An in vitro model of nociceptors in human trigeminal nerves

Background: The oro-facial region is densely innervated by the trigeminal nerve, which when stimulated can induce noxious pain sensation and contribute to neurogenic inflammation in local tissues. Recent research on the expression of specialised ion channels on the trigeminal nerve has highlighted the need to undertake more extensive studies on ion channel expression/functionality with the aim of elucidating their role in pain sensations. A major family of such ion channels is the transient receptor potential (TRP) channels which are activated by a wide variety of thermal, mechanical or chemical stimuli and merit investigation as possible druggable targets for future analgesics.
Objective: Study of TRP channel expression and regulation in oro-facial tissues is hindered by the fact that the cell bodies of neurons innervating these tissues are located in the trigeminal ganglion. Using dental pulp stem cells differentiated towards peripheral neuronal equivalents (PNEs), we sought to determine TRP channel expression, functionality and potential modulation by cytokines in this novel model.
Method: Dental pulp stem cells (DPSCs) were grown on substrate-coated tissue culture plates and differentiated towards a neuronal phenotype using neuronal induction media. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR) was performed on PNEs +/-cytokine treatment. Ion channel functionality was investigated using whole cell patch clamping.
Result: qPCR analysis showed that PNEs expressed the TRP channels TRPA1, TRPV1, TRPV4 and TRPM8. TRPA1 was the most abundantly expressed TRP channel studied whereas TRPM8 was lowly expressed. TRP channel expression was shown to be regulated by treatment with inflammatory cytokines. Patch clamp studies using specific agonists and antagonists for TRPA1 and TRPV1 showed these channels were functional.
Conclusion: PNEs differentiated from DPSCs provide a suitable model for TRP channel expression, regulation, and sensistisation in oro-facial tissues. This human neuronal model has potential for use in pre-clinical studies of novel analgesics.

Neuropeptides display antimicrobial activity against cariogenic and endodontic bacteria

Introduction: Many neuropeptides are similar in size, amino acid composition and charge to antimicrobial peptides. It is therefore possible that the nervous system employs neuropeptides as antimicrobial agents by delivering them rapidly and precisely to innervated sites such as the dental pulp. Objectives: The aim of this study was to determine whether the neuropeptides substance P (SP), neurokinin A (NKA), calcitonin gene-related peptide (CGRP), neuropeptide Y (NPY) and vasoactive intestinal polypeptide (VIP), which we have previously shown to be present in dental pulp, displayed antimicrobial activity against the cariogenic bacterium Streptococcus mutans and the endodontic bacterium Enterococcus faecalis. Methods: Neuropeptides were purchased from Bachem and utilised in antibacterial assays using a previously described ultra sensitive radial diffusion method. Results: Antimicrobial activity was identified as clear zones around neuropeptide-containing wells. NPY was found to exhibit antimicrobial against both Streptococcus mutans and Enterococcus faecalis. SP and VIP were shown to exhibit antimicrobial activity against Streptococcus mutans only. The neuropeptides NKA and CGRP did not show antimicrobial activity against either micro-organism. Conclusion: This study is the first to describe an antimicrobial role for neuropeptides in pulp biology. The antimicrobial actions of neuropeptides contribute a novel aspect to pulpal defence against cariogenic and endodontic bacteria worthy of further investigation.

Transient receptor potential (TRP) channel expression in pulpal fibroblasts

Introduction: Transient receptor potential (TRP) channels are widely, but not uniformly, distributed in tissues. To date the dominant focus of attention has been on TRP expression and functionality in neurons. However, their expression and activation in selected non-neuronal cells suggest TRPs have a potential role in coordinating cross-talk during the inflammatory process. Fibroblasts comprise the major cell type in the dental pulp and play an important role in pulpal inflammation. Objectives: The aim of this study was to investigate the expression and functionality of the TRP channels TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV1 in human dental pulp fibroblasts. Methods: Dental pulp fibroblasts were derived by explant culture of pulps removed from extracted healthy teeth. Fibroblasts were cultured in DMEM supplemented with 10% FCS, 100U/ml penicillin and 100µg/ml streptomycin. Protein expression of TRP channels was investigated by SDS- polyacrylamide gel electrophoresis and Western blotting of cell lysates from fibroblast cells in culture. TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV1 expression was determined by specific antibodies, detected using appropriate anti-species antibodies and chemiluminescence. Functionality of TRP channels was determined by Ca2+ microfluorimetry. Cells were grown on cover slips and incubated with Fura 2AM prior to stimulation with icilin (TRPA1 agonist), menthol (TRPM8 agonist), 4 alpha-phorbol 12,13-didecanoate (4alphaPDD) (TRPV4 agonist) or capsaicin (TRPV1 agonist). Emitted fluorescence (F340/F380) was used to determine intracellular [Ca2+] levels. Results: Fibroblast expression of TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV1 was confirmed at the protein level by Western blotting. Increased intracellular [Ca2+] levels in response to icillin, methanol, 4alphaPDD and capsacin, indicated functional expression of TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV respectively. Conclusions: The presence and functionality of TRP channels on dental pulp fibroblasts suggests a potential role for these cells in the pulpal neurogenic inflammatory response. (Supported by a research grant from the Royal College of Surgeons of Edinburgh).

