Development of electrospun Ion jelly fibers® for drug delivery

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Chitosan/AuNPs Modified Graphene Electrochemical Sensor for Label-Free Human Chorionic Gonadotropin Detection

A new immunosensor is presented for human chorionic gonadotropin (hCG), made by electrodepositing chitosan/gold-nanoparticles over graphene screen-printed electrode (SPE). The antibody was covalently bound to CS via its Fc-terminal. The assembly was controlled by electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and followed by Fourier Transformed Infrared (FTIR). The hCG-immunosensor displayed linear response against the logarithm-hCG concentration for 0.1–25 ng/mL with limit of detection of 0.016 ng/mL. High selectivity was observed in blank urine and successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from pregnant woman. The immunosensor showed good detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

Sol-Gel Chemistry in Biosensing Devices of Electrical Transduction: Application to CEA Cancer Biomarker

Sol-gel chemistry allows the immobilization of organic molecules of biological origin on suibtable solid supports, permitting their integration into biosensing devices widening the possibility of local applications. The present work is an application of this principle, where the link between electrical receptor platform and the antibody acting as biorecognition element is made by sol-gel chemistry. The immunosensor design was targeted for carcinoembryonic antigen (CEA), an important biomarker for screening the colorectal cancer, by electrochemical techniques, namely electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square wave voltammetry (SVW). The device displayed linear behavior to CEA in EIS and in SWV assays ranging from 0.50 to 1.5ng/mL, and 0.25 to 1.5ng/mL, respectively. The corresponding detection limits were 0.42 and 0.043 ng/mL. Raman spectroscopy was used to characterize the surface modifications on the conductive platform (FTO glass). Overall, simple sol-gel chemistry was effective at the biosensing design and the presented approach can be a potential method for screening CEA in point-of-care, due to the simplicity of fabrication, short response time and low cost. - See more at: http://www.eurekaselect.com/127192/article#sthash.m1AWhINx.dpuf

Protein-responsive polymers for point-of-care detection of cardiac biomarker

This work describes a novel use for the polymeric film, poly(o-aminophenol) (PAP) that was made responsive to a specific protein. This was achieved through templated electropolymerization of aminophenol (AP) in the presence of protein. The procedure involved adsorbing protein on the electrode surface and thereafter electroploymerizing the aminophenol. Proteins embedded at the outer surface of the polymeric film were digested by proteinase K and then washed away thereby creating vacant sites. The capacity of the template film to specifically rebind protein was tested with myoglobin (Myo), a cardiac biomarker for ischemia. The films acted as biomimetic artificial antibodies and were produced on a gold (Au) screen printed electrode (SPE), as a step towards disposable sensors to enable point-of-care applications. Raman spectroscopy was used to follow the surface modification of the Au-SPE. The ability of the material to rebind Myo was measured by electrochemical techniques, namely electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square wave voltammetry (SWV). The devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 4.0 and 3.5 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.8 μg/mL. Good selectivity was observed in the presence of troponin T (TnT) and creatine kinase (CKMB) in SWV assays, and accurate results were obtained in applications to spiked serum. The sensor described in this work is a potential tool for screening Myo in point-of-care due to the simplicity of fabrication, disposability, short time response, low cost, good sensitivity and selectivity.

Label-free human chorionic gonadotropin detection at picogram levels using oriented antibodies bound to graphene screen-printed electrodes

Human chorionic gonadotropin (hCG) is a key diagnostic marker of pregnancy and an important biomarker for cancers in the prostate, ovaries and bladder and therefore of great importance in diagnosis. For this purpose, a new immunosensor of screen-printed electrodes (SPEs) is presented here. The device was fabricated by introducing a polyaniline (PANI) conductive layer, via in situ electropolymerization of aniline, onto a screen-printed graphene support. The PANI-coated graphene acts as the working electrode of a three terminal electrochemical sensor. The working electrode is functionalised with anti-hCG, by means of a simple process that enabled oriented antibody binding to the PANI layer. The antibody was attached to PANI following activation of the –COOH group at the Fc terminal. Functionalisation of the electrode was analysed and optimized using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Chemical modification of the surface was characterised using Fourier transform infrared, and Raman spectroscopy with confocal microscopy. The graphene–SPE–PANI devices displayed linear responses to hCG in EIS assays from 0.001 to 50 ng mL−1 in real urine, with a detection limit of 0.286 pg mL−1. High selectivity was observed with respect to the presence of the constituent components of urine (urea, creatinine, magnesium chloride, calcium chloride, sodium dihydrogen phosphate, ammonium chloride, potassium sulphate and sodium chloride) at their normal levels, with a negligible sensor response to these chemicals. Successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from a pregnant woman. The immunosensor developed is a promising tool for point-of-care detection of hCG, due to its excellent detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

