Biological colonization on majolica glazed tiles: biodeterioration, bioreceptivity and mitigation strategies

The impact of microbial activity on the deterioration of cultural heritage is a well-recognized global problem. Glazed wall tiles constitute an important part of the worldwide cultural heritage. When exposed outdoors, biological colonization and consequently biodeterioration may occur. Few studies have dealt with this issue, as shown in the literature review on biodiversity, biodeterioration and bioreceptivity of architectural ceramic materials. Due to the lack of knowledge on the biodeteriogens affecting these assets, the characterization of microbial communities growing on Portuguese majolica glazed tiles, from Pena National Palace (Sintra, Portugal) and another from Casa da Pesca (Oeiras, Portugal) was carried out by culture and molecular biology techniques. Microbial communities were composed of microalgae, cyanobacteria, bacteria and fungi, including a new fungal species (Devriesia imbrexigena) described for the first time. Laboratory-based colonization experiments were performed to assess the biodeterioration patterns and bioreceptivity of glazed wall tiles produced in laboratory. Microorganisms previously identified on glazed tiles were inoculated on pristine and artificially aged tile models and incubated under laboratory conditions for 12 months. Phototrophic microorganisms were able to grow into glaze fissures and the tested fungus was able to form oxalates over the glaze. The bioreceptivity of artificially aged tiles was higher for phototrophic microorganisms than pristine tile models. A preliminary approach on mitigation strategies based on in situ application of commercial biocides and titanium dioxide (TiO2) nanoparticles on glazed tiles demonstrated that commercial biocides did not provide long term protection. In contrast, TiO2 treatment caused biofilm detachment. In addition, the use of TiO2 thin films on glazed wall tiles as a protective coating to prevent biological colonization was analysed under laboratorial conditions. Finally, conservation notes on tiles exposed to biological colonization were presented.

Engineered MRI nanoprobes based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles

This project aimed to engineer new T2 MRI contrast agents for cell labeling based on formulations containing monodisperse iron oxide magnetic nanoparticles (MNP) coated with natural and synthetic polymers. Monodisperse MNP capped with hydrophobic ligands were synthesized by a thermal decomposition method, and further stabilized in aqueous media with citric acid or meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) through a ligand exchange reaction. Hydrophilic MNP-DMSA, with optimal hydrodynamic size distribution, colloidal stability and magnetic properties, were used for further functionalization with different coating materials. A covalent coupling strategy was devised to bind the biopolymer gum Arabic (GA) onto MNPDMSA and produce an efficient contrast agent, which enhanced cellular uptake in human colorectal carcinoma cells (HCT116 cell line) compared to uncoated MNP-DMSA. A similar protocol was employed to coat MNP-DMSA with a novel biopolymer produced by a biotechnological process, the exopolysaccharide (EPS) Fucopol. Similar to MNP-DMSA-GA, MNP-DMSA-EPS improved cellular uptake in HCT116 cells compared to MNP-DMSA. However, MNP-DMSA-EPS were particularly efficient towards the neural stem/progenitor cell line ReNcell VM, for which a better iron dose-dependent MRI contrast enhancement was obtained at low iron concentrations and short incubation times. A combination of synthetic and biological coating materials was also explored in this project, to design a dynamic tumortargeting nanoprobe activated by the acidic pH of tumors. The pH-dependent affinity pair neutravidin/iminobiotin, was combined in a multilayer architecture with the synthetic polymers poy-L-lysine and poly(ethylene glycol) and yielded an efficient MRI nanoprobe with ability to distinguish cells cultured in acidic pH conditions form cells cultured in physiological pH conditions.

Influência da adição de óxido de grafeno em produtos de acabamento de cal para revestimento de paredes

