Degradation of poly-L-lactide. Part 1: in vitro and in vivo physiological temperature degradation

Poly-L-Lactide is a bioresorbable polymer which degrades through hydrolysis of its ester linkage influenced by initial molecular weight and degree of crystallinity. Polymers belonging to the aliphatic polyester family currently represent the most attractive group of polymers that meet the medical and physical demands for safe clinical applications. Compression moulded PLLA pellets were produced as rods, sterilized and degraded both in vitro and in vivo (sub-dermal implantation model). The material molecular weight, crystallinity, mechanical strength and thermal properties were evaluated. In both in vitro and in vivo environments, degradation proceeded at the same rate and followed the general sequence of aliphatic polyester degradation, ruling out enzymes accelerating the degradation rate in vivo. By 44 weeks duration of implantation the PLLA rods were still biocompatible, before any mass loss was observed.

Poly(epsilon-caprolactone) and poly(epsilon-caprolactone)-polyvinylpyrrolidone-iodine blends as ureteral biomaterials: characterisation of mechanical and surface properties, degradation and resistance to encrustation in vitro.

This study describes the physicochemical properties and in vitro resistance to encrustation of solvent cast films composed of either poly(epsilon-caprolactone) (PCL), prepared using different ratios of high (50,000) to low (4000) (molecular weight) m.wt., or blends of PCL and the polymeric antimicrobial complex, poly(vinylpyrrolidone)-iodine (PVP-I). The incorporation of PVP-I offered antimicrobial activity to the biomaterials. Films were characterised in terms of mechanical (tensile analysis, dynamic mechanical thermal analysis) and surface properties (dynamic contact angle analysis, scanning electron microscopy), whereas degradation (at 37degreesC in PBS at pH 7.4) was determined gravimetrically. The resistance of the films to encrustation was evaluated using an in vitro encrustation model. Reductions in the ratio of high:low-m.wt. PCL significantly reduced the ultimate tensile strength, % elongation at break and the advancing contact angle of the films. These effects were attributed to alterations in the amorphous content and the more hydrophilic nature of the films. Conversely, there were no alterations in Young's modulus, the viscoelastic properties and glass-transition temperature. Incorporation of PVP-I did not affect the mechanical or rheological properties of the films, indicative of a limited interaction between the two polymers in the solid state. Manipulation of the high:low m.wt. ratio of PCL significantly altered the degradation of the films, most notably following longer immersion periods, and resistance to encrustation. Accordingly, maximum degradation and resistance to encrustation was observed with the biomaterial composed of 40:60 high:low m.wt. ratios of PCL; however, the mechanical properties of this system were considered inappropriate for clinical application. Films composed of either 50:50 or 60:40 ratio of high:low m.wt. PCL offered an appropriate compromise between physicochemical properties and resistance to encrustation. This study has highlighted the important usefulness of degradable polymer systems as ureteral biomaterials

Influence of plasticizer type and storage conditions on properties of poly(methyl vinyl ether-co-maleic anhydride) bioadhesive films

Poly(methyl vinyl ether-co-maleic anhydride) formed films from aqueous formulations with characteristics that are ideal as a basis for producing a drug-containing bioadhesive delivery system when plasticized with a monohydroxyl functionalized plasticizer. Hence, films containing a novel plasticizer, tripropylene glycol methyl ether (TPME), maintained their adhesive strength and tensile properties when packaged in aluminized foil for extended periods of time. Films plasticized with commonly used polyhydric alcohols, such as the glycerol in this study, underwent an esterification reaction that led to polymer crosslinking, as shown in NMR studies. These revealed the presence of peaks in the ester/carbonyl region, suggesting that glyceride residue formation had been initiated. Given the polyfunctional nature of glycerol, progressive esterification would result in a polyester network and an accompanying profound alteration in the physical characteristics. Indeed, films became brittle over time with a loss of both the aqueous solubility and bioadhesion to porcine skin. In addition, a swelling index was measurable after 7 days, a property not seen with those films containing TPME. This change in bioadhesive strength and pliability was independent of the packaging conditions, rendering the films that contain glycerol as unsuitable as a basis for topical bioadhesive delivery of drug substances. Consequently, films containing TPME have potential as an alternative formulation strategy.

