Nanomateriais manufaturados : avaliação de segurança através da caracterização dos seus efeitos genéticos

RESUMO - Os nanomateriais manufaturados (NMs), isto é, fabricados deliberadamente para fins específicos, apresentam propriedades físico-químicas únicas como a dimensão, área superficial ou funcionalização, que lhes conferem caraterísticas mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas muito vantajosas para aplicações industriais e biomédicas. Efetivamente, a tecnologia baseada nos NMs, ou nanotecnologia, foi identificada como uma key enabling technology, impulsionadora do crescimento económico dos países industrializados, devido ao seu potencial para melhorar a qualidade e desempenho de muitos tipos de produtos e de processos. Contudo, a expansão da utilização de NMs contrasta com a insuficiente avaliação de risco para a saúde humana e para o ambiente, sendo considerados como um risco emergente para a saúde pública. As incertezas sobre a segurança dos NMs para a saúde pública advêm sobretudo de estudos epidemiológicos em humanos expostos a nanomateriais produzidos como consequência dos processos e atividades humanas e da poluição. Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico, que é sugerido por alguns estudos experimentais, como no caso dos nanomateriais de dióxido de titânio ou dos nanotubos de carbono. Para avaliar em curto termo as propriedades carcinogénicas de um composto, utilizam-se frequentemente ensaios de genotoxicidade em linhas celulares de mamífero ou ensaios em modelos animais, em que se analisa uma variedade de lesões genéticas potencialmente relacionados com o processo de carcinogénese. No entanto, a investigação sobre as propriedades genotóxicas dos NMs não foi, até hoje, conclusiva. O presente estudo tem por objectivo principal caracterizar os efeitos genotóxicos associados à exposição a nanomateriais manufaturados, de forma a contribuir para a avaliação da sua segurança. Constituíram objectivos específicos deste estudo: i) avaliar a genotoxicidade dos NMs em três tipos de células humanas expostas in vitro: linfócitos humanos primários, linha celular de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) e linha celular de adenocarcinoma epitelial de pulmão humano (A549); ii) avaliar a sua genotoxicidade num modelo de ratinho transgénico; iii) investigar alguns mecanismos de acção que poderão contribuir para a genotoxicidade dos nanomateriais, como a contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade induzida pelos NMs in vitro, e a investigação da sua bioacumulação e localização celular in vivo. Foram analisados os efeitos genotóxicos associados à exposição a duas classes de NMs, dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla, bem como a um NM de óxido de zinco, candidato a ser utlilizado como controlo positivo de dimensão nanométrica. Os xx NMs utilizados foram previamente caracterizados com detalhe relativamente às suas características físico-químicas e também relativamente à sua dispersão em meio aquoso e no meio de cultura. A metodologia incluiu ensaios de citotoxicidade e de genotoxicidade in vitro, designadamente, ensaios de quebras no DNA (ensaio do cometa) e nos cromossomas (ensaio do micronúcleo) em células humanas expostas a várias concentrações de NMs, por comparação com células não expostas. Também foram realizados ensaios in vivo de quebras no DNA, quebras cromossómicas e ainda um ensaio de mutações em vários órgãos de grupos de ratinhos transgénicos LacZ, expostos por via intravenosa a duas doses de dióxido de titânio. Foi investigada a existência de uma relação dose-resposta após exposição das células humanas ou dos animais a NMs. A contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade após exposição das células aos NMs in vitro foi explorada através do ensaio do cometa modificado com enzima. Realizaram-se estudos histológicos e citológicos para deteção e localização celular dos NMs nos órgãos-alvo dos ratinhos expostos in vivo. Os resultados demonstraram efeitos genotóxicos em alguns dos NMs analisados em células humanas. No entanto, os efeitos genotóxicos, quando positivos, foram em níveis reduzidos, ainda que superiores aos valores dos controlos, e a sua reprodutibilidade era dependente do sistema experimental utilizado. Para outros NMs, a evidência de genotoxicidade revelou-se equívoca, conduzindo à necessidade de esclarecimento através de ensaios in vivo. Para esse fim, recorreu-se a uma análise integrada de múltiplos parâmetros num modelo animal, o ratinho transgénico baseado em plasmídeo contendo o gene LacZ exposto a um NM de dióxido de titânio, NM-102. Embora tenha sido demonstrada a exposição e a acumulação do NM no fígado, não se observaram efeitos genotóxicos nem no fígado, nem no baço nem no sangue dos ratinhos expostos a esse NM. Neste estudo concluiu-se que algumas formas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla produzem efeitos genotóxicos em células humanas, contribuindo para o conjunto de evidências sobre o efeito genotóxico desses NMs. As diferenças observadas relativamente à genotoxicidade entre NMs do mesmo tipo, mas distintos em algumas das suas características físico-quimicas, aparentemente não são negligenciáveis, pelo que os resultados obtidos para um NM não devem ser generalizados ao grupo correspondente. Para além disso, a genotoxicidade equívoca verificada para o NM-102 em células humanas expostas in vitro, não foi confirmada no modelo in vivo, pelo que o valor preditivo da utilização dos ensaios in vitro para a identificação de NMs com efeitos genotóxicos (e portanto potencialmente carcinogénicos) ainda tem de ser esclarecido antes de ser possível extrapolar as conclusões para a saúde humana. Por sua vez, como a informação aqui produzida pelas metodologias in vitro e in vivo não reflete os efeitos de exposição continua ou prolongada, que poderá conduzir a efeitos genotóxicos distintos, esta xxi deverá ser complementada com outras linhas de evidência relativamente à segurança dos NMs. Perante a incerteza dos níveis de exposição real do organismo humano e do ambiente, a segurança da utilização dos NMs não pode ser garantida a longo prazo e, tendo em conta a elevada produção e utilização destes NMs, são prementes futuros estudos de monitorização ambiental e humana.

