultados díspares no que diz respeito à influência da SM nas doenças cardiovasculares. Também têm sido descritas variações étnicas e regionais. Para além de alguns estudos epidemiológicos na população geral, a informação relativamente à sua influência na presença de doença cardiovascular é desconhecida em Portugal, em particular em populações com suspeita de doença coronária. Objetivos - Esclarecimento de questões relacionadas com a prevalência de SM e a sua influência na evolução de doença ateroclerótica arterial por avaliação de uma população com suspeita de doença coronária. População e Métodos - Estudo observacional, transversal, com inclusão prospetiva de indivíduos admitidos letivamente para realização de angiografia coronária por suspeita de doença coronária, tendo sido também efetuadas análises laboratoriais e ecografia carotidea para avaliação da espessura intima-média carotidea (EIMc) e da presença de placas carotídeas. Efetuou-se avaliação dos parâmetros demográficos, antropométricos, determinação do perfil lipídico, glicémia e insulinémia. Os exames angiográficos foram analisados por análise quantitativa semi-automática. Foram excluídos indivíduos com antecedentes conhecidos de doença cardíaca. Resultados - Incluíram-se 300 doentes, com idade média de 64 ± 9 anos, 59% do género masculino. A prevalência de SM de acordo com a definição da AHA/NHLBI foi 48,4% (ajustada para idade e género da população portuguesa) e a prevalência de DM foi 14,8% (ajustada). A concordância global das três definições mais recentes de SM foi de apenas 43%. A prevalência de SM aumenta com a idade e é também mais elevada no género feminino. O componente mais frequente foi a hipertensão arterial, seguido pela obesidade abdominal, a elevação da glicémia e por fim as alterações dos triglicéridos e do colesterol HDL. Por outro lado, a presença de doença coronária significativa (lesões ≥50%) ocorreu em apenas 51,3% dos doentes, sendo ainda mais baixa no género feminino. Demonstrou-se também uma baixa capacidade preditiva para doença coronária dos testes não invasivos clássicos, em particular no género feminino. A prevalência de doença coronária significativa foi idêntica nos indivíduos com SM comparativamente com indivíduos sem alterações metabólicas (46,3% vs. 48,2%, respectivamente), sendo mais elevado nos diabéticos (65,2%). Os fatores predizentes independentes de doença coronária significativa foram a idade, o género masculino, a elevação da glicémia e dos triglicéridos. Pelo contrário, o Índice de Massa Corporal (IMC) mostrou uma associação protetora relativamente à presença de doença coronária. A SM não é fator predizente de doença coronária. Relativamente às dimensões dos vasos coronários, o IMC correlaciona-se positivamente e a glicémia / DM correlacionam-se negativamente. A EIMc aumenta com o aumento da idade e no género masculino. A EIMc foi intermédia nos doentes com SM (0,88 ± 0,31 mm) comparativamente com os doentes diabéticos (0,97 ± 0,34 mm) e os indivíduos “Normais” (0,85 ± 0,34 mm). Os fatores predizentes independentes de EIMc foram a idade, o género masculino, o colesterol HDL e a insulinémia. A EIMc permite predizer com uma acuidade moderada a presença de doença coronária significativa (AUC 0,638), em particular no género feminino, sendo um fator predizente independente de presença de doença coronária (OR 2,35, IC 95% 1,04-5,33. p=0,04). Apesar de não se correlacionar com o número de vasos coronários com doença, correlacionou-se com a gravidade da doença (pelo score de Gensini). A insulinémia e o índice HOMA aumentam diretamente com a idade e com o IMC, sendo contudo sobreponíveis em ambos os géneros. Os fatores predizentes de índice HOMA (resistência à insulina) foram o IMC, bem como os restantes componentes de SM, estando o índice HOMA relacionado com a presença de SM e o número dos seus componentes presentes. O limiar para resistência à insulina foi de 2,66 e para SM foi 2,41. Ao contrário das restantes definições de SM, a definição da AHA/NHLBI não é predizente da presença de DM no género masculino. A associação da resistência à insulina com doença coronária foi limiar (OR 1,13, IC 95% 1,00-1,28, p=0,045). Conclusões - Numa população com suspeita de doença coronária, a prevalência de SM é muito elevada (superior a 50%), sendo a prevalência de DM de 23%. Também a obesidade e o excesso de peso foram extremamente prevalentes nesta população. A concordância entre definições de SM é baixa. A hipertensão arterial e a obesidade abdominal são os componentes mais frequentes de SM, sendo menos prevalentes as alterações lipídicas. Pelo contrário, a presença de doença coronária significativa foi muito baixa, em particular nas mulheres. A SM não se associou à presença de doença coronária significativa, estando esta mais dependente das alterações do metabolismo glicídico e dos triglicéridos, bem como de outros fatores de risco não modificáveis, nomeadamente a idade e o género. A EIMc da carótida comum e a presença de placas carotídeas é mais elevada nos indivíduos diabéticos, estando também ligeiramente aumentada nos doentes com SM, sendo os fatores predizentes de EIMc apenas a idade, o género, a hiperinsulinémia bem como os níveis baixos de colesterol HDL. A utilização da avaliação da EIMc na estratificação de risco pré-angiografia coronária, poderá ser útil no género feminino. A hiperinsulinémia e o índice HOMA (índice de resistência à insulina), estão relacionados com o IMC e consequentemente com a presença de obesidade, embora também se correlacione