The modification of PLA and PLGA using electron-beam radiation

The degradable polymers polylactide (PLA) and polylactide-co-glycolide (PLGA) have found widespread use in modern medical practice. However, their slow degradation rates and tendency to lose strength before mass have caused problems. The aim of this study was to ascertain whether treatment with e-beam radiation could address these problems. Samples of PLA and PLGA were manufactured and placed in layered stacks, 8.1 mm deep, before exposure to 50 kGy of e-beam radiation from a 1.5 MeV accelerator. Gel permeation chromatography testing showed that the molecular weight of both materials was depth-dependent following irradiation, with samples nearest to the treated surface showing a reduced molecular weight. Samples deeper than 5.4 mm were unaffected. Computer modeling of the transmission of a 1.5 MeV e-beam in these materials corresponded well with these findings. An accelerated mass-loss study of the treated materials found that the samples nearest the irradiated surface initiated mass loss earlier, and at later stages showed an increased percentage mass loss. It was concluded that e-beam radiation could modify the degradation of bioabsorbable polymers to potentially improve their performance in medical devices, specifically for improved orthopedic fixation.

Performance enhancement of polymer nanocomposites via multiscale modelling of processing and properties

This paper provides an overview of research on modelling of the structure–property interactions of polymer nanocomposites in manufacturing processes (stretch blow moulding and thermoforming) involving large-strain biaxial stretching of relatively thin sheets, aimed at developing computer modelling tools to help producers of materials, product designers and manufacturers exploit these materials to the full, much more quickly than could be done by experimental methods alone. The exemplar systems studied are polypropylene and polyester terephalate, with nanoclays. These were compounded and extruded into 2mm thick sheet which was then biaxially stretched at 155°C for the PP and 90 to 100°C for the PET. Mechanical properties were determined for the unstretched and stretched materials, together with TEM and XRD studies of structure. Multi-scale modelling, using representative volume elements is used to model the properties of these products.

New methods in Biomass Depolymerisation: Catalytic Hydrogenolysis of Barks

Hydrogenolysis of bark from three different species of tree using heterogeneous platinum group metal catalysts produces two major product streams. Aromatic substituted guaiacols are produced from lignin and the lignin-like regions of suberin and a range of saturated fatty acids and alcohols, including a,?-functionalised species, are produced from the polyester regions of suberin. Control experiments demonstrate clear advantages of catalytic hydrogenolysis over base hydrolysis, both in terms of conversion and product selectivity.

Application of fibre assemblies as damping elements in the automotive industry

This investigation aims to characterise the damping properties of the nonwoven materials with potential applications in automotive and aerospace industry. Nonwovens are a popular choice for many applications due to their relatively low manufacturing cost and unique properties. It is known that nonwovens are efficient energy dispersers for certain applications such as acoustic damping and ballistic impact. It is anticipated that these energy absorption properties could eventually be used to provide damping for mechanical vibrations. However the behaviour of nonwovens under dynamic load and vibration has not been investigated before. Therefore we intend to highlight these aspects of the behaviour of the nonwovens through this research. In order to obtain an insight to the energy absorption properties of the nonwoven fabrics, a range of tests has been performed. Forced vibration of the cantilever beam is used to explore damping over a range of resonance modes and input amplitudes. The tests are conducted on aramid, glass fibre and polyester fabrics with a range of area densities and various coatings. The tests clarified the general dynamic behaviour of the fabrics tested and the possible response in more real application condition as well. The energy absorption in both thickness and plane of the fabric is tested. The effects of the area density on the results are identified. The main absorption mechanism is known to be the friction. The frictional properties are improved by using a smaller fibre denier and increasing fibre length, this is a result of increasing contact surface between fibres. It is expected the increased friction result in improving damping. The results indicate different mechanism of damping for fiber glass fabrics compared to the aramid fabrics. The frequency of maximum efficiency of damping is identified for the fabrics tested. These can be used to recommend potential applications.