Sol-gel biomimetic material designed to target CEA cancer biomarker

1st ASPIC International Congress

Cohesive law estimation of adhesive joints in mode II condition

The adhesive bonding technique enables both weight and complexity reduction in structures that require some joining technique to be used on account of fabrication/component shape issues. Because of this, adhesive bonding is also one of the main repair methods for metal and composite structures by the strap and scarf configurations. The availability of strength prediction techniques for adhesive joints is essential for their generalized application and it can rely on different approaches, such as mechanics of materials, conventional fracture mechanics or damage mechanics. These two last techniques depend on the measurement of the fracture toughness (GC) of materials. Within the framework of damage mechanics, a valid option is the use of Cohesive Zone Modelling (CZM) coupled with Finite Element (FE) analyses. In this work, CZM laws for adhesive joints considering three adhesives with varying ductility were estimated. The End-Notched Flexure (ENF) test geometry was selected based on overall test simplicity and results accuracy. The adhesives Araldite® AV138, Araldite® 2015 and Sikaforce® 7752 were studied between high-strength aluminium adherends. Estimation of the CZM laws was carried out by an inverse methodology based on a curve fitting procedure, which enabled a precise estimation of the adhesive joints’ behaviour. The work allowed to conclude that a unique set of shear fracture toughness (GIIC) and shear cohesive strength (ts0) exists for each specimen that accurately reproduces the adhesive layer’ behaviour. With this information, the accurate strength prediction of adhesive joints in shear is made possible by CZM.

Projecto de estruturas de uma passagem superior em madeira

Este projecto visa um estudo de uma solução para uma ponte pedonal de Madeira Lamelada Colada (MLC) entre o Hospital Pedro Hispano e o Norte-Shopping, localizada na Senhor da Hora. Inicialmente foram analisadas diversas variantes, com vários tipos de sistemas, sendo adoptada uma ponte formada por dois arcos, que se aproximam à medida que se afastam dos encontros unidos por contraventamentos em cruz. O tabuleiro encontra-se suspenso por tirantes e apoiados dos dois lados nos encontros. Foi realizado uma pequena introdução histórica da utilização da madeira enquanto material de construção, a sua fabricação e os vários tipos de pontes pedonais em MLC. O uso da madeira em estruturas fez com que a abordagem do Eurocódigo 5 (EC5) tivesse uma maior importância. A estrutura é modelada no programa de cálculo “DLUBAL ” através de um modelo de barras tridimensional de modo a efectuar uma análise estática e dinâmica global, recorrendo-se para tal a normas e princípios gerais de verificação de segurança dos regulamentos Europeus, nomeadamente os Eurocódigos das várias especialidades. Apresentam-se em anexo vários desenhos da ponte, desenhos das peças de ligação, o mapa de trabalhos e quantidades, ideias preliminares, dimensionamento e a escolha dos ligadores e por fim os diagramas de esforços dos elementos aos Estados-limite Último.

