Light responsive multilayer surfaces with controlled spatial extinction capability

Multilayer systems obtained using the Layer-by-Layer (LbL) technology have been proposed for a variety of biomedical applications in tissue engineering and regenerative medicine. LbL assembly is a simple and highly versatile method to modify surfaces and fabricate robust and highly-ordered nanostructured coatings over almost any type of substrates and with a wide range of substances. The incorporation of polyoxometalate (POM) inorganic salts as constituents of the layers presents a possibility of promoting light-stimuli responses in LbL substrates. We propose the design of a biocompatible photo-responsive multilayer system based on a Preyssler-type POM ([NaP5W30O110]14â ) and a natural origin polymer, chitosan, using the LbL methodology. The photo-reduction properties of the POM allow the spatially controlled disruption of the assembled layers due to the weakening of the electrostatic interactions between the layers. This system has found applicability in detaching devices, such as the cell sheet technology, which may solve the drawbacks actually found in other cell treatment proposals.

Highly functional and biodegradable nanofibrous scaffolds combined with stem cells for bone and cartilage tissue engineering

Among the various possible embodiements of Advanced Therapies and in particular of Tissue Engineering the use of temporary scaffolds to regenerate tissue defects is one of the key issues. The scaffolds should be specifically designed to create environments that promote tissue development and not merely to support the maintenance of communities of cells. To achieve that goal, highly functional scaffolds may combine specific morphologies and surface chemistry with the local release of bioactive agents. Many biomaterials have been proposed to produce scaffolds aiming the regeneration of a wealth of human tissues. We have a particular interest in developing systems based in nanofibrous biodegradable polymers1,2. Those demanding applications require a combination of mechanical properties, processability, cell-friendly surfaces and tunable biodegradability that need to be tailored for the specific application envisioned. Those biomaterials are usually processed by different routes into devices with wide range of morphologies such as biodegradable fibers and meshes, films or particles and adaptable to different biomedical applications. In our approach, we combine the temporary scaffolds populated with therapeutically relevant communities of cells to generate a hybrid implant. For that we have explored different sources of adult and also embryonic stem cells. We are exploring the use of adult MSCs3, namely obtained from the bone marrow for the development autologous-based therapies. We also develop strategies based in extra-embryonic tissues, such as amniotic fluid (AF) and the perivascular region of the umbilical cord4 (Whartonâ s Jelly, WJ). Those tissues offer many advantages over both embryonic and other adult stem cell sourcess. These tissues are frequently discarded at parturition and its extracorporeal nature facilitates tissue donation by the patients. The comparatively large volume of tissue and ease of physical manipulation facilitates the isolation of larger numbers of stem cells. The fetal stem cells appear to have more pronounced immunomodulatory properties than adult MSCs. This allogeneic escape mechanism may be of therapeutic value, because the transplantation of readily available allogeneic human MSCs would be preferable as opposed to the required expansion stage (involving both time and logistic effort) of autologous cells. Topics to be covered: This talk will review our latest developments of nanostructured-based biomaterials and scaffolds in combination with stem cells for bone and cartilage tissue engineering.

Degradação fotocatalítica de petróleo e seus derivados através da utilização de nanopartículas de dióxido de titânio puro e misturado com óxido de grafeno reduzido

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Novas funcionalidades para dispositivos médicos invasivos com imagem

Tese de Doutoramento em Engenharia Eletrónica e de Computadores.

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Deposição não eletrolítica de filmes plasmónicos de ouro para biossensores

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Diseño y desarrollo de superficies modificadas. Aplicaciones ambientales, biomédicas y farmacéuticas. Design and development of modified surfaces. Environmental, biomedical and pharmaceutical applications.