Functional expression of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts

Introduction: Accumulating evidence supports a role for odontoblasts in initiating tooth pain, however direct ionic mechanisms underlying dentine nociceptive function remain unclear. The transient receptor potential (TRP) ion channels are directly related to cellular mechanisms of nociception and thermo-sensitive function but their expression by human odontoblasts remains to be determined. Objectives: To investigate the expression and functionality of the thermo-sensitive TRP channels TRPV1, TRPV4, TRPM8 and TRPA1 in human odontoblasts. Methods: Human odontoblasts were derived from dental pulp of immature permanent third molars by explant method. Cell lysates of odontoblasts were subject to SDS- polyacrylamide gel electrophoresis and proteins were blotted onto nitrocellulose membranes. Blots were probed with primary antibodies to TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV1. Detection of bound primary antibodies was achieved using appropriate anti-species antibody conjugates and chemiluminescent substrates. Functionality of the channels was determined with Ca2+ microfluorimetry, where cells grown in cover slips and incubated with Fura 2AM prior to stimulation with capsaicin (TRPV1 agonist), 4 alpha-phorbol 12,13-didecanoate (4áPDD) (TRPV4 agonist), icilin (TRPA1 agonist) and menthol (TRPM8 agonist). Emitted fluorescence was measured and the fluorescence ratio (R) was calculated as F340/F380 to determine the level of [Ca2+]i. Results: Western blotting confirmed the molecular localisation of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts. Functionality assays revealed increase in [Ca2+]i in response to capsacin, icillin, methanol and 4áPDD indicating functional expression of TRPV1, TRPA1, TRPM8 and TRPV4 respectively. Conclusions: Functional expression of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts may indicate a crucial role for odontoblasts in thermally induced dental pain. (Supported by a Research Grant from the Royal College of Surgeons of Edinburgh)

Neuropeptides regulate expression of angiogenic growth factors in pulpal fibroblasts

In the dental pulp angiogenesis is crucial for tooth development and a prerequisite for successful repair following injury and inflammation. The role of neuropeptides in pulpal inflammation has been well documented but their role in the regulation of angiogenesis in the dental pulp has not been elucidated. Objectives: The aim was to profile the expression of angiogenic growth factors produced by pulp fibroblasts and to study the effects of neuropeptides on their expression. Methods: Human pulp fibroblasts derived from healthy molar teeth were stimulated with neuropeptides previously identified in dental pulp, namely, Substance P (SP), neuropeptide Y (NPY), vasoactive intestinal polypeptide (VIP) and calcitonin related gene peptide (CGRP) for 24 and 48 hrs. Simultaneous expression of ten growth factors was quantified using a novel human angiogenesis array (Ray Biotech, USA). Results: Pulp fibroblasts expressed human angiogenic growth factors, VEGF, bFGF, PDGF-BB, HGF, ANG2, HB-EGF, PIGF, angiogenin and leptin. Among the growth factors expressed VEGF, angiogenin and HGF were abundantly expressed compared to others. Neuropeptides induced variable effects on the expression of the angiogenic factors: CGRP potently up-regulated VEGF, bFGF, HGF and PIGF after 24 hr, while NPY tended to down regulate growth factors after 24 hr in culture but markedly up regulated ANG2, bFGF and leptin after 48 hr. SP down regulated expression of all angiogenic growth factors except for leptin, while VIP induced a small increase in expression of each growth factor, irrespective of time. Conclusion: Pulp fibroblasts express a range of angiogenic growth factors including angiogenin and leptin. Neuropeptides regulate the expression of these factors, suggesting an additional role for neuropeptides in the regulation of inflammation and healing in the dental pulp.
This work is supported by TC White Research Fund

Protease activated receptor 2 expression and functionality in caries

Introduction: Protease activated receptors (PARs) are G-protein-coupled transmembrane receptors that are expressed on many cell types and implicated in various inflammatory processes in vivo. The induction of PAR2 as a result of the inflammatory response associated with dental caries remains to be determined. Objectives: The aim was to localise the expression of PAR2 in human dental pulp from carious teeth and to confirm receptor functionality using an in vitro assay. Methods: Dental pulp sections from decalcified carious teeth were examined by immunocytochemsitry. Membrane preparations from cultured pulp fibroblasts were subject to SDS-PAGE and immunoblotting to confirm fibroblast-associated immunoreactivity. The functionality of PAR2 on dental pulp fibroblasts was studied using calcium imaging in the presence of several potential activators including a PAR2 agonist (PAR2-AP), trypsin and pulpal enzymes from a carious tooth. Results: Immunocytochemistry revealed intense PAR2 immunoreactivity on pulpal fibroblasts subjacent to carious lesions but not in surrounding regions of the dental pulp. Pulp specimens from a dental injury model showed no expression of PAR2, suggesting its expression was related to cellular changes associated with ongoing caries. The localisation of PAR2 staining to pulpal fibroblasts in carious teeth was confirmed by Western blotting which revealed PAR2 immunoreactive bands in membrane fractions prepared from pulp fibroblasts. In functional studies, challenge of cultured pupal fibroblasts with PAR2-AP, trypsin and an extract of proteolytic enzymes from a carious dental pulp, showed specific activation of PAR2. Conclusions: This work demonstrates that PAR2 is functional and inducible in human dental pulp fibroblasts in response to caries and that endogenous pulpal enzymes can activate PAR2.