de forma independente com os outros componentes de SM. A resistência à insulina associou-se à presença de SM. Relativamente à capacidade preditiva da coexistência com DM, verificou-se associação com a definição da NCEP-ATP III e da IDF, contudo, a definição da AHA/NHLBI só foi predizente de DMnas mulheres. -------------ABSTRACT - Introduction: Obesity and Metabolic Syndrome (MS) are a major public health problem, with increasing prevalence, that follows the increase in diabetes prevalence. Previous studies showed an association of both entities with increased cardiovascular risk, particularly diabetes. MS has been debated in the last few years, with several definitions and different results when analysed the influence of MS on cardiovascular diseases. There are also some regional and ethnical variations. Beyond general population epidemiological studies, information about the influence on cardiovascular disease in Portugal is unknown, particularly in patients with suspected coronary disease. Objectives- To clarify several questions regarding the prevalence of MS and the influence in arterial atherosclerotic disease by evaluation of a population with suspected coronary artery disease. Population and Methods- Observational, cross-sectional study with prospective inclusion of individuals admitted electively for coronary angiography with suspicion of coronary artery disease. All individuals also performed laboratorial evaluation and carotid ultrasound to evaluate carotid intima-media thickness (cIMT) and carotid plaques. We also evaluated demographic, anthropometric parameters, lipid profile, blood glucose and blood insulin. Angiographic data was obtained by semi-automated quantitation. Individuals with previously known cardiac history were excluded from the study. Results- We included 300 individuals with a mean age of 64 ± 9 years, 59% males. MS prevalence according to AHA/NHLBI definition was 48.4% (adjusted for age and gender of the Portuguese population) and the adjusted prevalence of diabetes was 14.8%. Global agreement between the more recent three definitions of MS was only 43%. MS prevalence increases with age and is also higher in women. The most frequent components were hypertension and abdominal obesity, followed by elevated glucose and triglicerides and low HDL-cholesterol. Significant coronary artery disease (stenosis ≥50%) was present in only 51.3% of patients, being lower in females. Non-invasive tests also had a low predictive capacity, particularly in females. The prevalence of significant coronary disease was identical in patients with MS compared with normal metabolism individuals (46.3% vs. 48.2%, respectively), being higher in diabetics (65.2%). Independent predictive factors for coronary disease were age, male gender, high blood glucose and triglycerides. On the contrary, Body Mass Index (BMI) was a protective factor for coronary disease. MS wasn’t a predictor of coronary disease. BMI showed a positive correlation with coronary vessel diameter and glucose /diabetes had a negative correlation. CIMT increased with age and was higher in males. CIMT was intermediate in patients with MS (0.88 ± 0.31 mm) when compared to diabetic patients (0.97 ± 0.34 mm) and “Normal” individuals (0.85 ± 0.34 mm). Independent predictors for cIMT were age, male gender, HDL-cholesterol and insulin. CIMT had a moderate predictive accuracy for coronary disease (AUC 0,638), particularly in females and is an independent predictor of the presence of significant coronary disease (OR 2.35, 95% CI 1.04-5.33. p=0.04). Although it did not correlate with the number of diseased coronary arteries, it correlated with coronary disease severity by the Gensini score. Insulin and HOMA index increase directly with age and BMI, but were identical in both genders. Predictive factors for HOMA index (insulin resistance) were BMI as well as the other MS components. HOMA index is related to MS and the number of its components. The cut-off for insulin resistance was 2.66 and for MS 2.41. Unlike other MS definitions, AHA/NHLBI definition is not a predictor of diabetes in males. There was a borderline association between insulin resistance and coronary disease (OR 1.13, 95% CI 1.00-1.28, p=0.045). Conclusions - In a population of patients with suspected coronary disease, MS prevalence is extremely high (above 50%) with a diabetes prevalence of 23%. Also obesity and overweight are very prevalent in this population. Global agreement between MS definitions is however low. Hypertension and abdominal obesity are the most frequent components, with a lower prevalence of lipid abnormalities. Coronary disease prevalence was low, particularly in women. MS wasn’t associated with coronary disease. Coronary disease was related to glucose and triglycerides, as well as with other non-modifiable factors such as age and gender. CIMT and carotid plaques are increased in diabetic patients, and also slightly elevated in patients with MS, but cIMT independent predictors were age, male gender, insulin and HDLcholesterol. CIMT can be useful in risk stratification before coronary angiography particularly in women. Elevated insulin and HOMA index (an insulin resistance index) are related with BMI and consequently with obesity, and it was also correlated with other MS components. Insulin resistance was associated with MS. The presence of diabetes was associated with the presence of MS by NCEP-ATP III and IDF definitions; however, AHA/NHLBI definition was only predictive of diabetes in females.