El objetivo general de este proyecto de investigación es diseñar, desarrollar y optimizar superficies con propiedades especificas para ser utilizadas como sensores y biosensores, materiales biocompatibles, columnas para separaciones por electroforesis capilar, matrices para la liberación controlada de fármacos y sorbentes para remediación ambiental. Para concretar este objetivo, se propone específicamente modificar superficies o particulas apuntando a optimizar un sistema concreto relevante en aplicaciones farmaceuticas, ambientales o biomedicas: 1. Modificacion de arcillas naturales o sinteticas para desarrollar matrices portadoras de farmacos o sorbentes para remediacion ambiental:1.1 Estudiar ilitas modificadas con Fe(III) para maximizar las propiedades adsortivas frente a aniones contaminantes como arsenico. 1.2 Sintetizar LDH de Al y Mg modificados con compuestos de interés farmacéutico para diseñar sistemas de liberación controlada.2. Modificación de canales de chips y electrodos para optimizar la separación, detección y cuantificación de compuestos farmacéutico: 2.1 Diseñar y construir microchips para la separación por EC de compuestos de base fenólica.2.2 Evaluar polímeros que mejoren la respuesta y/o estabilidad de electrodos de Carbono para ser usados como detectores amperométrico de compuestos de base fenólica en sistemas FIA y miniaturizados de análisis integrados.3. Modificación de superficies sólidas con biomoléculas para el desarrollo y optimización de superficies de bio-reconocimiento:3.1 Evaluar el comportamiento de superficies de titanio modificadas con TiO2 y depósitos inorgánicos frente a la interacción con proteínas plasmáticas (PP) para el análisis de la biocompatibilidad superficial.3.2 Diseñar y desarrollar superficies biofuncionales para el reconocimiento especifico de D-aminoácidos, anticuerpos en pacientes chagásicos y simple hebra de ADN. Las técnicas que se emplearán para llevar a cabo el proyecto dependen del tipo de sistema de estudio. En particular los estudios correspondientes al objetivo 1 se realizarán mediante análisis químicos, térmico, DXR, SEM, IR, BET así como mediante titulaciones ácido-base potenciométricas, movilidades electroforéticas, cinética e isotermas de adsorción.En general para desarrollar el objetivo 2 se utilizarán técnicas electroquímicas clásicas para la caracterización de los electrodos, los que luego se utilizarán como detectores en un sistema FIA amperométrico, mientras que los microchips se emplearán en electroforesis capilar para la separación de diferentes compuestos de interés farmacéutico.Finalmente, el objetivo 3 se llevará a cabo por un lado modificando electrodos de titanio con distintos depósitos (electroquímicas, sol-gel, térmicas) de TiO2 e hidroxiapatita y evaluando la interacción con proteínas plasmáticas para analizar la biocompatibilidad de los materiales preparados. Por otro lado, se estudiará el proceso de adsorción-desorción de D-aminoácido oxidasa, antígenos del T. Cruzi y ADN de simple hebra para optmizar la capacidad de bio-reconocimiento superficial de D-aminoácidos, anticuerpos de chagásicos y de cadena complementaria de ADN. Para concretar este objetivo se utilizarán técnicas electroquímicas, espectroscópicas y microscopias.Debido al carácter multidisciplinario del presente proyecto de investigación, su ejecución se llevara a cabo a través de la colaboración de investigadores pertenecientes a distintas áreas de la Química y permitirá continuar con la formación de recursos humanos mediante la realización de tesis doctorales y estadías postdoctorales.

Degradación de efluentes de las industrias del cuero y textil mediante procesos fotocatalíticos heterogéneos empleando la luz solar. Degradation of effluents from the leather and textile industries through heterogeneous photocatalytic processes using sunlight.

