Aging Behavior of YAl2p/Mg-14Li-1Al Composite

YAl2p/Mg-14Li-1Al composite was made by a stir-casting technique. The aging behavior of the composite was investigated using hardness test, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction. The results show that the microhardness variations of both the matrix alloy and its composite are related to the precipitation and decomposition of θ-MgLi2Al phase. The strengthening of the composite is from the addition of YAl2 particulates and the precipitation in matrix alloy. The former contribution is stable, but the latter is unstable and depends on the aging behavior. The addition of YAl2 particulates delays occurring of the aging behavior of composite.

Thermodynamically stable amorphous drug dispersions in amorphous hydrophilic polymers engineered by hot melt extrusion.

In this study thermodynamically stable dispersions of amorphous quinine, a model BCS class 2 therapeutic agent, within an amorphous polymeric platform (HPC), termed a solid-in-solid dispersion, were produced using hot melt extrusion. Characterisation of the pre-extrudates and extrudates was performed using hyper-differential scanning calorimetry (DSC), powder X-ray diffraction (PXRD) and Raman spectroscopy. Water uptake by the raw materials was determined using dynamic vapour sorption (DVS) analysis. Furthermore, the presence or absence of crystalline drug following storage at 25 °C/60% relative humidity and 40 °C/75% relative humidity in a sealed glass jar, and at 40 °C/75% relative humidity in an open glass jar for 3 months was determined using PXRD. Amorphous quinine was generated in situ during extrusion from both quinine base (5%, 10%, 20% w/w drug loading) and from quinine hydrochloride (5%, 10% w/w drug loading) and remained thermodynamically stable as a solid-in-solid dispersion within the HPC extrudates. When processed with HPC, quinine hydrochloride (20% w/w) was converted to amorphous quinine hydrochloride. Whilst stable for up to 3 months when stored under sealed conditions, this amorphous form was unstable, resulting in recrystallisation of the hydrochloride salt following storage for 1 month at 40 °C/75% relative humidity in an open glass jar. The behaviour of the amorphous quinine hydrochloride (20% w/w) HPC extrudate was related, at least in part, to the lower stability and the hygroscopic properties of this amorphous form.

Solubility parameter based screening methods for early stage formulation development of itraconazole amorphous solid dispersions

Objectives: This article uses conventional and newly extended solubility parameter (δ) methods to identify polymeric materials capable of forming amorphous dispersions with itraconazole (itz). Methods: Combinations of itz and Soluplus, Eudragit E PO (EPO), Kollidon 17PF (17PF) or Kollidon VA64 (VA64) were prepared as amorphous solid dispersions using quench cooling and hot melt extrusion. Storage stability was evaluated under a range of conditions using differential scanning calorimetry and powder X-ray diffraction. Key findings: The rank order of itz miscibility with polymers using both conventional and novel δ-based approaches was 17PF > VA64 > Soluplus > EPO, and the application of the Flory–Huggins lattice model to itz–excipient binary systems corroborated the findings. The solid-state characterisation analyses of the formulations manufactured by melt extrusion correlated well with pre-formulation screening. Long-term storage studies showed that the physical stability of 17PF/vitamin E TPGS–itz was poor compared with Soluplus and VA64 formulations, and for EPO/itz systems variation in stability may be observed depending on the preparation method. Conclusion: Results have demonstrated that although δ-based screening may be useful in predicting the initial state of amorphous solid dispersions, assessment of the physical behaviour of the formulations at relevant temperatures may be more appropriate for the successful development of commercially acceptable amorphous drug products.