Improved polymeric medical devices for active substances delivery

The work presented in this thesis was developed in collaboration with a Portuguese company, BeyonDevices, devoted to pharmaceutical packaging, medical technology and device industry. Specifically, the composition impact and surface modification of two polymeric medical devices from the company were studied: inhalers and vaginal applicators. The polyethylene-based vaginal applicator was modified using supercritical fluid technology to acquire self-cleaning properties and prevent the transport of bacteria and yeasts to vaginal flora. For that, in-situ polymerization of 2-substituted oxazolines was performed within the polyethylene matrix using supercritical carbon dioxide. The cationic ring-opening polymerization process was followed by end-capping with N,N-dimethyldodecylamine. Furthermore, for the same propose, the polyethylene matrix was impregnated with lavender oil in supercritical medium. The obtained materials were characterized physical and morphologically and the antimicrobial activity against bacteria and yeasts was accessed. Materials modified using 2-substituted oxazolines showed an effective killing ability for all the tested microorganisms, while the materials modified with lavender oil did not show antimicrobial activity. Only materials modified with oligo(2-ethyl-2-oxazoline) maintain the activity during the long term stability. Furthermore, the cytotoxicity of the materials was tested, confirming their biocompatibilty. Regarding the inhaler, its surface was modified in order to improve powder flowability and consequently, to reduce powder retention in the inhaler´s nozzle. New dry powder inhalers (DPIs), with different needle’s diameters, were evaluated in terms of internal resistance and uniformity of the emitted dose. It was observed that they present a mean resistance of 0.06 cmH2O0.5/(L/min) and the maximum emitted dose obtained was 68.9% for the inhaler with higher needle´s diameter (2 mm). Thus, this inhaler was used as a test and modified by the coating with a commonly-used force control agent, magnesium stearate, dried with supercritical carbon dioxide (scCO2) and the uniformity of delivered dose tests were repeated. The modified inhaler showed an increase in emitted dose from 68.9% to 71.3% for lactose and from 30.0% to 33.7% for Foradil.

