Aplicações de fibras lignocelulósicas na química de polímeros e em compósitos

The use of lignocellulosic fibers and their constituents, as raw materials in the production of polymeric and composite materials, represent an exceptional opportunity of sustainable technological development. In the present report works that discuss promising alternatives of obtaining and use of materials such as cellulose, hemicellulose, lignin, cellulose nanocrystals and biocomposites were revised. The advance in the use of biomass can be, in a near future, capable of going beyond the application difficulties of these vast materials, especially in relation to the economical unviability, by the production of high performance polymeric and composite materials. This advance would represent a higher profitability to some areas of agrobusiness, especially the sector of biofuels, which produces elevated amounts of biomass waste.

Tecnologia de nanocristais em fármacos

The use of poorly water soluble molecules in pharmaceutical area has grown. Since these molecules exhibit low oral bioavailability, they are not used in intravenous administrations. Therefore, it is necessary to develop their new formulations with the aim to increase their oral bioavailabilities as to enable intravenous applications. One of the few possibilities in achieving this is a nanonization process that can produce crystals smaller than 1 μm by high pressure homogenization and without use of organic solvents. This mini-review describes technical aspects of the nanocrystal production, morphological aspects (polymorphisms), the market relevance of the nanocrystals products that are already in clinical phase or at the market, as well as, perspectives for the near future.

O estado da arte da síntese de semicondutores nanocristalinos coloidais

Colloidal semiconductor nanocrystals, also known as quantum dots, have attracted great attention since they have interesting size-dependent properties due to the quantum confinement effect. These nanoparticles are highly luminescent and have potential applications in different technological areas, including biological labeling, light-emitting diodes and photovoltaic devices. The synthetic methods of semiconductor nanocrystals have progressed in the last 30 years, and several protocols were developed to synthesize monodisperse nanocrystals with good optical properties, different compositions and morphologies. This review describes the main methods used to synthesize nanocrystals in the II-VI and III-V systems, and the recent approaches in this field of research.

Precipitação seletiva de tamanhos em nanopartículas semicondutoras coloidais de CdTe e CdSe: um estudo por espectroscopia UV-VIS

The post-preparative size-selective precipitation technique was applied in CdTe and CdSe semiconductor nanocrystals prepared via colloidal route in water. The synthesis of CdTe and CdSe nanoparticles and the effect of the post-preparative size-selective precipitation have been characterized mainly by mean of ultraviolet and visible absorption spectroscopy (UV-Vis). It was demonstrated that the size-selective precipitation are able to isolate particles of different sizes and purify the nanoparticles as well.

Desenvolvimento, produção e caracterização de nanocristais de fármacos pouco solúveis

Poorly soluble drugs have low bioavailability, representing a major challenge for the pharmaceutical industry. Processing drugs into the nanosized range changes their physical properties, and these are being used in pharmaceutics to develop innovative formulations known as Nanocrystals. Use of nanocrystals to overcome the problem of low bioavailability, and their production using different techniques such as microfluidization or high pressure homogenization, was reviewed in this paper. Examples of drugs, cosmetics and nutraceutical ingredients were also discussed. These technologies are well established in the pharmaceutical industry and are approved by the Food and Drug Administration.

Bionanocompósitos preparados por incorporação de nanocristais de celulose em polímeros biodegradáveis por meio de evaporação de solvente, automontagem ou eletrofiação

This review reports the preparation and characterization of bionanocomposites based on biodegradable polymers reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) described in the literature. The outstanding potential of cellulose nanocrystals as reinforcement fillers of biodegradable polymers is presented with an emphasis on the solution casting process, which is an appropriate method to investigate the physico-chemical effects of the incorporation of CNC into the polymeric matrices. Besides solution casting, other small scale methods such as electrospinning and layer-by-layer are also covered.

NANOCRISTAIS DE CELULOSE A PARTIR DE CELULOSE BACTERIANA

Bacterial cellulose produced from Gluconacetobacter xilinus was used to produce cellulose nanocrystals by sulfuric acid hydrolysis. Hydrolysis was performed with 64% sulfuric acid at 50 ºC with the hydrolysis time ranging between 5 and 90 min. The production of nanocrystals was observed to have size distributions that were dependent on hydrolysis times up to 10 min, after which time the suspensions showed distributions closer in size. Results from thermal analysis and X-ray diffraction showed that the amorphous cellulose was removed, leaving only the crystalline portion. Self-supported films were formed from the suspension of nanocrystals and had iridescence characteristics. The films were characterized by microscopy measures and specular reflectance.

Adsorption of hydrogen sulfide by modified cellulose nano/microcrystals

Hydrogen sulfide is toxic and hazardous pollutant. It has been under great interest for past few years because of all the time tighten environmental regulations and increased interest of mining. Hydrogen sulfide gas originates from mining and wastewater treatment systems have caused death in two cases. It also causes acid rains and corrosion for wastewater pipelines. The aim of this master thesis was to study if chemically modified cellulose nanocrystals could be used as adsorbents to purify hydrogen sulfide out from water and what are the adsorption capacities of these adsorbents. The effects of pH and backgrounds on adsorption capacities of different adsorbents are tested. In theoretical section hydrogen sulfide, its properties and different purification methods are presented. Also analytical detection methods for hydrogen sulfide are presented. Cellulose nano/microcrystals, properties, application and different modification methods are discussed and finally theory of adsorption and modeling of adsorption is shortly discussed. In experimental section different cellulose nanocrystals based adsorbents are prepared and tested at different hydrogen sulfide concentrations and in different conditions. Result of experimental section was that the highest adsorption capacity at one component adsorption had wet MFC/CaCO3. At different pH the adsorption capacities of adsorbents changed quite dramatically. Also change of hydrogen sulfide solution background did have effect on adsorption capacities. Although, when tested adsorbents’ adsorption capacities are compared to those find in literatures, it seems that more development of MFC based adsorbents is needed.

Structures photoniques à base de nanocristaux de silicium

Il y a des indications que les nanocristaux de silicium (nc-Si) présentent un gain optique qui est potentiellement assez grand pour permettre l'amplification optique dans la gamme de longueurs d'ondes où une photoluminescence (PL) intense est mesurée (600- 1000 nm). Afin de fabriquer des cavités optiques, nous avons implantés des morceaux de silice fondue avec des ions de Si pour former une couche de nc-Si d'une épaisseur d'environ 1 μm. Le Si a été implanté à quatre énergies comprises entre 1 MeV et 1,9 MeV de manière à obtenir une concentration atomique de Si en excès variant entre 25% et 30%. Les pièces ont été flanquées de miroirs diélectriques composés de filtres interférentiels multicouches. Sur une plage de longueurs d'ondes d'environ 200 nm de large, un filtre réfléchit près de 100%, alors que l'autre a une réflexion moyenne d'environ 90%. Nous avons mesuré et comparé les spectres de PL de trois échantillons: le premier sans miroir, le second avec des filtres réfléchissant autour de 765 nm (entre 700 nm et 830 nm), et la troisième avec des filtres agissant autour de 875 nm (entre 810 nm et 940 nm). Lorsque les échantillons sont excités avec un laser pulsé à 390 nm, des mesures de photoluminescence résolue dans le temps (PLT) révèlent des taux de décroissance plus rapides en présence de miroirs dans le domaine de longueurs d'onde où ceux-ci agissent comparé aux échantillons sans miroirs. Aussi, l'intensité PL en fonction de la fluence d'excitation montre une augmentation plus rapide de la présence de miroirs, même si celle-ci reste sous-linéaire. Nous concluons que de l'émission stimulée pourrait être présente dans la cavité optique, mais sans dominer les autres mécanismes d'émission et de pertes.

Préparations de docosanol nanoformulées pour usage topique

La réduction de la taille des particules jusqu’à l’obtention de nanocristaux est l’une des approches utilisées afin d’améliorer la pénétration cutanée des médicaments à usage topique. Nous proposons que la fabrication d’une formulation semi solide (hydrogel) à base de nanosuspension de docosanol, aboutira à une diffusion du principe actif supérieure à celle du produit commercial Abreva®, à travers des membranes synthétiques de polycarbonates. Le broyage humide est la technique proposée pour la production des nanoparticules de docosanol. Nous proposons aussi la préparation d’une formulation semi-solide (hydrogel) à usage topique à partir de la nanosuspension de docosanol. La nanosuspension de docosanol est obtenue par dispersion du docosanol en solution aqueuse en présence du polymère stabilisant hydroxypropylcellulose (HPC) et du surfactant laurylsulfate de sodium (SDS) suivi d’un broyage humide à faible ou à haute énergie. L’hydrogel de docosanol nanoformulé est préparé à l’aide de la nanosuspension de docosanol qui subit une gélification par le carbopol Ultrez 21 sous agitation mécanique suivie d’une neutralisation au triéthanolamine TEA. La taille des particules de la nanosuspension et de l’hydrogel a été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Une méthode analytique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) munie d’un détecteur évaporatif (ELSD) a été développée et validée pour évaluer la teneur de docosanol dans les préparations liquides, dans les différentes nanosuspensions et dans les hydrogels de docosanol. L’état de cristallinité des nanocristaux dans la nanosuspension et dans l’hydrogel a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage. La morphologie de la nanosuspension et de l’hydrogel de docosanol a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés rhéologiques et de stabilité physique à différentes températures ont été aussi étudiées pour la formulation semi-solide (hydrogel). De même, la libération in vitro du docosanol contenu dans l’hydrogel et dans le produit commercial Abreva® a été étudiée à travers deux membranes de polycarbonates de taille de pores 400 et 800 nm. Dans le cas de nanosuspensions, des cristaux de docosanol de taille nanométrique ont été produits avec succès par broyage humide. Les nanoparticules de tailles variant de 197 nm à 312 nm ont été produites pour des pourcentages différents en docosanol, en polymère HPC et en surfactant SDS. Après lyophilisation, une augmentation de la taille dépendant de la composition de la formulation a été observée tout en restant dans la gamme nanométrique pour la totalité presque des formulations étudiées. Dans le cas des hydrogels examinés, la taille moyenne des particules de docosanol est maintenue dans la gamme nanométrique avant et après lyophilisation. L’analyse thermique des mélanges physiques, des nanosuspensions et des hydrogels de docosanol a révélé la conservation de l’état de cristallinité des nanocristaux de docosanol après broyage et aussi après gélification. L’examen par microscopie électronique à balayage (MEB) a montré que la nanosuspension et l’hydrogel ont tous deux une morphologie régulière et les nanoparticules ont une forme sphérique. De plus les nanoparticules de la nanosuspension ont presque la même taille inférieure à 300 nm en accord avec le résultat obtenu par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les nanoparticules de l’hydrogel ont une légère augmentation de taille par rapport à celle de la nanosuspension, ce qui est en accord avec les mesures de DLS. D’après les mesures rhéologiques, l’hydrogel de docosanol a un comportement pseudoplastique et un faible degré de thixotropie. L’étude de stabilité physique a montré que les formulations d’hydrogel sont stables à basse température (5°C) et à température ambiante (21°C) pendant une période d’incubation de 13 semaines et instable au-delà de 30°C après deux semaines. La méthode HPLC-ELSD a révélé des teneurs en docosanol comprises entre 90% et 110% dans le cas des nanosuspensions et aux alentours de 100% dans le cas de l’hydrogel. L’essai de diffusion in vitro a montré qu’il y a diffusion de docosanol de l’hydrogel à travers les membranes de polycarbonates, qui est plus marquée pour celle de pore 800 nm, tandis que celui du produit commercial Abreva® ne diffuse pas. Le broyage humide est une technique bien adaptée pour la préparation des nanosuspensions docosanol. Ces nanosuspensions peuvent être utilisée comme base pour la préparation de l’hydrogel de docosanol nanoformulé.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.

Size dependent fluorescence spectroscopy of nanocolloids of ZnO

In this article we present size dependent spectroscopic observations of nanocolloids of ZnO. ZnO is reported to show two emission bands, an ultraviolet (UV) emission band and another in the green region. Apart from the known band gap 380 nm and impurity 530 nm emissions, we have found some peculiar features in the fluorescence spectra that are consistent with the nanoparticle size distribution. Results show that additional emissions at 420 and 490 nm are developed with particle size. The origin of the visible band emission is discussed. The mechanism of the luminescence suggests that UV luminescence of ZnO colloid is related to the transition from conduction band edge to valence band, and visible luminescence is caused by the transition from deep donor level to valence band due to oxygen vacancies and by the transition from conduction band to deep acceptor level due to impurities and defect states. A correlation analysis between the particle size and spectroscopic observations is also discussed.

Spectroscopic and photoluminescence studies on optically transparent magnetic nanocomposites based on sol–gel glass: Fe3O4

Sol–gel glasses with Fe3O4 nanoparticles having particle sizes laying in the range 10–20 nm were encapsulated in the porous network of silica resulting in nanocomposites having both optical and magnetic properties. Spectroscopic and photoluminescence studies indicated that Fe3O4 nanocrystals are embedded in the silica matrix with no strong Si–O–Fe bonding. The composites exhibited a blue luminescence. The optical absorption edge of the composites red shifted with increasing concentration of Fe3O4 in the silica matrix. There is no obvious shift in the position of the luminescence peak with the concentration of Fe3O4 except that the intensity of the peak is decreased. The unique combinations of magnetic and optical properties are appealing for magneto–optical applications.

Investigations on the structural, optical and Magnetic properties of nanostructured cerium oxide in pure and doped forms and its polymer nanocomposiets

This thesis Entitled INVESTIGATIONS ON THE STRUCTURAL, OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED CERIUM OXIDE IN PURE AND DOPED FORMS AND ITS POLYMER NANOCOMPOSITES.Synthesis and processing of nanomatelials and nanostmctures are the essential aspects of nanotechnology. Studies on new physical properties and applications of nanomaterials and nanostructures are possible only when nanostructured materials are made available with desired size, morphology,crystal structure and chemical composition.Recently, several methods have been developed to prepare pure and doped CeO2 powder, including wet chemical synthesis, thermal hydrolysis, flux method, hydrothermal synthesis, gas condensation method, microwave technique etc. In all these, some special reaction conditions, such as high temperature, high pressure, capping agents, expensive or toxic solvents etc. have been involved.Another hi gh-li ght of the present work is room temperature ferromagnetism in cerium oxdie thin films deposited by spray pyrolysis technique.The observation of self trapped exciton mediated PL in ceria nanocrystals is another important outcome of the present study. STE mediated mechanism has been proposed for CeO2 nanocrystals based on the dependence of PL intensity on the annealing temperature. It would be interesting to extent these investigations to the doped forms of cerium oxide and cerium oxide thin films to get deeper Insight into STE mechanism.Due to time constraints detailed investigations could not be canied out on the preparation and properties of free standing films of polymer/ceria nanocomposites. It has been observed that good quality free standing films of PVDF/ceria, PS/C61‘l8, PMMA/ceria can be obtained using solution casting technique. These polymer nanocomposite films show high dielectric constant around 20 and offer prospects of applications as gate electrodes in metal-oxide semiconductor devices.