Reduction of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa colonisation on PVC through covalent surface attachment of fluorinated thiols

OBJECTIVES: This study reports the development, characterisation and microbiological testing of surface-modified polyvinylchloride (PVC) films for the purpose of reducing bacterial adherence.

METHODS: Irreversible covalent surface modification was achieved via nucleophilic substitution of fluorinated thiol-terminated compounds onto the polymer backbone. Four fluorinated modifiers, 2,3,5,6-tetrafluorothiophenol (TFTP), 4-(trifluoromethyl)thiophenol (TFMTP), 3,5-bis(trifluoromethyl)benzenethiol (BTFMBT) and 3,3,4,4,5,5,6,6,7, 7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluoro-decane-1-thiol (HDFDT), were investigated. Modification was confirmed using attenuated total reflectance infrared spectroscopy; Raman mapping demonstrated that modification was homogenous on the macroscopic scale. The influence of fluorination on surface hydrophobicity was studied by contact angle analysis. The effect on microbial adherence was examined using Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus.

KEY FINDINGS: The resultant changes in contact angle relative to control PVC ranged from -4 degrees to +14 degrees . In all cases, adherence of P. aeruginosa and S. aureus was significantly reduced relative to control PVC, with adherence levels ranging from 62% and 51% for TFTP-modified PVC to 32% and 7% for TFMTP-modified PVC.

CONCLUSIONS: These results demonstrate an important method in reducing the incidence of bacterial infection in PVC medical devices without compromising mechanical properties.

Three dimensional number density mapping in the plume of a low temperature laser ablated magnesium plasma

Simultaneous optical absorption and laser-induced fluorescence measurements have been used to map the three-dimensional number densities of ground-state ions and neutrals within a low-temperature KrF laser-produced magnesium plasma expanding into vacuum. Data is reported for the symmetry plane of the plasma, which includes the laser interaction point at a delay of 1 μs after the ∼30 ns KrF laser ablation pulse and for a laser fluence of 2 J cm−2 on target. The number density distributions of ion and neutral species within this plane indicate that two distinct regions exist within the plume; one is a fast component containing ions and neutrals at maximum densities of ∼3×1013 cm−3 and ∼4×1012 cm−3, respectively and the second is a high-density region containing slow neutral species, at densities up to ∼1×1015 cm−3.

Relationship between microstructure and deformation behaviour during dynamic compression in Ti-3Al-5Mo-5V alloy

The relationship between microstructure and deformation and damage behaviour during dynamic compression in Ti-3Al-5Mo-5V alloy has been studied using several experimental techniques, including optical microscopy, scanning electron microscopy and microhardness measurements. It was found that the deformation behaviour during dynamic compression was closely related to deformation parameters. After dynamic deformation, the deformation shear band that formed in the titanium alloy had microhardness similar to that of the matrix. However, the microhardness of the white shear band was much higher than the matrix microhardness. The effects of deformation parameters, including deformation rate and deformation degree, on deformation localisation were investigated. Based on the results from the present work, the microstructure and deformation processing parameters can be optimised. In addition, treatment methods after dynamic compression were explored to restore alloy properties. Using post-deformation heat treatment, the microstructure and property inhomogeneity caused by shear bands could be largely removed.

Assessing the surface modifications following the mechanochemical preparation of a Ag/Al2O3 selective catalytic reduction catalyst

The surface modification of a mechanochemically prepared Ag/Al O catalyst compared with catalysts prepared by standard wet impregnated methods has been probed using two-dimensional T -T NMR correlations, HO temperature programmed desorption (TPD) and DRIFTS. The catalysts were examined for the selective catalytic reduction of NO using n-octane in the presence and absence of H. Higher activities were observed for the ball milled catalysts irrespective of whether H was added. This higher activity is thought to be related to the increased affinity of the catalyst surface towards the hydrocarbon relative to water, following mechanochemical preparation, resulting in higher concentrations of the hydrocarbon and lower concentrations of water at the surface. DRIFTS experiments demonstrated that surface isocyanate was formed significantly quicker and had a higher surface concentration in the case of the ball milled catalyst which has been correlated with the stronger interaction of the n-octane with the surface. This increased interaction may also be the cause of the reduced activation barrier measured for this catalyst compared with the wet impregnated system. The decreased interaction of water with the surface on ball milling is thought to reduce the effect of site blocking whilst still providing a sufficiently high surface concentration of water to enable effective hydrolysis of the isocyanate to form ammonia and, thereafter, N. This journal is © The Royal Society of Chemistry.