O avanço tecnológico abre novas possibilidades onde anteriormente pareciam haver limitações. Todos os anos novas descobertas permitem ir um pouco mais além do ponto onde a ciência se encontrava limitada e, nesse sentido, o advento dos nanomateriais veio criar uma série de possibilidades extensíveis a vários ramos da ciência. Desde a primeira vez que se sintetizou grafeno em laboratório, nanomaterial sob o qual se foca esta dissertação, que a sua aplicabilidade nos mais variados ramos de pesquisa tem vindo a ser estudada. A engenharia civil conseguiu tirar partido deste novo tipo de material, em grande parte beneficiando das melhorias que este introduz quando usado como aditivo em produtos cimentícios. Por vários motivos, a necessidade de construção nova reduziu mas por sua vez cresceu a necessidade de intervenções de conservação e reabilitação das construções. No âmbito desta dissertação avalia-se de que forma o óxido de grafeno pode influenciar aspetos relacionados com o desempenho funcional de produtos de acabamento para revestimento de paredes à base de cal aérea, mais vocacionados para edifícios antigos. Utilizaram-se placas de gesso cartonado como suporte dos produtos de acabamento de revestimento de paredes a avaliar, no caso da caiação e estanhado de cal aérea em pasta. Foram utilizados diferentes teores de óxido de grafeno em cada produto aplicado, de modo a permitir observar a correlação de resultados e a sua evolução, em função do teor de aditivo. Foi possível concluir que, de uma forma muito geral, algumas das características funcionais dos acabamentos foram melhoradas, sendo também possível afirmar que essa melhoria foi consistente com o aumento das percentagens do teor de aditivo. São exemplos a coesão e dureza superficiais e, também, a redução da absorção de água. Outros casos houve em que a adição do óxido de grafeno não se fez notar de nenhuma forma em particular, tal como na fissuração observada nos provetes, bem como no caso da resistência à erosão.

Plasma nitriding of AA2011 alloy and surface characterization by NDT techniques

Al-Cu alloys are widely used in the aerospace and automotive industries due to their high specific strength in some tempered conditions. However, due to poor corrosion and wear resistance, they are often anodized and/or painted. Plasma nitriding has been proposed as an alternative, though the developments in this technique are still in a recent stage for Al alloys. Electrical characterization techniques are well implemented NDTs in the industry because of good accuracy associated with lower cost, compared to other methods. Some, like eddy currents and 4-point probe techniques, are often used in coating inspection. The objective of this study was to perform Al nitriding at low temperatures to minimize the tempering initial condition damage and to assess the feasibility of eddy currents technique as a method for evaluating surface properties. The work developed can be divided in two stages. The first one was the process tuning, done at the Shibaura Institute of Technology, in Tokyo; and the second was the electrical characterization done in Faculdade de Ciências e Tecnologia, UNL. Low temperature nitriding of AA2011 alloy specimens was successfully achieved. Electrical conductivity results show that lift-off measurements by eddy currents testing can be related to surface properties.

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.

Chitosan-based magnetic nanoparticles for osteosarcoma theranostic

Cancer is a well-known disease with a significant impact in society not only due to its incidence, more evident in more developed countries, but also due to the expenses related to medical treat-ments. Cancer research is considered an increasingly logical science with great potential for the development of new treatment options. Advances in nanomedicine have resulted in rapid devel-opment of nanomaterials with considerable potential in cancer diagnostics and treatment. The combination of diagnosis and treatment in a single nano-platform is named theranostic. In this PhD thesis a theranostic system for osteosarcoma was proposed, composed by a magnetic core, a polymeric coating, and a chemotherapeutic drug. The presence of a specific targeting agent, in this case a monoclonal antibody, provides high specificity to the proposed theranostic system. For the core of the proposed theranostic system, stable aqueous suspensions of superparamagnetic iron oxide nanoparticles with an average diameter of 9 nm were produced. Chitosan-based poly-meric nanoparticles with a hydrodynamic diameter around 150 nm were successfully produced. Incorporation of iron oxide nanoparticles into the polymeric ones increased their hydrodynamic diameter to at least 250 nm. A monoclonal antibody specific for a transmembranar protein (car-bonic anhydrase IX) present in solid tumors was developed by hybridoma technology. Functional hybridomas producing the desired monoclonal antibodies were obtained. The proposed theranostic system functionality was evaluated in separated parts of its components. Uncoated and coated iron oxide nanoparticles with chitosan-based polymers generated heat under the application of an external alternating magnetic field. Uncoated iron oxide nanoparticles sta-bilized with oleic acid were able to enhance contrast in magnetic resonance imaging. Drug deliv-ery studies were conducted in chitosan-based polymeric nanoparticles without and with the in-corporation of iron oxide nanoparticles, demonstrating to be an effective drug delivery platform for doxorubicin. The theranostic system proposed in this PhD thesis is very promising for cancer theranostic, demonstrating to be applicable in solid tumors such as osteosarcoma.

