Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Validity of shape memory NiTi colon ring BioDynamix ColonRing™ (or NiTi CAR 27™) to prevent anastomotic colorectal strictures. Preliminary results

Purpose. Anastomotic strictures occur in 3-30% of colorectal anastomosis and one of the main causes may be a reaction to the presence of the metal staples used for suturing. The aim of this study was to evaluate the efficacy of a compression anastomosis ring using the memoryshaped device in initial, i.e. nickel-titanium alloy (NiTi) for the prevention of colorectal anastomotic strictures. Patients and methods. A compression anastomosis ring device (NiTi CAR 27™) was used to perform compression anastomosis in 20 patients underwent left hemicolectomy and anterior resection of the rectum for carcinoma. An endoscopic check of the anastomosis was carried out at one month and at six months after surgery. Results. In 2 patients (10%) a dehiscence of the anastomosis occurred on the fifth and the eighth postoperative day. No anastomotic strictures were observed in any of the other 18 patients at six months follow-up after surgery. Conclusion. Our preliminary results suggest that the use of a compression anastomosis ring might well be a valid method of preventing anastomotic strictures in colorectal surgery. Further studies involving a larger number of patients are needed in order to confirm these preliminary results.

Ad-atoms and their enhancement effects on Pt activity for formic acid oxidation

Formic acid oxidation has been widely studied at Pt as a model reaction to understand fundamental aspects of electrocatalytic reactions in fuel cells. Electrocatalytic oxidation of formic acid takes place through two parallel pathways (direct and indirect). The indirect pathway proceeds via CO as an intermediate, which is known to be responsible for the poisoning of Pt and its consequent decrease in activity. Surface modification of Pt with ad-atoms is known to hinder this poisoning and promote the direct pathway. The incorporation of polymers (polyaniline, polycarbazole, polyindole) as supports also increases activity. Irreversibly adsorbed Sb and Bi on Pt are known to show high electrocatalytic activity for formic acid oxidation. This work presents the dependence of Sb and Bi irreversible adsorption on immersion time, metal solution concentration and pH. The activity of Sb and Bi modified Pt was correlated against immersion time and percent coverage of Pt by ad-atoms. Polyaniline support effects in combination with a Bi modified Pt catalyst showed enhancement in oxidation current compared to Pt-Bi.

Synteza, modyfikacja powierzchni i charakterystyka fizykochemiczna wielofunkcyjnych nanomateriałów luminescencyjnych zawierających jony pierwiastków ziem rzadkich

Wydział Chemii: Zakład Ziem Rzadkich

Physico-chemical characterization of metal-doped bone chars and their adsorption behavior for water defluoridation

New bone chars for fluoride adsorption from drinking water have been synthetized via metallic doping using aluminum and iron salts. A detailed statistical analysis of the metal doping process using the signal-to-noise ratios from Taguchi's experimental designs and its impact on the fluoride adsorption properties of modified bone chars have been performed. The best conditions, including the proper metallic salt, for metal doping were identified to improve the fluoride uptakes of modified bone chars. Results showed that the fluoride adsorption properties of bone chars can be enhanced up to 600% using aluminum sulfate for the surface modification. This aluminum-based adsorbent showed an adsorption capacity of 31 mg/g, which outperformed the fluoride uptakes reported for several adsorbents. Surface interactions involved in the defluoridation process were established using FTIR, DRX and XPS analysis. Defluoridation using the metal-doped bone chars occurred via an ion exchange process between fluoride ions and the hydroxyl groups on the adsorbent surface, whereas the Al(OH)xFy, FexFy, and CaF2 interactions could play also an important role in the removal process. These metal-doped adsorbents anticipate a promising behavior in water treatment, especially in developing countries where the efficiency – cost tradeoff is crucial for implementing new defluoridation technologies.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

Estudo das modificações na superfície do Ti cp titânio comercialmente puro e da liga Ti-6AI-4V usados como biomateriais utilizando-se deposição por plasma spray

Pós-graduação em Química - IQ

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.