Antibacterial Activity of Peptides from the African Volcano Frog

Introduction: Cationic, α- helical antimicrobial peptides found in skin secretions of the African Volcano Frog, Xenopus amieti include magainin-AM1, peptide glycine-leucine-amide (PGLa-AM1) and caerulein-precursor fragment (CPF-AM1). Objectives: The principle objective of this study was to determine the antibacterial activity of these peptides against a range of aerobic and anaerobic and oral pathogens. Secondary objectives were to establish their lipopolysaccharide (LPS) binding activity and determine potential cytotoxic effects against host cells. Methods: Magainin-AM1, PGLa-AM1 and CPF-AM1 were assessed for their antimicrobial activity against Fusobacteriim nucleatum, Streptococcus mutans, Lactobacillus acidophilus, Enterococcus faecalis and Streptococcus milleri using a double layer radial diffusion assay. The propensity for each peptide to bind LPS was determined using an indirect ELISA. The potential cytotoxicity of the peptides against human pulp cells in vitro was determined using the 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. Results: Magainin-AM1, PGLa-AM1 and CPF-AM1 displayed potent antimicrobial activity against all the bacterial pathogens tested, with Magainin-AM1 being the least effective. PGLa-AM1 was most potent against S. mutans, with a minimum inhibitory concentration (MIC) of 1.2 μM. PGLa-AM1 and CPF-AM1 were both very active against F. nucleatum with MIC values of 1.5 μM and 2.2 μM respectively. The LPS binding ability of the peptides varied depending on the bacterial source of the LPS, with PGLa-AM-1 being the most effective at binding LPS. Cytotoxicity studies revealed all three peptides lacked cytotoxic effects at the concentrations tested. Conclusions: The peptides magainin-AM1, PGLa-AM1 and CPF-AM1 from the African Volcano Frog, Xenopus amieti displayed potent antimicrobial activity and LPS binding activity against a range of oral pathogens with little cytotoxic effects. These peptides merit further studies for the development of novel therapeutics to combat common oral bacterial infections.

Vasoactive Intestinal Polypeptide (VIP) in Human Dental Pulps

Pulpal innervation is not exclusively sensory and there are potential roles for other neuropeptides such as vasoactive intestinal polypeptide (VIP) in pulpal health and disease. In the systemic circulation VIP relaxes vascular smooth muscles leading to vasodilatation. It has been shown that VIP fibres are associated with pulpal blood vessels and therefore VIP may mediate vasoactivity in the dental pulp. A growing body of evidence has now demonstrated that an additional major physiological role of VIP is to act as a survival factor. In order to gain a better understanding of the role of neuropeptides in the caries process it is of interest to specifically examine a role for VIP. Objectives: The aim of the present study was to determine the levels of VIP in carious (moderately carious and grossly carious) compared with non-carious teeth. Methods: A total of 68 teeth were included in the study (22 non-carious, 20 moderately carious and 26 grossly carious). VIP was measured in all samples using a sensitive and specific radioimmunoassay. Results: The mean concentration of VIP in the pulps of non-carious teeth was 7.69 ng/g (9.41 SD) compared to 14.93 ng/g (15.58 SD) in carious teeth. Pair-wise comparisons of VIP levels using Tukey’s test showed statistically significant differences in VIP expression between non-carious and moderately carious teeth (p=0.002) and between moderately and grossly carious teeth, (p=0.002). Conclusion: The significantly increased levels of VIP in moderately carious pulps compared with either non-carious or grossly carious pulps may suggest a role for VIP as a protective or survival factor.

Radioimmunoassay Quantitation of Neuropeptide Y (NPY) in Human Dental Pulps

Neuropeptide Y (NPY) is a 36 amino acid peptide that is abundantly expressed in both the central and peripheral nervous systems. NPY has previously been shown to be present in human dental pulp although its exact role in pulpal health and disease remains to be fully elucidated. In addition to serving a neurotransmitter role, NPY may also have a role in modulating the pulpal response to injury and inflammation. Indeed NPY is known to be a potent vasoconstrictor in a range of tissues. Recent work by our research group has demonstrated changes in sensory neuropeptide levels measured by radioimmunoassay (RIA) in healthy and carious teeth. In addition to elevated levels of sensory neuropeptides, it is also possible that the carious process is associated with increased levels of autonomic neuropeptides such as NPY. Objectives: The aim of the present study was to undertake a comprehensive quantitative RIA analysis of NPY expression in human dental pulps from carious and non-carious teeth. Methods: A total of 22 non-carious and 46 carious teeth were included in the study. NPY was measured in all samples using RIA. Briefly, the RIA system consisted of a total volume of 400 ul, comprising 100 ul anti-NPY antibody (Peninsula Laboratories), 200 ul human NPY synthetic standard or pulp sample, and 100 ul of 125I-labelled NPY as radioactive tracer. Results: The mean concentration of NPY in non-carious teeth was found to be 4.28 ng/g (4.34 SD) compared to 9.57 ng/g (9.39 SD) in carious teeth. Using ANOVA the difference in NPY levels between the non-carious group and the carious group was found to be statistically significant (p= 0.003). Conclusion: The significant increase in the levels of NPY in carious dental pulps reported in this study provides evidence for a role for NPY in the pulpal response to caries.