Weathering resistance of thin plasma polymer films on pre-coated steel

O trabalho apresentado teve origem no projecto de investigação “Tailored Thin Plasma Polymers Films for Surface Engineering of Coil Coated Steel”, financiado pelo Programa Europeu ECSC Steel Research. Sistemas de aço galvanizado pré-pintado em banda à base de poliéster e poliuretano foram submetidos a um processo de polimerização por plasma onde um filme fino foi depositado de modo a modificar as propriedades de superfície. Foram usados reactores de cátodo oco, microondas e rádio frequência para a deposição do polímero fino. Os sistemas preparados foram analisados de modo a verificar a influência do processo de polimerização por plasma na alteração das propriedades barreira dos sistemas pré-pintados em banda. Foi estudado o efeito dos diferentes passos do processo de polimerização por plasma, bem como o efeito de diferentes variáveis operatórias. A mistura precursora foi variada de modo a modificar as propriedades da superfície de modo a poder vir a obter maior hidrofobicidade, maior resistência a marcas digitais, bem como maior facilidade de limpeza. Os testes foram conduzidos em solução de NaCl 0,5 M. Para o trabalho foram usadas técnicas de análise da morfologia da superfície como Microscopia de Força Atómica e Microscopia Electrónica de Varrimento. As propriedades electroquímicas dos sistemas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância Electroquímica. A estrutura dos filmes gerados no processo de polimerização por plasma foi caracterizada por Microscopia de Transmissão Electrónica. A modificação das propriedades ópticas devido ao processo de polimerização por plasma foi também obtida.

Acrylic bone cements modified with bioactive and biodegradable fillers

O cimento ósseo acrílico é o único material utilizado para a fixação de próteses em cirurgias ortopédicas, surgindo como uma alternativa às técnicas não cimentadas. Cerca de um milhão de pacientes são anualmente tratados para a substituição total da articulação do quadril e do joelho. Com a maior expectativa de vida da população e o aumento do número de cirurgias realizadas por ano espera-se que o uso do cimento ósseo aumente substancialmente. A fraca ligação do cimento ao osso é um problema comum que pode causar perda asséptica da prótese. Assim, torna-se necessário investir no desenvolvimento de cimentos ósseos alternativos que permitam promover maior estabilidade e melhor desempenho do implante. O principal objetivo desta tese foi desenvolver um cimento ósseo bioativo, capaz de ligar-se ao osso, com propriedades melhoradas relativamente aos sistemas convencionais. A preparação dos materiais foi realizada por dois processos diferentes, a polimerização por via térmica e a polimerização por via química. Inicialmente, utilizando o processo térmico, foram desenvolvidos compósitos de PMMA-co-EHA reforçados com vidro de sílica (CSi) e vidro de boro (CB) e comparados em termos do seu comportamento in vitro em meio acelular e celular. A formação de precipitados de fosfato de cálcio foi observada sobre a superfície de todos os compósitos indicando que estes materiais são potencialmente bioativos. Em relação à avaliação biológica o CSi demonstrou um efeito indutor da proliferação das células. As células apresentaram uma morfologia normal e alta taxa de crescimento quando comparadas com o padrão de cultura. Por outro lado ocorreu inibição da proliferação celular para o CB provavelmente devido à sua elevada taxa de degradação, levando a uma elevada concentraçao de iões de B e de Mg no meio de cultura. O efeito do vidro nos cimentos curados por via química, incorporando um activador de baixa toxicidade, também foi avaliado. Os resultados sugerem que as novas formulações podem diminuir o efeito exotérmico na cura do cimento e melhorar as propriedades mecânicas (flexão e compressão). Outro estudo conduzido neste trabalho explorou a possibilidade de incorporar ibuprofeno (fármaco anti-inflamatório) no cimento, dando origem a um material capaz de ser simultaneamente, bioativo e promotor da libertação controlada de fármacos. Neste contexto foi evidenciado que o desempenho do cimento desenvolvido pode contribuir para minimizar o processo inflamatório associado a uma cirurgia ortopédica. Finalmente, a fase sólida do cimento ósseo bioativo foi modificada por diferentes polímeros biodegradáveis. A adição deste enchimento deu origem a um cimento parcialmente biodegradável que pode permitir a formação de poros e o crescimento ósseo para o interior do cimento, resultando numa melhor fixação da prótese.