Laser shock peening without absorbent coating (LSPwC) effect on 3D surface topography and mechanical properties of 6082-T651 Al alloy

The influence of nanosecond laser pulses applied by laser shock peening without absorbent coating (LSPwC) with a Q-switched Nd:YAG laser operating at a wavelength of λ = 1064 nm on 6082-T651 Al alloy has been investigated. The first portion of the present study assesses laser shock peening effect at two pulse densities on three-dimensional (3D) surface topography characteristics. In the second part of the study, the peening effect on surface texture orientation and micro-structure modification, i.e. the effect of surface craters due to plasma and shock waves, were investigated in both longitudinal (L) and transverse (T) directions of the laser-beam movement. In the final portion of the study, the changes of mechanical properties were evaluated with a residual stress profile and Vickers micro-hardness through depth variation in the near surface layer, whereas factorial design with a response surface methodology (RSM) was applied. The surface topographic and micro-structural effect of laser shock peening were characterised with optical microscopy, InfiniteFocus® microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Residual stress evaluation based on a hole-drilling integral method confirmed higher compression at the near surface layer (33 μm) in the transverse direction (σmin) of laser-beam movement, i.e. − 407 ± 81 MPa and − 346 ± 124 MPa, after 900 and 2500 pulses/cm2, respectively. Moreover, RSM analysis of micro-hardness through depth distribution confirmed an increase at both pulse densities, whereas LSPwC-generated shock waves showed the impact effect of up to 800 μm below the surface. Furthermore, ANOVA results confirmed the insignificant influence of LSPwC treatment direction on micro-hardness distribution indicating essentially homogeneous conditions, in both L and T directions.

Super-hydrophobic surface of bulk carbon nanotubes compacted by spark plasma sintering followed by modification with polytetrofluorethylene

The surfaces of bulk carbon nanotubes compacted by plasma spark sintering have been modified with polytetrofluorethylene, thereby producing a super-hydrophobic surface with a contact angle above 160°. The surface roughness and air trapped in pores and between the polytetrofluorethylene particles are responsible for the super-hydrophobility. The material can be machined into desired shapes with fine and complex channels, allowing internal surfaces to also be super-hydrophobic.

Bone response to a Ca- and P-enriched titanium surface obtained by anodization

This study evaluated bone response to a Ca- and P- enriched titanium (Ti) surface treated by a multiphase anodic spark deposition coating (BSP-AK). Two mongrel dogs received bilateral implantation of 3 Ti cylinders (4.1 x 12 mm) in the humerus, being either BSP-AK treated or untreated (machined - control). At 8 weeks postimplantation, bone fragments containing the implants were harvested and processed for histologic and histomorphometric analyses. Bone formation was observed in cortical area and towards the medullary canal associated to approximately 1/3 of implant extension. In most cases, in the medullary area, collagen fiber bundles were detected adjacent and oriented parallel to Ti surfaces. Such connective tissue formation exhibited focal areas of mineralized matrix lined by active osteoblasts. The mean percentages of bone-to-implant contact were 2.3 (0.0-7.2 range) for BSP-AK and 0.4 (0.0-1.3 range) for control. Although the Mann-Whitney test did not detect statistically significant differences between groups, these results indicate a trend of BSP-AK treated surfaces to support contact osteogenesis in an experimental model that produces low bone-to-implant contact values.

Influence of thermal and mechanical cycling on the flexural strength of ceramics with titanium or gold alloy frameworks

Objectives. The aim of this study was to evaluate the effect of thermal and mechanical cycling alone or in combination, on the flexural strength of ceramic and metallic frameworks cast in gold alloy or titanium. Methods. Metallic frameworks (25 mm x 3 mm x 0.5 mm) (N = 96) cast in gold alloy or commercial pure titanium (Ti cp) were obtained using acrylic templates. They were airborne particle-abraded with 150 mu m aluminum oxide at the central area of the frameworks (8 mm x 3 mm). Bonding agent and opaque were applied on the particle-abraded surfaces and the corresponding ceramic for each metal was fired onto them. The thickness of the ceramic layer was standardized by positioning the frameworks in a metallic template (height: I mm). The specimens from each ceramic-metal combination (N = 96, n = 12 per group) were randomly assigned into four experimental fatigue conditions, namely water storage at 37 degrees C for 24 h (control group), thermal cycling (3000 cycles, between 4 and 55 degrees C, dwell time: 10 s), mechanical cycling (20,000 cycles under 10 N load, immersion in distilled water at 37 degrees C) and, thermal and mechanical cycling. A flexural strength test was performed in a universal testing machine (crosshead speed: 1.5 mm/min). Data were statistically analyzed using two-way ANOVA and Tukey`s test (alpha = 0.05). Results. The mean flexural strength values for the ceramic-gold alloy combination (55 +/- 7.2MPa) were significantly higher than those of the ceramic-Ti cp combination (32 +/- 6.7 MPa) regardless of the fatigue conditions performed (p < 0.05). Mechanical and thermo-mechanical fatigue decreased the flexural strength results significantly for both ceramic-gold alloy (52 +/- 6.6 and 53 +/- 5.6 MPa, respectively) and ceramic-Ti cp combinations (29 +/- 6.8 and 29 +/- 6.8 MPa, respectively) compared to the control group (58 +/- 7.8 and 39 SA MPa, for gold and Ti cp, respectively) (p < 0.05) (Tukey`s test). While ceramic-Ti cp combinations failed adhesively at the metal-opaque interface, gold alloy frameworks exhibited a residue of ceramic material on the surface in all experimental groups. Significance. Mechanical and thermo-mechanical fatigue conditions decreased the flexural strength values for both ceramic-gold alloy and ceramic-Ti cp combinations with the results being significantly lower for the latter in all experimental conditions. (C) 2007 Academy of Dental Materials. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effect of recombinant human bone morphogenetic protein-7 (rhBMP-7) on the viability, proliferation and differentiation of osteoblast-like cells cultured on a chemically modified titanium surface

