Biomimetic superhydrophobic surfaces patterned with wettable spots as implantable chips for in vivo high-content 3D biomaterials response assessment

"Tissue engineering: part A", vol. 21, suppl. 1 (2015)

Micro/nano-structured superhydrophobic surfaces in the biomedical field: part I: basic concepts and biomimetic approaches.

Inspired by natural structures, great attention has been devoted to the study and development of surfaces with extreme wettable properties. The meticulous study of natural systems revealed that the micro/nano-topography of the surface is critical to obtaining unique wettability features, including superhydrophobicity. However, the surface chemistry also has an important role in such surface characteristics. As the interaction of biomaterials with the biological milieu occurs at the surface of the materials, it is expected that synthetic substrates with extreme and controllable wettability ranging from superhydrophilic to superhydrophobic regimes could bring about the possibility of new investigations of cellâ material interactions on nonconventional surfaces and the development of alternative devices with biomedical utility. This first part of the review will describe in detail how proteins and cells interact with micro/nano-structured surfaces exhibiting extreme wettabilities.

Implementação de um sistema de previsão e controlo para operação otimizada de um sistema de recolha e armazenamento de água pluvial

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

The efficient use of water in the context of climate change

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Superhydrophobic surfaces as a tool for the fabrication of hierarchical spherical polymeric carriers

Hierarchical polymeric carriers with high encapsulation efficiencies are fabricated via a biocompatible strategy developed using superhydrophobic (SH) surfaces. The carries are obtained by the incorporation of cell/BSA-loaded dextran-methacrylate (DEXT-MA) microparticles into alginate (ALG) macroscopic beads. Engineered devices like these are expected to boost the development of innovative and customizable systems for biomedical and biotechnological purposes.

Simultaneous detection of cyclopiazonic acid and aflatoxin B1 by HPLC in methanol/water mobile phase

A simple procedure for the simultaneous detection of cyclopiazonic acid (CPA) and aflatoxin B1 from fungal extracts is presented, using a methanol and water mobile phase and fluorescence detection. This methodology has been tested with standard solutions of both mycotoxins CPA and Aflatoxin B1 and with methanolic extracts of Aspergillus section Flavi strains, previously characterized for their mycotoxin production profile. Previously available methodology required the use of two different chromatographic runs for these mycotoxins, with distinct columns and detectors (fluorescence detection with a post-column photochemical derivatization (PHRED) for aflatoxin B1 and UV detection for CPA). The proposed method detects both mycotoxins in a single run. Data from these assays will be presented and discussed.

Random walk forecast of urban water in Iran under uncertainty

There are two significant reasons for the uncertainties of water demand. On one hand, an evolving technological world is plagued with accelerated change in lifestyles and consumption patterns; and on the other hand, intensifying climate change. Therefore, with an uncertain future, what enables policymakers to define the state of water resources, which are affected by withdrawals and demands? Through a case study based on thirteen years of observation data in the Zayandeh Rud River basin in Isfahan province located in Iran, this paper forecasts a wide range of urban water demand possibilities in order to create a portfolio of plans which could be utilized by different water managers. A comparison and contrast of two existing methods are discussed, demonstrating the Random Walk Methodology, which will be referred to as the â On uncertainty pathâ , because it takes the uncertainties into account and can be recommended to managers. This On Uncertainty Path is composed of both dynamic forecasting method and system simulation. The outcomes show the advantage of such methods particularly for places that climate change will aggravate their water scarcity, such as Iran.

Development of a water-in-oil-in-water multiple emulsion system integrating biomimetic aqueous-core lipid nanodroplets for protein entity stabilization. Part I: experimental factorial design

Lipid nanoballoons integrating multiple emulsions of the type water-in-oil-in-water enclose, at least in theory, a biomimetic aqueous-core suitable for housing hydrophilic biomolecules such as proteins, peptides and bacteriophage particles. The research effort entertained in this paper reports a full statistical 23x31 factorial design study (three variables at two levels and one variable at three levels) to optimize biomimetic aqueous-core lipid nanoballoons for housing hydrophilic protein entities. The concentrations of protein, lipophilic and hydrophilic emulsifiers, and homogenization speed were set as the four independent variables, whereas the mean particle hydrodynamic size (HS), zeta potential (ZP) and polydispersity index (PI) were set as the dependent variables. The V23x31 factorial design constructed led to optimization of the higher (+1) and lower (-1) levels, with triplicate testing for the central (0) level, thus producing thirty three experiments and leading to selection of the optimized processing parameters as 0.015% (w/w) protein entity, 0.75% (w/w) lipophilic emulsifier (soybean lecithin) and 0.50% (w/w) hydrophilic emulsifier (poloxamer 188). In the present research effort, statistical optimization and production of protein derivatives encompassing full stabilization of their three-dimensional structure, has been attempted via housing said molecular entities within biomimetic aqueous-core lipid nanoballoons integrating a multiple (W/O/W) emulsion.

