Development of high specific strength components, with internal cellular structure, for several applications

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica

Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Development of Janus hydrogel microcapsules as novel biomaterials-stem cells construct for 3D co-culture applications

Co-cultures of two or more cell types and biodegradable biomaterials of natural origin have been successfully combined to recreate tissue microenvironments. Segregated co-cultures are preferred over conventional mixed ones in order to better control the degree of homotypic and heterotypic interactions. Hydrogel-based systems in particular, have gained much attention to mimic tissue-specific microenvironments and they can be microengineered by innovative bottom-up approaches such as microfluidics. In this study, we developed bi-compartmentalized (Janus) hydrogel microcapsules of methacrylated hyaluronic acid (MeHA)/methacrylated-chitosan (MeCht) blended with marine-origin collagen by droplet-based microfluidics co-flow. Human adipose stem cells (hASCs) and microvascular endothelial cells (hMVECs) were co-encapsulated to create platforms of study relevant for vascularized bone tissue engineering. A specially designed Janus-droplet generator chip was used to fabricate the microcapsules (<250â μm units) and Janus-gradient co-cultures of hASCs: hMVECs were generated in various ratios (90:10; 75:25; 50:50; 25:75; 10:90), through an automated microfluidic flow controller (Elveflow microfluidics system). Such monodisperse 3D co-culture systems were optimized regarding cell number and culture media specific for concomitant maintenance of both phenotypes to establish effective cell-cell (homotypic and heterotypic) and cell-materials interactions. Cellular parameters such as viability, matrix deposition, mineralization and hMVECs re-organization in tube-like structures, were enhanced by blending MeHA/MeCht with marine-origin collagen and increasing hASCs: hMVECs co-culture gradient had significant impact on it. Such Janus hybrid hydrogel microcapsules can be used as a platform to investigate biomaterials interactions with distinct combined cell populations.

Development of multifunctional coatings deposited on polymers based sensors for biomedical applications

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia de Materiais)

Development of composite auxetic structures for civil engineering applications

Tese de Doutoramento em Engenharia Têxtil

Development of a subject-specific musculoskeletal shoulder model : inverse and forward dynamics applications

A prevalência de pessoas que referem dor no complexo articular do ombro, com concomitante limitação na capacidade para realizar atividades da vida diária, é elevada. Estes níveis de prevalência sobrecarregam quer os utentes, como a própria sociedade. A evidência científica atual indicia a existência de uma relação entre as alterações da articulação escápulo-torácica e as patologias associadas à articulação gleno-umeral. A capacidade de quantificar, cinemática e cineticamente, as disfunções ao nível das articulações escápulo-torácica e gleno-umeral, é algo de enorme importância, quer para a comunidade biomecânica, como para a clínica. No decorrer dos trabalhos desta tese foi desenvolvido, através do software OpenSim, um modelo tridimensional músculo-esquelético do complexo articular do ombro que inclui a representação do tórax/coluna, clavícula, omoplata, úmero, rádio, cúbito e articulações que permitem os movimentos relativos desses segmentos, assim como, 16 músculos e 4 ligamentos. Com um total de 11 graus de liberdade, incluindo um novo modelo articular escápulo-torácico, os resultados demonstram que este é capaz de reconstruir de forma precisa e rápida os movimentos escápulo-torácicos e glenoumerais, recorrendo para tal, à cinemática inversa, e à dinâmica inversa e direta. Conta ainda com um método de transformação inovador para determinar, com base nas especificidades dos sujeitos, os locais de inserção muscular. As principais motivações subjacentes ao desenvolvimento desta tese foram contribuir para o aprofundar do atual conhecimento sobre as disfunções do complexo articular do ombro e, simultaneamente, proporcionar à comunidade clínica uma ferramenta biomecânica de livre acesso com o intuito de melhor suportar as decisões clínicas e dessa forma concorrer para uma prática mais efetiva.

Desarrollo de interfases con transferencia controlada de especies moviles. Síntesis, caracterizacion y aplicaciones. Development of Interphases with Controlled Transference of Mobile Species. Synthesis, Characterization and Applications.

Se propone sintetizar nuevos materiales como bloques de construcción de estructuras en escala nanometrica o micrométrica: nanotubos de carbono funcionalizados; nanopartículas metálicas; hidrogeles inteligentes; carbones mesoporosos. Con ellos se construiran interfaces solido/liquido estructuradas: multicapas autoensambladas, patrones micrométricos con heterogeneidad tridimensional y estructuras jerárquicas. Se estudiara el intercambio de especies móviles en las interfaces usando técnicas electroquímicas, espectroelectroquimicas, ópticas y de microscopia. De esta manera se podran controlar el intercambio en esa interface. En base a este conocimientos se desarrollaran aplicaciones tecnológicas tales como sensores de oligonucletidos, microceldas de combustible, arreglos de microelectrodos y supercapacitores.

Diseño y desarrollo de superficies modificadas. Aplicaciones ambientales, biomédicas y farmacéuticas. Design and development of modified surfaces. Environmental, biomedical and pharmaceutical applications.

El objetivo general de este proyecto de investigación es diseñar, desarrollar y optimizar superficies con propiedades especificas para ser utilizadas como sensores y biosensores, materiales biocompatibles, columnas para separaciones por electroforesis capilar, matrices para la liberación controlada de fármacos y sorbentes para remediación ambiental. Para concretar este objetivo, se propone específicamente modificar superficies o particulas apuntando a optimizar un sistema concreto relevante en aplicaciones farmaceuticas, ambientales o biomedicas: 1. Modificacion de arcillas naturales o sinteticas para desarrollar matrices portadoras de farmacos o sorbentes para remediacion ambiental:1.1 Estudiar ilitas modificadas con Fe(III) para maximizar las propiedades adsortivas frente a aniones contaminantes como arsenico. 1.2 Sintetizar LDH de Al y Mg modificados con compuestos de interés farmacéutico para diseñar sistemas de liberación controlada.2. Modificación de canales de chips y electrodos para optimizar la separación, detección y cuantificación de compuestos farmacéutico: 2.1 Diseñar y construir microchips para la separación por EC de compuestos de base fenólica.2.2 Evaluar polímeros que mejoren la respuesta y/o estabilidad de electrodos de Carbono para ser usados como detectores amperométrico de compuestos de base fenólica en sistemas FIA y miniaturizados de análisis integrados.3. Modificación de superficies sólidas con biomoléculas para el desarrollo y optimización de superficies de bio-reconocimiento:3.1 Evaluar el comportamiento de superficies de titanio modificadas con TiO2 y depósitos inorgánicos frente a la interacción con proteínas plasmáticas (PP) para el análisis de la biocompatibilidad superficial.3.2 Diseñar y desarrollar superficies biofuncionales para el reconocimiento especifico de D-aminoácidos, anticuerpos en pacientes chagásicos y simple hebra de ADN. Las técnicas que se emplearán para llevar a cabo el proyecto dependen del tipo de sistema de estudio. En particular los estudios correspondientes al objetivo 1 se realizarán mediante análisis químicos, térmico, DXR, SEM, IR, BET así como mediante titulaciones ácido-base potenciométricas, movilidades electroforéticas, cinética e isotermas de adsorción.En general para desarrollar el objetivo 2 se utilizarán técnicas electroquímicas clásicas para la caracterización de los electrodos, los que luego se utilizarán como detectores en un sistema FIA amperométrico, mientras que los microchips se emplearán en electroforesis capilar para la separación de diferentes compuestos de interés farmacéutico.Finalmente, el objetivo 3 se llevará a cabo por un lado modificando electrodos de titanio con distintos depósitos (electroquímicas, sol-gel, térmicas) de TiO2 e hidroxiapatita y evaluando la interacción con proteínas plasmáticas para analizar la biocompatibilidad de los materiales preparados. Por otro lado, se estudiará el proceso de adsorción-desorción de D-aminoácido oxidasa, antígenos del T. Cruzi y ADN de simple hebra para optmizar la capacidad de bio-reconocimiento superficial de D-aminoácidos, anticuerpos de chagásicos y de cadena complementaria de ADN. Para concretar este objetivo se utilizarán técnicas electroquímicas, espectroscópicas y microscopias.Debido al carácter multidisciplinario del presente proyecto de investigación, su ejecución se llevara a cabo a través de la colaboración de investigadores pertenecientes a distintas áreas de la Química y permitirá continuar con la formación de recursos humanos mediante la realización de tesis doctorales y estadías postdoctorales.

Desarrollo de fotosensibilizadores con aplicaciones en la inactivación fotodinámica de microorganismos. Development of photosensitizer with applications in the photodynamic inactivation of microorganisms.

El plan propone desarrollar nuevas agentes fotosensibilizadores derivados de macrociclos pirrólicos con aplicaciones en la inactivación fotodinámica (PDI) de microorganismos. La propuesta abarca el desarrollo de procedimientos apropiados para la síntesis de compuestos derivados de porfirinas, subftalocianinas y ftalocianinas sustituidas en la periferia por grupos que permitan aumentar la actividad biológica. Con la finalidad de incrementar la incorporación intracelular y la actividad fotodinámica se evaluarán sensibilizadores con distinta distribución y número de cargas, en los cuales se ha incrementado el carácter anfifílico por la presencia de grupos lipofílicos y catiónicos. La combinación de un fotosensibilizador con un compuesto antifúngico está diseñada para aumentar la eficiencia en la inactivación de hongos. También serán evaluadas superficies antimicrobianas recubiertas con una película de fotosensibilizadores. En primera instancia, la actividad fotodinámica de los nuevos agentes fototerapéuticos serán evaluados en sistemas biomiméticos conteniendo sustratos biológicamente activos. Los estudios in vitro serán realizados en cultivos de bacterias y levaduras. Esta aplicación presenta considerable importancia en la inactivación de microorganismos patógenos que crecen in vivo en un foco localizado de infección, en la desinfección de fluidos biológicos y aguas contaminadas con microbios resistentes.

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Electroquímica de sustancias de interés en los sistemas agroalimentario y de sanidad animal. Desarrollo de biosensores electroquímicos. Aplicaciones analíticas.Electrochemistry of substances of interest in agroalimentary and animal health systems. Development of electrochemical biosensors. Analytical applications.

