Enhancing the versatility of alternate current biosusceptometry (ACB) through the synthesis of a dextrose-modified tracer and a magnetic muco-adhesive cellulose gel

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Advanced CMOS Interfaces for Bio-Nanosensors

The improvement of devices provided by Nanotechnology has put forward new classes of sensors, called bio-nanosensors, which are very promising for the detection of biochemical molecules in a large variety of applications. Their use in lab-on-a-chip could gives rise to new opportunities in many fields, from health-care and bio-warfare to environmental and high-throughput screening for pharmaceutical industry. Bio-nanosensors have great advantages in terms of cost, performance, and parallelization. Indeed, they require very low quantities of reagents and improve the overall signal-to-noise-ratio due to increase of binding signal variations vs. area and reduction of stray capacitances. Additionally, they give rise to new challenges, such as the need to design high-performance low-noise integrated electronic interfaces. This thesis is related to the design of high-performance advanced CMOS interfaces for electrochemical bio-nanosensors. The main focus of the thesis is: 1) critical analysis of noise in sensing interfaces, 2) devising new techniques for noise reduction in discrete-time approaches, 3) developing new architectures for low-noise, low-power sensing interfaces. The manuscript reports a multi-project activity focusing on low-noise design and presents two developed integrated circuits (ICs) as examples of advanced CMOS interfaces for bio-nanosensors. The first project concerns low-noise current-sensing interface for DC and transient measurements of electrophysiological signals. The focus of this research activity is on the noise optimization of the electronic interface. A new noise reduction technique has been developed so as to realize an integrated CMOS interfaces with performance comparable with state-of-the-art instrumentations. The second project intends to realize a stand-alone, high-accuracy electrochemical impedance spectroscopy interface. The system is tailored for conductivity-temperature-depth sensors in environmental applications, as well as for bio-nanosensors. It is based on a band-pass delta-sigma technique and combines low-noise performance with low-power requirements.

Hybrid portable systems for bio-nanosensors

The promising development in the routine nanofabrication and the increasing knowledge of the working principles of new classes of highly sensitive, label-free and possibly cost-effective bio-nanosensors for the detection of molecules in liquid environment, has rapidly increased the possibility to develop portable sensor devices that could have a great impact on many application fields, such as health-care, environment and food production, thanks to the intrinsic ability of these biosensors to detect, monitor and study events at the nanoscale. Moreover, there is a growing demand for low-cost, compact readout structures able to perform accurate preliminary tests on biosensors and/or to perform routine tests with respect to experimental conditions avoiding skilled personnel and bulky laboratory instruments. This thesis focuses on analysing, designing and testing novel implementation of bio-nanosensors in layered hybrid systems where microfluidic devices and microelectronic systems are fused in compact printed circuit board (PCB) technology. In particular the manuscript presents hybrid systems in two validating cases using nanopore and nanowire technology, demonstrating new features not covered by state of the art technologies and based on the use of two custom integrated circuits (ICs). As far as the nanopores interface system is concerned, an automatic setup has been developed for the concurrent formation of bilayer lipid membranes combined with a custom parallel readout electronic system creating a complete portable platform for nanopores or ion channels studies. On the other hand, referring to the nanowire readout hybrid interface, two systems enabling to perform parallel, real-time, complex impedance measurements based on lock-in technique, as well as impedance spectroscopy measurements have been developed. This feature enable to experimentally investigate the possibility to enrich informations on the bio-nanosensors concurrently acquiring impedance magnitude and phase thus investigating capacitive contributions of bioanalytical interactions on biosensor surface.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Wet bioadhesion in tree frogs