Probing The effects of Experimental Conditions on the Character of Drug-Polymer Phase Diagrams Constructed Using Flory-Huggins Theory

Purpose: Amorphous drug-polymer solid dispersions have been found to result in improved drug dissolution rates when compared to their crystalline counterparts. However, when the drug exists in the amorphous form it will possess a higher Gibb’s free energy than its associated crystalline state and can recrystallize. Drug-polymer phase diagrams constructed through the application of the Flory Huggins (F-H) theory contain a wealth of information regarding thermodynamic and kinetic stability of the amorphous drug-polymer system. This study was aimed to evaluate the effects of various experimental conditions on the solubility and miscibility detections of drug-polymer binary system. Methods: Felodipine (FD)-Polyvinylpyrrolidone (PVP) K15 (PVPK15) and FD-Polyvinylpyrrolidone/vinyl acetate (PVP/VA64) were the selected systems for this research. Physical mixtures with different drug loadings were mixed and ball milled. These samples were then processed using Differential Scanning Calorimetry (DSC) and measurements of melting point (Tend) and glass transition (Tg) were detected using heating rates of 0.5, 1.0 and 5.0°C/min. Results: The melting point depression data was then used to calculate the F-H interaction parameter (χ) and extrapolated to lower temperatures to complete the liquid–solid transition curves. The theoretical binodal and spinodal curves were also constructed which were used to identify regions within the phase diagram. The effects of polymer selection, DSC heating rate, time above parent polymer Tg and polymer molecular weight were investigated by identifying amorphous drug miscibility limits at pharmaceutically relevant temperatures. Conclusion: The potential implications of these findings when applied to a non-ambient processing method such as Hot Melt Extrusion (HME) are also discussed.

Using Flory-Huggins phase diagrams as a pre-formulation tool for the production of amorphous solid dispersions; a comparison between hot-melt extrusion and spray drying

Objectives: Amorphous drug forms provide a useful method of enhancing the dissolution performance of poorly water-soluble drugs; however, they are inherently unstable. In this article, we have used Flory–Huggins theory to predict drug solubility and miscibility in polymer candidates, and used this information to compare spray drying and melt extrusion as processes to manufacture solid dispersions.
Method:  Solid dispersions were characterised using a combination of thermal (thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry) and spectroscopic (Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction methods. 
Key Findings: Spray drying permitted generation of amorphous solid dispersions to be produced across a wider drug concentration than melt extrusion. Melt extrusion provided sufficient energy for more intimate mixing to be achieved between drug and polymer, which may improve physical stability. It was also confirmed that stronger drug–polymer interactions might be generated through melt extrusion. Remixing and dissolution of recrystallised felodipine into the polymeric matrices did occur during the modulated differential scanning calorimetry analysis, but the complementary information provided from FTIR confirms that all freshly prepared spray-dried samples were amorphous with the existence of amorphous drug domains within high drug-loaded samples. 
Conclusion: Using temperature–composition phase diagrams to probe the relevance of temperature and drug composition in specific polymer candidates facilitates polymer screening for the purpose of formulating solid dispersions.

The Use of High Surface Area Silica and Supercritical Carbon Dioxide to Enhance Solubility of Poorly Water-Soluble Drugs

Purpose Poor water-solubility of BCS class II drugs can limit their commercialization because of reduced oral bioavailability. It has been reported that loading of drug by adsorption onto porous silica would enhance drug solubility due to the increased surface area available for solvent diffusion. In this work, solid dispersions are formed using supercritical carbon dioxide (scCO2). The aim of this research was to characterise the solid-state properties of scCO2 dispersion and to investigate the impact of altering scCO2 processing conditions on final amorphous product performance that could lead to enhancement of drug dissolution rate for BCS class II drugs. Methods Indomethacin (IND) was purchased from Sigma-Aldrich (Dorset, UK) and was used as a model drug with two grades of high surface area silica (average particle sizes 3&[micro] and 7&[micro]), which were obtained directly from Grace-Davison (Germany). Material crystallinity was evaluated using powder X-ray diffraction (PXRD, Rigaku™, miniflex II, Japan) and high-speed differential scanning calorimetry (Hyper-DSC 8000, Perkin Elmer, USA). Materials were placed in a high-pressure vessel consisting of a CO2 cylinder, a Thar™ Technologies P50 high-pressure pump and a 750 ml high-pressure vessel (Thar, USA). Physical mixtures were exposed to CO2 gas above its critical conditions. SEM imaging and elemental analysis were conducted using a Jeol 6500 FEGSEM (Advanced MicroBeam Inc., Austria). Drug release was examined using USP type II dissolution tester (Caleva™, UK). Results The two grades of silica were found to be amorphous using PXRD and Hyper-DSC. Using PXRD, it was shown that an increase in incubation time and pressure resulted in a decrease in the crystalline content. Drug release profiles from the two different silica formulations prepared under the same conditions are shown in Figure 1. It was found that there was a significant enhancement in drug release, which was influenced, by silica type and other experiment conditions such as temperature, pressure and exposure time. SEM imaging and elemental analysis showed drug deposited inside silica pores as well as on the outer surface. Conclusion This project has shown that silica carrier platforms may be used as an alternative approach to generating polymeric solid dispersions of amorphous drugs exhibiting enhanced solubility.