Application of surface plasmon polaritons in the laser ablation and characterisation of thin aluminium films

Surface modification of thin aluminium films is both produced and characterised by exciting surface plasmon polaritons in an attenuated total reflection geometry: silica prism/aluminium/aluminium oxide system. The modification is performed, under ambient conditions, by exposure to a low fluence (

Gold nanoparticle surface functionalization: a necessary requirement in the development of novel nanotherapeutics

With several gold nanoparticle-based therapies currently undergoing clinical trials, these treatments may soon be in the clinic as novel anticancer agents. Gold nanoparticles are the subject of a wide ranging international research effort with preclinical studies underway for multiple applications including photoablation, diagnostic imaging, radiosensitization and multifunctional drug-delivery vehicles. These applications require an increasingly complex level of surface modification in order to achieve efficacy and limit off-target toxicity. This review will discuss the main obstacles in relation to surface functionalization and the chemical approaches commonly utilized. Finally, we review a range of recent preclinical studies that aim to advance gold nanoparticle treatments toward the clinic.

Modeling of titanium alloys by using artificial neural networks

Titanium alloy exhibits an excellent combination of bio-compatibility, corrosion resistance, strength and toughness. The microstructure of an alloy influences the properties. The microstructures depend mainly on alloying elements, method of production, mechanical, and thermal treatments. The relationships between these variables and final properties of the alloy are complex, non-linear in nature, which is the biggest hurdle in developing proper correlations between them by conventional methods. So, we developed artificial neural networks (ANN) models for solving these complex phenomena in titanium alloys.

In the present work, ANN models were used for the analysis and prediction of the correlation between the process parameters, the alloying elements, microstructural features, beta transus temperature and mechanical properties in titanium alloys. Sensitivity analysis of trained neural network models were studied which resulted a better understanding of relationships between inputs and outputs. The model predictions and the analysis are well in agreement with the experimental results. The simulation results show that the average output-prediction error by models are less than 5% of the prediction range in more than 95% of the cases, which is quite acceptable for all metallurgical purposes.

Atmospheric Pressure DC Plasma Processing of TIO2/PEDOT:PSS Nanocomposites

In this work we demonstrate the synthesis of a TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite material in aqueous solution through atmospheric pressure direct current (DC) plasma processing at room temperature. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced after microplasma processing, and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. We have observed increased TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite electrical conductivity due to microplasma processing. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are thought to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer bonding, which is expected to have a significant benefit in materials processing with inorganic nanoparticles for wide range of applications.

Irradiation of bioresorbable biomaterials for controlled surface degradation

Bioresorbable polymers increasingly are the materials of choice for implantable orthopaedic fixation devices. Controlled degradation of these polymers is vital for preservation of mechanical properties during tissue repair and controlled release of incorporated agents such as osteoconductive or anti-microbial additives. The work outlined in this paper investigates the use of low energy electron beam irradiation to surface modify polyhydroxyacid samples incorporating beta tricalcium phosphate (β-TCP). This work uniquely demonstrates that surface modification of bioresorbable polymers through electron beam irradiation allows for the early release of incorporated agents such as bioactive additives. Samples were e-beam irradiated at an energy of 125 keV and doses of either 150 kGy or 500 kGy. Irradiated and non-irradiated samples were degraded in phosphate buffered saline (PBS), to simulate bioresorption, followed by characterisation. The results show that low energy e-beam irradiation enhances surface hydrolytic degradation in comparison to bulk and furthermore allows for earlier release of incorporated calcium via dissolution into the surrounding medium.

Enhanced Dispersion of TiO2 Nanoparticles in a TiO2/PEDOT:PSS Hybrid Nanocomposite via Plasma-Liquid Interactions

A facile method to synthesize a TiO2/PEDOT:PSS hybrid nanocomposite material in aqueous solution through direct current (DC) plasma processing at atmospheric pressure and room temperature has been demonstrated. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. Increased electrical conductivity was observed for the plasma treated TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are proposed to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer binding.