Mechanical characterization of aortas using 2D ultrasound elastography

Rupture of aortic aneurysms (AA) is a major cause of death in the Western world. Currently, clinical decision upon surgical intervention is based on the diameter of the aneurysm. However, this method is not fully adequate. Noninvasive assessment of the elastic properties of the arterial wall can be a better predictor for AA growth and rupture risk. The purpose of this study is to estimate mechanical properties of the aortic wall using in vitro inflation testing and 2D ultrasound (US) elastography, and investigate the performance of the proposed methodology for physiological conditions. Two different inflation experiments were performed on twelve porcine aortas: 1) a static experiment for a large pressure range (0 – 140 mmHg); 2) a dynamic experiment closely mimicking the in vivo hemodynamics at physiological pressures (70 – 130 mmHg). 2D raw radiofrequency (RF) US datasets were acquired for one longitudinal and two cross-sectional imaging planes, for both experiments. The RF-data were manually segmented and a 2D vessel wall displacement tracking algorithm was applied to obtain the aortic diameter–time behavior. The shear modulus G was estimated assuming a Neo-Hookean material model. In addition, an incremental study based on the static data was performed to: 1) investigate the changes in G for increasing mean arterial pressure (MAP), for a certain pressure difference (30, 40, 50 and 60 mmHg); 2) compare the results with those from the dynamic experiment, for the same pressure range. The resulting shear modulus G was 94 ± 16 kPa for the static experiment, which is in agreement with literature. A linear dependency on MAP was found for G, yet the effect of the pressure difference was negligible. The dynamic data revealed a G of 250 ± 20 kPa. For the same pressure range, the incremental shear modulus (Ginc) was 240 ± 39 kPa, which is in agreement with the former. In general, for all experiments, no significant differences in the values of G were found between different image planes. This study shows that 2D US elastography of aortas during inflation testing is feasible under controlled and physiological circumstances. In future studies, the in vivo, dynamic experiment should be repeated for a range of MAPs and pathological vessels should be examined. Furthermore, the use of more complex material models needs to be considered to describe the non-linear behavior of the vascular tissue.

Estratégia de vacinação para eliminar o sarampo : um estudo sero-epidemiológico em diferentes populações vacinais

RESUMO - Introdução: As alterações epidemiológicas do sarampo em Portugal, assim como a existência de surtos de doença na Europa e noutras regiões do mundo, associadas ao facto de a informação sero epidemiológica atualizada ser escassa e pontual, e nem sempre estar relacionada com o estado vacinal, dificultam a tomada de decisões fundamentadas na área da vacinação, nomeadamente no que respeita às idades ótimas para a administração de VASPR I e VASPR II. Este estudo pretende avaliar a adequação da estratégia vacinal contra o sarampo vigente em Portugal, no que diz respeito às idades para realização da VASPR I e da VASPR II, no sentido de dar continuidade ao cumprimento do objetivo de eliminar a doença em território nacional. Material e métodos: Foi realizado um estudo com 206 recém-nascidos filhos de mães com diferentes estados vacinais contra o sarampo (0 doses, 1 dose e 2 doses). Também foram estudados 186 adolescentes/jovens que realizaram a VASPR II em diferentes idades. Os dados obtidos provêm de 3 fontes de informação: história vacinal documentada; questionários aplicados por entrevista e informação serológica. A informação serológica foi obtida através do doseamento do título de anticorpos específicos antissarampo (ATS IgG) em soros, recorrendo ao método imunoenzimático ELISA do kit Enzygnost® Anti-measles Virus/IgG, do fabricante Siemens. Resultados: A taxa de cobertura vacinal da vacina contra o sarampo aumentou de valores de pouco mais de 30% na geração nascida antes de 1977, com uma única dose de vacina, para valores superiores a 95 % na geração nascida depois de 1993, com duas doses de vacina. A concentração geométrica de ATS IgG no sangue do cordão umbilical aumentou com o aumento da idade da mãe (r2 = 0,092; p = 0,001). Os recém-nascidos filhos de mães vacinadas, apresentam menor quantidade de ATS IgG do que os filhos de mães não vacinadas (p < 0,0001), independentemente do número de doses que as suas mães tenham recebido (p = 0,222). A concentração geométrica média (CGM) de ATS IgG nos jovens e adolescentes diminui com o tempo decorrido desde a toma de VASPR II (r2 = 0,244; p = 0,001). Não foram encontradas diferenças estatisticamente significativas entre a média de ATS IgG dos indivíduos que se vacinaram com VASPR II aos 5-6 anos de idade e os que se vacinaram entre os 10-13 anos de idade (p = 0,301). Após 9 anos de VASPR II mais de 5 % dos indivíduos já não estão seropositivos contra o sarampo.Discussão: A CGM de ATS IgG aumentou com a idade da mãe, provavelmente porque as mães pertencentes às gerações mais novas contactaram menos com o vírus selvagem do sarampo, devido aos efeitos das elevadas taxas de cobertura vacinal. Os recém-nascidos filhos das mães mais novas, apesar de apresentarem menor CGM de ATS IgG, ao final de 12 meses de idade poderão ainda apresentar um teor de ATS IgG que pode interferir com a resposta vacinal à VASPR I. Vacinar com VASPR II aos 5-6 anos de idade ou vacinar entre os 10-13 anos parece ser indiferente o que parece relevante é o tempo que passa desde a última vacinação VASPR II. Nove anos depois de VASPR II a percentagem de seronegativos já ultrapassa os 5% recomendados pela OMS. Conclusão: As idades da toma de VASPR I e VASPR II poderão ter de ser alteradas por forma a adequarem-se às mudanças epidemiológicas ocorridas nos últimos anos em Portugal e contribuírem para a eliminação do sarampo no país.