Effect of high temperature, biaxial stretching on the thermal and mechanical properties of HDPE/MWCNT sheet

High density polyethylene (HDPE)/multi-walled carbon nanotube (MWCNT) composites containing 4 wt% MWCNTs were prepared by melt mixing followed by compression moulding into sheet. Compression moulded sheets were heated to just below the melting temperature and biaxially stretched at ratios (SRs) of 2, 2.5 and 3.0. The effect of stretching on the thermal and mechanical properties of the sheet was studied by differential scanning calorimetry (DSC) and tensile testing. DSC results show that the crystallinity of all the stretched samples increases by approximately 13% due to strain induced crystallization. The melting temperature of the biaxially stretched samples increases only slightly while crystallization temperature is not affected. Tensile test results indicate that at a SR of 2.5 the elastic modulus of the stretched composites increases by 17.6% relative to the virgin HDPE, but the breaking strength decreases by 33%. While the elastic modulus and breaking strength of the HDPE/MWCNT samples continue to increase as SR increases they drop off after a SR of 2.5 for the virgin HDPE. This is probably due to the constraining influence of the nanotubes preventing the relaxation of polymer chains caused by adiabatic heating at high SRs. The addition of MWCNTs results in significant strain hardening during deformation. While this will lead to increased energy requirement in forming it will also result in a more stable process and the ability to produce deep draw containers with more uniform wall thickness

Extracellular DNA impedes the transport of vancomycin in Staphylococcus epidermidis biofilms pre-exposed to sub-inhibitory concentrations of vancomycin

Staphylococcus epidermidis biofilm formation is responsible for the persistence of orthopedic implant infections. Previous studies have shown that exposure of S. epidermidis biofilms to sub-MICs of antibiotics induced an increased level of biofilm persistence. BODIPY FL-vancomycin (a fluorescent vancomycin conjugate) and confocal microscopy were used to show that the penetration of vancomycin through sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms was impeded compared to that of control, untreated biofilms. Further experiments showed an increase in the extracellular DNA (eDNA) concentration in biofilms preexposed to sub-MIC vancomycin, suggesting a potential role for eDNA in the hindrance of vancomycin activity. Exogenously added, S. epidermidis DNA increased the planktonic vancomycin MIC and protected biofilm cells from lethal vancomycin concentrations. Finally, isothermal titration calorimetry (ITC) revealed that the binding constant of DNA and vancomycin was 100-fold higher than the previously reported binding constant of vancomycin and its intended cellular D-Ala-D-Ala peptide target. This study provides an explanation of the eDNA-based mechanism of antibiotic tolerance in sub-MIC-vancomycin-treated S. epidermidis biofilms, which might be an important factor for the persistence of biofilm infections.