Synthesis of new vegetable oil-based polymeric materials

A crescente procura de recursos fosseis a que se tem assistido nos ultimos anos, tem resultado num crescimento sem precedentes dos precos, com consequencias imprevisiveis e que levara, no espaco de decadas, ao seu inevitavel esgotamento. A procura de um modelo de desenvolvimento sustentavel, baseado em recursos renovaveis e o grande desafio que se coloca a civilizacao no seculo XXI. A biomassa vegetal, atraves das designadas gBio-refinarias h, e uma alternativa logica para a producao de produtos quimicos e de materiais mas tambem de combustiveis e energia. Os oleos vegetais constituem uma das fracoes da biomassa vegetal, cuja exploracao tem merecido redobrada atencao nos ultimos anos, como fonte de materiais e de combustiveis. Assim, a presente dissertacao tem por objetivo o desenvolvimento de novos materiais polimericos derivados de oleos vegetais, seguindo duas abordagens distintas, nomeadamente a preparacao de polimeros atraves de polimerizacao por etapas e polimerizacao em cadeia (Parte B e C, respetivamente). Em primeiro lugar, foram sintetizados poliesteres alifaticos de cadeia longa a partir de monomeros provenientes do oleo de colza (Capitulo III). A auto-metatese do acido erucico com catalisadores de rutenio, seguida de hidrogenacao da ligacao dupla, originou o acido 1,26-hexacosanodioico, que por sua vez foi convertido em hexacosano-1,26-diol. Subsequentemente, a policondensacao do acido ƒ¿,ƒÖ-dicarboxilico de cadeia longa com o hexacosano-1,26-diol originou o poliester 26,26. O diacido C26 foi tambem polimerizado com outros alcano-diois de cadeia curta, nomeadamente o dodecano-1,12-diol e o butano-1,2-diol, produzindo, respetivamente, os poliesteres 12,26 e 4,26. Estes poliesteres de fontes 100% renovaveis possuem valores de Mn na ordem dos 8-14 kDa e valores de PDI entre 2.1 e 2.7. As propriedades destes poliesteres alifaticos foram avaliadas atraves de varias tecnicas, revelando elevada cristalinidade (com uma estrutura cristalina como a do polietileno) e elevadas temperaturas de fusao (74-104 ‹C), cristalizacao (68-92 ‹C) e degradacao (323-386 ‹C). Em segundo lugar, foram sintetizados polimeros lineares termo-reversiveis a partir de derivados do oleo de ricinio (Capitulo IV). Para tal foram preparados monomeros que incorporam aneis furanicos inseridos atraves do acoplamento tiol-eno, e que posteriormente foram polimerizados pela reacao de Diels-Alder (DA) entre os grupos furano (dieno A) e estruturas complementares do tipo maleimida (dienofilo B). Para as polimerizacoes DA foram consideradas duas abordagens diferentes, nomeadamente (i) o uso de monomeros com dois aneis furanicos terminais em conjunto com uma bismaleimida (sistemas AA+BB) e (ii) a utilizacao de um monomero que incorpora ambos os grupos reativos, furano e maleimida, na sua estrutura (sistema AB). Este estudo demonstrou claramente que ambas as estratégias foram bem sucedidas embora com diferentes resultados em termos da natureza dos produtos obtidos. Estes polímeros lineares apresentam valores relativamente baixos de Tg (-40 to -2 °C) devido à natureza flexível dos grupos separadores das funções reativas, e de Mn (4.5-9.0 kDa) dada a observada tendência de ciclização associada a concentrações baixas de monómero. A aplicação da reação de retro-DA aos polímeros em causa confirmou o seu caráter reversível, ou seja, a possibilidade de promover, em condições controladas, a despolimerização com recuperação dos monómeros de partida. Esta particularidade abre caminhos para materiais macromoleculares originais com aplicações promissoras tais como auto-reparação e reciclabilidade. Em terceiro lugar, sintetizaram-se polímeros não-lineares termo-reversíveis a partir de derivados do óleo de ricínio (Capítulo V). Para tal foram preparados monómeros trifuncionais e posteriormente polimerizados através da reação de DA entre os grupos reativos complementares furano/maleimida. Foram consideradas três abordagens distintas para preparar estes polímeros não-lineares, nomeadamente através da utilização de (i) um monómero bisfurânico em combinação com uma trismaleimida (sistema A2+B3) e (ii) um monómero trisfurânico em conjunto com uma bismaleimida (sistema A3+B2) que originaram materiais ramificados ou reticulados, e ainda (iii) a utilização de monómeros assimetricamente substituídos do tipo A2B ou AB2 capazes de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas. Todos os sistemas apresentaram valores de Tg perto de 0 °C, o que era de esperar para estes materiais não-lineares. A aplicação da reação de retro-DA comprovou mais uma vez o caráter termo-reversível das polimerizações em causa. Em quarto lugar e último lugar, foram preparados copolímeros de acetato de vinilo (VAc) com monómeros derivados de óleo de girassol (Capítulo VI). Ésteres vinílicos de ácidos gordos (FAVE) foram sintetizados por transvinilação dos ácidos oleico e linoleico com VAc catalisada por um complexo de irídio. Os monómeros vinílicos preparados foram caracterizados e posteriormente homopolimerizados e copolimerizados com VAc através do uso dos grupos vinílicos terminais como função inicial de polimerização. A variação do tipo e quantidade de monómero FAVE e da quantidade de iniciador radicalar originou copolímeros de VAc com valores de Mn na gama de 1.2-3.0 kDa e valores de Tg de -5 a 16 °C. Os copolímeros foram avaliados em testes de cura oxidativa através das insaturações nas suas cadeias alifáticas para formar materiais reticulados, e os resultados sugerem que eles podem ser sistemas efetivos de cura para aplicações como tintas, vernizes e outros tipos de revestimento. Todos os materiais poliméricos preparados ao longo deste trabalho constituem contribuições atrativas para a área dos polímeros oriundos de recursos renováveis e representam uma prova indiscutível de que os óleos vegetais são percursores promissores de materiais macromoleculares com potenciais aplicações.