Efeitos genotóxicos e bioquímicos de xenobióticos em animais aquáticos

No presente trabalho, foi estudado um largo espectro de efeitos genotóxicos e bioquímicos na tainha-garrento (Liza aurata). Nos Capítulos II e III são descritos os efeitos de exposição de curta duração ao fenantreno, um hidrocarboneto aromático policíclico (HAP). A exposição de curta duração (16 horas) demonstrou a capacidade deste composto induzir a actividade da enzima de fase I da biotransformação, etoxiresorufina O-desetilase (EROD), provocar decréscimos de integridade no ADN hepático e aumento de anomalias nucleares eritrocíticas (ANE). Em termos de respostas de stresse, os níveis plasmáticos de cortisol e glucose aumentaram face à exposição a este HAP. A exposição ao fenantreno induziu o decréscimo da glutationa peroxidase (GPx) nas guelras, enquanto que no fígado a actividade da GPx aumentou. No rim, a actividade da glutationa S-transferase (GST) foi inibida. Nas guelras, verificou-se um aumento da catalase. O fenantreno demonstrou igualmente a capacidade de induzir um aumento dos níveis de glutationa nas guelras e fígado. Estas respostas demonstraram a sensibilidade de L. aurata, a este HAP, realçando a especificidade das respostas em termos de órgãos. Apesar dos aumentos das defesas antioxidantes, o potencial tóxico deste composto foi demonstrado pelo aumento da peroxidação lipídica nos três órgãos. Nos capítulos seguintes, são descritas as respostas de L. aurata capturada na Ria de Aveiro, em locais com diferentes perfis de contaminação, inicialmente no Outono de 2005 (Capítulos III a IX) e posteriormente analisando respostas sazonais (Capítulos X e XI). A análise de respostas de stresse (cortisol, glucose e lactato) revelou que L. aurata capturada em Vagos (local contaminado por HAPs) apresentava níveis baixos de cortisol, enquanto que no Laranjo (local contaminado por mercúrio) apresentavam elevados níveis de glucose e lactato. Relativamente às hormonas do eixo hipotálamo – hipófise – tiróide (HHT), foram observados elevados níveis plasmáticos da hormona estimuladora da tiróide (TSH) nos organismos capturados no Laranjo, baixos níveis de tiroxina (T4) nos organismos da Barra (local sujeito a tráfego naval) e baixos níveis de triiodotironina (T3) no Rio Novo do Príncipe (próximo de um antigo efluente de pasta de papel), Laranjo e Vagos. A avaliação das defesas antioxidantes, dano oxidativo e genotóxico nas guelras, rim e fígado revelou diferenças significativas nas respostas dos órgãos. L. aurata capturada na Barra apresentou dano oxidativo nas guelras (Capítulo V). No rim foi detectada uma diminuição da integridade do ADN no Rio Novo do Príncipe e Vagos (Capítulo VI), enquanto que no fígado foi observado dano lipídico na Gafanha e Vagos (Capítulo VIII). O dano não esteve sempre associado a um decréscimo das defesas. As análises da água e do sedimento da Ria de Aveiro (Outono de 2005) revelaram elevadas concentrações de metais (Cd, Hg, Cu e Zn),principalmente, no Laranjo e Rio Novo do Príncipe. L. aurata capturada nestes locais apresentou os níveis mais elevados de metalotioninas hepáticas (Capítulo VII) que parecem responsáveis pela inexistência de danos no fígado (Capítulo VIII). O dano oxidativo no ADN, avaliado através da quantificação dos níveis plasmáticos de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) e o dano clastogénico/aneugénico, avaliado através da quantificação da frequência de ANE, foram estudados, no Outono de 2005, em duas espécies de peixes (L. aurata e Dicentrarchus labrax - robalo) (Capítulo IX). Os resultados revelaram grande sensibilidade de D. labrax em termos de dano oxidativo no ADN na Gafanha, Rio Novo do Príncipe e Vagos, enquanto que L. aurata apresentou dano oxidativo apenas no Laranjo. O aumento da frequência de ANE apenas foi detectado em L. aurata, em Vagos, não se tendo detectado correlação entre estes dois parâmetros. O estudo sazonal (Maio de 2006 a Março de 2007) do dano oxidativo no ADN e frequência de ANE em L. aurata (Capítulo X) demonstrou a variação destes parâmetros com a estação do ano, apesar de não se ter verificado correlação com os parâmetros hidrológicos determinados. No entanto, no local de referência não se verificaram diferenças sazonais, o que sugere que estes biomarcadores reflectem variações de biodisponibilidade de contaminantes. A análise global dos resultados das diferentes estações do ano revelou que L. aurata capturada no Rio Novo do Príncipe e em Vagos apresentou maior susceptibilidade a dano oxidativo no ADN. No entanto, apenas L. aurata capturada em Vagos apresentou frequência de ANE superior à do local de referência. Os dados do estudo sazonal revelaram uma correlação entre dano oxidativo e ANE, sugerindo o stresse oxidativo como um possível mecanismo envolvido na formação de anomalias. A integridade do ADN das guelras, rim, fígado e sangue de L. aurata foi igualmente estudada ao longo de um ano (Capítulo XI), tendo-se verificado uma grande variabilidade ao longo deste período. Não foi demonstrada sensibilidade a um perfil de contaminação específico, tendo-se verificando variabilidade sazonal no local de referência. Globalmente, os resultados demonstraram a importância da utilização de uma bateria de biomarcadores na monitorização ambiental e a especificidade da resposta dos diferentes órgãos de L. aurata.

Upgrading of suberin from cork and birch outer bark

O trabalho aqui apresentado teve como principal propósito o estudo do potencial da suberina como fonte de produtos de química fina e como precursor de novos materiais macromoleculares de origem renovável. O interesse na suberina reside, não só na sua ubiquidade e nas suas propriedades únicas em termos de composição química e hidrofobicidade, mas também no facto de ser um dos principais componentes macromoleculares dos subprodutos da indústria corticeira de Quercus suber L. no Sul da Europa, e da indústria de pasta de papel do Norte da Europa, que utiliza a Betula pendula Roth como matéria-prima. A primeira parte do presente trabalho consistiu no estudo detalhado da composição química da cortiça de Quercus suber L. e respectivos resíduos industriais bem como da casca de Betula pendula Roth recorrendo a diferentes técnicas de caracterização, nomeadamente GC-MS, IV, RMN de 1H e de 13C, DSC, termomicroscopia, TGA e difracção de raios-X. Os resultados mostraram que os produtos de despolimerização da suberina representam tipicamente uma fracção substancial de todas as amostras. Para além da suberina, foram também identificados nas diversas amostras quantidades variáveis de compostos triterpénicos, lenhina, polissacarídeos e matéria inorgânica. Os principais resultados da análise por GC-MS mostraram que todas as amostras de suberina despolimerizada são fontes abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos, bem como dos correspondentes derivados epóxidados. No entanto, as quantidades relativas de cada componente identificado foram significativamente diferentes entre amostras. Por exemplo, em amostras de suberina da casca de Quercus suber L. isoladas por metanólise alcalina o composto maioritário encontrado foi o ácido 22-hidroxidocosanóico, enquanto que a suberina também proveniente da cortiça, mas isolada por hidrólise alcalina era composta maioritariamente pelo ácido 9,10-dihidroxioctadecanóico. Já no caso da amostra de suberina despolimerizada proveniente da casca externa da bétula o composto identificado como mais abundante foi o ácido 9,10-epoxi-18-hidroxioctadecanóico. A caracterização das diversas amostras de suberina despolimerizada por FTIR e RMN de 1H e de 13C foram concordantes com os resultados de GC-MS, evidenciando a sua natureza predominantemente lipofílica. Foi ainda determinada a razão entre os grupos CO2H/OH e CO2CH3/OH por RMN de 1H das amostras convenientemente derivatizadas com isocianato de tricloroacetilo, verificando-se que a suberina despolimerizada possuía quantidades não-estequiométricas destes grupos funcionais. A investigação do comportamento térmico das amostras de suberina despolimerizada, por DSC e termomicroscopia, bem como a análise por difracção de raios-X, permitiu concluir que algumas amostras de suberina despolimerizada possuíam importantes domínios cristalinos e pontos de fusão bem definidos, tipicamente próximos de 70 oC, enquanto outras amostras eram essencialmente amorfa. Factores como a fonte de suberina ou as condições de despolimerização estiveram na origem destas diferenças. iv Neste trabalho estudaram-se também os extractáveis lipofílicos da cortiça e dos seus resíduos industriais, em particular os do pó industrial de cortiça e dos condensados negros, mostrando que os extractáveis lipofílicos são uma fonte abundante de compostos triterpénicos, em particular de ácido betulínico e de friedelina. Foram ainda identificadas fracções abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos no condensado negro. A segunda parte deste trabalho abordou a síntese e a caracterização de novos poliésteres alifáticos derivados de suberina. Estes materiais foram sintetizados utilizando, quer misturas de suberina despolimerizada, quer monómeros modelo estruturalmente análogos aos existentes na suberina. Recorreu-se para o efeito a duas aproximações distintas de polimerização por passos, a policondensação e a politransesterificação. Procurou-se em simultâneo maximizar a eficiência da polimerização em termos de peso molecular e de extensão da reacção e utilizar condições de reacção de química “verdes”. Neste sentido, utilizou-se a policondensação em emulsão utilizando um tensioactivo como catalisador e a policondensação em massa utilizando a lipase B de Candida antarctica. Adicionalmente foram também testado os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto(III) no caso da policondensação, e ainda os catalisadores clássicos óxido de antimónio(III) e o carbonato de potássio no caso da politransesterificação. Os poliésteres resultantes foram caracterizados através de várias técnicas, tais como IV, RMN (de 1H e de 13C), DSC, DMA, TGA, difracção de raios-X e medidas dos ângulos de contacto. Verificou-se que os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto (III), óxido de antimónio(III) e carbonato de potássio conduziram aos rendimentos de isolamento dos polímeros resultantes mais elevados. No caso dos poliésteres derivados da suberina os resultados em termos de rendimentos e pesos moleculares sofreram um incremento substancial quando a estequiometria da reacção de polimerização foi adequadamente balanceada (r=1) com a adição de uma quantidade extra de um comonómero. Verificou-se a predominância de diferentes estruturas consoante a amostra de suberina utilizada e as condições de síntese adoptada, predominando as cadeias lineares ou então quantidades substanciais de estruturas reticuladas. Globalmente, este primeiro estudo sistemático da utilização de suberina como um precursor de novos poliésteres alifáticos confirmou o elevado potencial deste recurso abundante e renovável como precursor para preparar materiais macromoleculares.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Lichen biodiversity and biomonitoring of atmospheric pollution

Esta tese debruça-se sobre a biodiversidade de líquenes epífitos de pinhais dunares portugueses e sobre uso de líquenes como biomonitores de poluição atmosférica nesse habitat. A Mata Nacional das Dunas de Quiaios (Figueira da Foz) foi o ponto de partida dos estudos de biodiversidade efetuados nesta tese, mas alguns deles estenderam-se à maior parte da costa portuguesa. Como resultado, encontrou-se uma espécie nova para a ciência, Lecanora sorediomarginata Rodrigues, Terrón & Elix, epifítica sobre Pinus pinaster Aiton e P. pinea L, que se encontra distribuída na maior parte da costa. Esta espécie caracteriza-se morfologicamente por um talo crustáceo, de cor esbranquiçada a acinzentada ou esverdeada e que desenvolve sorálios a partir de pequenas verrugas marginais. Quimicamente caracteriza-se pela presença dos ácidos 3,5-dicloro-2'-O-metilnorestenospórico [maior], 3,5-dicloro-2 -O-metilanziaico [menor], 3,5-dicloro-2 -O-metilnordivaricático [menor], 5-cloro-2'-Ometilanziaico [traço] e úsnico [traço]; atranorina [menor] e cloroatranorina [menor]. É quimicamente semelhante a L. lividocinerea Bagl., com a qual apresenta afinidades filogenéticas com base na análise da sequência ITS do rDNA, e a L. sulphurella Hepp. Adicionalmente, espécies Chrysothrix flavovirens Tønsberg e Ochrolechia arborea (Kreyer) Almb, também se encontraram epifíticas sobre P. pinaster e P. pinea em vários pinhais ao longo da costa, representando novos registos para a flora liquénica portuguesa, bem como a espécie Lepraria elobata Tønsberg encontrada epifítica sobre P. pinaster apenas nas Dunas de Quiaios. Além disso, as espécies Hypotrachyna lividescens (Kurok.) Hale e H. pseudosinuosa (Asahina) Hale encontraram-se epifíticas sobre P. pinaster e outros forófitos nas Dunas de Quiaios, constituindo novos registos para a flora liquénica da Península Ibérica. Estes resultados põe em evidência a importância dos pinhais dunares como habitat para líquenes epífitos. Num estudo conduzido entre janeiro e julho de 2008 num pinhal dunar (Mata do Urso, Figueira da Foz), em cuja bordadura existe uma fábrica de celulose de papel, usaram-se transplantes de líquenes da espécie Flavoparmelia caperata (L.) Hale para avaliar a acumulação de trinta e três elementos putativamente emitidos por fábricas de papel e pasta de papel. A cinética da fluorescência da clorofila a foi estudada nos líquenes transplantados, através da análise dos parâmetros Fv/Fm, F0, Fm, qP, NPQ, PSII, e Exc, de forma a avaliar os efeitos decorrentes da acumulação de elementos na vitalidade dos líquenes. Pretendeu-se avaliar se a acumulação de elementos e a cinética da fluorescência da clorofila a variavam significativamente com o local e o tempo de exposição, tendo em consideração os resultados obtidos de transplantes colocados num local de referência (Dunas de Quiaios) durante o mesmo período de tempo. (Continua no verso) resumo A maior parte dos elementos — Al, B, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, S, Sb, Sc, Sr, Ti e V — ocorreu em concentrações significativamente mais elevadas nos transplantes expostos a 500 m da fábrica. Cerca de metade dos elementos estudados — B, Ba, Cr, Fe, Hg, Mg, Mn, Mo, Na, P, Pb, S, Sb e V — encontraram-se em concentrações significativamente mais elevadas nos transplantes expostos durante 180 dias. O solo foi identificado como uma fonte parcial da maior parte dos elementos. Os parâmetros Fv/Fm, Fm, PSII e Exc variaram significativamente com o local e/ou com o tempo de exposição. Observou-se um decréscimo significativo nos parâmetros Fv/Fm e Fm nos transplantes expostos a 500 e 1000 da fábrica, e também naqueles expostos durante 135 e 180 dias. Observou-se também um decréscimo significativo nos parâmetros PSII e Exc expostos durante 180 dias. Estes parâmetros correlacionaram-se de forma negativa e significativa com a acumulação de elementos: Fv/Fm: B, Ba, Co, Fe, Hg, Mg, Mn, Mo, N, P, S, Sb e Zn; Fm: Ba, Co, Hg, Mn, Mo, N, P, S, Sb e Zn; PSII: N e P; Exc: Mn, N, P e S. Estudos acerca da diversidade liquénica efetuados nos mesmos locais onde os transplantes foram colocados no local impactado, revelaram um menor valor de diversidade liquénica a 500 m da fábrica, que foi também o único local onde se encontraram espécies nitrófilas, o que se poderá dever à deposição de amónia e/ou poeiras. À semelhança de outros estudos, este trabalho confirma que os líquenes podem ser usados com sucesso em estudos de biomonitorização, mesmo em locais florestados. Além disso, traz também informações adicionais sobre como a acumulação de elementos pode influenciar a cinética da fluorescência da clorofila a em líquenes.