Effect of poly ethylene glycol on the mechanical and thermal properties of bioactive Poly (ε–caprolactone) melt extrudates for pharmaceutical applications

This paper investigates the effects of polyethylene glycol (PEG), on the mechanical and thermal properties of nalidixic acid/ploy ε-caprolactone (NA)/PCL blends prepared by hot melt extrusion. The blends were characterized by tensile and flexural analysis, dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. Experimental data indicated that the addition of NA caused loss of the tensile strength and toughness of PCL. Thermal analysis of the PCL showed that on addition of the thermally unstable NA, thermal degradation occurred early and was autocatalytic. However, the NA did benefit from the heat shielding provided by the PCL matrix resulting in more thermally stable NA particles. Results show that loading PEG in the PCL had a detrimental effect on the tensile strength and toughness of the blends, reducing them by 20-40%. The partial miscibility of the PCL-PEG system, causes an increase in Tg. While increases in the crystallinity is attributed to the plasticisation effect of PEG and the nucleation effect of NA. The average crystal size increased by 8% upon PEG addition.

Robust Room Temperature Hysteresis in an FeIII Spin Crossover Metallomesogen

The high temperature magnetic and structural properties of an amphiphilic iron(III) spin crossover complex are reported. Thermal cycling reveals a scan rate-dependent 20 K thermal hysteresis in the mT vs. T data close to room temperature. A fast scan rate is essential for the hysteresis but it is robust and reproducible after multiple thermal cycles. Differential scanning calorimetry and cross polarized microscopy are used to show that the magnetic switching aligns with a material state change from solid to ordered liquid phase on warming.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Efeito da pressão e temperatura em suspensões de amido

O objetivo do presente trabalho consistiu no estudo das propriedades viscoelásticas de suspensões de amido nativo e processado a alta pressão. Foi utilizado um sensor acústico de forma a analisar as propriedades das suspensões, sendo depois recolhidas informações complementares através de outras técnicas: calorimetria diferencial de varrimento, microscopia de luz polarizada e microscopia eletrónica de varrimento. Neste trabalho foram realizados estudos com amido de milho nativo e processado a alta pressão (500 MPa, 5 minutos, temperatura ambiente), tendo-se verificado que a suspensão do amido processado apresentava propriedades viscoelásticas muito diferentes do amido nativo. A temperatura a que se iniciou o aumento da viscosidade foi mais elevada para o amido processado a alta pressão, e as variações observadas para temperaturas superiores a 70 °C foram menores. Durante o arrefecimento foi detetada uma diminuição da viscosidade, correspondente a um aumento da organização molecular, com maior expressão no amido nativo mas que se dá no mesmo intervalo de temperatura, quer para este quer o processado a alta pressão. Foi também possível concluir que a velocidade de aquecimento da amostra de amido influencia as propriedades viscoelásticas da suspensão e as temperaturas a que ocorrem as variações de viscosidade relacionadas com o processo de gelatinização do amido. De assinalar também que no amido de milho se pode detetar pela variação da frequência do cristal piezoelétrico o rompimento dos grânulos e que apesar do estabelecimento de novas ligações e da reposição de alguma ordem molecular que se pode verificar durante o arrefecimento, a frequência da suspensão depois de arrefecida era muito diferente da suspensão de amido inicial. No amido de arroz, a temperatura a que se inicia o aumento de viscosidade foi superior à que se observou para o amido de milho, indicio da maior resistência do amido de arroz, para o qual não se detetou sinal de rutura dos grânulos. A frequência final da suspensão do mesmo, depois de arrefecido, era igual à inicial. Com o amido de arroz foi feito o estudo da influência da temperatura no processamento de alta pressão, tendo sido processadas suspensões a 400 MPa, durante 15 minutos, a 5, 10, 23 e 34 °C. As propriedades viscoelásticas foram analisadas com recurso a um sensor acústico, tendo-se verificado que quanto maior a temperatura de processamento a alta pressão, mais elevada a temperatura necessária para que se inicie o aumento de viscosidade e menores as temperaturas a que se inicia diminuição da mesma durante o arrefecimento.

Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.

Estratégias de alteração da funcionalidade de proteínas de soja

Este trabalho teve como principal objetivo estudar e modificar as propriedades funcionais das proteínas de soja de forma a otimizar e diversificar a sua aplicação industrial. Para tal, foram propostas e estudadas quatro estratégias: i) extração do isolado de proteínas de soja (IPS) a partir de diferentes matérias-primas, ii) adição de galactomananas (GM) com graus de ramificação e massas moleculares diferentes, iii) hidrólise enzimática controlada das proteínas de soja, iv) processamento por alta pressão hidrostática. O estudo e a interpretação da influência destas estratégias sobre as propriedades funcionais das proteínas de soja, nomeadamente, na capacidade gelificante e emulsionante, foram realizados recorrendo fundamentalmente a ensaios reológicos dinâmicos a baixas deformação, espectroscopia de infravermelho, electroforeses, calorimetria diferencial de varrimento e ensaios de microscopia confocal de varrimento laser. O estudo da extração e caracterização dos isolados de proteínas de soja obtidos a partir de diferentes matérias-primas permitiu concluir que as caraterísticas físico-químicas dos isolados são dependentes da origem da matéria-prima de extração e da severidade dos tratamentos industriais prévios à extração do isolado. Contudo, as propriedades viscoelásticas dos géis obtidos por aquecimento controlado não foram significativamente distintas embora tenha sido possível relacionar o grau de agregação com a diminuição da temperatura de gelificação e com o aumento inicial dos módulos viscoelásticos. As alterações sofridas pelos isolados de origem comercial mostraram ser irreversíveis resultando em géis menos rígidos e com maior caráter viscoso. A adição de galactomanana alterou significativamente o mecanismo de gelificação induzido termicamente das proteínas de soja, bem como as propriedades viscoelásticas dos géis e a microestrutura dos géis, demonstrando-se a ocorrência de separação de fases, em virtude da incompatibilidade termodinâmica entre os biopolímeros, resultando em géis mais rígidos e no decréscimo da temperatura de gelificação. A extensão destas alterações foi dependente da massa molecular, grau de ramificação e da razão IPS/GM. O efeito da hidrólise enzimática por ação da bromelina, nas propriedades gelificantes e emulsionantes das proteínas de soja, mostrou ser dependente do grau de hidrólise (GH). Valores de GH inferiores a 15 % melhoraram as propriedades gelificantes das proteínas de soja. Por outro lado, o aumento do GH teve um efeito negativo nas propriedades emulsionantes, o qual foi atenuado por adição da goma de alfarroba, com efeito positivo na gelificação das proteínas de soja. A concentração crítica limite de compatibilidade entre os hidrolisados de proteína de soja e a goma de alfarroba aumentou com o decréscimo do GH e da massa molecular do polissacacrídeo. O efeito da AP sobre as propriedades físico-químicas e funcionais dos IPS foi influenciado pela origem do isolado e pelas condições de tratamento. O processamento até 100 MPa desencadeou um aumento da atividade emulsionante e considerável melhoria da capacidade gelificante. Contudo, valores de pressão superiores promoveram a desnaturação das proteínas constituintes dos isolados, resultando no decréscimo da temperatura de gelificação e numa re-associação das subunidades proteicas, diminuindo a elasticidade dos géis finais. Os resultados sugeriram que as alterações nas proteínas de soja promovidas durante o tratamento por AP constituem um fator limitante para o desdobramento e re-associação durante o aquecimento térmico, necessários para a formação e fortalecimento de gel formado. O processamento por AP influenciou a estrutura secundária e a microestrutura das amostras. A presença de GA teve um papel baroprotetor. Assim, com este trabalho demonstrou-se que com as estratégias seguidas para manipulação das propriedades funcionais de proteínas de soja, nomeadamente através da adição de um polissacarídeo com propriedades estruturais controladas, da adequada combinação da adição de um polissacarídeo neutro com a hidrólise controlada das proteínas ou com tratamento por alta pressão, é possível a criação de novas funcionalidades, com utilidade no desenvolvimento de novas formulações alimentares, permitindo expandir a aplicação destas proteínas vegetais.