Nanomateriais manufaturados : avaliação de segurança através da caracterização dos seus efeitos genéticos

RESUMO - Os nanomateriais manufaturados (NMs), isto é, fabricados deliberadamente para fins específicos, apresentam propriedades físico-químicas únicas como a dimensão, área superficial ou funcionalização, que lhes conferem caraterísticas mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas muito vantajosas para aplicações industriais e biomédicas. Efetivamente, a tecnologia baseada nos NMs, ou nanotecnologia, foi identificada como uma key enabling technology, impulsionadora do crescimento económico dos países industrializados, devido ao seu potencial para melhorar a qualidade e desempenho de muitos tipos de produtos e de processos. Contudo, a expansão da utilização de NMs contrasta com a insuficiente avaliação de risco para a saúde humana e para o ambiente, sendo considerados como um risco emergente para a saúde pública. As incertezas sobre a segurança dos NMs para a saúde pública advêm sobretudo de estudos epidemiológicos em humanos expostos a nanomateriais produzidos como consequência dos processos e atividades humanas e da poluição. Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico, que é sugerido por alguns estudos experimentais, como no caso dos nanomateriais de dióxido de titânio ou dos nanotubos de carbono. Para avaliar em curto termo as propriedades carcinogénicas de um composto, utilizam-se frequentemente ensaios de genotoxicidade em linhas celulares de mamífero ou ensaios em modelos animais, em que se analisa uma variedade de lesões genéticas potencialmente relacionados com o processo de carcinogénese. No entanto, a investigação sobre as propriedades genotóxicas dos NMs não foi, até hoje, conclusiva. O presente estudo tem por objectivo principal caracterizar os efeitos genotóxicos associados à exposição a nanomateriais manufaturados, de forma a contribuir para a avaliação da sua segurança. Constituíram objectivos específicos deste estudo: i) avaliar a genotoxicidade dos NMs em três tipos de células humanas expostas in vitro: linfócitos humanos primários, linha celular de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) e linha celular de adenocarcinoma epitelial de pulmão humano (A549); ii) avaliar a sua genotoxicidade num modelo de ratinho transgénico; iii) investigar alguns mecanismos de acção que poderão contribuir para a genotoxicidade dos nanomateriais, como a contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade induzida pelos NMs in vitro, e a investigação da sua bioacumulação e localização celular in vivo. Foram analisados os efeitos genotóxicos associados à exposição a duas classes de NMs, dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla, bem como a um NM de óxido de zinco, candidato a ser utlilizado como controlo positivo de dimensão nanométrica. Os xx NMs utilizados foram previamente caracterizados com detalhe relativamente às suas características físico-químicas e também relativamente à sua dispersão em meio aquoso e no meio de cultura. A metodologia incluiu ensaios de citotoxicidade e de genotoxicidade in vitro, designadamente, ensaios de quebras no DNA (ensaio do cometa) e nos cromossomas (ensaio do micronúcleo) em células humanas expostas a várias concentrações de NMs, por comparação com células não expostas. Também foram realizados ensaios in vivo de quebras no DNA, quebras cromossómicas e ainda um ensaio de mutações em vários órgãos de grupos de ratinhos transgénicos LacZ, expostos por via intravenosa a duas doses de dióxido de titânio. Foi investigada a existência de uma relação dose-resposta após exposição das células humanas ou dos animais a NMs. A contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade após exposição das células aos NMs in vitro foi explorada através do ensaio do cometa modificado com enzima. Realizaram-se estudos histológicos e citológicos para deteção e localização celular dos NMs nos órgãos-alvo dos ratinhos expostos in vivo. Os resultados demonstraram efeitos genotóxicos em alguns dos NMs analisados em células humanas. No entanto, os efeitos genotóxicos, quando positivos, foram em níveis reduzidos, ainda que superiores aos valores dos controlos, e a sua reprodutibilidade era dependente do sistema experimental utilizado. Para outros NMs, a evidência de genotoxicidade revelou-se equívoca, conduzindo à necessidade de esclarecimento através de ensaios in vivo. Para esse fim, recorreu-se a uma análise integrada de múltiplos parâmetros num modelo animal, o ratinho transgénico baseado em plasmídeo contendo o gene LacZ exposto a um NM de dióxido de titânio, NM-102. Embora tenha sido demonstrada a exposição e a acumulação do NM no fígado, não se observaram efeitos genotóxicos nem no fígado, nem no baço nem no sangue dos ratinhos expostos a esse NM. Neste estudo concluiu-se que algumas formas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla produzem efeitos genotóxicos em células humanas, contribuindo para o conjunto de evidências sobre o efeito genotóxico desses NMs. As diferenças observadas relativamente à genotoxicidade entre NMs do mesmo tipo, mas distintos em algumas das suas características físico-quimicas, aparentemente não são negligenciáveis, pelo que os resultados obtidos para um NM não devem ser generalizados ao grupo correspondente. Para além disso, a genotoxicidade equívoca verificada para o NM-102 em células humanas expostas in vitro, não foi confirmada no modelo in vivo, pelo que o valor preditivo da utilização dos ensaios in vitro para a identificação de NMs com efeitos genotóxicos (e portanto potencialmente carcinogénicos) ainda tem de ser esclarecido antes de ser possível extrapolar as conclusões para a saúde humana. Por sua vez, como a informação aqui produzida pelas metodologias in vitro e in vivo não reflete os efeitos de exposição continua ou prolongada, que poderá conduzir a efeitos genotóxicos distintos, esta xxi deverá ser complementada com outras linhas de evidência relativamente à segurança dos NMs. Perante a incerteza dos níveis de exposição real do organismo humano e do ambiente, a segurança da utilização dos NMs não pode ser garantida a longo prazo e, tendo em conta a elevada produção e utilização destes NMs, são prementes futuros estudos de monitorização ambiental e humana.