Viele Tiere wie etwa Geckos oder Laubfrösche können mittels ihrer Haftscheiben an Oberflächen kleben. Diese Haftscheiben ermöglichen es den Tieren, sich während ihrerrnFortbewegung an Oberflächen anzuheften und wieder zu lösen unabhängig von denrnvorherrschenden Umweltbedingungen. Frösche besitzen mikro- und nanostrukturierternsowie charakteristisch geformte Haftscheiben an Finger- und Zehenenden. Ihre besonderernevolutionäre Errungenschaft, sich stark und zugleich reversibel in sowohl trockenen alsrnauch feuchten Umgebungen anzuhaften, hat die Wissenschaft zur Nachahmung und Untersuchungrndieser Strukturen inspiriert. Zum besseren Verständnis der Mechanismen vonrnAnhaftung und Loslösung bei Laubfröschen wurden weiche, elastische und mikrostrukturierternOberflächen hergestellt, indem PDMS (Polydimethylsiloxan) auf einer Siliziummaskernmit Hexagonstruktur aufgetragen und vernetzt wurde. Dadurch wurden Anordnungenrnvon hexagonalen Mikrosäulen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften undrnunterschiedlichen Kontaktgeometrien (normale, flache Form, T-Form und konkave Formrnder Säulenenden) erhalten. Um den Einfluss der van-der-Waals, hydrodynamischen,rnKapillar-und Adhäsionskräfte zu verstehen, wurden verschiedene experimentelle Ansätzernverfolgt: Die auf eine einzelne Säule wirkenden Adhäsionskräfte wurden mittelsrnRasterkraftmikroskopie gemessen. Dazu wurden speziell hergestellte kolloidale Sensorenrnverwendet. Diese Experimente wurden sowohl mit als auch ohne Flüssigkeitsfilm auf derrnSäule durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Beitrag von Kapillarkraft und direktenrnKontaktkräften zur Adhäsionskraft bei Vorliegen eines Flüssigkeitsfilms. Die Adhäsionrnfiel umso größer aus, je weniger Flüssigkeit zwischen Sensor und Säule vorhanden war.rnIm Falle einer trockenen Adhäsion zeigte die Säule mit T-Form die höchste Adhäsion. Darndie Haftscheiben der Laubfrösche weich sind, können sie dynamisch ihre Form ändern,rnwas zu einer Änderung der hydrodynamischen Kraft zwischen Scheibe und Oberflächernführt. Der Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die hydrodynamische Kraft wurderndaher am Modellsystem einer Kugel untersucht, welche sich einer weichen und ebenenrnOberfläche annähert. Dieses System wurde sowohl theoretisch über die Simulation finiterrnElemente als auch experimentell über die Messung mit kolloidalen Sonden untersucht.rnSowohl experimentelle Ergebnisse als auch die Simulationen ergaben eine Abnahme derrnhydrodynamischen Kraft bei Annäherung des kolloidalen Sensors an eine weiche undrnelastische Oberfläche. Beim Entfernen der Sensors von der Oberfläche verstärkte sichrndie hydrodynamische Anziehungskraft. Die Kraft, die zur Trennung eines Partikels von einer Oberfläche in Flüssigkeit notwendig ist, ist für weiche und elastischen Oberflächenrngrößer als für harte Oberflächen. In Bezug zur Bioadhäsion bei Laubfröschen konnternfestgestellt somit festgestellt werden, dass sich der hydrodynamische Anteil zur feuchtenrnBioadhäsion aufgrund der weichen Oberfläche erhöht. Weiterhin wurde der Einflussrndes Aspektverhältnisses der Säulen auf die Reibungskraft mittels eines kolloidalen Sensorsrnuntersucht. Gestreckte Säulen zeigten dabei eine höhere Reibung im Vergleich zu.rnSäulen mit einem gestreckten Hexagon als Querschnitt.

Effect of Bio-Oss on osseointegration of dental implants surrounded by circumferential bone defects of different dimensions: an experimental study in the dog

OBJECTIVES: This study was designed to evaluate the effect of gap width and graft placement on bone healing around implants placed in simulated extraction sockets of various widths in four Labrador dogs. MATERIALS AND METHODS: Five Osseotite implants per dog were placed in the mandible of four dogs. Two implants were inserted into sites with a 2.37 mm and two with a 1 mm gap present between the implants and bone around the coronal 6 mm of the implants in each dog. For one of each gap sizes, the gap was filled with Bio-Oss, and the other two with blood alone. A fifth implant was inserted without a gap and used as a control. Ground sections were prepared from biopsies taken at 4 months and histometric measurements of osseointegration and bone between the threads made for the coronal 6 mm. RESULTS: The medians for osseointegration ranged from 5.2 mm for control to 1-2.6 mm for the test modalities. There were significant differences for linear measurements of osseointegration (chi(2) 18.27; df 4; P=0.0011) and bone area within threads (chi(2) 23.4; df 4; P=0.0001) between test modalities. CONCLUSIONS: The results suggest that the wider the gap around the implants, the less favourable the histological outcome at short time intervals following treatment. They also infer that bone grafting with an organic bovine bone xenograft seems to lead to a more favourable histological outcome for wider circumferential defects but not for narrower defects.

Optimizing Models of the North Atlantic Spring Bloom Using Physical, Chemical and Bio-Optical Observations from a Lagrangian Float

The North Atlantic spring bloom is one of the main events that lead to carbon export to the deep ocean and drive oceanic uptake of CO(2) from the atmosphere. Here we use a suite of physical, bio-optical and chemical measurements made during the 2008 spring bloom to optimize and compare three different models of biological carbon export. The observations are from a Lagrangian float that operated south of Iceland from early April to late June, and were calibrated with ship-based measurements. The simplest model is representative of typical NPZD models used for the North Atlantic, while the most complex model explicitly includes diatoms and the formation of fast sinking diatom aggregates and cysts under silicate limitation. We carried out a variational optimization and error analysis for the biological parameters of all three models, and compared their ability to replicate the observations. The observations were sufficient to constrain most phytoplankton-related model parameters to accuracies of better than 15 %. However, the lack of zooplankton observations leads to large uncertainties in model parameters for grazing. The simulated vertical carbon flux at 100 m depth is similar between models and agrees well with available observations, but at 600 m the simulated flux is larger by a factor of 2.5 to 4.5 for the model with diatom aggregation. While none of the models can be formally rejected based on their misfit with the available observations, the model that includes export by diatom aggregation has a statistically significant better fit to the observations and more accurately represents the mechanisms and timing of carbon export based on observations not included in the optimization. Thus models that accurately simulate the upper 100 m do not necessarily accurately simulate export to deeper depths.

Biogenic and lithogenic silica, silicic acid, production of biogenic silica, and irradiance measurements during the Ross Sea Bloom Project 1994-1996

The development of the seasonal phytoplankton bloom in the Ross Sea was studied during two cruises. The first, conducted in November-December 1994, investigated the initiation and rapid growth of the bloom, whereas the second (December 1995-January 1996) concentrated on the bloom's maximum biomass period and the subsequent decline in biomass. Central to the understanding of the controls of growth and the summer decline of the bloom is a quantitative assessment of the growth rate of phytoplankton. Growth rates were estimated over two time scales with different methods. The first estimated daily growth rates from isotropic incorporation under simulated in situ conditions, including 14C, 15N and 32Si uptake measurements combined with estimates of standing stocks of particulate organic carbon, nitrogen and biogenic silica. The second method used daily to weekly changes in biomass at selected locations, with net growth rates being estimated from changes in standing stocks of phytoplankton. In addition, growth rates were estimated in large-volume experiments under optimal irradiances. Growth rates showed distinct temporal patterns. Early in the growing season, short-term estimates suggested that growth rates of in situ assemblages were less than maximum (relative to the temperature-limited maximum) and were likely reduced due to low irradiance regimes encountered under the ice. Growth rates increased thereafter and appeared to reach their maximum as biomass approached the seasonal peak, but decreased markedly in late December. Differences between the major taxonomic groups present were also noted, especially from the isotopic tracer experiments. The haplophyte Phaeocystic antarctica was dominant in 1994 throughout the growing season, and it exhibited the greatest growth rates (mean 0.41/day) during spring. Diatom standing stocks were low early in the growing season, and growth rates averaged 0.100/day. In summer diatoms were more abundant, but their growth rates remained much lower (mean of 0.08/day) than the potential maximum. Understanding growth rate controls is essential to the development of predictive models of the carbon cycle and food webs in Antarctic waters.