Aglomeração de cortiça por compressão a quente

A diversificação do uso dos produtos de cortiça exige uma adaptação constante dos processos produtivos utilizados para a transformação deste produto. Este trabalho tem como principal intuito a idealização e investigação de um novo processo de fabrico adaptado a um tipo muito particular de produto, os aglomerados puros de cortiça. Estes, não recorrem a qualquer tipo de aglutinante para assegurar a sua ligação, apenas as resinas contidas na própria cortiça são utilizadas para esse efeito. Analisando os processos de fabrico atuais, verifica-se que, a conceção de geometrias complexas com aglomerados puros de cortiça, só é possível com recurso à maquinação. Este processo gera desperdício e tem uma série de processos que o antecedem, destacando-se a aglomeração prévia numa forma mais simples (bloco paralelepípedo ou cilindro) e o corte numa pré forma. A ideia de se executar uma peça complexa sem recurso à maquinação é o objetivo primordial deste trabalho. Para isso foi construído um molde, com todos os mecanismos auxiliares necessários, à semelhança do que já se faz noutro tipo de indústrias, nomeadamente, do vidro e do plástico. Esse mesmo molde foi submetido a uma série de ensaios para determinação dos parâmetros de enchimento e moldação, tendo-se chegado a uma formulação que garante características atrativas na peça final. A aglutinação do granulado de cortiça revelou-se bastante dependente de três parâmetros: a temperatura aplicada, a humidade do granulado e o grau de compactação aplicado. A industrialização do processo revelou-se também plausível de execução, sendo apenas necessários alguns melhoramentos. A utilização deste tipo de processo revela-se, portanto, atrativa para grandes séries de peças, conseguindo-se elevada reprodutibilidade das mesmas com apenas um processo, sem necessidade de procedimentos adicionais de acabamento.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Amorphous silicon e 3D sensors applied to object detection

Nowadays, existing 3D scanning cameras and microscopes in the market use digital or discrete sensors, such as CCDs or CMOS for object detection applications. However, these combined systems are not fast enough for some application scenarios since they require large data processing resources and can be cumbersome. Thereby, there is a clear interest in exploring the possibilities and performances of analogue sensors such as arrays of position sensitive detectors with the final goal of integrating them in 3D scanning cameras or microscopes for object detection purposes. The work performed in this thesis deals with the implementation of prototype systems in order to explore the application of object detection using amorphous silicon position sensors of 32 and 128 lines which were produced in the clean room at CENIMAT-CEMOP. During the first phase of this work, the fabrication and the study of the static and dynamic specifications of the sensors as well as their conditioning in relation to the existing scientific and technological knowledge became a starting point. Subsequently, relevant data acquisition and suitable signal processing electronics were assembled. Various prototypes were developed for the 32 and 128 array PSD sensors. Appropriate optical solutions were integrated to work together with the constructed prototypes, allowing the required experiments to be carried out and allowing the achievement of the results presented in this thesis. All control, data acquisition and 3D rendering platform software was implemented for the existing systems. All these components were combined together to form several integrated systems for the 32 and 128 line PSD 3D sensors. The performance of the 32 PSD array sensor and system was evaluated for machine vision applications such as for example 3D object rendering as well as for microscopy applications such as for example micro object movement detection. Trials were also performed involving the 128 array PSD sensor systems. Sensor channel non-linearities of approximately 4 to 7% were obtained. Overall results obtained show the possibility of using a linear array of 32/128 1D line sensors based on the amorphous silicon technology to render 3D profiles of objects. The system and setup presented allows 3D rendering at high speeds and at high frame rates. The minimum detail or gap that can be detected by the sensor system is approximately 350 μm when using this current setup. It is also possible to render an object in 3D within a scanning angle range of 15º to 85º and identify its real height as a function of the scanning angle and the image displacement distance on the sensor. Simple and not so simple objects, such as a rubber and a plastic fork, can be rendered in 3D properly and accurately also at high resolution, using this sensor and system platform. The nip structure sensor system can detect primary and even derived colors of objects by a proper adjustment of the integration time of the system and by combining white, red, green and blue (RGB) light sources. A mean colorimetric error of 25.7 was obtained. It is also possible to detect the movement of micrometer objects using the 32 PSD sensor system. This kind of setup offers the possibility to detect if a micro object is moving, what are its dimensions and what is its position in two dimensions, even at high speeds. Results show a non-linearity of about 3% and a spatial resolution of < 2µm.

Design and development of a microfluidic platform for use with colorimetric gold nanoprobe assays