Organic-inorganic nanostructured multilayers for calcium phosphate biomineralization

The weak fixation of biomaterials within the bone structure is one of the major reasons of implants failures. Calcium phosphate (CaP) coatings are used in bone tissue engineering to improve implant osseointegration by enhancing cellular adhesion, proliferation and differentiation, leading to a tight and stable junction between implant and host bone. It has also been observed that materials compatible with bone tissue either have a CaP coating or develop such a calcified surface upon implantation. Thus, the development of bioactive coatings becomes essential for further improvement of integration with the surrounding tissue. However, most of current applied CaP coatings methods (e.g. physical vapor deposition), cannot be applied to complex shapes and porous implants, provide poor structural control over the coating and prevent incorporation of bioactive organic compounds (e.g. antibiotics, growth factors) because of the used harsh processing conditions. Layer-by-layer (LbL) is a versatile technology that permits the building-up of multilayered polyelectrolyte films in mild conditions based on the alternate adsorption of cationic and anionic elements that can integrate bioactive compounds. As it is recognized in natureâ s biomineralization process the presence of an organic template to induce mineral deposition, this work investigate a ion based biomimetic method where all the process is based on LbL methodology made of weak natural-origin polyelectrolytes. A nanostructured multilayer component, with 5 or 10 bilayers, was produced initially using chitosan and chondroitin sulphate polyelectrolyte biopolymers, which possess similarities with the extracellular matrix and good biocompatibility. The multilayers are then rinsed with a sequential passing of solutions containing Ca2+ and PO43- ions. The formation of CaP over the polyelectrolyte multilayers was confirmed by QCM-D, SEM and EDX. The outcomes show that 10 polyelectrolyte bilayer condition behaved as a  better site for initiating the formation of CaP as the precipitation occur at earlier stages than in 5 polyelectrolyte bilayers one. This denotes that higher number of bilayers could hold the CaP crystals more efficiently. This work achieved uniform coatings that can be applied to any surface with access to the liquid media in a low-temperature method, which potentiates the manufacture of effective bioactive biomaterials with great potential in orthopedic applications.