Phenolic compounds from forest industrial by-products

Em Portugal, as indústrias corticeira e de pasta de papel constituem um importante sector económico, contudo, gerando elevadas quantidades de subprodutos. Estes subprodutos poderiam ser explorados em aplicações de alto valor acrescentado, como fonte de compostos fenólicos, por exemplo, em vez de serem apenas queimados para produção de energia. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras propriedades, entre as quais, antioxidante, anti-inflamatória e anti-trombótica. Neste estudo as frações fenólicas da maior parte dos subprodutos gerados nas indústrias corticeira e de pasta de papel foram caracterizados em detalhe, com vista à sua valorização. A fração fenólica das cascas de Eucalyptus globulus, E. grandis, E. urograndis e E. maidenii, bem como da cortiça de Quercus suber e resíduos provenientes da sua exploração, nomeadamente, o pó de cortiça e os condensados negros, foi obtida por processos convencionais de extração sólido-líquido. No caso da casca de E. globulus, foi ainda avaliado o potencial de metodologias “verdes” no processo de extração de compostos fenólicos, usando extração com CO2 supercrítico. Esta técnica foi otimizada com recurso a metodologias de superfície de resposta. Na identificação e quantificação dos compostos fenólicos foi usada cromatografia líquida de alta resolução aliada a técnicas de espectrometria de massa. O teor de fenólicos totais foi ainda determinado pelo método de Folin- Ciocalteu, essencialmente para efeitos comparativos. A caracterização da fração fenólica de cada extrato foi ainda complementada com a análise da atividade antioxidante, usando o radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH). Foram identificados trinta compostos fenólicos na casca de E. globulus, 17 deles referenciados pela primeira vez como seus constituintes, nomeadamente os ácidos quínico, di-hidroxifenilacétic, cafeico e metil-elágico, bis-hexahidroxidifenoil( HHDP)-glucose, galoil- bis-HHDP-glucose, galoil-HHDPglucose, isoramnetina—hexosídeo, quercetina-hexosídeo, ácido metil-elágicopentosídeo, miricetina-ramnosídeo, isoramnetina-ramnosídeo, mearnsetina, floridzina, mearnsetina-hexosídeo, luteolina e uma proantocianidina B. Neste trabalho, foi estudada pela primeira vez a composição fenólica das cascas de E. grandis, E. urograndis e E. maidenii. Treze, doze e vinte e quatro compostos fenólicos foram identificados nas cascas de E. grandis, E. urograndis e E. maidenii, respetivamente. Entre estes compostos encontram-se os ácidos quínico, gálico, metilgálico, protocatequínico, clorogénico e elágico, catequina, galoil-bis-HHDP-glucose, digaloilglucose, epicatequina, quercetina-glucoronídeo, di-hidroxiisopropilcromona- hexosídeo, isoramnetina-hexosídeo, ácido elágicoramnosídeo, taxifolina, quercetina-hexosídeo, di-hidroxi- (metilpropil)isopropilcromona-hexosídeo, ácido metil-elágico-pentosídeo, miricetina-ramnosídeo, isoramnetina-ramnosídeo, aromadendrina-ramnosídeo, mearnsetina, mearnsetina-hexosídeo, eriodictiol, quercetina, isoramnetina e naringenina. A análise da fração fenólica da cortiça permitiu identificar vinte e dois compostos fenólicos, dez deles referenciados pela primeira vez como seus constituintes, nomeadamente, os ácidos quínico, salicílico, p-hidroxifenillático e metilgálico, ácido carboxílico da brevifolina, eriodictiol, naringenina, um éster isoprenílico do ácido cafeico, isoramnetina-ramnosídeo e isoramnetina. No pó de cortiça industrial foram identificados dezasseis compostos fenólicos, nomeadamente os ácidos quínico, gálico, protocatequínico, cafeico, ferúlico, elágico e metilgálico, esculetina, ácido carboxílico da brevifolina, coniferaldeído, um éster isoprenílico do ácido cafeico, uma dilactona do ácido valoneico, ácido elágico-pentosídeo, ácido elágico-ramnosídeo, isoramnetinaramnosídeo e isoramnetina. Destes, apenas o ácido elágico foi previamente referenciado como componente do pó de cortiça. Do mesmo modo, treze compostos fenólicos foram identificados no condensado negro, doze deles referenciados pela primeira vez como seus constituintes. São eles os ácidos quínico, gálico, p-hidroxifenil-láctico, protocatequínico, p-coumarico, cafeico e elágico, vanilina, esculetina, coniferaldeído, um éster isoprenílico do ácido cafeico e o eriodictiol. A extração supercrítica de compostos fenólicos da casca de eucalipto permitiu não só verificar os parâmetros que afetam a qualidade e quantidade finais dos extratos, como também obter os valores ótimos para estes parâmetros. Esta extração mostrou ainda ser bastante seletiva para determinados grupos de compostos fenólicos, como as flavanonas eriodictiol e naringenina e para o flavonol O-metilado isoramnetina. Este é também o primeiro estudo envolvendo a determinação da atividade antioxidante de extratos da cortiça e dos resíduos da sua exploração, bem como da casca de E. grandis, E. urograndis e E. maidenii. A vasta gama de compostos fenólicos identificados em cada extrato analisado, assim como as prominentes atividades antioxidantes, todas na mesma gama de valores do bem conhecido antioxidante comercial, ácido ascórbico, são claramente um grande contributo para a valorização destes subprodutos industriais.