El creciente desarrollo de la industria del cuero y textil en nuestro país, y específicamente en la provincia de Córdoba, ha hecho resurgir en los ultimos años una problemática aún no resuelta que es la elevada contaminación de los recursos hídricos. En ambas industrias, la operación de teñido involucra principalmente colorantes de tipo azoico los cuales son "no biodegradables" y se fragmentan liberando aminas aromáticas cancerígenas. Para abordar esta problemática, la fotocatálisis heterogénea aparece como una nueva tecnología que permitiría la completa mineralización de estos colorantes. A través de radiación y un fotocatalizador sólido adecuado se pueden generan radicales libres eficientes para la oxidación de materia orgánica (colorantes) en medio acuoso. En este sentido, se proponen tamices moleculares mesoporosos modificados con metales de transición (MT) como fotocatalizadores potencialmente aptos para la degradación de estos contaminantes. El propósito principal de este proyecto es el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de materiales mesoporosos que presenten actividad fotocatalítica ya sea mediante la modificación de su estructura con diversos metales fotosensibles y/o empleándolos como soporte de óxido de titanio. Se pretende evaluar estos materiales en la degradación de colorantes intentando desplazar su fotosensibilidad hacia la radiación visible para desarrollar nuevas tecnologías con menor impacto ambiental y mayor aprovechamiento de la energía solar. Para ello se sintetizarán materiales del tipo MCM-41 modificados con distintos MT tales como Fe, Cr, Co, Ni y Zn mediante incorporación directa del ión metálico o impregnación. Al mismo tiempo, tanto estos últimos materiales como el MCM-41 silíceo serán empleados como soporte de TiO2. Sus propiedades fisicoquímicas se caracterizarán mediante distintas técnicas instrumentales y su actividad fotocatalítica se evaluará en la degradación de colorantes azoicos bajo radiación visible. Se seleccionará el catalizador más eficiente y se estudiarán los diversos factores que afectan el proceso de fotodegradación. Así mismo, el análisis de la concentración del colorante y los productos presentes en el medio en función del tiempo de reacción permitirá inferir sobre la cinética de la decoloración y postular posibles mecanismos de fotodegradación. Con esta propuesta se espera contribuír al desarrollo de un sector industrial importante en nuestra provincia como es el de las industrias del cuero y textil, mediante la generación de nuevas tecnologías que empleen la energía solar para la degradación de sus efluentes (colorantes). En este sentido, se espera desarrollar nuevos materiales optimizados para lograr la mayor eficiencia fotocatalítica. Esto conduciría entonces hacia la remediación de un problema ambiental de alto impacto tanto para nuestra provincia y nuestro país como para la población mundial, como es la contaminación de los recursos hídricos. Finalmente, con este proyecto se contribuirá a la formación de dos doctorandos y un maestrando, cuyos temas de tesis están vinculados con nuestro objeto de estudio. The increasing development of the textile and leather industries in our country, and specifically in Córdoba, has revived an unresolved problem that is the high contamination of water resources. In both industries, the dyeing involves mainly type azoic dyes which are not biodegradable and break releasing carcinogenic aromatic amines. Heterogeneous photocatalysis appears as a new technology that would allow the complete mineralization of these pollutants. Through radiation and a suitable solid it is possible to generate free radicals for efficient oxidation of organic matter (dyes) in aqueous medium. In this respect, mesoporous molecular sieves modified with transition metals are proposed as potential photocatalysts. The main purpose of this project is the synthesis of mesoporous materials having photocatalytic activity for the degradation of dyes. We will try to move their photosensitivity to visible radiation to develop new technologies with lower environmental impact and greater use of solar energy. Materials MCM-41 modified with metals (Fe, Cr, Co, Ni and Zn) will be synthesized by direct incorporation or impregnation. These materials and the siliceous MCM-41 will be then employed as support of TiO2. The materials will be evaluated in the photocatalytic degradation of azoic dyes under visible radiation. The influence of different factors on the photodegradation proccess will be studied. Kinetic studies will be carried out and a possible reaction way will be proposed. Thus, this work will contribute to the advancement of an important industrial sector and the remediation of an environmental problem with high impact for our province and our country. Moreover, this proyect will contribute to the development of two doctoral tesis and one magister tesis which are vinculated with our study subject.

Muntatge i caracterització d'una placa DSSC: Buscant potència

Treball de recerca realitzat per alumnes d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Els objectius inicials foren la construcció d una 'Cèl•lula Solar Sensibilitzada mitjançant un Colorant’ (DSSC) amb el tint d una col llombarda i posterior caracterització segons el dossier 'Nanocrystalline Solar Cell Kit: Recreating Photosynthesis’. Les DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) són un tipus de cèl•lules que imiten els principis que la fotosíntesis ha fet servir exitosament durant més de 3,5 bilions d anys. S’han construït algunes DSSC i se n’ha provat la seva eficiència. El seu funcionament es basa en l’energia d’un fotó que excita un electró i el fa saltar de nivell energètic fins que es desprèn de l’àtom de colorant, deixant un forat en la molècula. Aquest electró lliure passa a través de la capa de TiO2 fins arribar a la càrrega on es genera el corrent elèctric. Tot seguit, l’electró arriba al contra-elèctrode i és aquí on entra en contacte amb l’electròlit, el mediador iode/triiode. Aquest regenera l’electró, que anteriorment ha saltat del colorant, oxidant-se ell mateix.

Elaboració de membranes de fibra buida modificades amb nanopartícules metàl·liques per aplicacions catalítiques

Investigación producida a partir de una estancia en la Université Paul Sabatier, Toulouse III - CNRS, entre 2007 y 2009. Durante los últimos años la investigación centrada en nuevos materiales de tamaño nanoscòpico (nanopartículas, quantum dots, nanotubos de carbono,...) ha experimentado un crecimiento considerable debido a las especiales propiedades de los "nanoobjetos" con respecto a magnetismo, catálisis, conductividad eléctrica, etc ... Sin embargo, hoy en día todavía existen pocas aplicaciones de las nanopartículas en temas medioambientales. Uno de los motivos de esta situación es la posible toxicidad de los nanoobjetos, pero existe también una dificultad tecnológica dado que las nanopartículas tienden a agregarse y es muy difícil manipularlas sin que pierdan sus propiedades especiales. Así, aunque la preparación de materiales catalíticos nanoestructurados es muy interesante, es necesario definir nuevas estrategias para prepararlos. Este proyecto de investigación tiene como objetivo principal la preparación de nuevas membranas catalíticas con nanopartículas metálicas en el interior para aplicaciones de tratamiento de agua. La innovación principal de este proyecto consiste en que las nanopartículas no son introducidas en la matriz polimérica una vez preformadas sino que se hacen crecer en el interior de la matriz polimérica mediante una síntesis intermatricial. El único requisito es que la matriz polimérica contenga grupos funcionales capaces de interaccionar con los precursores de las nanopartículas. Una vez finalizado el proyecto se puede afirmar que se han logrado parte de los objetivos planteados inicialmente. Concreamente ha quedado demostrado que se pueden sintetizar nanopartículas metálicas de metales nobles (platino y paladio) en membranas de fibra hueca de micro- y ultrafiltración siguiendo dos metodologías diferentes: modificación fotoquímica de polímeros y deposición de multicapas de polielectrolitos. Los nuevos materiales son efectivos en la catálisis de reducción de un compuesto modelo (4-nitrofenol con borohidruro de sodio) y, en general, los resultados han sido satisfactorios. Sin embargo, se ha puesto de manifiesto que el uso de un reactivo que genera hidrógeno gas en contacto con la solución acuosa dificulta enormemente la implementación de la reacción catalítica al ser el medio de la membrana una matriz porosa. Así, como conclusión principal se puede decir que se han encontrado las limitaciones de esta aproximación y se sugieren dos posibilidades de continuidad: la utilización de las membranas sintetizadas en contactores gas-líquido o bien el estudio y optimización del sistema de membrana en configuración de membranas planas, un objetivo más asequible dada su menor complejidad. Esta investigación se ha realizado en el seno del “Laboratoire de Génie Chimique” de Toulouse y del Departamento de Química de la Michigan State University y ha sido posible gracias a un proyecto financiado por la “Agence National pour la Recherce” y al programa PERMEANT entre el CNRS y la NSF.

'Bio-nano interactions: new tools, insights and impacts': summary of the Royal Society discussion meeting

Bio-nano interactions can be defined as the study of interactions between nanoscale entities and biological systems such as, but not limited to, peptides, proteins, lipids, DNA and other biomolecules, cells and cellular receptors and organisms including humans. Studying bio-nano interactions is particularly useful for understanding engineered materials that have at least one dimension in the nanoscale. Such materials may consist of discrete particles or nanostructured surfaces. Much of biology functions at the nanoscale; therefore, our ability to manipulate materials such that they are taken up at the nanoscale, and engage biological machinery in a designed and purposeful manner, opens new vistas for more efficient diagnostics, therapeutics (treatments) and tissue regeneration, so-called nanomedicine. Additionally, this ability of nanomaterials to interact with and be taken up by cells allows nanomaterials to be used as probes and tools to advance our understanding of cellular functioning. Yet, as a new technology, assessment of the safety of nanomaterials, and the applicability of existing regulatory frameworks for nanomaterials must be investigated in parallel with development of novel applications. The Royal Society meeting 'Bio-nano interactions: new tools, insights and impacts' provided an important platform for open dialogue on the current state of knowledge on these issues, bringing together scientists, industry, regulatory and legal experts to concretize existing discourse in science law and policy. This paper summarizes these discussions and the insights that emerged.

In-vitro cell exposure studies for the assessment of nanoparticle toxicity in the lung: a dialog between aerosol science and biology

The introduction of engineered nanostructured materials into a rapidly increasing number of industrial and consumer products will result in enhanced exposure to engineered nanoparticles. Workplace exposure has been identified as the most likely source of uncontrolled inhalation of engineered aerosolized nanoparticles, but release of engineered nanoparticles may occur at any stage of the lifecycle of (consumer) products. The dynamic development of nanomaterials with possibly unknown toxicological effects poses a challenge for the assessment of nanoparticle induced toxicity and safety.In this consensus document from a workshop on in-vitro cell systems for nanoparticle toxicity testing11Workshop on 'In-Vitro Exposure Studies for Toxicity Testing of Engineered Nanoparticles' sponsored by the Association for Aerosol Research (GAeF), 5-6 September 2009, Karlsruhe, Germany. an overview is given of the main issues concerning exposure to airborne nanoparticles, lung physiology, biological mechanisms of (adverse) action, in-vitro cell exposure systems, realistic tissue doses, risk assessment and social aspects of nanotechnology. The workshop participants recognized the large potential of in-vitro cell exposure systems for reliable, high-throughput screening of nanoparticle toxicity. For the investigation of lung toxicity, a strong preference was expressed for air-liquid interface (ALI) cell exposure systems (rather than submerged cell exposure systems) as they more closely resemble in-vivo conditions in the lungs and they allow for unaltered and dosimetrically accurate delivery of aerosolized nanoparticles to the cells. An important aspect, which is frequently overlooked, is the comparison of typically used in-vitro dose levels with realistic in-vivo nanoparticle doses in the lung. If we consider average ambient urban exposure and occupational exposure at 5mg/m3 (maximum level allowed by Occupational Safety and Health Administration (OSHA)) as the boundaries of human exposure, the corresponding upper-limit range of nanoparticle flux delivered to the lung tissue is 3×10-5-5×10-3μg/h/cm2 of lung tissue and 2-300particles/h/(epithelial) cell. This range can be easily matched and even exceeded by almost all currently available cell exposure systems.The consensus statement includes a set of recommendations for conducting in-vitro cell exposure studies with pulmonary cell systems and identifies urgent needs for future development. As these issues are crucial for the introduction of safe nanomaterials into the marketplace and the living environment, they deserve more attention and more interaction between biologists and aerosol scientists. The members of the workshop believe that further advances in in-vitro cell exposure studies would be greatly facilitated by a more active role of the aerosol scientists. The technical know-how for developing and running ALI in-vitro exposure systems is available in the aerosol community and at the same time biologists/toxicologists are required for proper assessment of the biological impact of nanoparticles.

A Log-linear model of grain size influence on the geochemistry of sediments

Sediment composition is mainly controlled by the nature of the source rock(s), and chemical (weathering) and physical processes (mechanical crushing, abrasion, hydrodynamic sorting) during alteration and transport. Although the factors controlling these processes are conceptually well understood, detailed quantification of compositional changes induced by a single process are rare, as are examples where the effects of several processes can be distinguished. The present study was designed to characterize the role of mechanical crushing and sorting in the absence of chemical weathering. Twenty sediment samples were taken from Alpine glaciers that erode almost pure granitoid lithologies. For each sample, 11 grain-size fractions from granules to clay (ø grades &-1 to &9) were separated, and each fraction was analysed for its chemical composition.The presence of clear steps in the box-plots of all parts (in adequate ilr and clr scales) against ø is assumed to be explained by typical crystal size ranges for the relevant mineral phases. These scatter plots and the biplot suggest a splitting of the full grain size range into three groups: coarser than ø=4 (comparatively rich in SiO2, Na2O, K2O, Al2O3, and dominated by “felsic” minerals like quartz and feldspar), finer than ø=8 (comparatively rich in TiO2, MnO, MgO, Fe2O3, mostly related to “mafic” sheet silicates like biotite and chlorite), and intermediate grains sizes (4≤ø &8; comparatively rich in P2O5 and CaO, related to apatite, some feldspar).To further test the absence of chemical weathering, the observed compositions were regressed against three explanatory variables: a trend on grain size in ø scale, a step function for ø≥4, and another for ø≥8. The original hypothesis was that the trend could be identified with weathering effects, whereas each step function would highlight those minerals with biggest characteristic size at its lower end. Results suggest that this assumption is reasonable for the step function, but that besides weathering some other factors (different mechanical behavior of minerals) have also an important contribution to the trend.Key words: sediment, geochemistry, grain size, regression, step function

Use of stains to detect fingermarks

Detection of fi ngermarks at a crime scene or on related items is of prime interest for forensicinvestigators, mainly for identifi cation purposes. Most of the fi ngermarks are invisible to thenaked eye, however. The application of detection techniques is required to establish visual contrastbetween the secretion residue and the underlying substrate. We give here a review of thefi eld related to the concept of using stains to detect fi ngermarks. A distinction has been madebetween the physically driven classical detection techniques, the chemically driven ones, andthose based on nanostructured materials, an emerging fi eld in forensic science.

Nanostructuració d'òxids mitjançant mètodes de solució química avançats i nanolitografia tova

Un dels reptes tecnològics més importants del segle XXI és el desenvolupament i organització de materials funcionals a escala nanomètrica ja que permet modificar-ne les propietats fonamentals i generar-ne de noves. En el cas dels òxids complexos aquesta tecnologia ha generat grans perspectives en diferents àrees d’estudi perquè presenten propietats molt interessants com la magnetoresistència colossal, superconductivitat o multiferroicitat. En particular, en l’òxid complex superconductor YBa2Cu3O7 (YBCO) s’ha demostrat que la formació de capes superconductores sobre plantilles nanoestructurades o bé la formació de nanocompostos en una matriu superconductora permet millorar de manera espectacular les seves propietats (corrent crític). Aquests resultats introduiran canvis paradigmàtics en la tecnologia de l’energia elèctrica (cables, motors, generadors) i en totes aquelles aplicacions que requereixin camps magnètics intensos. Ara bé, cal aconseguir-ho mitjançant tècniques de baix cost i que permetin un fàcil escalat. Durant els 4 mesos que s’ha disfrutat de l’ajut BP s’han preparat amb èxit noves capes primes superconductores nanoestructurades mitjançant la introducció d’una fase secundària nanomètrica complexa, Ba2YTaO6 (BYTO), dins la matriu d’YBCO pel mètode de baix cost de deposició de solucions químiques. Aquesta nova composició ha donat lloc a un augment significatiu de les propietats superconductores comparat amb la fase tradicional d’YBCO i per tant tenen gran potencial per fabricar futures cintes superconductores.