Cell encapsulated hydrogel microspheres as "building blocks" for producing 3D constructs

Cell encapsulation within hydrogel microspheres shows great promise in the field of tissue engineering and regenerative medicine (TERM). However, the assembling of microspheres as building blocks to produce complex tissues is a hard task because of their inability to place along length scales in space. We propose a proof-of-concept strategy to produce 3D constructs using cell encapsulated as building blocks by perfusion based LbL technique. This technique exploits the â bindingâ potential of multilayers apart from coating

Effect of binder on performance of intumescent coatings

This study investigates the role of the polymeric binder on the properties and performance of an intumescent coating. Waterborne resins of different types (vinylic, acrylic, and styrene-acrylic) were incorporated in an intumescent paint formulation, and characterized extensively in terms of thermal degradation behavior, intumescence thickness, and thermal insulation. Thermal microscopy images of charred foam development provided further information on the particular performance of each type of coating upon heating. The best foam expansion and heat protection results were obtained with the vinyl binders. Rheological measurements showed a complex evolution of the viscoelastic characteristics of the materials with temperature. As an example, the vinyl binders unexpectedly hardened significantly after thermal degradation. The values of storage moduli obtained at the onset of foam blowing (melamine decomposition) were used to explain different intumescence expansion behaviors.

Producing LFT composite parts for large consumption markets from thermoplastic powder-coated towpregs

Thermoplastic matrix composites are receiving increasing interest in last years. This is due to several advantageous properties and speed of processing of these materials as compared to their thermoset counterparts. Among thermoplastic composites, Long Fibre Thermoplastics (LFTs) have seen the fastest growth, mainly due to developments in the automotive sector. LFTs combine the (semi-)structural material properties of long (>1 cm) fibres, with the ease and speed of thermoplastic processing. This paper reports a study of a novel low-cost LFT technology and resulting composites. A patented powder-coating machine able to produce continuously pre-impregnated materials directly from fibre rovings and polymer powders was used to process glass-fibre reinforced polypropylene (GF/PP) towpregs. Such pre-impregnated materials were then chopped and used to make LFTs in a patented low-cost piston-blender developed by the Centre of Lightweight Structures, TUD-TNO, the Netherlands. The work allowed studying the most relevant towpreg production parameters and establishing the processing window needed to obtain a good quality GF/PP powder coated material. Finally, the processing window that allows producing LFTs of good quality in the piston-blender and the mechanical properties of final stamped GF/PP composite parts were also determined.

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.

A cost study of common surface finish systems for steel structures

This paper presents part of a study aimed at finding a suitable, yet cost-effective, surface finish for a steel structure subject to the car washing environment and corrosive chemicals. The initial, life cycle and average equivalent annual (AEAC) costs for surface finishing methods were calculated for a steel structure using the LCCC algorithm developed by American Galvanizers Association (AGA). The cost study consisted of 45 common surface finish systems including: hot-dip galvanization (HDG), metallization, acrylic, alkyd and epoxy as well as duplex coatings such as epoxy zinc and inorganic zinc (IOZ). The results show that initial, life cycle and AEAC costs for hot dip galvanization are the lowest among all the other methods, followed by coal tar epoxy painting. The annual average cost of HDG for this structure was estimated about €0.22/m2, while the other cost-effective alternatives were: IOZ, polyurea, epoxy waterborne and IOZ/epoxy duplex coating.

Structural, mechanical and piezoelectric properties of polycrystalline AlN films sputtered on titanium bottom electrodes

Polycrystalline AlN coatings deposited on Ti-electrodes films were sputtered by using nitrogen both as reactive gas and sputtering gas, in order to obtain high purity coatings with appropriate properties to be further integrated into wear resistance coatings as a piezoelectric monitoring wear sensor. The chemical composition, the structure and the morphology of the films were investigated by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy techniques. These measurements show the formation of highly (101), (102) and (103) oriented AlN films with good piezoelectric and mechanical properties suitable for applications in electronic devices. Through the use of lower nitrogen flow a densification of the AlN coating occurs in the microstructure, with an improvement of the crystallinity along with the increase of the hardness. Thermal stability of aluminum nitride coatings at high temperature was also examined. It was found an improvement of the piezoelectric properties of the highly (10x) oriented AlN films which became c-axis (002) oriented after annealing. The mechanical behavior after heat treatment shows an important enhancement of the surface hardness and Young’s modulus, which decrease rapidly with the increase of the indentation depth until approach constant values close to the substrate properties after annealing. Thus, thermal annealing energy promotes not only the rearrangement of Al–N network, but also the occurrence of a nitriding process of unsaturated Al atoms which cause a surface hardening of the film.

Design de superfície biomimética para aplicação em atividades desportivas

Tese de Doutoramento Engenharia Têxtil.