Compósitos de polímeros naturais e nanopartículas metálicas

Esta tese descreve diversas estratégias de preparação assim como a caracterização de nanocompósitos com base em distintos biopolímeros. Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas, nomeadamente de Ag, Cu e Au. Estes nanomateriais apresentam um potencial prático enorme em diversas áreas, no entanto foi investigada especificamente a sua aplicação como materiais antimicrobianos. No primeiro capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, onde são realçados os principais tópicos discutidos ao longo da tese. Inicialmente apresenta-se uma contextualização deste trabalho sendo seguidamente apresentadas algumas considerações sobre nanocompósitos e o seu impacto tecnológico atual. Em seguida, descrevem-se as vantagens do uso de NPs como cargas nos materiais compósitos especificamente no caso de bionanocompósitos. Foi focado o uso da celulose como matriz uma vez que foi o composto “base” usado neste trabalho. Fez-se a descrição exaustiva das metodologias existentes na literatura para a preparação dos nanocompósitos celulósicos com diferentes NPs metálicas assim como das respetivas aplicações. Dentro das aplicações, foi dado especial destaque às propriedades antimicrobianas dos materiais preparados seja a nível da sua atividade antibacteriana ou antifúngica. Esta introdução privilegia o trabalho relacionado diretamente com os sistemas descritos nos capítulos subsequentes. No segundo capítulo apresentam-se os resultados obtidos para nanocompósitos de prata em matriz celulósica. Através do uso de metodologias, tais como a síntese in situ e a pós-deposição, foram preparados diversos materiais usando dois substratos celulósicos distintos nomeadamente a celulose vegetal e bacteriana. Estes nanocompósitos foram caracterizados em termos da sua morfologia e composição química, verificando-se a importância destas características na sua atividade antibacteriana. Foi verificado que nanocompósitos com teores de Ag de 5 x 10-4 (% m/m) são suficientes para obter atividade antibacteriana. A libertação de Ag(I) foi estudada em alguns destes materiais de modo a tentar perceber o mecanismo subjacente a este tipo de nanocompósitos. No terceiro capítulo é apresentado o estudo de NPs coloidais de Ag e Au como cargas para a preparação de nanocompósitos à base de quitosano nãomodificado e modificado quimicamente (derivado solúvel em água e derivado anfifílico). Foram preparados filmes finos de espessura de 9-14 μm, caracterizando-se as suas propriedades óticas e antibacterianas. As propriedades óticas foram ajustadas, quer pela variação do teor de NPs de Ag (0,3-3,9% m/m) ou pela utilização de amostras de NPs com distribuição de tamanho de partícula distinta. Foi investigada a atividade antibacteriana tanto para bactérias Gram-negativas (Klebsiella pneumoniae e Escherichia coli) como para Gram-positivas (Staphylococcus aureus). Para nanocompósitos preparados com o quitosano não modificado verificou-se uma dependência em função do teor de Ag. No caso do uso de derivados modificados, os materiais preparados mostraram uma eficiência superior, mesmo sem NPs de Ag. No quarto capítulo é apresentada a síntese e caracterização de nanocompósitos de pululano e NPs de Ag. Neste estudo é avaliada a atividade antifúngica dos filmes compósitos preparados contra o Aspergillus niger usando protocolos padrão. Estes materiais foram preparados na forma de filmes (66-74 μm de espessura) por evaporação de solvente da mistura de pululano e coloides de Ag. Foi observado o aumento da inibição do fungo na presença dos nanocompósitos, tendo sido pela primeira vez mostrado o efeito disruptivo destes materiais sobre os esporos do A. niger através da análise das imagens de SEM. Este efeito ocorre na presença dos filmes devido à presença das cargas de NPs de Ag dispersas no pululano. O desenvolvimento de materiais de papel com NPs de Cu é um desafio devido à propensão destas espécies em oxidar sob condições ambiente. No quinto capítulo é descrita pela primeira vez o estudo comparativo do crescimento e estabilidade de NPs de Cu em celulose vegetal e bacteriana. Para além disso foi avaliado o uso de nanoestruturas com diferentes dimensionalidades como cargas, nomeadamente nanoesferas e nanofios. Foi observado que o uso de nanofios aumenta a resistência à oxidação destes nanocompósitos para tempos de exposição ao ar mais prolongados. As matrizes celulósicas apresentam comportamento distinto no crescimento e/ou adsorção das NPs de Cu. A celulose bacteriana foi o substrato mais eficiente para retardar a oxidação das NPs. A atividade antibacteriana destes nanocompósitos foi avaliada. Ao longo desta dissertação são apresentados métodos distintos para a obtenção de nanocompósitos com base em biopolímeros e NPs metálicas. Estes estudos permitiram não só a preparação de novos nanocompósitos mas também compreender e otimizar os mecanismos subjacentes à sua preparação. Ao mesmo tempo, este trabalho contribuiu para a transferência de tecnologia e conhecimento entre a área da Nanotecnologia e a área dos materiais derivados de fontes renováveis. As propriedades apresentadas por estes nanomateriais mostraram a sua possível aplicação como novos materiais antimicrobianos, no entanto é possível antecipar futuras aplicações em outras áreas tecnológicas.