Métodos químicos de modificação superficial de nanomateriais

O objectivo geral desta tese foi investigar diversas estratégias de síntese de nanocompósitos híbridos de matriz polimérica, contendo nanopartículas inorgânicas com funcionalidades diversas. O interesse nestes nanocompósitos multifuncionais consiste no enorme potencial que apresentam para novas aplicações tecnológicas, tais como em optoelectrónica ou em medicina. No capítulo introdutório, apresenta-se uma revisão das propriedades de nanopartículas inorgânicas e nanoestruturas obtidas a partir destas, métodos de preparação e de modificação química superficial, incluindo a formação de nanocompósitos poliméricos, bem como a aplicação destas nanoestruturas em medicina e biologia. O estudo das propriedades de nanopartículas de ouro é um importante tema em Nanociência e Nanotecnologia. As propriedades singulares destas NPs apresentam uma estreita relação com o tamanho, morfologia, arranjo espacial e propriedades dieléctricas do meio circundante. No capítulo 2, é reportada a preparação de nanocompósitos utilizando miniemulsões de poli-estireno (PS) e poli-acrilato de butilo (PBA) contendo nanopartículas de ouro revestidas com moléculas orgânicas. As propriedades ópticas destas estruturas híbridas são dominadas por efeitos plasmónicos e dependem de uma forma crítica na morfologia final dos nanocompósitos. Em particular, demonstra-se aqui a possibilidade de ajustar a resposta óptica, na região do visível do espectro, através do arranjo das nanopartículas na matriz polimérica, e consequentemente o acoplamento plasmónico, utilizando nanopartículas resultantes da mesma síntese. Na generalidade, é reportada aqui uma estratégia alternativa para modificar a resposta óptica de nanocompósitos, através do controlo da morfologia do compósito final face à estratégia mais comum que envolve o controlo das características morfológicas das partículas metálicas utilizadas como materiais de partida. No Capítulo 3 apresentam-se os resultados da preparação de vários compósitos poliméricos com propriedades magnéticas de interesse prático. Em particular discute-se a síntese e propriedades magnéticas de nanopartículas de ligas metálicas de cobalto-platina (CoPt3) e ferro-platina (FePt3), assim como de óxidos de ferro (magnetite Fe3O4 e maguemite g-Fe2O3) e respectivos nanocompósitos poliméricos. A estratégia aqui descrita constitui uma via interessante de desenvolver materiais nanocompósitos com potencial aplicação em ensaios de análise de entidades biológicas in vitro, que pode ser estendido a outros materiais magnéticos. Como prova de conceito, demonstrase a bioconjugação de nanocompósitos de CoPt3/PtBA com anticorpos IgG de bovino. No capítulo 4 é descrita a preparação e propriedades ópticas de pontos quânticos (“quantum dots”, QDs) de CdSe/ZnS assim como dos seus materiais nanocompósitos poliméricos, CdSe/ZnS-PBA. Como resultado das suas propriedades ópticas singulares, os QDs têm sido extensivamente investigados como materiais inorgânicos para aplicações em dispositivos ópticos. A incorporação de QDs em matrizes poliméricas é de particular interesse, nomeadamente devido ao comportamento óptico do nanocompósito final parecer estar dependente do tipo de polímero utilizado. As propriedades ópticas dos nanocompósitos foram estudadas sistematicamente por medidas de fotoluminescência. Os nanocompósitos apresentam propriedades interessantes para potenciais aplicações biológicas em diagnóstico in vitro, funcionando como sondas biológicas luminescentes.

Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Surface Imprinting Approach on Screen Printed Electrodes Coated with Carboxylated PVC for Myoglobin detection with Electrochemical Transduction

A novel surface molecularly-imprinted (MI) material to detect myoglobin (Myo) using gold screen printed electrodes (SPE) was developed. The sensitive detection was carry out by introducing a carboxylic polyvinyl chloride (PVC-COOH) layer on gold SPE surface. Myo was attached to the surface of gold SPE/PVC-COOH and the vacant spaces around it were filled by polymerizing acrylamide and N,N-methylenebisacrylamide (cross-linker). This polymerization was initiated by ammonium persulphate. After removing the template, the obtained material was able to rebind Myo and discriminate it among other interfering species. Various characterization techniques including electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) confirmed the surface modification. This sensor seemed a promising tool for screening Myo in point-of-care.