Artificial Skin - Culturing of Different Skin Cell Lines for Generating an Artificial Skin Substitute on Cross-Weaved Spider Silk Fibres

Background: In the field of Plastic Reconstructive Surgery the development of new innovative matrices for skin repair is in urgent need. The ideal biomaterial should promote attachment, proliferation and growth of cells. Additionally, it should degrade in an appropriate time period without releasing harmful substances, but not exert a pathological immune response. Spider dragline silk from Nephila spp meets these demands to a large extent. Methodology/Principal Findings: Native spider dragline silk, harvested directly out of Nephila spp spiders, was woven on steel frames. Constructs were sterilized and seeded with fibroblasts. After two weeks of cultivating single fibroblasts, keratinocytes were added to generate a bilayered skin model, consisting of dermis and epidermis equivalents. For the next three weeks, constructs in co-culture were lifted on an originally designed setup for air/liquid interface cultivation. After the culturing period, constructs were embedded in paraffin with an especially developed program for spidersilk to avoid supercontraction. Paraffin cross-sections were stained in Haematoxylin & Eosin (H&E) for microscopic analyses. Conclusion/Significance: Native spider dragline silk woven on steel frames provides a suitable matrix for 3 dimensional skin cell culturing. Both fibroblasts and keratinocytes cell lines adhere to the spider silk fibres and proliferate. Guided by the spider silk fibres, they sprout into the meshes and reach confluence in at most one week. A well-balanced, bilayered cocultivation in two continuously separated strata can be achieved by serum reduction, changing the medium conditions and the cultivation period at the air/liquid interphase. Therefore spider silk appears to be a promising biomaterial for the enhancement of skin regeneration.

A two-fluid model for tissue growth within a dynamic flow environment

We study the growth of a tissue construct in a perfusion bioreactor, focussing on its response to the mechanical environment. The bioreactor system is modelled as a two-dimensional channel containing a tissue construct through which a flow of culture medium is driven. We employ a multiphase formulation of the type presented by G. Lemon, J. King, H. Byrne, O. Jensen and K. Shakesheff in their study (Multiphase modelling of tissue growth using the theory of mixtures. J. Math. Biol. 52(2), 2006, 571–594) restricted to two interacting fluid phases, representing a cell population (and attendant extracellular matrix) and a culture medium, and employ the simplifying limit of large interphase viscous drag after S. Franks in her study (Mathematical Modelling of Tumour Growth and Stability. Ph.D. Thesis, University of Nottingham, UK, 2002) and S. Franks and J. King in their study Interactions between a uniformly proliferating tumour and its surrounding: Uniform material properties. Math. Med. Biol. 20, 2003, 47–89). The novel aspects of this study are: (i) the investigation of the effect of an imposed flow on the growth of the tissue construct, and (ii) the inclusion of a chanotransduction mechanism regulating the response of the cells to the local mechanical environment. Specifically, we consider the response of the cells to their local density and the culture medium pressure. As such, this study forms the first step towards a general multiphase formulation that incorporates the effect of mechanotransduction on the growth and morphology of a tissue construct. The model is analysed using analytic and numerical techniques, the results of which illustrate the potential use of the model to predict the dominant regulatory stimuli in a cell population.

SOVLENT REACTIVITY AND INTERFACE EVOLUTION AT MODEL ELECTRODES FOR ENERGY APPLICATIONS

The Li-ion rechargeable battery (LIB) is widely used as an energy storage device, but has significant limitations in battery cycle life and safety. During initial charging, decomposition of the ethylene carbonate (EC)-based electrolytes of the LIB leads to the formation of a passivating layer on the anode known as the solid electrolyte interphase (SEI). The formation of an SEI has great impact on the cycle life and safety of LIB, yet mechanistic aspects of SEI formation are not fully understood. In this dissertation, two surface science model systems have been created under ultra-high vacuum (UHV) to probe the very initial stage of SEI formation at the model carbon anode surfaces of LIB. The first model system, Model System I, is an lithium-carbonate electrolyte/graphite C(0001) system. I have developed a temperature programmed desorption/temperature programmed reaction spectroscopy (TPD/TPRS) instrument as part of my dissertation to study Model System I in quantitative detail. The binding strengths and film growth mechanisms of key electrolyte molecules on model carbon anode surfaces with varying extents of lithiation were measured by TPD. TPRS was further used to track the gases evolved from different reduction products in the early-stage SEI formation. The branching ratio of multiple reaction pathways was quantified for the first time and determined to be 70.% organolithium products vs. 30% inorganic lithium product. The obtained branching ratio provides important information on the distribution of lithium salts that form at the very onset of SEI formation. One of the key reduction products formed from EC in early-stage SEI formation is lithium ethylene dicarbonate (LEDC). Despite intensive studies, the LEDC structure in either the bulk or thin-film (SEI) form is unknown. To enable structural study, pure LEDC was synthesized and subject to synchrotron X-ray diffraction measurements (bulk material) and STM measurements (deposited films). To enable studies of LEDC thin films, Model System II, a lithium ethylene dicarbonate (LEDC)-dimethylformamide (DMF)/Ag(111) system was created by a solution microaerosol deposition technique. Produced films were then imaged by ultra-high vacuum scanning tunneling microscopy (UHV-STM). As a control, the dimethylformamide (DMF)-Ag(111) system was first prepared and its complex 2D phase behavior was mapped out as a function of coverage. The evolution of three distinct monolayer phases of DMF was observed with increasing surface pressure — a 2D gas phase, an ordered DMF phase, and an ordered Ag(DMF)2 complex phase. The addition of LEDC to this mixture, seeded the nucleation of the ordered DMF islands at lower surface pressures (DMF coverages), and was interpreted through nucleation theory. A structural model of the nucleation seed was proposed, and the implication of ionic SEI products, such as LEDC, in early-stage SEI formation was discussed.

Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Karyotype and genome size in Euterpe Mart. (Arecaceae) species.

Euterpe (Martius, 1823), a genus from Central and South America, has species with high economic importance in Brazil, because of their palm heart and fruits, known as açaí berries. Breeding programs have been conducted to increase yield and establish cultivation systems to replace the extraction of wild material. These programs need basic information about the genome of these species to better explore the available genetic variability. The aim of this study was to compare E. edulis (Martius, 1824), E. oleracea (Martius, 1824) and E. precatoria (Martius, 1842), with regard to karyotype, type of interphase nucleus and nuclear DNA amount. Metaphase chromosomes and interphase nuclei from root tip meristematic cells were obtained by the squashing technique and solid stained for microscope analysis. The DNA amount was estimated by flow cytometry. There were previous reports on the chromosome number of E. edulis and E. oleracea, but chromosome morphology of these two species and the whole karyotype of E. precatoria are reported for the first time. The species have 2n=36, a number considered as a pleisomorphic feature in Arecoideae since the modern species, according to floral morphology, have the lowest chromosome number (2n=28 and 2n=30). The three Euterpe species also have the same type of interphase nuclei, classified as semi-reticulate. The species differed on karyotypic formulas, on localization of secondary constriction and genome size. The data suggest that the main forces driving Euterpe karyotype evolution were structural rearrangements, such as inversions and translocations that alter chromosome morphology, and either deletion or amplification that led to changes in chromosome size.

Effects of infiltration pressure on mechanical properties of Al–12Si/graphite composites for piston engines

In this work results for the flexural strength and the thermal properties of interpenetrated graphite preforms infiltrated with Al-12wt%Si are discussed and compared to those for packed graphite particles. To make this comparison relevant, graphite particles of four sizes in the range 15–124 μm, were obtained by grinding the graphite preform. Effects of the pressure applied to infiltrate the liquid alloy on composite properties were investigated. In spite of the largely different reinforcement volume fractions (90% in volume in the preform and around 50% in particle compacts) most properties are similar. Only the Coefficient of Thermal Expansion is 50% smaller in the preform composites. Thermal conductivity of the preform composites (slightly below 100 W/m K), may be increased by reducing the graphite content, alloying, or increasing the infiltration pressure. The strength of particle composites follows Griffith criterion if the defect size is identified with the particle diameter. On the other hand, the composites strength remains increasing up to unusually high values of the infiltration pressure. This is consistent with the drainage curves measured in this work. Mg and Ti additions are those that produce the most significant improvements in performance. Although extensive development work remains to be done, it may be concluded that both mechanical and thermal properties make these materials suitable for the fabrication of piston engines.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

Study of materials and interphases for electrochemical energy storage from renewable sources

Batteries should be refined depending on their application for a future in which the sustainable energy demand increases. On the one hand, it is fundamental to improve their safety, prevent failures, increase energy density, and reduce production costs. On the other hand, new battery materials and architecture are required to satisfy the growing demand. This thesis explores different electrochemical energy storage systems and new methodologies to investigate complex and dynamic processes. Lithium-ion batteries are described in all their cell components. In these systems, this thesis investigates negative electrodes. Both the development of new sustainable materials and new in situ electrode characterization methods were explored. One strategy to achieve high-energy systems is employing lithium metal anodes. In this framework, ammonium hexafluorophosphate is demonstrated to be a suitable additive for stabilizing the interphase and preventing uncontrolled dendritic deposition. Deposition/stripping cycles, electrochemical impedance spectroscopy, in situ optical microscopy, and operando confocal Raman spectroscopy have been used to study lithium metal-electrolyte interphase in the presence of the additive. Redox Flow Batteries (RFBs) are proposed as a sustainable alternative for stationary applications. An all-copper aqueous RFB (CuRFB) has been studied in all its aspects. For the electrolyte optimization, spectro-electrochemical tests in diluted solution have been used to get information on the electrolyte’s electrochemical behaviour with different copper complexes distributions. In concentrated solutions, the effects of copper-to-ligand ratios, the concentration, and the counter-ion of the complexing agent were evaluated. Electrode thermal treatment was optimized, finding a compromise between the electrochemical performance and the carbon footprint. On the membrane side, a new method for permeability studies was designed using scanning electrochemical microscopy (SECM). The Cu(II) permeability of several membranes was tested, obtaining direct visualization of Cu(II) concentration in space. Also, two spectrophotometric approaches were designed for SoC monitoring systems for negative and positive half-cells.