Novel P(3HB) Composite Films Containing Bioactive Glass Nanoparticles for Wound Healing Applications

Bioactive glass (BG) is considered an ideal material for haemostasis as it releases Ca2+ ions upon hydration, which is required to support thrombosis. In this study the effect of the presence of the BG nanoparticles in P(3HB) microsphere films on the structural properties, thermal properties and biocompatibility of the films were studied. The nanoscaled bioactive glass with a high surface area was also tested for its in vitro haemostatic efficacy and was found to be able to successfully reduce the clot detection time. In an effort to study the effect of the roughness induced by the formation of HA on the cellular functions such as cell adhesion, cell mobility and cell differentiation, the composite films were immersed in SBF for a period of 1, 3 and 7 days. From the SEM images the surface of the P(3HB)/n-BG composite microsphere films appeared fairly uniform and smooth on day 1, however on day 3 and day 7 a rough and uneven surface was observed. The presence of HA on the composite microsphere films on day 3 and day 7 influenced the surface roughness of the films. However, when the P(3HB)/n-BG composite microspheres with enhanced surface roughness were tested for biocompatibility, reduced amount of protein adsorption and cell adhesion were observed. This study thus revealed that there is an optimal surface roughness for the P(3HB) microsphere films for increased cell adhesion, beyond which it could be deleterious for cell adhesion and differentiation.

Nanotechnology in the food industry I: applications

Nanotechnology is a multidisciplinary science that is having a boom today, providing new products with attractive physicochemical properties for many applications. In agri/feed/food sector, nanotechnology offers great opportunities for obtaining products and innovative applications for agriculture and livestock, water treatment and the production, processing, storage and packaging of food. To this end, a wide variety of nanomaterials, ranging from metals and inorganic metal oxides to organic nanomaterials carrying bioactive ingredients are applied. This review shows an overview of current and future applications of nanotechnology in the food industry. Food additives and materials in contact with food are now the main applications, while it is expected that in the future are in the field of nano-encapsulated and nanocomposites in applications as novel foods, additives, biocides, pesticides and materials food contact.

Numerical Analysis on a Dual-Loop Waste Heat Recovery System Coupled with an ORC for Vehicle Applications

The internal combustion (IC) engines exploits only about 30% of the chemical energy ejected through combustion, whereas the remaining part is rejected by means of cooling system and exhausted gas. Nowadays, a major global concern is finding sustainable solutions for better fuel economy which in turn results in a decrease of carbon dioxide (CO2) emissions. The Waste Heat Recovery (WHR) is one of the most promising techniques to increase the overall efficiency of a vehicle system, allowing the recovery of the heat rejected by the exhaust and cooling systems. In this context, Organic Rankine Cycles (ORCs) are widely recognized as a potential technology to exploit the heat rejected by engines to produce electricity. The aim of the present paper is to investigate a WHR system, designed to collect both coolant and exhausted gas heats, coupled with an ORC cycle for vehicle applications. In particular, a coolant heat exchanger (CLT) allows the heat exchange between the water coolant and the ORC working fluid, whereas the exhausted gas heat is recovered by using a secondary circuit with diathermic oil. By using an in-house numerical model, a wide range of working conditions and ORC design parameters are investigated. In particular, the analyses are focused on the regenerator location inside the ORC circuits. Five organic fluids, working in both subcritical and supercritical conditions, have been selected in order to detect the most suitable configuration in terms of energy and exergy efficiencies.

Fabrication and evaluation of NiO/Y2O3-stabilized-ZrO2 hollow fibers for anode-supported micro-tubular solid oxide fuel cells

In this work NiO/3mol% Y₂O₃-ZrO₂ (3YSZ) and NiO/8mol% Y₂O₃-ZrO₂ (8YSZ) hollow fibers were prepared by phase-inversion. The effect of different kinds of YSZ (3YSZ and 8YSZ) on the porosity, electrical conductivity, shrinkage and flexural strength of the hollow fibers were systematically evaluated. When compared with Ni-8YSZ the porosity and shrinkage of Ni-3YSZ hollow fibers increases while the electrical conductivity decreases, while at the same time also exhibiting enhanced flexural strength. Single cells with Ni-3YSZ and Ni-8YSZ hollow fibers as the supported anode were successfully fabricated showing maximum power densities of 0.53 and 0.67Wcm^-2 at 800°C, respectively. Furthermore, in order to improve the cell performance, a Ni-8YSZ anode functional layer was added between the electrolyte and Ni-YSZ hollow fiber. Here enhanced peak power densities of 0.79 and 0.73Wcm^-2 were achieved at 800°C for single cells with Ni-3YSZ and Ni-8YSZ hollow fibers, respectively.

Fabrication and characterization of SSZ tape cast electrolyte-supported solid oxide fuel cells

A 10 mol%Sc₂O₃, 1 mol%CeO₂ stabilized-ZrO₂ (SSZ) powder was successfully prepared using the sol-gel method. Subsequent SSZ electrolyte pellets were prepared by tape casting technique and sintered at 1400 °C, 1450 °C, 1500 °C, 1550 °C and 1600 °C. These were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). SSZ showed a pure cubic phase after sintering, the grain size of SSZ increased with the increase of sintering temperature. The SSZ sintered at 1550 °C showed the highest ion conductivity. The maximum power densities of Ni-SSZ/SSZ/La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ (LSM)-SSZ single cells sintered at 1550 °C were 0.18, 0.36, 0.51 and 0.72 W cm^-2 at 650, 700, 750 and 800 °C, respectively. The polarization resistance (R_p) of the single cell attained 0.201 Ω cm² at 800 °C.

Improved electrochemical performance of Sr2Fe1.5Mo0.4Nb0.1O6-δ -Sm0.2Ce0.8O2-δ composite cathodes by a one-pot method for intermediate temperature solid oxide fuel cells

In this paper, Sr₂Fe_1.5Mo_0.4Nb_0.1O_6-δ (SFMNb)-xSm_0.2Ce_0.8O_2-δ (SDC) (x = 0, 20, 30, 40, 50 wt%) composite cathode materials were synthesized by a one-pot combustion method to improve the electrochemical performance of SFMNb cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). The fabrication of composite cathodes by adding SDC to SFMNb is conducive to providing extended electrochemical reaction zones for oxygen reduction reactions (ORR). X-ray diffraction (XRD) demonstrates that SFMNb is chemically compatible with SDC electrolytes at temperature up to 1100 °C. Scanning electron microscope (SEM) indicates that the SFMNb-SDC composite cathodes have a porous network nanostructure as well as the single phase SFMNb. The conductivity and thermal expansion coefficient of the composite cathodes decrease with the increased content of SDC, while the electrochemical impedance spectra (EIS) exhibits that SFMNb-40SDC composite cathode has optimal electrochemical performance with low polarization resistance (R_p) on the La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃ electrolyte. The R_p of the SFMNb-40SDC composite cathode is about 0.047 Ω cm² at 800 °C in air. A single cell with SFMNb-40SDC cathode also displays favorable discharge performance, whose maximum power density is 1.22 W cm^-2 at 800 °C. All results indicate that SFMNb-40SDC composite material is a promising cathode candidate for IT-SOFCs.

Development of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites for electrical applications

Combining intrinsically conducting polymers with carbon nanotubes (CNT) helps in creating composites with superior electrical and thermal characteristics. These composites are capable of replacing metals and semiconductors as they possess unique combination of electrical conductivity, flexibility, stretchability, softness and bio-compatibility. Their potential for use in various organic devices such as super capacitors, printable conductors, optoelectronic devices, sensors, actuators, electrochemical devices, electromagnetic interference shielding, field effect transistors, LEDs, thermoelectrics etc. makes them excellent substitutes for present day semiconductors.However, many of these potential applications have not been fully exploited because of various open–ended challenges. Composites meant for use in organic devices require highly stable conductivity for the longevity of the devices. CNT when incorporated at specific proportions, and with special methods contributes quite positively to this end.The increasing demand for energy and depleting fossil fuel reserves has broadened the scope for research into alternative energy sources. A unique and efficient method for harnessing energy is thermoelectric energy conversion method. Here, heat is converted directly into electricity using a class of materials known as thermoelectric materials. Though polymers have low electrical conductivity and thermo power, their low thermal conductivity favours use as a thermoelectric material. The thermally disconnected, but electrically connected carrier pathways in CNT/Polymer composites can satisfy the so-called “phonon-glass/electron-crystal” property required for thermoelectric materials. Strain sensing is commonly used for monitoring in engineering, medicine, space or ocean research. Polymeric composites are ideal candidates for the manufacture of strain sensors. Conducting elastomeric composites containing CNT are widely used for this application. These CNT/Polymer composites offer resistance change over a large strain range due to the low Young‟s modulus and higher elasticity. They are also capable of covering surfaces with arbitrary curvatures.Due to the high operating frequency and bandwidth of electronic equipments electromagnetic interference (EMI) has attained the tag of an „environmental pollutant‟, affecting other electronic devices as well as living organisms. Among the EMI shielding materials, polymer composites based on carbon nanotubes show great promise. High strength and stiffness, extremely high aspect ratio, and good electrical conductivity of CNT make it a filler of choice for shielding applications. A method for better dispersion, orientation and connectivity of the CNT in polymer matrix is required to enhance conductivity and EMI shielding. This thesis presents a detailed study on the synthesis of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites and their application in electronic devices. The major areas focused include DC conductivity retention at high temperature, thermoelectric, strain sensing and electromagnetic interference shielding properties, thermogravimetric, dynamic mechanical and tensile analysis in addition to structural and morphological studies.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Ultrasonic Spectral Analysis for Nuclear Fuel Characterization

Ceramic materials have been widely used for various purposes in many different industries due to certain characteristics, such as high melting point and high resistance to corrosion. Concerning the areas of applications, automobile, aeronautics, naval and even nuclear, the characteristics of these materials should be strictly controlled. In the nuclear area, ceramics are of great importance once they are the nuclear fuel pellets and must have, among other features, a well controlled porosity due to mechanical strength and thermal conductivity required by the application. Generally, the techniques used to characterize nuclear fuel are destructive and require costly equipment and facilities. This paper aims to present a nondestructive technique for ceramic characterization using ultrasound. This technique differs from other ultrasonic techniques because it uses ultrasonic pulse in frequency domain instead of time domain, associating the characteristics of the analyzed material with its frequency spectrum. In the present work, 40 Alumina (Al2O3) ceramic pellets with porosities ranging from 5% to 37%, in absolute terms measured by Archimedes technique, were tested. It can be observed that the frequency spectrum of each pellet varies according to its respective porosity and microstructure, allowing a fast and non-destructive association of the same characteristics with the same spectra pellets.

Adsorption Calorimetry for Energy Conversion Technologies: Applications in Organic Photovoltaics, Catalysis, and Atomic Layer Deposition

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-07

PEDOT:PSS thin films: Applications in Bioelectronics

Owing to their capability of merging the properties of metals and conventional polymers, Conducting Polymers (CPs) are a unique class of carbon-based materials capable of conducting electrical current. A conjugated backbone is the hallmark of CPs, which can readily undergo reversible doping to different extents, thus achieving a wide range of electrical conductivities, while maintaining mechanical flexibility, transparency and high thermal stability. Thanks to these inherent versatility and attracting properties, from their discovery CPs have experienced incessant widespread in a great plethora of research fields, ranging from energy storage to healthcare, also encouraging the spring and growth of new scientific areas with highly innovative content. Nowadays, Bioelectronics stands out as one of the most promising research fields, dealing with the mutual interplay between biology and electronics. Among CPs, the polyelectrolyte complex poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), especially in the form of thin films, has been emphasized as ideal platform for bioelectronic applications. Indeed, in the last two decades PEDOT:PSS has played a key role in the sensing of bioanalytes and living cells interfacing and monitoring. In the present work, development and characterization of two kinds of PEDOT:PSS-based devices for applications in Bioelectronics are discussed in detail. In particular, a low-cost amperometric sensor for the selective detection of Dopamine in a ternary mixture was optimized, taking advantage of the electrocatalytic and antifouling properties that render PEDOT:PSS thin films appealing tools for electrochemical sensing of bioanalytes. Moreover, the potentialities of this material to interact with live cells were explored through the fabrication of a microfluidic trapping device for electrical monitoring of 3D spheroids using an impedance-based approach.

Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

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

Tissue engineering: technological advances to improve its applications in reconstructive surgery

Background. Tremendous advances in biomaterials science and nanotechnologies, together with thorough research on stem cells, have recently promoted an intriguing development of regenerative medicine/tissue engineering. The nanotechnology represents a wide interdisciplinary field that implies the manipulation of different materials at nanometer level to achieve the creation of constructs that mimic the nanoscale-based architecture of native tissues. Aim. The purpose of this article is to highlight the significant new knowledges regarding this matter. Emerging acquisitions. To widen the range of scaffold materials resort has been carried out to either recombinant DNA technology-generated materials, such as a collagen-like protein, or the incorporation of bioactive molecules, such as RDG (arginine-glycine-aspartic acid), into synthetic products. Both the bottom-up and the top-down fabrication approaches may be properly used to respectively obtain sopramolecular architectures or, instead, micro-/nanostructures to incorporate them within a preexisting complex scaffold construct. Computer-aided design/manufacturing (CAD/CAM) scaffold technique allows to achieve patient-tailored organs. Stem cells, because of their peculiar properties - ability to proliferate, self-renew and specific cell-lineage differentiate under appropriate conditions - represent an attractive source for intriguing tissue engineering/regenerative medicine applications. Future research activities. New developments in the realization of different organs tissue engineering will depend on further progress of both the science of nanoscale-based materials and the knowledge of stem cell biology. Moreover the in vivo tissue engineering appears to be the logical step of the current research.