Se estudiarán los mecanismos de reacción electroquímica de las micotoxinas (metabolitos tóxicos generados por hongos) citrinina (CIT), patulina (PAT) y moniliformina (MON), de los antioxidantes naturales alfa, beta, gama y delta tocoferoles, de los flavonoides fisetina (FIS), morina (MOR), luteolina (LUT), rutina (RUT), buteina (BUT), naringenina (NAR) y miricetina (MIR) y de las hormonas esteroides estradiol (EDIOL), estrona (EONA) y estriol (ETRIOL). Por otra parte, se implementarán técnicas electroanalíticas para la detección y cuantificación de estos sustratos en muestras de matrices naturales que los contengan. Se realizará el diseño y caracterización de biosensores enzimáticos a partir de peroxidasas y/o fosfatasa alcalina para la determinación de la micotoxina CIT y de los flavonoides y, por otro, de inmunosensores para las micotoxinas ocratoxina A (OTA) y PAT y hormonas. Para el anclaje de enzimas y/o anticuerpos, se estudiarán las propiedades de electrodos modificados por monocapas autoensambladas, nanotubos de carbono y partículas magnéticas. Se usarán las técnicas de voltamperometría cíclica, de onda cuadrada y de redisolución con acumulación adsortiva, espectroscopías de impedancia electroquímica, electrólisis a potencial controlado, uv-vis e IR, microbalanza de cristal de cuarzo y microscopías de alta resolución (SEM, TEM, AFM). La importancia de este proyecto apunta a la obtención de nuevos datos electroquímicos de los sustratos indicados y conocimientos relacionados con la aplicación de electrodos modificados en la preparación de biosensores y en el desarrollo de técnicas alternativas para la determinación de los analitos mencionados precedentemente. Electrochemical reaction mechanisms of mycotoxins (toxic metabolites generated by fungi) citrinin (CIT), Patulin (PAT) and moniliformin (MON), natural antioxidants alpha, beta, gamma and delta tocopherols, flavonoids fisetin (FIS), morin (MOR), luteolin (LUT), rutin (RUT), butein (BUT), naringenin (NAR), miricetin (MIR) and steroid hormones estradiol (EDIOL), estrone (EONA) and estriole (ETRIOL) will be explored. On the other hand, electroanalytical techniques for the detection and quantification of these substrates in samples of natural matrices will be implemented. The design and characterization of enzymatic biosensors from peroxidases and/or from alkaline phosphatase for the determination of CIT and flavonoids, and also of inmunosensors for ochratoxin A (OTA) and PAT and hormones will be performed. For the anchor of enzymes and/or antibody, properties of electrodes modified by self assembled monolayers, carbon nanotubes and magnetic particles will be explored. Cyclic, square wave and adsorptive stripping voltammetries, electrochemical impedance spectroscopy, controlled potential electrolysis, uv-vis and IR, quartz crystal microbalance and high-resolution microcopies (SEM, TEM, AFM) will be used. The importance of this project is aimed at obtaining new electrochemical data for the indicated substrates and knowledge on the application of modified electrodes in preparation of biosensors and in the development of alternative techniques for the determination of the above-mentioned analytes.

Nonclassical measurement error with applications to labor and development issues

Zero correlation between measurement error and model error has been assumed in existing panel data models dealing specifically with measurement error. We extend this literature and propose a simple model where one regressor is mismeasured, allowing the measurement error to correlate with model error. Zero correlation between measurement error and model error is a special case in our model where correlated measurement error equals zero. We ask two research questions. First, we wonder if the correlated measurement error can be identified in the context of panel data. Second, we wonder if classical instrumental variables in panel data need to be adjusted when correlation between measurement error and model error cannot be ignored. Under some regularity conditions the answer is yes to both questions. We then propose a two-step estimation corresponding to the two questions. The first step estimates correlated measurement error from a reverse regression; and the second step estimates usual coefficients of interest using adjusted instruments.

Historical Development and Applications of the EPIC and APEX Models, June 2005

The development of the field-scale Erosion Productivity Impact Calculator (EPIC) model was initiated in 1981 to support assessments of soil erosion impacts on soil productivity for soil, climate, and cropping conditions representative of a broad spectrum of U.S. agricultural production regions. The first major application of EPIC was a national analysis performed in support of the 1985 Resources Conservation Act (RCA) assessment. The model has continuously evolved since that time and has been applied for a wide range of field, regional, and national studies both in the U.S. and in other countries. The range of EPIC applications has also expanded greatly over that time, including studies of (1) surface runoff and leaching estimates of nitrogen and phosphorus losses from fertilizer and manure applications, (2) leaching and runoff from simulated pesticide applications, (3) soil erosion losses from wind erosion, (4) climate change impacts on crop yield and erosion, and (5) soil carbon sequestration assessments. The EPIC acronym now stands for Erosion Policy Impact Climate, to reflect the greater diversity of problems to which the model is currently applied. The Agricultural Policy EXtender (APEX) model is essentially a multi-field version of EPIC that was developed in the late 1990s to address environmental problems associated with livestock and other agricultural production systems on a whole-farm or small watershed basis. The APEX model also continues to evolve and to be utilized for a wide variety of environmental assessments. The historical development for both models will be presented, as well as example applications on several different scales.

Timing applications of growth regulators to alter spring cereal development at high latitudes

Selostus: Aikaisen ja tavanomaisen kasvunsäädekäsittelyn vaikutus kevätviljojen kasvustoon ja satoon