Evolution of reputation in networks: A mean field game approach

This work models the competitive behaviour of individuals who maximize their own utility managing their network of connections with other individuals. Utility is taken as a synonym of reputation in this model. Each agent has to decide between two variables: the quality of connections and the number of connections. Hence, the reputation of an individual is a function of the number and the quality of connections within the network. On the other hand, individuals incur in a cost when they improve their network of contacts. The initial value of the quality and number of connections of each individual is distributed according to an initial (given) distribution. The competition occurs over continuous time and among a continuum of agents. A mean field game approach is adopted to solve the model, leading to an optimal trajectory for the number and quality of connections for each individual.

Implementação de um modelo de geometric semantic genetic programming para aplicação naval

Recaí sob a responsabilidade da Marinha Portuguesa a gestão da Zona Económica Exclusiva de Portugal, assegurando a sua segurança da mesma face a atividades criminosas. Para auxiliar a tarefa, é utilizado o sistema Oversee, utilizado para monitorizar a posição de todas as embarcações presentes na área afeta, permitindo a rápida intervenção da Marinha Portuguesa quando e onde necessário. No entanto, o sistema necessita de transmissões periódicas constantes originadas nas embarcações para operar corretamente – casos as transmissões sejam interrompidas, deliberada ou acidentalmente, o sistema deixa de conseguir localizar embarcações, dificultando a intervenção da Marinha. A fim de colmatar esta falha, é proposto adicionar ao sistema Oversee a capacidade de prever as posições futuras de uma embarcação com base no seu trajeto até à cessação das transmissões. Tendo em conta os grandes volumes de dados gerados pelo sistema (históricos de posições), a área de Inteligência Artificial apresenta uma possível solução para este problema. Atendendo às necessidades de resposta rápida do problema abordado, o algoritmo de Geometric Semantic Genetic Programming baseado em referências de Vanneschi et al. apresenta-se como uma possível solução, tendo já produzido bons resultados em problemas semelhantes. O presente trabalho de tese pretende integrar o algoritmo de Geometric Semantic Genetic Programming desenvolvido com o sistema Oversee, a fim de lhe conceder capacidades preditivas. Adicionalmente, será realizado um processo de análise de desempenho a fim de determinar qual a ideal parametrização do algoritmo. Pretende-se com esta tese fornecer à Marinha Portuguesa uma ferramenta capaz de auxiliar o controlo da Zona Económica Exclusiva Portuguesa, permitindo a correta intervenção da Marinha em casos onde o atual sistema não conseguiria determinar a correta posição da embarcação em questão.