Gene transfer into the airway epithelium of animals by targeting the polymeric immunoglobulin receptor.

Genes of interest can be targeted specifically to respiratory epithelial cells in intact animals with high efficiency by exploiting the receptor-mediated endocytosis of the polymeric immunoglobulin receptor. A DNA carrier, consisting of the Fab portion of polyclonal antibodies raised against rat secretory component covalently linked to poly-L-lysine, was used to introduce plasmids containing different reporter genes into airway epithelial cells in vivo. We observed significant levels of luciferase enzyme activity in protein extracts from the liver and lung, achieving maximum values of 13,795 +/- 4,431 and 346,954 +/- 199,120 integrated light units (ILU) per milligram of protein extract, respectively. No luciferase activity was detected in spleen or heart, which do not express the receptor. Transfections using complexes consisting of an irrelevant plasmid (pCMV lacZ) bound to the bona fide carrier or the expression plasmid (pGEMluc) bound to a carrier based on an irrelevant Fab fragment resulted in background levels of luciferase activity in all tissues examined. Thus, only tissues that contain cells bearing the polymeric immunoglobulin receptor are transfected, and transfection cannot be attributed to the nonspecific uptake of an irrelevant carrier-DNA complex. Specific mRNA from the luciferase gene was also detected in the lungs of transfected animals. To determine which cells in the lungs are transfected by this method, DNA complexes were prepared containing expression plasmids with genes encoding the bacterial beta-galactosidase or the human interleukin 2 receptor. Expression of these genes was localized to the surface epithelium of the airways and the submucosal glands, and not the bronchioles and alveoli. Receptor-mediated endocytosis can be used to introduce functional genes into the respiratory epithelium of rats, and may be a useful technique for gene therapy targeting the lung.

Unconventional magnetic behavior of iron-oxide nanoparticles in polymeric matrices

We report the results of magnetization and 57Fe Mössbauer spectroscopy measurements performed in the temperature range 5-300 K on composites containing iron¿oxide nanoparticles encased in polystyrene type resins. After carrying out a suitable field treatment in order to decouple the particles from the matrix, a fraction of the particles freely rotate in response to an applied magnetic field

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Desenvolupament d'hidrogels superficials que contenen motius d'adhesió cel·lular

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Departament d’Enginyeria Química del Massachusetts Institute of Technology entre abril i octubre del 2006. S’ha dissenyat i sintetitzat uns nous films polimèrics, amb aplicacions en l’àmbit de l’enginyeria de teixits, utilitzant la tècnica anomenada iCVD (initiated Chemical Vapor Deposition), prèviament desenvolupada pel grup receptor. Es tracta d’uns hidrogels superficials de gruix controlable, que incorporen un monòmer fluorat, el qual s’havia estudiat extensament en el grup d’origen. Aquest monòmer es caracteritza per reaccionar molt fàcilment amb pèptids, de manera que aquests queden units covalentment a la superfície. Diferents estratègies pel desenvolupament d’aquests copolímers han estat avaluades, tant des del punt de vista purament sintètic com de la pròpia aplicació. Les condicions de polimerització han estat optimitzades i els hidrogels s’han caracteritzat químicament per tècniques espectroscòpiques (FTIR, XPS), i físicament per angle de contacte i el·lipsometria. D’aquesta manera, s’ha estudiat la capacitat dels hidrogels d’absorbir aigua i alhora augmentar el seu gruix, depenent de la quantitat d’agent reticulant introduït i de la incorporació del nou monòmer. A continuació, s’han optimitzat les condicions de reacció d’aquestes superfícies amb pèptids que incorporen una molècula fluorescent, la qual permet detectar fàcilment per microscòpia de fluorescència si la reacció ha tingut lloc. Una vegada la plataforma ha estat posada a punt, s’han iniciat assajos cel·lulars tant amb fibroblasts embriònics de ratolí com amb cèl·lules humanes umbilicals. Els resultats preliminars suggereixen una morfologia diferent de les cèl·lules segons si es cultiven sobre films modificats amb pèptids que promouen l’adhesió cel·lular o sobre les seves seqüències permutades no actives. Però, el més interessant és que també s’han observat certes diferències depenent si els films contenen el component hidrogel o no, fet que suggeriria un paper actiu d’aquests noves superfícies en el comportament cel·lular.