Tensile properties of polymer repair materials - effect of test parameters

In this research, five types of polymer repair materials were selected for investigation of the influence of sample shape, deformation rate and test temperature on the mechanical properties determined with an uniaxial tensile test. The results showed the clear effect of measurement conditions on tensile strength, elongation and modulus of elasticity. The highest tensile strength and modulus of elasticity were exhibited by epoxy resin for the filling of concrete cracks, which achieved 1% elongation. The lowest coefficient of dispersion characterized the results of tensile test carried out using dumbbell samples at a deformation rate of 50 mm/min. The effect of temperature varied with the material type.

Safety classification using GIS in decision-making process to define priority road interventions

Given the current economic situation of the Portuguese municipalities, it is necessary to identify the priority investments in order to achieve a more efficient financial management. The classification of the road network of the municipality according to the occurrence of traffic accidents is fundamental to set priorities for road interventions. This paper presents a model for road network classification based on traffic accidents integrated in a geographic information system. Its practical application was developed through a case study in the municipality of Barcelos. An equation was defined to obtain a road safety index through the combination of the following indicators: severity, property damage only and accident costs. In addition to the road network classification, the application of the model allows to analyze the spatial coverage of accidents in order to determine the centrality and dispersion of the locations with the highest incidence of road accidents. This analysis can be further refined according to the nature of the accidents namely in collision, runoff and pedestrian crashes.

Time-dependent flexural behaviour of cracked steel fibre reinforced self-compacting concrete panels

In the present work are described and discussed the results of an extensive experimental program that aims to study the long-term behaviour of cracked steel fibre reinforced self-compacting concrete, SFRSCC, applied in laminar structures. In a first stage, the influence of the initial crack opening level (wcr = 0.3 and 0.5 mm), applied stress level, fibre orientation/dispersion and distance from the casting point, on the flexural creep behaviour of SFRSCC was investigated. Moreover, in order to evaluate the effects of the creep phenomenon on the residual flexural strength, a series of monotonic tests were also executed. It was found that wcr = 0.5 mm series showed a higher creep coefficient comparing to the series with a lower initial crack opening. Furthermore, the creep performance of the SFRSCC was influenced by the orientation of the extracted prismatic specimens regarding the direction of the concrete flow within the cast panel.

Estudo da influência de nanotubos de carbono funcionalizados nas propriedades de revestimentos de poliuretano

Dissertação de mestrado em Propriedades e Tecnologias de Polímeros

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Improvign mixing processes with the help of numerical tools

In several industrial applications, highly complex behaviour materials are used together with intricate mixing processes, which difficult the achievement of the desired properties for the produced materials. This is the case of the well-known dispersion of nano-sized fillers in a melt polymer matrix, used to improve the nanocomposite mechanical and/or electrical properties. This mixing is usually performed in twin-screw extruders, that promote complex flow patterns, and, since an in loco analysis of the material evolution and mixing is difficult to perform, numerical tools can be very useful to predict the evolution and behaviour of the material. This work presents a numerical based study to improve the understanding of mixing processes. Initial numerical studies were performed with generalized Newtonian fluids, but, due to the null relaxation time that characterize this type of fluids, the assumption of viscoelastic behavior was required. Therefore, the polymer melt was rheologically characterized, and, a six mode Phan-Thien-Tanner and Giesekus models were used to fit the rheological data. These viscoelastic rheological models were used to model the process. The conclusions obtained in this work provide additional and useful data to correlate the type and intensity of the deformation history promoted to the polymer nanocomposite and the quality of the mixing obtained.

