Produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais

A Engenharia de Tecidos surge da necessidade recorrente de regenerar ou recriar órgãos e tecidos danificados devido a vários tipos de trauma. A carência de funcionalidades resultante pode ser resolvida através da implantação de substitutos bio-sintéticos. O presente trabalho consiste na produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais com futura aplicação em substituintes ósseos sintéticos para fraturas de não-união. O substituinte ósseo consiste numa estrutura denominada Inverse colloidal crystal (ICC), em que a sua organização singular resulta numa homogénea proliferação celular e num aumento das propriedades mecânicas, quando comparada com outros substituintes. O primeiro passo para a obtenção desta estrutura é a produção de microesferas de poliestireno, por uma técnica baseada em microfluídica. Posteriormente as microesferas são empacotadas resultando numa estrutura coesa com ligações entre microesferas vizinhas. O preenchimento dos espaços vazios entre microesferas pelo biomaterial pretendido e posterior remoção das microesferas dá origem à estrutura porosa do ICC. ICCs poliméricos (ϕCs = 1,00) e compósitos (ϕCs = 0,86 e ϕHA = 0,14; ϕCs = 0,67 e ϕHA = 0,33; ϕCs = ϕHA = 0,50) são produzidos e as suas propriedades mecânicas são testadas através de ensaios de compressão e comparadas com outros substituintes sintéticos. Para avaliação do comportamento dos materiais em contacto com meio biológico, foram realizados testes de citotoxicidade que revelaram uma viabilidade celular acima dos 80% em todos os ICCs.

Produção e caracterização de espumas 3D obtidas por electrofiação para aplicação em engenharia de tecidos

A produção de estruturas tridimensionais poliméricas tem sido foco de estudo por parte da Engenharia de Células e Tecidos, pelo que mimetizam melhor as condições in vivo dos tecidos. A conjugação das propriedades eléctricas com arquitectura 3D permite uma regeneração tecidual mais eficaz. Desta forma este estudo incidiu na construção de scaffolds, que conjugasse as propriedades mecânicas, eléctricas e biológicas num só suporte. O processo utilizado para produção de scaffolds baseou-se na electrofiação de soluções poliméricas de PCL (8% m/m) com incorporação de óxido de grafeno em diferentes concentrações: 0.01%, 0.1% e 0.25% (m/V). Foram avaliados os parâmetros de electrofiação que permitiram a organização tridimensional. A composição química e a morfologia das membranas foram avaliadas por FTIR-ATR e por microscopia electrónica de varrimento (MEV), respectivamente. Através de ensaios de tracção e de permeabilidade estudou-se a influência de óido de grafeno na matriz polimérica. Foram feitas experiências de redução de óxido de grafeno nas fibras electrofiadas, tanto nas membranas como das espumas, através do uso de vapores de hidrazina. Este mecanismo mostrou-se ineficaz, uma vez que afectou a sua morfologia. As espumas foram avaliadas quanto à sua bioactividade e propriedades mecânicas (ensaios de compressão). Também foram realizados testes de viabilidade celular nas membranas e de adesão celular nas espumas, de forma a avaliar o seu potencial para aplicação biomédica. Os resultados destes ensaios revelaram que óxido de grafeno não apresenta efeitos citotóxicos para o organismo e a sua presença promove a adesão celular ao scaffold.

Análise e otimização de materiais compósitos de microestrutura periódica

A presente dissertação tem como principais objetivos a otimização topológica de materiais compósitos de microestrutura periódica e a análise de efeitos de escala na caracterização das propriedades elásticas dos mesmos. No desenvolvimento deste trabalho, é abordada a teoria da homogeneização que é usualmente utilizada para estimar as propriedades elásticas de materiais compósitos periódicos de modo a tratar um meio heterogéneo como um meio homogéneo com propriedades mecânicas equivalentes. É realizada uma verificação e validação das hipóteses utilizadas por esta teoria, com o fim de determinar em que condições os resultados homogeneizados são credíveis e qual a margem de erro associada a esses mesmos resultados. O modelo de material aqui utilizado é obtido pela repetição de uma célula de base unitária (microestrutura representativa) em todas as direções espaciais. Trata-se de um modelo de material tridimensional de duas fases, sólido e vazio (material poroso). São estudadas diferentes topologias de microestruturas, obtidas através de um algoritmo de otimização topológica utilizando o método da homogeneização inversa. Para que fosse utilizada uma amostra suficientemente representativa de diferentes casos de anisotropia de material, foi utilizado um gerador de números aleatórios para reproduzir os estados de tensão ou deformação a serem utilizados no processo de otimização das microestruturas. Desta forma, é realizado um estudo quanto à anisotropia de material e a sua influência nas propriedades elásticas do material. O estudo de efeitos de escala toma uma grande importância neste trabalho, sendo estimados numericamente os tensores elásticos que caracterizam o material e estudada a sua convergência em relação aos tensores obtidos pelo método da homogeneização. Da mesma forma, é realizado um estudo numérico de convergência da densidade de energia de deformação e de tensão para diferentes condições de ensaios mecânicos. Os resultados indicam que um baixo fator de escala é suficiente para substituir um compósito heterogéneo por um material homogéneo com propriedades elásticas calculadas pela teoria da homogeneização.

Propagação de fendas por fadiga quando sujeitas a carregamentos em Modo I ou Modo III

A propagação de fenda sob fadiga pode ser observada em vários componentes mecânicos, que podem ser feitos de chapa fina ou espessa (ou cascas) e, consequentemente, serem sujeitos a estado plano de tensão ou estado plano de deformação, respectivamente. As cargas aplicadas num corpo sólido que contém um entalhe estreito ou uma fenda aguda irão induzir uma zona de escoamento limite de material com uma dimensão que dependerá das propriedades mecânicas do material, bem como a espessura do corpo, o comprimento de fenda e a intensidade das cargas aplicadas. A propagação da fenda pode então ocorrer sob modo I, II, III ou modo misto. Esta tese apresenta as funções integrais JI, JII e JIII , que foram correlacionadas com os factores de intensidade de tensão KI, KII e KIII, para provetes CT espessos e finos. A avaliação dos valores do Integral-J foi feita para diferentes comprimentos de fenda, ao longo da frente de fenda, usando o Método dos Elementos Finitos (MEF), com nós colapsados e intermédios deslocados a ¼ do comprimento da aresta, com o objectivo de simular a singularidade na extremidade da fenda. A interacção entre os modos de abertura, corte e rasgamento é também discutida. Adicionalmente, a propagação de fenda sob o modo I e o modo III foi determinada experimentalmente, à temperatura ambiente, para um aço inoxidável austenítico Cr-Mn de alta resistência.

Estudo comparativo de medição da velocidade da onda de pulso: VasoCheck versus complior

A medição da Velocidade da Onda de Pulso (VOP), enquanto meio complementar de diagnóstico e tratamento das doenças cardiovasculares, é considerada um marcador precoce de compromisso arterial em diversos contextos clínicos. O seu papel consolida-se na prevenção primária da patologia arterial, através da avaliação das propriedades mecânicas dos vasos sanguíneos, nomeadamente, quanto à sua rigidez e distensibilidade. Neste trabalho pretende-se comparar os valores experimentais da VOP obtidos com dois métodos de medição diferentes. Para a obtenção das ondas de pulso, utilizaram-se dois equipamentos não-invasivos que permitem uma avaliação in-vivo das propriedades mecânicas dos vasos sanguíneos. Estes distinguem-se pelo princípio físico em que se baseiam: o Complior usa sensores de pressão, baseando-se no princípio piezoeléctrico e o protótipo do equipamento VasoCheck, desenvolvido no nosso grupo da NMT, usa sensores ópticos de infra-vermelho, baseando-se no princípio fotopletismográfico (FPG). As medições com os dois métodos realizaram-se em ambiente controlado, numa amostra de 42 voluntários dos 20 aos 30 anos de idade, de ambos os sexos, saudáveis e sem diagnóstico cardiovascular associado. Os dados experimentais obtidos com os métodos e sensores acima enunciados foram tratados estatisticamente. Os valores da VOP obtidos com o método FPG mostraram-se consistentes e em boa concordância com os obtidos com o método piezoeléctrico. O método FPG aparenta ser mais rápido na sua utilização. Futuramente, evidencia-se importante repetir a série de medições com os dois métodos numa amostra maior, estendendo-a também a voluntários com diagnóstico cardiovascular conhecido. Com base neste trabalho foi apresentada a comunicação painel “Análise comparativa de dois métodos de medição da Velocidade da Onda de Pulso” na International Conference on Health Technology Assessment and Quality Management 2012, realizada a 3 e 4 de Fevereiro de 2012 na Escola Superior de Tecnologia da Saúde de Lisboa.