Preparació, estudi estructural i aplicabilitat de derivats de Poli-(4R)-hidroxi-L-prolina a la separació d’enantiòmers per tècniques cromatogràfiques o relacionades

La separació d’enantiòmers (isòmers òptics) és molt important en molts diversos camps, com les síntesis quirals, biologia, i en el camp de la farmacologia especialment. És per això, que es fa necessari de disposar de tècniques i mètodes analítics ràpids, fiables i sensibles per a la separació d’enantiòmers. La present tesi s’emmarca en el camp de la separació d’enantiòmers, concretament en la preparació de fases estacionàries quirals per al seu ús en cromatografia liquida. En aquest sentit, s’ha desenvolupat la síntesi i caracterització de molècules polimèriques quirals derivades de l’aminoàcid L-prolina que incorporades en matrius de gel de sílice poden constituïr columnes quirals per a la separació d’enantiòmers per cromatografia liquida. S’han estudiat les característiques enantioselectives d’aquests nous materials en la separació de molècules quirals, trobant-se ésser satisfactòriament enantioselectius. L’interès que suscita l’obtenció d’enantiòmers a gran escala fa que la recerca s’orienti a la recerca de materials amb elevada capacitat de càrrega, és a dir, que puguin donar lloc a la separació d’elevades quantitats d’enantiòmers. Amb aquesta finalitat s’han dut a terme assaigs de capacitat de càrrega, que han posat de manifest la possible aplicació d’aquests materials a la separació preparativa d’enantiòmers. També s’ha parat especial atenció a l’estudi de les característiques de la matriu de gel de sílice, assajant-se altres materials de sílice més porosos i que permeten així treballar amb fluxos més elevats tot reduint-ne el temps d’anàlisi i els costos associats a la separació preparativa d’enantiòmers. L'estudi conformacional d'aquests nous selectors també ha estat contemplat per tal d'explicar l'enantioselectivitat específica que s'observa en certs dissolvents orgànics en els qual es duu a terme la separació dels enantiòmers.

Análisis del ciclo de vida de sistemas de tratamiento de aguas residuales: influencia de los materiales utilizados

En este proyecto se tiene como objetivo comparar una EDAR específica con otras tres, desde el punto de vista ambiental, y establecer diferentes alternativas. En particular, se ha evaluado la mejor alternativa en la obtención de energía eléctrica para la propia utilización de la planta de tratamiento de aguas residuales, a partir del biogás generado en el digestor en la línea de lodos. En este tipo de instalaciones, entre las alternativas tanto en su uso actual como en fase de desarrollo, el motor de cogeneración de electricidad y el calor es el más utilizado para obtener simultáneamente la electricidad necesaria para las instalaciones y el calor necesario para mantener el digestor de lodos a la temperatura de trabajo (36ºC aproximadamente). Las otras alternativas evaluadas en este estudio son las pilas de biogás de membrana electrolítica polimérica (en inglés Polymeric Electrolyte Membrane, PEM) y las pilas de óxidos sólidos (en inglés Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) con una turbina de gas (sistema híbrido SOFC-GT). Por otro lado, se estudian las características de los materiales que componen los dispositivos MEC (microbial electrolysis cell) y las pilas PEM y SOFC, así como las ventajas e inconvenientes de usar estas nuevas tecnologías en el tratamiento de aguas residuales, así como la evaluación del impacto ambiental de la EDAR objeto de estudio, que se ha llevado a cabo utilizando el análisis de ciclo de vida (ACV). El ACV es una herramienta que permite comparar diferentes procesos o productos que tengan la misma función, y así evaluar la alternativa que conlleve una mejora en el medio ambiental. La metodología de ACV pretende evaluar en detalle el ciclo de vida completo de un producto o proceso. Un ACV se suele definir de tipo "cradle to grave" o "desde la cuna hasta la tumba" o bien de tipo "gate to gate", o "de puerta a puerta". En el primer caso el estudio analiza el ciclo de vida completo del sistema, dese el origen hasta el final, mientras que en el segundo caso el ACV no tiene en cuenta su disposición final (vertedero, reciclaje, etc.). Un estudio de ACV del primer tipo conlleva hacer un estudio muy detallado, que en la práctica puede resultar muy largo y laborioso por la dificultad de encontrar todos los datos necesarios. Por ello, muchos estudios de ACV que se encuentran en la literatura suelen ser del tipo "gate to gate". Además, hay que esablecer las fronteras del sistema a estudiar, ya que hay procesos que tienen muy poca contribución a las categorías de impacto ambiental. En una EDAR los principales procesos considerados en el ACV llevado a cabo son el consumo de productos químicos, de electricidad, la producción de lodos y su utilización como composta, el biogás y su utilización para producir electricidad, los residuos sólidos y las distintas emisiones al medio producidas por el propio funcionamiento de la EDAR. Las operaciones relacionadas indirectamente como el transporte de los lodos, de productos químicos, de los residuos sólidos y la infraestructura con una vida media de 30 años no influyen significativamente en los resultados, por ejemplo el transporte de los lodos con un camión a 30km contribuyen en menos de 1% en todas las categorías de impacto. De acuerdo con las normativas ISO series 14040 que regulan las pautas de un ACV, se establece una unidad funcional apropiada, o sea habitante equivalente, ya que es la más apropiada por tener en cuenta la carga contaminante en el agua a tratar, parámetro imprescindible para comparar EDARs. Redefiniendo las fronteras, se realiza un ACV del depósito del biogás sin tener en cuenta el resto de la instalación y se toma como unidad funcional m3 de biogás, en el caso concreto de obtener biogás mediante un dispositivo MEC, que maximiza la cantidad de hidrógeno en detrimento de la cantidad de metano contenido en el biogás, observándose que la contribución de un biogás con un alto contenido en hidrógeno y, por tanto bajo en metano, produce una mejora ambiental. Las categorías de impacto ambiental que tienen contribución son el calentamiento global y la oxidación fotoquímica; el dispositivo MEC hace quela contribución a estas categorías de impacto sea de un orden de magnitud inferior con respecto al biogás generado en un digestor. Además, si se produce la combustión del biogás, la única categoría de impacto que tiene contribución es la de calentamiento global; para una dispositivo MEC la contribución sigue siendo un orden de magnitud inferior con respecto al biogás de un digestor de lodos.

Disseny i optimització de membranes compòsit amb xarxes metal•loorgàniques per a nanofiltració i separacions de gasos

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, entre 2007 i 2009. Aquest projecte descriu la síntesi i aplicació de nous tipus de membranes compòsit basades en xarxes metal•loorgàniques (MOFs). Aquestes es van seleccionar tenint en compte les seves propietats estructurals per tal de discriminar les espècies a separar en funció de la seva mida molecular. Les membranes obtingudes s'han aplicat satisfactòriament tant en separacions líquides, concretament en nanofiltració resistent a dissolvents (SRNF), i en separació de parells de gasos com CO2/CH4, CO2/N2 i H2/CO2. Els resultats obtinguts posen de manifest l'obtenció de membranes sense defectes i amb rendiments prometedors, en la majoria dels casos, amb permeabilitats i selectivitats superiors a membranes purament polimèriques. Tanmateix s'ha desenvolupat un nou equipament d'alt rendiment (HT) per a separacions de gasos que inclou un mòdul que permet realitzar 16 experiments simultàniament. Els resultats obtinguts amb el nou equip són comparables amb els obtinguts amb mòduls convencionals, i alhora presenten una millor reproduïbilitat. Finalment, s'ha establert un nou mètode per a obtenir membranes per a SRNF, que han estat aplicades en processos de separació de catalitzadors homogenis en dissolvents polars apròtics i s'han caracteritzat emprant la tècnica d'espectroscòpia d'annihilació de positrons, que ha permès establir per primer cop una relació entre les propietats estructurals de les membranes a nivell molecular i el seu rendiment en les aplicacions anteriors.

Elaboració de membranes de fibra buida modificades amb nanopartícules metàl·liques per aplicacions catalítiques

Investigación producida a partir de una estancia en la Université Paul Sabatier, Toulouse III - CNRS, entre 2007 y 2009. Durante los últimos años la investigación centrada en nuevos materiales de tamaño nanoscòpico (nanopartículas, quantum dots, nanotubos de carbono,...) ha experimentado un crecimiento considerable debido a las especiales propiedades de los "nanoobjetos" con respecto a magnetismo, catálisis, conductividad eléctrica, etc ... Sin embargo, hoy en día todavía existen pocas aplicaciones de las nanopartículas en temas medioambientales. Uno de los motivos de esta situación es la posible toxicidad de los nanoobjetos, pero existe también una dificultad tecnológica dado que las nanopartículas tienden a agregarse y es muy difícil manipularlas sin que pierdan sus propiedades especiales. Así, aunque la preparación de materiales catalíticos nanoestructurados es muy interesante, es necesario definir nuevas estrategias para prepararlos. Este proyecto de investigación tiene como objetivo principal la preparación de nuevas membranas catalíticas con nanopartículas metálicas en el interior para aplicaciones de tratamiento de agua. La innovación principal de este proyecto consiste en que las nanopartículas no son introducidas en la matriz polimérica una vez preformadas sino que se hacen crecer en el interior de la matriz polimérica mediante una síntesis intermatricial. El único requisito es que la matriz polimérica contenga grupos funcionales capaces de interaccionar con los precursores de las nanopartículas. Una vez finalizado el proyecto se puede afirmar que se han logrado parte de los objetivos planteados inicialmente. Concreamente ha quedado demostrado que se pueden sintetizar nanopartículas metálicas de metales nobles (platino y paladio) en membranas de fibra hueca de micro- y ultrafiltración siguiendo dos metodologías diferentes: modificación fotoquímica de polímeros y deposición de multicapas de polielectrolitos. Los nuevos materiales son efectivos en la catálisis de reducción de un compuesto modelo (4-nitrofenol con borohidruro de sodio) y, en general, los resultados han sido satisfactorios. Sin embargo, se ha puesto de manifiesto que el uso de un reactivo que genera hidrógeno gas en contacto con la solución acuosa dificulta enormemente la implementación de la reacción catalítica al ser el medio de la membrana una matriz porosa. Así, como conclusión principal se puede decir que se han encontrado las limitaciones de esta aproximación y se sugieren dos posibilidades de continuidad: la utilización de las membranas sintetizadas en contactores gas-líquido o bien el estudio y optimización del sistema de membrana en configuración de membranas planas, un objetivo más asequible dada su menor complejidad. Esta investigación se ha realizado en el seno del “Laboratoire de Génie Chimique” de Toulouse y del Departamento de Química de la Michigan State University y ha sido posible gracias a un proyecto financiado por la “Agence National pour la Recherce” y al programa PERMEANT entre el CNRS y la NSF.

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.

Materials nanocomposits a partir de whiskers de cel•lulosa i matriu polimèrica de cautxú

De acuerdo con los objetivos generales del proyecto y plan de trabajo previsto, para esta anualidad, se obtuvieron fibras y microfibras de celulosa a partir de dos fuentes: celulosa vegetal de pino y eucalipto y celulosa bacterial. Las microfibrillas han sido utilizadas como material de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos a partir de caucho natural, policaprolactona y polivinil alcohol. Las muestras se fabricaron mediante la técnica de "casting" en medio acuoso y temperatura ambiente. Las muestras fueron caracterizados en sus propiedades mecánicas, físicas y térmicas. Se observó que, en general, la adición de las microfibrillas de celulosa en las matrices poliméricas provoca una mejora sustancial en las propiedades mecánicas del material en comparación con el polímero sin reforzar. Los resultados pueden resumirse de la siguiente manera: 1.Fabricación de materiales compuestos a base de caucho natural y fibras de celulosa. Se obtuvieron fibras y nanofibras de celulosa que fueron modificadas químicamente y usadas como refuerzo en matriz de caucho. Los resultados mostraron mejora de propiedades mecánicas del material, principalmente en los materiales compuestos reforzados con nanofibras. 2. Obtención de whiskers de celulosa y su utilización como material de refuerzo en una matriz de policaprolactona. Se obtuvieron whiskers de celulosa a partir de pasta blanqueada. La adición en una matriz de policaprolactona produjo materiales compuestos con propiedades mecánicas superiores a la matriz, con buena dispersión de los whiskers. 3. Obtención de fibras de celulosa bacterial y nanofibras de celulosa, aislamiento y utilización sobre una matriz de polivinil alcohol. Se obtuvo celulosa bacterial a partir de la bacteria Gluconacetobacter xylinum. Además se fabricaron nanofibras de celulosa a partir eucalipto blanqueado. La celulosa bacterial como material de refuerzo no produjo importantes mejoras en las propiedades mecánicas de la matriz; en cambio se observaron mejoras destacables con la nanofibra como refuerzo.

Estudis sobre la revalorització de residus de pols de poliuretà rígid : conversió en nous poliols aptes per a l'ús com a matèria primera

L’objecte del present treball fi de carrera es centra en l’estudi de la revalorització de residus de pols de poliuretà a partir de mètodes de glicòlisi. Es pretén comprovar la bondat de dos mètodes bàsics de glicòlisi i la seva aplicació al tractament de residus industrial concrets. Aquesta via química escollida ha de permetre revaloritzar químicament la pols de poliuretà del procés de tall convertint-la novament en matèria primera sota la forma de polímer de poliol, una de les dues matèries primeres claus del procés. L’abast del projecte comprèn l’estudi de les condicions que afecten al procés de glicòlisi, la caracterització dels poliols sintetitzats i la seva idoneïtat per a la formulació de noves escumes de poliuretà

Calorimetry of dehydrogenation and dangling-bond recombination in several hydrogenated amorphous silicon materials

Differential scanning calorimetry (DSC) was used to study the dehydrogenation processes that take place in three hydrogenated amorphous silicon materials: nanoparticles, polymorphous silicon, and conventional device-quality amorphous silicon. Comparison of DSC thermograms with evolved gas analysis (EGA) has led to the identification of four dehydrogenation processes arising from polymeric chains (A), SiH groups at the surfaces of internal voids (A'), SiH groups at interfaces (B), and in the bulk (C). All of them are slightly exothermic with enthalpies below 50 meV/H atoms , indicating that, after dissociation of any SiH group, most dangling bonds recombine. The kinetics of the three low-temperature processes [with DSC peak temperatures at around 320 (A),360 (A'), and 430°C (B)] exhibit a kinetic-compensation effect characterized by a linea relationship between the activation entropy and enthalpy, which constitutes their signature. Their Si-H bond-dissociation energies have been determined to be E (Si-H)0=3.14 (A), 3.19 (A'), and 3.28 eV (B). In these cases it was possible to extract the formation energy E(DB) of the dangling bonds that recombine after Si-H bond breaking [0.97 (A), 1.05 (A'), and 1.12 (B)]. It is concluded that E(DB) increases with the degree of confinement and that E(DB)>1.10 eV for the isolated dangling bond in the bulk. After Si-H dissociation and for the low-temperature processes, hydrogen is transported in molecular form and a low relaxation of the silicon network is promoted. This is in contrast to the high-temperature process for which the diffusion of H in atomic form induces a substantial lattice relaxation that, for the conventional amorphous sample, releases energy of around 600 meV per H atom. It is argued that the density of sites in the Si network for H trapping diminishes during atomic diffusion

Drift compensation of gas sensor array data by common principal component analysis

A new drift compensation method based on Common Principal Component Analysis (CPCA) is proposed. The drift variance in data is found as the principal components computed by CPCA. This method finds components that are common for all gasses in feature space. The method is compared in classification task with respect to the other approaches published where the drift direction is estimated through a Principal Component Analysis (PCA) of a reference gas. The proposed new method ¿ employing no specific reference gas, but information from all gases ¿has shown the same performance as the traditional approach with the best-fitted reference gas. Results are shown with data lasting 7-months including three gases at different concentrations for an array of 17 polymeric sensors.