Metal cycling in salt marshes and intertidal mudflats : influence of plants, invertebrates and fishes

Tese de doutoramento, Biologia (Ecologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

Study of the production of polyesters for polyurethanes at pilot plant scale

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Amarração de plataformas offshore flutuantes com cabos de poliéster

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Re-use assessment of thermoset composite wastes as aggregate and filler replacement for concrete-polymer composite materials: a case study regarding GFRP pultrusion wastes

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both the cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and the complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, polymer matrix and different types of inorganic fillers. Hence, to date, most of the thermoset based GFRP waste is being incinerated or landfilled leading to negative environmental impacts and additional costs to producers and suppliers. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, the effect of the incorporation of mechanically recycled GFRP pultrusion wastes on flexural and compressive behaviour of polyester polymer mortars (PM) was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (0%, 4%, 8% and 12%, w/w), with distinct size grades (coarse fibrous mixture and fine powdered mixture), were incorporated into polyester PM as sand aggregates and filler replacements. The effect of the incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Experimental results revealed that GFRP waste filled polymer mortars show improved mechanical behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of GFRP waste reuse as raw material in concrete-polymer composites.

Sustainable waste recycling solution for the glass fibre reinforced polymer composite materials industry

In this paper the adequacy and the benefit of incorporating glass fibre reinforced polymer (GFRP) waste materials into polyester based mortars, as sand aggregates and filler replacements, are assessed. Different weight contents of mechanically recycled GFRP wastes with two particle size grades are included in the formulation of new materials. In all formulations, a polyester resin matrix was modified with a silane coupling agent in order to improve binder-aggregates interfaces. The added value of the recycling solution was assessed by means of both flexural and compressive strengths of GFRP admixed mortars with regard to those of the unmodified polymer mortars. Planning of experiments and data treatment were performed by means of full factorial design and through appropriate statistical tools based on analyses of variance (ANOVA). Results show that the partial replacement of sand aggregates by either type of GFRP recyclates improves the mechanical performance of resultant polymer mortars. In the case of trial formulations modified with the coarser waste mix, the best results are achieved with 8% waste weight content, while for fine waste based polymer mortars, 4% in weight of waste content leads to the higher increases on mechanical strengths. This study clearly identifies a promising waste management solution for GFRP waste materials by developing a cost-effective end-use application for the recyclates, thus contributing to a more sustainable fibre-reinforced polymer composites industry.