Análise da injectabilidade do grout variando o meio poroso ao longo do escoamento

O envelhecimento do património edificado que constitui a maioria dos centros históricos e urbanos, não só em Portugal, como em toda a Europa, é uma realidade. Parcela significativa destes edifícios é constituída por paredes de alvenaria de pedra em mau estado de conservação. A necessidade crescente de intervenção no sentido de optimizar as respectivas condições de segurança destes edifícios é por isso prioritária. Uma das técnicas mais comuns, usadas na consolidação de alvenarias antigas e elementos arquitectónicos danificados, é a injecção de grouts. A utilização desta técnica tem como finalidade, não só o preenchimento de vazios existentes, de modo a aumentar a compacidade e resistência mecânica do núcleo da estrutura, mas também a criação de uma boa ligação com os panos exteriores, permitindo que a alvenaria recupere o seu comportamento monolítico. No entanto, é necessário ter em consideração, antes de qualquer intervenção de reabilitação, a compatibilidade entre os materiais originais e os materiais utilizados na intervenção. Deste modo, optou-se pela utilização de um ligante, cuja as propriedades mecânicas, físicas e químicas mais se assemelham aos materiais originais em alvenarias antigas, caso da cal hidráulica. Outro aspecto de grande importância a ter em conta, na injecção de grouts, é o poder de penetração da mistura. Assim, a necessidade de avaliação da eficiência da injecção em diferentes meios porosos conduziu à criação de modelos com diferentes composições que simulassem, com a maior fiabilidade possível, meios porosos encontrados no pano interior de alvenarias antigas. O presente trabalho incide principalmente na realização de ensaios de injecção, tendo como objectivo a análise da influência da variabilidade do meio poroso ao longo da altura de injecção de grout. Foram ainda realizados, de modo a avaliar a qualidade destas injecções, ensaios de velocidade de propagação de ultra-sons, assim como, a utilização da técnica de tomografia ultra-sónica. A combinação deste ensaio e técnica de análise não-destrutivas revelou-se de grande utilidade na avaliação da morfologia interna dos modelos criados. De forma a conhecer as resistências mecânicas e as respectivas relações com a qualidade de injecção dos meios porosos, realizaram-se ensaios de resistência à tracção por compressão diametral (também designados por Splitting Tensile Strength Test). Por fim, na última parte deste trabalho, de modo a simular os testes de injecção realizados anteriormente em laboratório, foi usado um modelo analítico tendo como ponto de partida a teoria de fluxo laminar viscoso através de meios porosos, com base na lei de Darcy.

Potencial do Sienito Nefelínico de Monchique para incorporação na indústria cerâmica

A procura de novos materiais aumenta dia após dia, obrigando o Homem a procurar e encontrar novas soluções, tendo sempre como critério decisivo, uma exploração económica e ambiental sustentável. É neste âmbito que surge o tema desta dissertação. O objetivo é tirar um maior proveito do sienito nefelínico de Monchique (Portugal), à semelhança de países como a Rússia, Canadá e Noruega, que utilizam esta rocha a nível industrial. Neste trabalho, a investigação foi no sentido de estudar o potencial da rocha portuguesa para a indústria cerâmica. O elevado teor de alumina e álcalis que o sienito nefelínico apresenta na sua constituição, serve de substituto aos minerais atualmente utilizados neste sector, os feldspatos isolados. A alumina serve de estabilizador, promovendo a durabilidade dos materiais pelo aumento da resistência e o conteúdo em álcalis funciona como fundente, diminuindo a temperatura de queima. Desta forma, o Maciço de Monchique ganha uma nova importância económica, sendo uma mais-valia para o país. Para tal, elaboraram-se provetes cerâmicos constituídos por 0, 20, 40 e 60% em peso de sienito nefelínico em mistura com argila. Posteriormente, sujeitaram-se os provetes a três temperaturas diferentes, 900 °C, 1000 °C e 1100 °C e submeteram-se cada um deles a ensaios físicos e mecânicos, para determinar o potencial da incorporação do sienito de Monchique na indústria cerâmica. Os resultados indicaram que a adição de sienito nefelínico melhora as propriedades físicas da argila. Relativamente às propriedades mecânicas, o ensaio de resistência à flexão indicou que, dos vários teores testados, o mais positivo encontra-se na percentagem de 20% de sienito nefelínico, apresentando valores próximos da argila pura utilizada como referência.

Influência do óxido de grafeno em argamassas de cal hidráulica natural

A área da Nanotecnologia tem sofrido uma grande evolução nos últimos anos, estando a esta associado o desenvolvimento de novos nanomateriais com a potencialidade de serem aplicados em áreas diversas, otimizando os respetivos produtos. Um dos nanomateriais que tem sido recentemente alvo de estudo no setor da construção é o óxido de grafeno (GO), por possuir elevada superfície específica, ser facilmente disperso em água e, em estudos efetuados, demonstrar contribuir para o aumento das propriedades mecânicas dos produtos cimentícios onde tem sido aplicado. O presente trabalho procura avaliar as vantagens da introdução do GO em materiais de construção, com o objetivo de perceber quais os contributos já detetados da aplicação deste nanomaterial no referido setor. Um outro objetivo foi o de avaliar o contributo que o GO pode ter quando aplicado em argamassas de cal hidráulica natural. Para tal procedeu-se à realização de uma campanha experimental, onde foram produzidas argamassas à base de cal hidráulica natural NHL3.5 com diferentes dosagens de GO (0,05%, 0,1%, 0,5% e 1% em função da massa da cal). O GO foi aplicado na amassadura disperso ou diretamente em pó, por forma a avaliar a influência nas características das argamassas. A utilização da NHL3.5 tem em vista colmatar uma lacuna existente no estudo do GO e, por outro lado, justifica-se por conduzir a argamassas não só compatíveis com as características de edifícios recentes, mas também aptas para aplicação como argamassas de substituição em edifícios antigos. Na campanha experimental estudaram-se as características microestruturais das argamassas, as propriedades mecânicas, o comportamento face à ação da água e o desempenho térmico. Os resultados obtidos foram pouco significativos, independentemente da forma como foi adicionado o GO. Concluiu-se que as dosagens de GO utilizadas na campanha experimental não foram as mais adequadas para avaliar a influência deste produto em argamassas de cal hidráulica natural NHL3.5 ou que, independentemente dessa dosagem, esta adição não é muito relevante para otimizar as características analisadas neste tipo de argamassas. No entanto, a adição de baixas dosagens de GO disperso (0,05% e 0,1%) parece conduzir a uma ligeira melhoria das características mecânicas e físicas, quando em comparação com as argamassas de referência.

Estudo numérico sobre o reforço de pilares de betão armado reforçados com cantoneiras e presilhas metálicas. Análise paramétrica.

A presente comunicação descreve o estudo paramétrico desenvolvido com base no método dos elementos finitos (MEF) para analisar a influência de factores geométricos e mecânicos no comportamento à flexo-compressão de pilares de betão armado (BA) reforçados com cantoneiras e presilhas de aço (steel caging). Com base num modelo de elementos finitos 3D, levou-se a cabo um estudo numérico sobre a influência de vários fatores no comportamento à flexo-compressão de pilares BA. Esses factores são: a dimensão dos pilares, a dimensão dos elementos que formam o reforço (cantoneiras e presilhas) e as propriedades mecânicas dos materiais constituintes do pilar de betão armado e do reforço (cantoneiras e presilhas de aço).

Estudo e caracterização de espécies portuguesas de madeira termicamente modificada.

A modificação térmica tem-se revelado um método eficaz na melhoria da durabilidade de elementos de madeira. Até ao momento, as aplicações da madeira termicamente modificada (MTM) têm sido limitadas a revestimentos já que o tratamento térmico de tratamento conduz a uma redução significativa das resistências mecânicas da madeira. Contudo, este tratamento térmico poderá valorizar e potenciar a utilização de espécies de madeira menos utilizadas na construção, como são o Eucalipto e o Pinho bravo nacional. Com o objetivo de avaliar o efeito do tratamento térmico nas espécies referidas e, complementarmente, na madeira de Faia e Freixo, realizou-se uma campanha experimental composta por ensaios de caracterização mecânica (compressão paralela às fibras e flexão) e de estabilidade dimensional (retração, inchamento e teor de água de equilíbrio (TAE)). Para efeitos de comparação, todos os ensaios envolveram séries de provetes de cada espécie de madeira natural e MTM. Os resultados obtidos são coerentes com a bibliografia disponível, o aumento da estabilidade dimensional, assim como a diminuição do TAE e das propriedades mecânicas de flexão foram verificadas, permitindo, assim, avaliar a influência da modificação térmica nas propriedades de espécies de madeira presentes em Portugal.

Biofunctionalization of titanium surfaces for dental implants: osteogenic, anti-microbial and tribocorrosion resistant surfaces

PhD thesis in Biomedical Engineering

Desenvolvimento e caracterização tribológica de hidrogéis poliméricos de PVA reforçados com fosfato tricálcico para aplicação como cartilagem articular para implantes articulares

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Comportamento mecânico de stents fibrosos

Stents são estruturas entrançadas utilizadas no tratamento de doenças cardiovasculares, uma vez que previnem ou impedem a constrição do fluxo sanguíneo. A sua forma tubular é essencial para que consiga atingir a sua finalidade e manter o normal fluxo sanguíneo nos vasos sanguíneos. Neste trabalho foram desenvolvidos stents fibrosos entrançados, à base de poliéster (PES), poliamida (PA) e polipropileno (PP). Além disso, as propriedades mecânicas, que são influenciadas pelo ângulo de entrançamento e o diâmetro do mandril, foram testadas e discutidas. Este trabalho mostra que os stents fibrosos apresentam propriedades mecânicas adequadas e elevado potencial de mercado

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Bacterial cellulose as a novel substrate for retinal pigment epithelium cells transplantation in age-related macular degeneration

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica.