Semi-interpenetrating polymer networks incorporating polygalacturonic acid for medical device applications

Background Over 20 million people in the US are living with an implantable medical device [ADDIN RW.CITE{{3114 Higgins,DavidM 2009}}1], with similar figures anticipated for Europe. Complications in the use of medical implants include the Foreign Body Response (FBR) characterised by macrophage adherence and fusion, and device-related infection due to bacterial biofilm formationADDIN RW.CITE{{3124 Harding,JacquelineL 2014}}2. Both can have detrimental consequences on the structural and functional integrity of the medical device [ADDIN RW.CITE{{3101 Anderson,JamesM 2008; 3124 Harding,JacquelineL 2014}}2,3], often necessitating removal; a painful and expensive procedure [ADDIN RW.CITE{{3121 Mah,Thien-FahC 2001}}4]. Materials are sought to attenuate both the FBR and device-related infection, leading to medical devices with improved biocompatibility and performance. Objectives The present work involves development of a semi-interpenetrating network (SIPN) hydrogel containing polygalacturonic acid (PGA), a biopolysaccharide similar in structure to hyaluronic acid. We aim to synthesise, characterise and determine the in vitro biocompatibility of the developed SIPN. Results & Discussion We have successfully incorporated PGA into a poly(HEMA) based hydrogel, which shows favourable swelling and wettability. The surface topography appears altered in comparison to the control material, with pronounced micrometer-scale features. In terms of in vitro performance, the SIPN showed increased protein adsorption, and biofilm formation (Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli, up to 1 Log CFU/sample greater than control). However the SIPN displayed minimal cytotoxicity towards L929 fibroblasts, and was resistant to the adherence of RAW 264.7 macrophages. Conclusions The PGA incorporated SIPN lacks cytotoxicity and shows reduced macrophage adherence, however the increased biofilm formation highlights a concern regarding possible device related infection in clinical use. Future work will focus on strategies to reduce bacterial adherence, while maintaining biocompatibility.

A novel recovery process for lipids from microalgæ for biodiesel production using a hydrated phosphonium ionic liquid

The use of a hydrated phosphonium ionic liquid, [P(CH<inf>2</inf>OH)<inf>4</inf>]Cl, for the extraction of microalgæ lipids for biodiesel production, was evaluated using two microalgæ species, Chlorella vulgaris and Nannochloropsis oculata. The ionic liquid extraction was compared to the conventional Soxhlet, and Bligh & Dyer, methods, giving the highest extraction efficiency in the case of C. vulgaris, at 8.1%. The extraction from N. oculata achieved the highest lipid yield for Bligh & Dyer (17.3%), while the ionic liquid extracted 12.8%. Nevertheless, the ionic liquid extraction showed high affinity to neutral/saponifiable lipids, resulting in the highest fatty acid methyl esters (FAMEs)-biodiesel yield (4.5%) for C. vulgaris. For N. oculata, the FAMEs yield of the ionic liquid and Bligh & Dyer extraction methods were similar (>8%), and much higher than for Soxhlet (<5%). The ionic liquid extraction proved especially suitable for lipid extraction from wet biomass, giving even higher extraction yields than from dry biomass, 14.9% and 12.8%, respectively (N. oculata). Remarkably, the overall yield of FAMEs was almost unchanged, 8.1% and 8.0%, for dry and wet biomass. The ionic liquid extraction process was also studied at ambient temperature, varying the extraction time, giving 75% of lipid and 93% of FAMEs recovery after thirty minutes, as compared to the extraction at 100 °C for one day. The recyclability study demonstrated that the ionic liquid was unchanged after treatment, and was successfully reused. The ionic liquid used is best described as [P(CH<inf>2</inf>OH)<inf>4</inf>]Cl·2H<inf>2</inf>O, where the water is not free, but strongly bound to the ions.

Action Spectra of P25 TiO2 and a visible light absorbing, carbon-modified titania in the photocatalytic degradation of stearic acid

The photonic efficiencies of films of Evonik (formerly Degussa) P25 TiO2 and carbon-modified TiO2 Kronos VLP 7000 samples are reported as a function of excitation wavelength (300–430 nm; FWHM ∼ 7.5 nm), i.e. the action spectra, for the degradation of stearic acid, a model organic for the photocatalytic destruction of solid surface organic pollutants. For each of these semiconductor photocatalysts, at 365 nm (FWHM = 18 nm), the dependence of the rate of degradation of stearic acid, upon the irradiance, I, is determined and the rate is found to be proportional to I0.65 and I0.82 for P25 and Kronos titania, respectively. Assuming this relationship holds at all wavelengths, the action spectra for two different semiconductor photocatalysts is modified by plotting, (RSA (rate of stearic acid destruction, units: molecules cm−2 s−1)/Iθ) vs. wavelength of excitation (λexcit), and both differ noticeably from those of the original (unmodified) action spectra, which are plots of (RSA/I = photonic efficiency, ξ) vs. λexcit. The shape of the modified action spectrum for P25 TiO2 is consistent with that reported by others for other organic mineralisation reactions and correlates well with diffuse reflectance data for P25 TiO2 (Kubelka–Munk plot), although there is some evidence that the active phase, in the photodegradation of stearic acid, is the anatase form present in P25. The unmodified and modified action spectra of the beige Kronos VLP 7000 TiO2 compound exhibits little or no activity in the visible i.e. (λexcit > 400 nm) and a peak at 350 nm. The Kronos powder contains a yellow/brown conjugated, extractable, organic sensitiser which has been identified by others as the species responsible for its reported photocatalytic visible light activity. But, irradiation of the Kronos powder film, with and without a stearic acid coating, in air, using UVA or visible light, bleaches rapidly (<60 min) most, if not all, of the little colour exhibited by the original Kronos powder. The photobleached form of the Kronos has a similar action spectrum to that of the unbleached form, which, in turn, appears very similar to that of P25 titania, at wavelengths >350 nm. It is proposed that the difference between the Kronos and P25 powder films at wavelengths <350 nm is due to a photodegradation-resistant, previously unidentified (but extractable using MeCN) UV-absorbing organic species in the former which screens the titania particles at these lower wavelengths. The implications of these observations are discussed briefly.

Naphthenic acid extraction and speciation from Doba crude oil using carbonate-based ionic liquids

A number of tetraalkylammonium methylcarbonate and hydrogencarbonate based ionic liquids are shown to be capable of reacting with the naphthenic acids contained in Doba crude oil via a neutralisation reaction. Spectral studies show that the ionic liquids neutralisation mechanism involves the formation of an ionic liquid-naphthenate complex, liberating methanol and carbon dioxide. Extraction of the neutralised complex into a separate methanol phase and subsequent regeneration using aqueous carbonic acid results in ∼70% of the ionic liquid being recovered for recycle. Isolation of the naphthenic acids shows that these make up to 0.85 wt% of the crude oil. Speciation of the naphthenic acids shows a mixture of monocyclic, through to tetracyclic structures with carbon numbers in the range C₁₂-C₄₀.

Targeting of photooxidative damage on single-stranded DNA representing the bcr-abl chimeric gene using oligonucleotide-conjugates containing [Ru(phen)3](2+)-like photosensitiser groups

Photooxidative damage was induced predominantly at a single guanine base in a target DNA by irradiation (lambda > 330 nm) in the presence of complementary oligodeoxynucleotide conjugates (ODN-5'-linker-[Ru(phen)3]2+) (phen = 1,10-phenanthroline). The target DNA represents the b2a2 variant of the chimeric bcr-abl gene implicated in the pathogenesis of chronic myeloid leukaemia, and the sequence of the 17mer ODN component of the conjugate (3' G G T A G T T A T T C C T T C T T 5') was complementary to the junction region of the sense strand sequence of this oncogene. Two different conjugates were prepared, both of them by reaction of the appropriate succinimide ester with 5'-hexylamino-derivatised 17mer ODN. In Ru-ODN-1 (7) the linker was -(CH2)6-NHCO-bpyMe (-bpyMe = 4'-[4-methyl-2,2'-bipyridyl]), whereas in Ru-ODN-2 (13) it was -(CH2)6-NHCO-(CH2)3-CONH-phen. Photoexcitation of either of the conjugates when hybridised with the 32P-5'-end-labelled target 34mer 5'T G A C C A T C A A T A A G G A A G A A G21 C C C T T C A G C G G C C 3' (ODN binding site underlined) led to an alkali-labile site predominantly (> 90%) at the G21 base, which is at the junction of double-stranded and single-stranded regions of the hybrid. Greater yields were found with Ru-ODN-1 (7) than with Ru ODN-2 (13). In contrast to this specific cleavage with Ru-ODN-1 (7) or Ru-ODN-2 (13), alkali-labile sites were generated at all guanines when the 34mer was photolysed in the presence of the free sensitiser [Ru(phen)3]2+. Since [Ru(phen)3]2+ was shown to react with 2'-deoxyguanosine to form the diastereomers of a spiroiminodihydantoin derivative (the product from 1O2 reaction), 1O2 might also be an oxidizing species in the case of Ru-ODN-1 (7) and Ru-ODN-2 (13). Therefore to determine the range of reaction, a series of 'variant' targets was prepared, in which G21 was replaced with a cytosine and a guanine substituted for a base further towards the 3'-end (e.g. Variant 3; 5'T G A C C A T C A A T A A G G A A G A A C C G23 C T T C A G C G G32 C C3'). While it was noted that efficient reaction took place at distances apparently remote from the photosensitiser (e.g at G32, but not G23 for Variant 3), this effect could be attributed to hairpinning of the single-stranded region of the target. These results are therefore consistent with the photooxidative damage being induced by a reaction close to the photosensitiser rather than by a diffusible species such as 1O2.

Adenovirus 12 E1A gene detection by polymerase chain reaction in both the normal and coeliac duodenum

A 12 amino acid sequence from the adenovirus 12 E1B protein is homologous at the protein level with a similar 12-mer derived from the wheat protein A-gliadin. It has been suggested that exposure to Ad 12 could sensitise individuals to gliadins with resultant gluten sensitive enteropathy. In this study, the polymerase chain reaction (PCR) was used to analyse duodenal biopsy tissue from patients with coeliac disease for the presence of Ad 12. The sensitivity of the assay system was at least 1 in 10(5) cells and specificity was confirmed both by probing with an internal oligonucleotide and by direct sequencing. Ad 12 sequences were detected in three of 17 patients with adult coeliac disease and in five of 16 adult controls with normal duodenal biopsies. Since exposure to the virus would be predicted to occur in infancy we also studied patients with childhood coeliac disease diagnosed at less than 1 year of age. Ad 12 was positive in three of 10 childhood coeliac patients and one of seven controls. In addition, we studied a cohort of patients who presented with a diarrhoeal illness and associated anti alpha gliadin antibodies in 1983. These patients had duodenal biopsies performed at this time. One of three patients with abnormal histology had detectable Ad 12 while two of 14 with normal findings were positive for Ad 12. Finally, the potential oncogenic nature of Ad 12 prompted examination of a group of patients with intestinal tumours. Ad 12 DNA was, however, in only two of 19 tumour samples tested. These data indicate that Ad 12 can be successfully detected using PCR on paraffin embedded tissue. Furthermore, Ad 12 was detected at a relatively high level in normal duodenum. The results do not, however, support the hypothesis that prior exposure to Ad 12 is implicated in the pathogenesis of coeliac disease.

Arsenic trioxide and all-trans retinoic acid treatment for acute promyelocytic leukaemia in all risk groups (AML17): results of a randomised, controlled, phase 3 trial

BACKGROUND: Acute promyelocytic leukaemia is a chemotherapy-sensitive subgroup of acute myeloid leukaemia characterised by the presence of the PML-RARA fusion transcript. The present standard of care, chemotherapy and all-trans retinoic acid (ATRA), results in a high proportion of patients being cured. In this study, we compare a chemotherapy-free ATRA and arsenic trioxide treatment regimen with the standard chemotherapy-based regimen (ATRA and idarubicin) in both high-risk and low-risk patients with acute promyelocytic leukaemia.

METHODS: In the randomised, controlled, multicentre, AML17 trial, eligible patients (aged ≥16 years) with acute promyelocytic leukaemia, confirmed by the presence of the PML-RARA transcript and without significant cardiac or pulmonary comorbidities or active malignancy, and who were not pregnant or breastfeeding, were enrolled from 81 UK hospitals and randomised 1:1 to receive treatment with ATRA and arsenic trioxide or ATRA and idarubicin. ATRA was given to participants in both groups in a daily divided oral dose of 45 mg/m(2) until remission, or until day 60, and then in a 2 weeks on-2 weeks off schedule. In the ATRA and idarubicin group, idarubicin was given intravenously at 12 mg/m(2) on days 2, 4, 6, and 8 of course 1, and then at 5 mg/m(2) on days 1-4 of course 2; mitoxantrone at 10 mg/m(2) on days 1-4 of course 3, and idarubicin at 12 mg/m(2) on day 1 of the final (fourth) course. In the ATRA and arsenic trioxide group, arsenic trioxide was given intravenously at 0·3 mg/kg on days 1-5 of each course, and at 0·25 mg/kg twice weekly in weeks 2-8 of course 1 and weeks 2-4 of courses 2-5. High-risk patients (those presenting with a white blood cell count >10 × 10(9) cells per L) could receive an initial dose of the immunoconjugate gemtuzumab ozogamicin (6 mg/m(2) intravenously). Neither maintenance treatment nor CNS prophylaxis was given to patients in either group. All patients were monitored by real-time quantitative PCR. Allocation was by central computer minimisation, stratified by age, performance status, and de-novo versus secondary disease. The primary endpoint was quality of life on the European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) QLQ-C30 global health status. All analyses are by intention to treat. This trial is registered with the ISRCTN registry, number ISRCTN55675535.

FINDINGS: Between May 8, 2009, and Oct 3, 2013, 235 patients were enrolled and randomly assigned to ATRA and idarubicin (n=119) or ATRA and arsenic trioxide (n=116). Participants had a median age of 47 years (range 16-77; IQR 33-58) and included 57 high-risk patients. Quality of life did not differ significantly between the treatment groups (EORTC QLQ-C30 global functioning effect size 2·17 [95% CI -2·79 to 7·12; p=0·39]). Overall, 57 patients in the ATRA and idarubicin group and 40 patients in the ATRA and arsenic trioxide group reported grade 3-4 toxicities. After course 1 of treatment, grade 3-4 alopecia was reported in 23 (23%) of 98 patients in the ATRA and idarubicin group versus 5 (5%) of 95 in the ATRA and arsenic trioxide group, raised liver alanine transaminase in 11 (10%) of 108 versus 27 (25%) of 109, oral toxicity in 22 (19%) of 115 versus one (1%) of 109. After course 2 of treatment, grade 3-4 alopecia was reported in 25 (28%) of 89 patients in the ATRA and idarubicin group versus 2 (3%) of 77 in the ATRA and arsenic trioxide group; no other toxicities reached the 10% level. Patients in the ATRA and arsenic trioxide group had significantly less requirement for most aspects of supportive care than did those in the ATRA and idarubicin group.

INTERPRETATION: ATRA and arsenic trioxide is a feasible treatment in low-risk and high-risk patients with acute promyelocytic leukaemia, with a high cure rate and less relapse than, and survival not different to, ATRA and idarubicin, with a low incidence of liver toxicity. However, no improvement in quality of life was seen.

Abundance and diversity of sedimentary bacterial communities in a coastal productive setting in the Western Irish Sea

The bacterial community composition and biomass abundance from a depositional mud belt in the western Irish Sea and regional sands were investigated by phospholipid ester-linked fatty acid profiling, denaturing gradient gel electrophoresis and barcoded pyrosequencing of 16S rRNA genes. The study area varied by water depth (12-111 m), organic carbon content (0.09-1.57% TOC), grain size, hydrographic regime (well-mixed vs. stratified), and water column phytodetrital input (represented by algal polyunsaturated PLFA). The relative abundance of bacterial-derived PLFA (sum of methyl-branched, cyclopropyl and odd-carbon number PLFA) was positively correlated with fine-grained sediment, and was highest in the depositional mud belt. A strong association between bacterial biomass and eukaryote primary production was suggested based on observed positive correlations with total nitrogen and algal polyunsaturated fatty acids. In addition, 16S rRNA genes affiliated to the classes Clostridia and Flavobacteria represented a major proportion of total 16S rRNA gene sequences. This suggests that benthic bacterial communities are also important degraders of phytodetrital organic matter and closely coupled to water column productivity in the western Irish Sea.

Wide-ranging alterations in the brain fatty acid complement of subjects with late Alzheimer’s disease as detected by GC-MS

Disturbed lipid metabolism is a well-established feature of human Alzheimer’s disease (AD). The present study used gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis of fatty acid methyl esters (FAMES) to profile all detectable fatty acid (FA) species present in post-mortem neocortical tissue (Brodmann 7 region). Quantitative targeted analysis was undertaken from 29 subjects (n=15 age-matched controls; n=14 late-stage AD). GC-MS analysis of FAMES detected a total of 24 FAs and of these, 20 were fully quantifiable. The results showed significant and wide ranging elevations in AD brain FA concentrations. A total of 9 FAs were elevated in AD with cis-13,16-docosenoic acid increased most (170%; P=0.033). Intriguingly, docosahexanoic acid (DHA; C22:6) concentrations were elevated (47%; P=0.018) which conflicts with the findings of others (unaltered or decreased) in some brain regions after the onset of AD. Furthermore, our results appear to indicate that subject gender influences brain FA levels in AD subjects (but not in age-matched control subjects). Among AD subjects 7 FA species were significantly higher in males than in females. These preliminary findings pinpoint FA disturbances as potentially important in the pathology of AD. Further work is required to determine if such changes are influenced by disease severity or different types of dementia.

Acid-labile protein-adducted heterocyclic aromatic amines in human blood are not viable biomarkers of dietary exposure: A systematic study.

Heterocyclic aromatic amines (HCA) are carcinogenic mutagens formed during cooking of protein-rich foods. HCA residues adducted to blood proteins have been postulated as biomarkers of HCA exposure. However, the viability of quantifying HCAs following hydrolytic release from adducts in vivo and correlation with dietary intake are unproven. To definitively assess the potential of labile HCA-protein adducts as biomarkers, a highly sensitive UPLC-MS/MS method was validated for four major HCAs: 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP), 2-amino-3,8-dimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (MeIQx), 2-amino-3,4,8-trimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (4,8-DiMeIQx) and 2-amino-3,7,8-trimethylimidazo[4,5-f]quinoxaline (7,8-DiMeIQx). Limits of detection were 1e5 pg/ml plasma and recoveries 91e115%. Efficacy of hydrolysis was demonstrated by HCA-protein adducts synthesised in vitro. Plasma and 7-day food diaries were collected from 122 fasting adults consuming their habitual diets. Estimated HCA intakes ranged from 0 to 2.5 mg/day. An extensive range of hydrolysis conditions was examined for release of adducted HCAs in plasma. HCA was detected in only one sample (PhIP, 9.7 pg/ml), demonstrating conclusively for the first time that acid-labile HCA adducts do not reflect dietary HCA intake and are present at such low concentrations that they are not feasible biomarkers of exposure. Identification of biomarkers remains important. The search should concentrate on stabilised HCA peptide markers and use of untargeted proteomic and metabolomic approaches.

Wide-ranging alterations in the brain fatty acid complement of subjects with late Alzheimer's disease as detected by GC-MS

Disturbed lipid metabolism is a well-established feature of human Alzheimer's disease (AD). The present study used gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis of fatty acid methyl esters (FAMES) to profile all detectable fatty acid (FA) species present in post-mortem neocortical tissue (Brodmann 7 region). Quantitative targeted analysis was undertaken from 29 subjects (n=15 age-matched controls; n=14 late-stage AD). GC-MS analysis of FAMES detected a total of 24 FAs and of these, 20 were fully quantifiable. The results showed significant and wide ranging elevations in AD brain FA concentrations. A total of 9 FAs were elevated in AD with cis-13,16-docosenoic acid increased most (170%; P=0.033). Intriguingly, docosahexanoic acid (DHA; C22:6) concentrations were elevated (47%; P=0.018) which conflicts with the findings of others (unaltered or decreased) in some brain regions after the onset of AD. Furthermore, our results appear to indicate that subject gender influences brain FA levels in AD subjects (but not in age-matched control subjects). Among AD subjects 7 FA species were significantly higher in males than in females. These preliminary findings pinpoint FA disturbances as potentially important in the pathology of AD. Further work is required to determine if such changes are influenced by disease severity or different types of dementia.

Novos métodos de síntese de 4-quinolonas e benzo[b]acridonas

As 4-quinolonas e as acridonas são duas importantes famílias de compostos heterocíclicos azotados naturais que apresentam uma variedade de importantes aplicações biológicas. As 4-quinolonas têm sido objecto de extensos estudos devido às suas potenciais aplicações como fortes agentes citotóxicos, antimitóticos e anti-plaquetários e como protectores cardiovasculares, mas o seu uso é principalmente como antibióticos de largo espectro. As acridonas são conhecidas por apresentarem importante actividade antiviral, antiparasitária, contra a leishmania e a malária, e anticancerígena. A variedade de importantes aplicações biológicas das 4-quinolonas e das acridonas e a contínua procura pela comunidade científica de novas substâncias com actividades biológicas atractivas destaca estes compostos como alvos interessantes para a preparação de novos derivados e/ou para o desenvolvimento de novos métodos de síntese destas duas famílias de compostos. No primeiro capítulo desta dissertação descreve-se a síntese dos compostos de partida que tiveram de ser previamente preparados para o desenvolvimento das novas rotas de síntese apresentadas nos capítulos seguintes. A 4-cloro-3- formilquinolina foi obtida através da reacção de Vilsmeier-Haack da 2’-aminoacetofenona enquanto que a 3-formilquinolin-4(1H)-ona foi facilmente preparada por hidrólise ácida da anterior. Foi necessário proteger o grupo amina da quinolin-4(1H)-ona para evitar reacções secundárias e foram descritas as reacções de protecção com o grupo metilo, etoxicarbonilo e ptoluenossulfonilo. Os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofeno, necessários para o estudo das reacções de Diels-Alder, não se encontram disponíveis comercialmente e a sua síntese é também descrita. No segundo capítulo reporta-se uma nova e eficiente rota de síntese de (Z)- e (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas a partir da reacção de Wittig da 4-cloro-3- formilquinolina e de 3-formilquinolin-4(1H)-onas com benzilidenotrifenilfosforanos. As (Z)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram obtidas com elevada diastereoselectividade a partir da reacção das 3-formilquinolin- 4(1H)-onas N-protegidas enquanto que as (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram preparadas através da reacção de Wittig da 4-cloro-3-formilquinolina seguida da hidrólise ácida das respectivas (Z)- e (E)-4-cloro-3-estirilquinolinas obtidas. Ambas as rotas sintéticas são eficientes, independentemente dos substituintes dos benzilidenotrifenilfosforanos. No terceiro capítulo, descreve-se um novo método de síntese de novas benzo[b]acridonas a partir da reacção de Diels-Alder de 3-formilquinolin-4(1H)- onas N-protegidas, que actuam como dienófilos, com dienos altamente reactivos, os orto-benzoquinodimetanos, preparados in situ através da extrusão térmica do dióxido de enxofre dos respectivos 2,2-dióxidos de 1,3-dihidrobenzo[ c]tiofeno. A reacção de cicloadição das 3-formilquinolin-4(1H)-onas N-protegidas com orto-benzoquinodimetanos origina as benzo[b]-1,6,6a,12atetra- hidroacridin-12(7H)-onas esperadas, que são o resultado da referida cicloadição seguida de desformilação in situ, e mostrou ser eficiente apenas quando o grupo amina está derivatizado com um grupo sacador de electrões. A desidrogenação destas benzo[b]-1,6,6a,12a-tetra-hidroacridin-12(7H)-onas em dimetilsulfóxido utilizando uma quantidade catalítica de iodo foi também descrita e originou como produto principal as benzo[b]acridin-12(7H)-onas N-desprotegidas. Todos os compostos novos sintetizados foram caracterizados por diversas técnicas analíticas, especialmente por estudos espectroscópicos de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espectros de 1H e 13C, bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efectuados, sempre que possível, espectros de massa (EM) e análises elementares ou espectros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os compostos novos sintetizados. O tautomerismo da 3-formil- e 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e as isomerizações (E) (Z) e rotacional das 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e das 4-cloro-3-estirilquinolinas foram estudados através de ressonância magnética nuclear experimental (RMN 1H e 13C) e teórica [B3LYP/6-311++G(d,p)].

Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.