Due to the importance and wide applications of the DNA analysis, there is a need to make genetic analysis more available and more affordable. As such, the aim of this PhD thesis is to optimize a colorimetric DNA biosensor based on gold nanoprobes developed in CEMOP by reducing its price and the needed volume of solution without compromising the device sensitivity and reliability, towards the point of care use. Firstly, the price of the biosensor was decreased by replacing the silicon photodetector by a low cost, solution processed TiO2 photodetector. To further reduce the photodetector price, a novel fabrication method was developed: a cost-effective inkjet printing technology that enabled to increase TiO2 surface area. Secondly, the DNA biosensor was optimized by means of microfluidics that offer advantages of miniaturization, much lower sample/reagents consumption, enhanced system performance and functionality by integrating different components. In the developed microfluidic platform, the optical path length was extended by detecting along the channel and the light was transmitted by optical fibres enabling to guide the light very close to the analysed solution. Microfluidic chip of high aspect ratio (~13), smooth and nearly vertical sidewalls was fabricated in PDMS using a SU-8 mould for patterning. The platform coupled to the gold nanoprobe assay enabled detection of Mycobacterium tuberculosis using 3 8l on DNA solution, i.e. 20 times less than in the previous state-of-the-art. Subsequently, the bio-microfluidic platform was optimized in terms of cost, electrical signal processing and sensitivity to colour variation, yielding 160% improvement of colorimetric AuNPs analysis. Planar microlenses were incorporated to converge light into the sample and then to the output fibre core increasing 6 times the signal-to-losses ratio. The optimized platform enabled detection of single nucleotide polymorphism related with obesity risk (FTO) using target DNA concentration below the limit of detection of the conventionally used microplate reader (i.e. 15 ng/μl) with 10 times lower solution volume (3 μl). The combination of the unique optical properties of gold nanoprobes with microfluidic platform resulted in sensitive and accurate sensor for single nucleotide polymorphism detection operating using small volumes of solutions and without the need for substrate functionalization or sophisticated instrumentation. Simultaneously, to enable on chip reagents mixing, a PDMS micromixer was developed and optimized for the highest efficiency, low pressure drop and short mixing length. The optimized device shows 80% of mixing efficiency at Re = 0.1 in 2.5 mm long mixer with the pressure drop of 6 Pa, satisfying requirements for the application in the microfluidic platform for DNA analysis.