Aim: The aim of the present study was to assess the influence of the chemical characteristics and roughness of titanium surfaces on the viability, proliferation and differentiation of osteoblast-like cells cultured in a medium supplemented with recombinant human bone morphogenetic protein-7 (rhBMP-7). Material and methods: Osteo-1 cells were grown on titanium disks presenting with the following surfaces: (1) machined, (2) coarse grit-blasted and acid-attacked (SLA) and (3) chemically modified SLA (SLAmod) in the absence or presence of 20 ng/ml rhBMP-7 in culture medium. The viability and number of osteo-1 cells were evaluated after 24 h. Analyses of total protein content (TP) and alkaline phosphatase (AP) activity at 7, 14 and 21 days, collagen content at 7 and 21 days and mineralized matrix formation at 21 days were performed. Results: Cell viability (P=0.5516), cell number (P=0.3485), collagen content (P=0.1165) and mineralized matrix formation (P=0.5319) were not affected by the different surface configurations or by the addition of rhBMP-7 to the medium. Osteo-1 cells cultured on SLA surfaces showed a significant increase in TP at 21 days. The ALPase/TP ratio (P=0.00001) was affected by treatment and time. Conclusion: The results suggest that the addition of rhBMP-7 to the culture medium did not exert any effect on the viability, proliferation or differentiation of osteoblast-like cells grown on the different surfaces tested. All titanium surfaces analyzed allowed the complete expression of the osteoblast phenotype such as matrix mineralization by osteo-1 cells.

High concentration of residual aluminum oxide on titanium surface inhibits extracellular matrix mineralization

In the present study we characterized titanium (Ti) surfaces submitted to different treatments and evaluated the response of osteoblasts derived from human alveolar bone to these surfaces. Five different surfaces were evaluated: ground (G), ground and chemical etched (G1-HF for 60 s), sand blasted (SB-Al2O3 particles 65 pm), sand blasted and chemical etched (SLA1-HF for 60 s and SLA2-HF for 13 s). Surface morphology was evaluated under SEM and roughness parameters by contact scanning instrument. The presence of Al2O3 was detected by EDS and the amount calculated by digital analyses. Osteoblasts, were cultured on these surfaces and it was evaluated: cell adhesion, proliferation, and viability, alkaline phosphatase activity, total protein content, and matrix mineralization formation. Physical and chemical treatments produced very different surface morphologies. Al2O3 residues were detected on SB and SLA2 surfaces. Only matrix mineralization formation was affected by different surface treatments, being increased on rough surface (SLA1) and reduced on surface with high amount of Al2O3 residues (SB). On the basis of these findings, it is possible to conclude that high concentration of residual Al2O3 negatively interfere with the process of matrix mineralization formation in contact with Ti implant surfaces. (C) 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res 87A: 588-597, 2008

Hepatocyte [H-3]-palmitate uptake: effect of albumin surface charge modification

The role of plasma proteins on the cellular uptake of lipophilic substrates has perplexed investigators for many years. We tested the hypothesis that an ionic interaction between the protein-ligand complex and hepatocyte surface may be responsible for supplying more ligand to the cell for uptake. The surface-charged groups on albumin were modified to yield proteins having a range of isoelectric points (ALB, ALBs, ALBm, ALBe had values of 4.8-5.0, 4.5-4.7, 3.0-3.5, 8.4-8.6, respectively). [H-3]-Palmitate uptake studies were performed with adult rat hepatocyte suspensions using similar unbound ligand fractions in the presence of the different binding proteins. Mass spectrometry, isoelectric focusing (pI), and heptane : water partitioning were used to determine protein molecular weight, pI, and protein-palmitate equilibrium binding constant, respectively. Hepatocyte [H-3]-palmitate clearance in the presence of ALBs and ALBm were significantly lower (p < 0.05) than ALB, whereas [H-3]-palmitate clearance in the presence of ALBe was significantly higher (p < 0.05) than ALB. The data were consistent with the notion that ionic interactions between extracellular protein-ligand complexes and the hepatocyte surface facilitate the uptake of long-chain fatty acids.