The effects of sodium hypochlorite against selected drinking water-isolated bacteria in planktonic and sessile states

Chlorine is the most commonly used agent for general disinfection, particularly for microbial growth control in drinking water distribution systems. The goals of this study were to understand the effects of chlorine, as sodium hypochlorite (NaOCl), on bacterial membrane physicochemical properties (surface charge, surface tension and hydrophobicity) and on motility of two emerging pathogens isolated from drinking water, Acinetobacter calcoaceticus and Stenotrophomonas maltophilia. The effects of NaOCl on the control of single and dual-species monolayer adhered bacteria (2 h incubation) and biofilms (24 h incubation) was also assessed. NaOCl caused significant changes on the surface hydrophobicity and motility of A. calcoaceticus, but not of S. maltophilia. Planktonic and sessile S. maltophilia were significantly more resistant to NaOCl than A. calcoaceticus. Monolayer adhered co-cultures of A. calcoaceticus-S. maltophilia were more resilient than the single species. Oppositely, dual species biofilms were more susceptible to NaOCl than their single species counterparts. In general, biofilm removal and killing demonstrated to be distinct phenomena: total bacterial viability reduction was achieved even if NaOCl at the higher concentrations had a reduced removal efficacy, allowing biofilm reseed. In conclusion, understanding the antimicrobial susceptibility of microorganisms to NaOCl can contribute to the design of effective biofilm control strategies targeting key microorganisms, such as S. maltophilia, and guarantying safe and high-quality drinking water. Moreover, the results reinforce that biofilms should be regarded as chronic contaminants of drinking water distribution systems and accurate methods are needed to quantify their presence as well as strategies complementary/alternative to NaOCl are required to effectively control the microbiological quality of drinking water.

Particle transport in fouling caused by kaolin-water suspensions on copper tubes

Particulate fouling tests were carried out using kaolin-water suspensions flowing through an annular heat exchanger with a copper inner tube. The flow rate was changed from test to test, but the fluid temperature and pH, as well as the particle concentration, were maintained constant. In the lower range of fluid velocities (<0.5 m/s), the deposition process seemed to be controlled by mass transfer. The corresponding experimental transport fluxes were compared to the predictions obtained with several models, showing that diffusion governed particle transport. The absolute values of the mass transfer fluxes and their dependences on the Reynolds number were satisfactorily predicted by some of the models.

Sustentabilidad del monocultivo de soja y otras alternativas agrícolas, en relación a los recursos suelo y agua, en la Región Centro-Norte de Córdoba. Sustainability of soybean monoculture and another agricultural alternatives, in relation to soil and water natural resources, in the north-central area of Cordoba (Argentina).

En este proyecto se pretende demostrar que existen alternativas sustentables al monocultivo de soja y económicamente factibles si se consideran los costos ambientales.Se cumplirán los siguientes objetivos específicos:- Caracterizar la sensibilidad de indicadores de calidad del suelo: infiltración, densidad aparente, penetrometría, C orgánico, fracciones de la MO y un índice químico de disponibilidad de N. - Medir escurrimiento y erosión en dos microcuencas con manejos contrastantes donde existe instrumental instalado y registros desde hace mas de 10 años.- Establecer rangos para las situaciones encontradas en los suelos representativos de la región.- Integrar los parámetros considerados en un sistema de diagnóstico de calidad/salud del suelo, para las condiciones de la región. - Aplicar el sistema de Calidad/salud del suelo para situaciones con monocultivo de soja y otras alternativas.- Calibrar y aplicar el modelo de simulación de la materia orgánica AMG, al monocultivo de soja y otras alternativas, a distintas escalas temporales y espaciales.- Estimar los costos ambientales de monocultivo a partir de los datos obtenidos.- Extrapolar los resultados del monocultivo y las otras alternativas a los suelos característicos, para estimar la sustentabilidad de los suelos en el centro-norte de la provincia de Córdoba.Se trabajará en dos áreas piloto en campos de productores, con y sin erosión hídrica. Se evaluarán parámetros indicadores del estado de los suelos, se los integrará en un sistema, se evaluarán los suelos con situaciones de monocultivo de soja y manejos contrastantes y se los correlacionará con su historial de intervención antrópica. Se brindará una herramienta apta para el ordenamiento territorial.

Utilización de biomarcadores para la evaluación integrada de la calidad del agua de la cuenca del río Suquía.Utilization of biomarkers for the integrated evaluation of water quality of the Suquía River Basin.

En los últimos años el grupo de investigación ha caracterizado la calidad de los cuerpos de agua, detectando gradientes de calidad ambiental que se manifiestan por la aparición de tóxicos que generan cambios en la calidad del agua, sedimento y especialmente en la biota. El presente proyecto propone una evaluación integrada de la contaminación de los recursos hídricos abarcando el estudio de las causas de la contaminación y las respuestas biológicas que se producen ante dichas alteraciones. Por ello nuestro objetivo principal es evaluar la contaminación de los recursos acuáticos a través del desarrollo y aplicación de diversas herramientas. El enfoque multidisciplinario del mismo permitirá integrar los análisis de las diferentes áreas de estudio, con el fin de brindarán soluciones al problema generalizado de la contaminación acuática. El fin último es alcanzar una mejor valoración de los cambios temporales y espaciales en la calidad de las cuencas hídricas. Se propone analizar la presencia y concentración de tóxicos en agua, suelo, sedimento y biota conjuntamente con la evaluación de los efectos sobre los organismos a diferentes niveles de organización, lo que permitirá determinar y seleccionar los indicadores más eficientes de la contaminación ambiental. Se desarrollarán biomarcadores moleculares basados en expresión genética en la biota acuática y biomarcadores morfológicos, histológicos y bioquímicos. Además se evaluará el efecto del estrés tóxico sobre los hábitos natatorios de peces utilizando un software recientemente desarrollado por el grupo. También se intensificará la búsqueda de biomarcadores específicos de disrupción endocrina en peces tales como aromatasa, vitelogenina, parámetros estáticos y dinámicos de espermatozoides y comportamiento de cortejo y cópula. Así, el plan propuesto brindará un conjunto de herramientas, con diverso grado de complejidad, para ser usadas en la correcta evaluación del impacto ambiental de las actividades humanas. El grupo de trabajo pretende realizar una fuerte contribución a los conocimientos de base para crear conciencia sobre el problema de las diferentes cuencas en estudio, a fin de llevar a cabo un control sostenido de la calidad de los recursos acuáticos.

Manejo ganadero y restauración de ambientes montanos en relación a la biodiversidad, el suelo y la producción de agua. Livestock management and ecological restoration of mountain environments in relation to biodiversity, soil and water production.

Las áreas montanas brindan numerosos bienes y servicios a la humanidad cómo la provisión de agua. Asimismo, albergan una biota muy diversa y existe en ellas una actividad económica de considerable importancia centrada en la ganadería. En algunos casos las actividades asociadas a la ganadería pueden modificar los ecosistemas montanos y los bienes y servicios que brindan de forma drástica. Esto se debe a los cambios en la vegetación, y la pérdida y compactación de los suelos, que tiene repercusiones en la cantidad de agua captada, evapotranspirada y almacenada. También tiene repercusiones sobre la biodiversidad, tanto positivas como negativas. Aquí nos propusimos investigar cómo los cambios en la cobertura vegetal producidos por cuatro siglos de uso ganadero en el piso superior de las Sierras de Córdoba (Centro Argentino) han afectado a atributos del ecosistema como la diversidad vegetal, la integridad de los suelos y la capacidad de proveer agua a la población humana. A su vez, nos propusimos estudiar en detalle cómo las distintas opciones actuales de manejo pueden afectar a la cobertura vegetal y por ende a los atributos del ecosistema. De este modo, esperamos: (1) poder desarrollar un modelo espacialmente explícito que permita predecir la evolución del ecosistema ante distintos escenarios de manejo. (2) Más a largo plazo determinar los costos y los beneficios de los distintos manejos, en términos de la conservación de la biodiversidad, los suelos y la provisión de agua. El área de estudio cuenta un Sistema de Información Geográfica muy completo que incluye numerosas capas de información (vegetación, topografía, casas y caminos y otras). Además, existe en el área un Parque Nacional, con potreros bajo distintos manejos ganaderos (exclusión, cargas ganaderas moderadas continuas y estacionales), y una zona con herbivoría nativa de guanacos, que fueron reintroducidos recientemente en el Parque. Fuera del Parque, hay establecimientos con ganadería tradicional, con cargas ganaderas altas; así como un área donde se ha realizado una restauración modelo mediante reforestación y revegetación de zonas erosionadas. Estos escenarios representan una oportunidad muy especial para realizar estudios comparativos de la evolución de la fisonomía, composición florística, diversidad vegetal, integridad del suelo (erosión, tasa de infiltración, contenido de agua a lo largo del año) y el caudal de los arroyos en la estación seca. En este proyecto proponemos seguir con mediciones de la evolución de la vegetación bajo los distintos escenarios y seguir averiguando métodos de restauración de la vegetación. Además, proponemos empezar a realizar mediciones relacionadas al valor de los distintos tipos de cobertura vegetal, resultado de cuatro siglos de historia de disturbio, sobre la diversidad y los recursos hídricos. Por otro lado, realizaremos mediciones ecofisiológicas en las especies dominantes, para comprender sus efectos sobre el ciclo del agua.

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.

Caracterización de la calidad del agua y de la ictiofauna de tres embalses de la cuenca del Rio Tercero (Córdoba, Argentina). Characterization of water quality and ichthyofauna in three reservoirs in Río Tercero basin (Córdoba, Argentina).

Los embalses constituyen reservorios de agua artificiales que se forman para brindar múltiples propósitos. La generación de energía, la provisión de agua para consumo y riego, la atenuación de crecientes y los usos recreacionales, figuran como los más destacados. La calidad del agua y el grado de eutrofización, condicionan la realización de diferentes usos con consecuencias directas e indirectas para la Salud Pública y el recurso íctico. La eutrofización es precisamente uno de los problemas más recurrentes en los embalses de la provincia de Córdoba. Las hipótesis son: 1-El incremento en la concentración de nutrientes, principalmente fósforo y nitrógeno, favorecen la producción de florecimientos algales, con consecuencias negativas sobre la sociedad y el ambiente; 2 - El estrés ambiental producto del grado de eutrofización de los embalses aumenta la susceptibilidad de Odontesthes bonariensis, situación que contribuye al desarrollo de parásitos y a la disminución de su condición corporal. Los objetivos generales del proyecto son: a) Evaluar la variabilidad temporal y espacial de la calidad del agua de tres embalses de la cuenca del río Tercero; b) Estudiar diferentes características biológicas de la ictiofauna presente. Los reservorios a estudiar son Arroyo Corto (64,57W, 32,22S; 357 ha), Río Tercero (64,38W, 32,17S; 4600 ha) y Piedras Moras (64,28W, 32,18S; 830 ha). La superficie, cantidad de tributarios y características limnológicas que presentan estos embalses son contrastantes. Se determinará de manera estacional y en diferentes sitios de muestreo de cada embalse la calidad del agua para distintos usos, a través de análisis físico-químicos y biológicos según metodología estándar, realizando mediciones in situ y en laboratorio. Se evaluará el grado de eutrofia de los reservorios a través de la concentración de nutrientes, clorofila-a y transparencia de agua. Para evaluar la distribución espacial de clorofila-a se integraran SIG-sensores remotos y se determinarán modelos geoestadísticos para predecir florecimientos algales su composición y su relación con riesgos potenciales para la salud y el recurso íctico. Se determinará la diversidad y riqueza de la ictiofauna y la abundancia poblacional (captura por unidad de esfuerzo), la condición corporal, el crecimiento y el estado sanitario del pejerrey O. bonariensis. Para ello se utilizaran artes de pesca pasivos (red de enmalle, trasmallo), activos (red de arrastre) y aparejos de pesca (espineles). Por último, se determinará la abundancia y distribución de Limnoperma fortunei en el embalse Río Tercero. Los resultados obtenidos permitirán evaluar la calidad del agua, el estado trófico y prevenir los riesgos para la salud pública y animal en una de las cuencas de alto impacto antrópico del país. Por su parte, se obtendrán datos sobre distribución, ecología y condición de la ictiofauna, permitiendo el uso sustentable del recurso pesquero. Se obtendrán herramientas que facilitarán la gestión sistémica y la toma de decisiones en el manejo del recurso agua, su saneamiento y la determinación de áreas críticas de riesgo.