Exposição profissional ao chumbo : análise da indução de efeitos genotóxicos

RESUMO - A exposição contínua a substâncias químicas tem consequências para a saúde humana, algumas das quais não estão ainda totalmente estabelecidas. A toxicologia ocupacional é uma área interdisciplinar que envolve conhecimentos de higiene e de medicina ocupacional, de epidemiologia e de toxicologia e que tem por principal objectivo prevenir a ocorrência de efeitos adversos decorrentes do ambiente ocupacional sendo um dos seus principais papéis fornecer o máximo de dados que possam contribuir para o conhecimento dos potenciais efeitos na saúde. O chumbo é um tóxico de características cumulativas que provoca na saúde efeitos principalmente sistémicos, ou seja, o efeito tóxico manifesta-se em locais afastados do contacto inicial que resultam essencialmente de exposições crónicas, resultantes de períodos de exposição mais ou menos longos ao metal (entre meses e anos). Pode interagir com diferentes órgãos e tecidos, ligando-se a moléculas e constituintes celulares. Uma vez que não possui qualquer função fisiológica, a presença do chumbo no organismo humano resulta numa série de efeitos prejudiciais que afectam diversos órgãos e sistemas. A toxicidade do chumbo manifesta-se em diversos órgãos e tecidos, nomeadamente no sistema hematopoiético, no sistema nervoso, no rim, no aparelho reprodutor, no sistema cardiovascular, no sistema endócrino e no sistema imunitário. Da interferência do chumbo com o funcionamento de alguns sistemas biológicos resultam um conjunto de alterações fundamentais ao nível dos processos de transporte através das membranas, da integridade estrutural e funcional das enzimas e de várias vias metabólicas, em especial da fosforilação oxidativa e da síntese do heme sendo os primeiros efeitos bioquímicos do chumbo detectados a partir de valores de plumbémia inferiores a 10 μg/dL. As medidas de higiene e segurança actualmente em vigor nos países desenvolvidos asseguram que os casos de intoxicação grave são cada vez menos frequentes. No entanto, o risco de exposição a nível ocupacional existe em todas as actividades que envolvem materiais que o contenham como as explorações mineiras, as fundições primária e secundária, a produção de baterias de chumbo ácido, a produção de vidro com pigmentos de chumbo, as soldaduras de reparação automóvel e a instrução de tiro. Desde 2006 o chumbo é considerado pela International Agency for Research on Cancer (IARC) uma substância carcinogénica do grupo 2A (provável carcinogénio para o ser humano). Considera-se, assim, que o chumbo tem, inequivocamente, capacidade de induzir cancro em animais experimentais mas que, embora haja fortes indícios de que os mecanismos que medeiam a carcinogénese desses compostos ocorrem no ser humano, os dados disponíveis ainda não podem assegurar essa relação. Com este estudo pretendeu-se contribuir para o conhecimento da toxicidade do chumbo através do estudo da exposição ao chumbo e da influência da susceptibilidade individual (em industrias sem co-exposição significativa a outros agentes conhecidos ou suspeitos de serem carcinogénicos). Pretendeu-se estudar o caso através de uma abordagem múltipla que permitisse relacionar diferentes tipos de marcadores biológicos uma vez que a monitorização biológica integra todas as possíveis vias de entrada no organismo (para além da via respiratória), eventuais exposições fora do contexto estritamente profissional assim como uma série de factores intrínsecos individuais (relacionados com modos de via, de natureza fisiológica e comportamentais). Sendo a co-exposição a outros compostos com propriedades genotóxicas e carcinogénicas uma questão difícil de tornear quando se quer avaliar o potencial genotóxico do chumbo em populações expostas, ocupacional ou ambientalmente este estudo tem a vantagem de ter sido efectuado em populações sem co-exposição conhecida a outras substâncias deste tipo, permitindo concluir sobre os efeitos resultantes apenas da exposição a chumbo na população humana, contribuindo para explicar algumas das aparentes inconsistências e contradições entre diferentes estudos sobre este tema. Os indicadores de exposição usados foram: indicadores de dose interna (doseamento de chumbo e de PPZ no sangue), indicadores de efeitos adversos no heme e genotóxicos (actividade da ALAD, teste do cometa e mutação em TCR) e indicadores de susceptibilidade (polimorfismos genéticos de ALAD e VDR) através de uma abordagem estatística de comparação directa de sub-grupos previamente definidos na população e da aplicação de um modelo de regressão múltipla. Este estudo revelou que os níveis de plumbémia na população portuguesa baixaram significativamente nos últimos 10 anos, tanto na população ocupacionalmente exposta como na população em geral e que a presença do genótipo B-B (do gene VDR) é preditiva das variações de plumbémia, quando comparada com o genótipo mais frequente na população, B-b; ao contrário, o genótipo b-b não aparenta ter influência em nenhum dos marcadores estudados. No que diz respeito a efeitos genotóxicos concluiu-se que estes não se manifestaram na população estudada, levando a concluir que nos níveis de exposição estudados, o chumbo não tem capacidade de induzir este tipo de efeitos per si levando ao reforço da hipótese, já levantada por outros autores, de que o mecanismo de genotoxicidade do chumbo seja essencialmente de promoção de processos de genotoxicidade desencadeados por outros agentes. A realização de estudos de efeitos genotóxicos e de stress oxidativo desenhados de forma a comparar grupos de trabalhadores expostos apenas a chumbo com grupos de trabalhadores com o mesmo nível de exposição a chumbo, mas com co-exposição a outros agentes reconhecidamente carcinogénicos poderá ajudar a aumentar o conhecimento deste efeito do chumbo na saúde humana.

Influence of the molecular weight in mechanical properties and degradation kinetics of chitosan inverted colloidal crystals

Tissue engineering arises from the need to regenerate organs and tissues, requiring the development of scaffolds, which can provide an optimum environment for tissue growth. In this work, chitosan with different molecular weights was used to develop biodegradable 3D inverted colloidal crystals (ICC) structures for bone regeneration, exhibiting uniform pore size and interconnected network. Moreover, in vitro tests were conducted by studying the influence of the molecular weight in the degradation kinetics and mechanical properties. The production of ICC included four major stages: fabrication of microspheres; assembly into a cohesive structure, polymeric solution infiltration and microsphere removal. Chitosan’s degree of deacetylation was determined by infrared spectroscopy and molecular weight was obtained via capillary viscometry. In order to understand the effect of the molecular weight in ICC structures, the mass loss and mechanical properties were analyzed after degradation with lysozyme. Structure morphology observation before and after degradation was performed by scanning electron microscopy. Cellular adhesion and proliferation tests were carried out to evaluate ICC in vitro response. Overall, medium molecular weight ICC revealed the best balance in terms of mechanical properties, degradation rate, morphology and biological behaviour.