DOTA-based Ga(III) and Gd(III) chelates for medical imaging (PET, SPECT and MRI)

PhD Thesis in Sciences Specialization in Chemistry

Dielectric relaxation and ferromagnetic resonance in magnetoelectric (Polyvinylidene-fluoride)/ferrite composites

In this work the dielectric properties and ferromagnetic resonance of Polyvinylidene- uoride embedded with 10 wt. % of NiFe2O4 or Ni0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles are presented. The mechanisms of the dielectric relaxation in these two composites do not differ from each other. For more precise characterization of the dielectric relaxation, a two dimensional distribution of relaxation times was calculated from the temperature dependencies of the complex dielectric permittivity. The results obtained from the 2D distribution and the mean relaxation time are found to be consistent. The dynamics of the dielectric permittivity is described by the Arrhenius law. The energy and attempt time of the dielectric relaxators lie in a narrow energy and time region thus proving that the single type chains of polymer are responsible for a dispersion. The magnetic properties of the composites were investigated using the fer- romagnetic resonance. A single resonance line was observed for both samples. From the temperature dependence (100 K - 310 K) of the resonance eld and linewidth, the origin of the observed line was attributed to the NiFe2O4 and Ni0.5Zn0.5Fe2O4 superparamagnetic nanoparticles. By measuring lms at dif- ferent orientations with respect to the external magnetic eld, the angular dependence of the resonance was observed, indicating the magnetic dipolar in-plane interactions.

Genetic diversity in rosewood saplings (Aniba rosaeodora ducke, Lauraceae): an ecological approach

This article takes an ecological approach to the genetic diversity of Rosewood (Aniba rosaeodora Ducke) in a central Amazonian terra firme forest north of Manaus. Planted Rosewood setting, under partial shaded canopy, were assessed in terms of fruiting production, frugivory, and seed dispersal. Using RAPD molecular analysis procedures, the influence of the spatial distribution of adult trees on the genetic diversity (polymorphism) of saplings was assessed with genetic samples from 34 reproductive trees and 60 saplings. The density and distribution patterns the reproductive trees did not modify the sapling"s diversity (1.86%, AMOVA). Two types of adult tree dispersion were identified; i) clumped and ii) more widely dispersed. Polymorphism (77.5%) and gene flow were high between these. Although more sapling genetic variability in areas with a higher density of mature plants was not as high as expected, density did not affect the genetic diversity of samplings, indicating a high incidence of gene flow amongst trees. In planted Rosewood population (surrounded by low disturbed forest), fruiting trees experienced a high level of removal of seeds by toucans (Rhamphastidae), about of 50%. The high gene flow found among native trees suggested that toucans, promoting seed rain at short and long distances from maternal trees, actively contribute to the maintenance of genetic diversity within wild rosewood populations.

Mechanical, fatigue and wear properties of sintered Carbon Nanotube-based functionally graded materials

Tese de Doutoramento Engenharia Mecânica

Microencapsulation of ellagic acid from pomegranate husk and karaya gum by spray drying

Objective: The aim of this study was to obtain and characterize microcapsules with Ellagic Acid (EA) from pomegranate as core material and Karaya Gum (KG) as wall material. Methods: EA was obtained from dry pomegranate peel powder via methanolysis and quantified by HPLC. Microcapsules were obtained preparing a dispersion containing KG and EA in phosphate buffer pH 8. The dispersion was processed in a spray dryer under specific conditions (inlet temperature at 150 °C, feed flow at 30% and aspirator at 100 %) for obtaining of microcapsules. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM) were used for characterization. Results: Obtained material contains 98.03±2.82 mg EA/g of pomegranate peel. FTIR showed that there were changes in the molecular structure of microcapsules referred to raw materials. SEM confirmed that particles obtained had micron-size (1-5 µm). DSC analysis showed that raw materials had glass transition temperatures of 79.58 and 83.41 °C and for microcapsules the value was67.25 °C. Conclusion: Methanolysis is a viable technique for the obtaining of EA from the peel of pomegranate. KG shows good potential for be used as wall material for EA microencapsulation.

Effect of polymeric matrix on morphology and photoelectric properties of polymer-quantum dots nanocomposites

Recently, CdTe semiconductor quantum dots (QDs) have attracted great interest due to their unique properties [1]. Their dispersion into polymeric matrices would be very for several optoelectronics applications. Despite its importance, there has been relatively little work done on charge transport in the QD polymeric films [2], which is mainly affected by their structural and morphological properties. In the present work, polymer-quantum dot nanocomposites films based on optically transparent polymers in the visible spectral range and CdTe QDs with controlled particle size and emission wavelength, were prepared via solvent casting. Photoluminescent (PL) measurements indicate different emission intensity of the nanocomposites. A blue shift of the emission peak compared to that of QDs in solution occurred, which is attributed to the QDs environment changes. The morphological and structural properties of the CdTe nanocomposites were evaluated. Since better QDs dispersion was achieved, PMMA seemed to be the most promising matrix. Electrical properties measurements indicate an ohmic behavior.

Processamento e caracterização mecânica e metalográfica de compósitos adiamantados à base de cobre-níquel obtidos por hot pressing

Dissertação de mestrado em Engenharia de Materiais

Estudos de dispersão de nanografite em polipropileno

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais