Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Tissue-specific bioscaffolds for adipose-derived stem/stromal cell expansion and delivery

Decellularized adipose tissue (DAT) is a promising biomaterial for soft tissue regeneration, and it provides a highly conducive microenvironment for human adipose-derived stem/stromal cell (ASC) attachment, proliferation, and adipogenesis. This thesis focused on developing techniques to fabricate 3-D bioscaffolds from enzymatically-digested DAT as platforms for ASC culture and delivery in adipose tissue engineering and large-scale ASC expansion. Initial work investigated chemically crosslinked microcarriers fabricated from pepsin-digested DAT as injectable adipo-inductive substrates for ASCs. DAT microcarriers highly supported ASC adipogenesis compared to gelatin microcarriers in a CELLSPIN system, as confirmed by glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPDH) enzyme activity, lipid accumulation, and endpoint RT-PCR. ASCs cultured on DAT microcarriers in proliferation medium also had elevated PPARγ, C/EBPα, and LPL expression which suggested adipo-inductive properties. In vivo testing of the DAT microcarriers exhibited stable volume retention and enhanced cellular infiltration, tissue remodeling, and angiogenesis. Building from this work, non-chemically crosslinked porous foams and bead foams were fabricated from α-amylase-digested DAT for soft tissue regeneration. Foams were stable and strongly supported ASC adipogenesis based on GPDH activity and endpoint RT-PCR. PPARγ, C/EBPα, and LPL expression in ASCs cultured on the foams in proliferation media indicated adipo-inductive properties. Foams with Young’s moduli similar to human fat also influenced ASC adipogenesis by enhanced GPDH activity. In vivo adipogenesis accompanied by a potent angiogenic response and rapid resorption showed their potential use in wound healing applications. Finally, non-chemically crosslinked porous microcarriers synthesized from α-amylase-digested DAT were investigated for ASC expansion. DAT microcarriers remained stable in culture and supported significantly higher ASC proliferation compared to Cultispher-S microcarriers in a CELLSPIN system. ASC immunophenotype was preserved for all expanded groups, with reduced adhesion marker expression under dynamic conditions. DAT microcarrier expansion upregulated ASC expression of early adipogenic (PPARγ, LPL) and chondrogenic (COMP) markers without inducing a mature phenotype. DAT microcarrier expanded ASCs also showed similar levels of adipogenesis and osteogenesis compared to Cultispher-S despite a significantly higher population fold-change, and had the highest level of chondrogenesis among all groups. This study demonstrates the promising use of DAT microcarriers as a clinically relevant strategy for ASC expansion while maintaining multilineage differentiation capacity.

BLOCK COPOLYMERS CONTAINING A LOW-SURFACE-ENERGY BLOCK AND THEIR APPLICATIONS

This thesis reports the synthesis and/or applications of three types of block copolymers that each bear a low-surface-energy block. First, poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-cinnamoyloxyethyl acrylate) (PDMS-b-PCEA) was synthesized and characterized. Cotton coating using a micellar solution of this block copolymer yielded superhydrophobic cotton fabrics. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and surface property analyses indicated that the PDMS block topped the polymer coating. Photocuring the cotton swatches crosslinked the underlying PCEA layer and yielded permanent coatings. More interestingly, hydrophilically patterned superhydrophobic cotton fabrics were produced using photolithography that allowed the crosslinking of the coating around irradiated fibers but the removal, by solvent extraction, of the coating on fibers that were not irradiated. Since water-based ink only permeated the uncoated regions, such patterned fabric was further used to print ink patterns onto substrates such as fabrics, cardboard, paper, wood, and aluminum foil. Then, another PDMS-based diblock copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(glycidyl methacrylate) (PDMS-b-PGMA) was prepared. Different from PCEA that photocrosslinked around cotton fibers, PGMA reacted with hydroxyl groups on cotton fiber surfaces to get covalently attached. Further, different PGMA chains crosslinked with each other. PDMS-b-PGMA-coated cotton fabrics have been used for oil-water separations. In addition, polymeric nanoparticles were grafted onto cotton fiber surface before PDMS-b-PGMA was used to cover the surfaces of the grafted spheres and the residual surfaces of the cotton fibers. These two types of fabrics, coated by the block copolymer alone or by the polymer nanospheres and then the copolymer, were characterized by scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and water repellency analyses. A comprehensive comparative study was made of their performances in oil-water separation. Finally, a fluorinated ABC triblock copolymer poly(acrylic acid)-block-poly(2-cinnamoyloxyethyl methacrylate)-block-poly(2-perfluorooctylethyl methacrylate) (PAA-b-PCEMA-b-PFOEMA) was used to iii encapsulate air nanobubbles. The produced air nanobubbles were thermodynamically stable in water and were some 100 times more stable than commercially available perfluorocarbon-filled microbubbles under ultrasound. These nanobubbles, due to their small sizes and thus ability to permeate the capillary networks of organs and to reach tumors, may expand the applications of microbubbles in diagnostic ultrasonography and find new applications in ultrasound-regulated drug delivery.

Reversibly Photo-Crosslinkable Polycarbonate-Based Polymersomes for Drug Encapsulation and Delivery

This thesis describes the preparation of polymersomes from poly(ethylene glycol)-block-polycarbonate (PEG-PC) copolymers functionalized with pendant coumarin groups. Coumarin groups undergo photo-reversible dimerization when irradiated with specific ultraviolet wavelengths, so they can be used to prepare polymers with photo-responsive properties. In this case, the pendant coumarin groups enable stabilization of the polymersome membrane through photo-crosslinking of the hydrophobic block. Initially, several novel cinnamoyl and coumarin functionalized cyclic carbonate monomers were synthesized using ester, ether, or amide linkages. While the homopolymerization of these functionalized monomers proved challenging due to their high melting points, both cinnamoyl and coumarin functionalized monomers were successfully copolymerized with trimethylene carbonate (TMC) at 100 ℃ using a catalyst-free melt polymerization process where the TMC doubled as a solvent for the higher melting point monomer. Using this system, polycarbonate copolymers with up to 33% incorporation of the functionalized monomers were prepared. In addition, an investigation of some anomalous polymerization results identified previously unreported triethylamine-based catalysts for the melt polymerization of carbonate monomers. These studies also demonstrated that the catalyst-free polymerization of TMC occurs faster and at lower temperatures than previously reported. Subsequently, the photo-crosslinking of cinnamoyl and coumarin functionalized polycarbonates was compared and coumarin was identified as the more effective crosslinking agent when using 300-400 nm UV. An investigation of the photo-reversibility of the coumarin dimerization revealed no discernible change in the properties of crosslinked networks, but rapid photo-reversion in dilute solutions. The photo-crosslinking and photo-reversion kinetics of the coumarin functionalized polycarbonates were determined to be second-order in both cases. Finally, the self-assembly of PEG-PC diblock copolymers functionalized with coumarin was examined and both reverse solvent evaporation and solvent displacement were found to induce self-assembly, with hydrophilic mass fractions (f-factors) of 12-28% resulting in the formation of solid microparticles and nanoparticles and f-factors of 33-43% resulting in the formation of polymersomes. The stabilization of these polymersome membranes through photo-initiator-free photo-crosslinking was demonstrated with the crosslinking allowing polymersomes to withstand centrifugation at 12,000 x g. In addition, the encapsulation of calcein, as a model small molecule drug, in the stabilized polymersomes was successfully demonstrated using confocal microscopy.

Nanotechnology in the food industry I: applications

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

Nanotechnology in food industry II: risk assessment and legislation

Currently, there is increasing use of nanomaterials in the food industry thanks to the many advantages offered and make the products that contain them more competitive in the market. Their physicochemical properties often differ from those of bulk materials, which require specialized risk assessment. This should cover the risks to the health of workers and consumers as well as possible environmental risks. The risk assessment methods must go updating due to more widespread use of nanomaterials, especially now that are making their way down to consumer products. Today there is no specific legislation for nanomaterials, but there are several european dispositions and regulations that include them. This review gives an overview of the risk assessment and the existing current legislation regarding the use of nanotechnology in the food industry.

Toward A Reliable Quality Control Test For Microneedle Insertion

Microneedles (MNs) are emerging devices that can be used for the delivery of drugs at specific locations1. Their performance is primarily judged by different features and the penetration through tissue is one of the most important aspects to evaluate. For detailed studies of MN performance different kind of in-vitro, exvivo and in-vivo tests should be performed. The main limitation of some of these tests is that biological tissue is too heterogeneous, unstable and difficult to obtain. In addition the use of biological materials sometimes present legal issues. There are many studies dealing with artificial membranes for drug diffusion2, but studies of artificial membranes for Microneedle mechanical characterization are scarce3. In order to overcome these limitations we have developed tests using synthetic polymeric membranes instead of biological tissue. The selected artificial membrane is homogeneous, stable, and readily available. This material is mainly composed of a roughly equal blend of a hydrocarbon wax and a polyolefin and it is commercially available under the brand name Parafilm®. The insertion of different kind of MN arrays prepared from crosslinked polymers were performed using this membrane and correlated with the insertion of the MN arrays in ex-vivo neonatal porcine skin. The insertion depth of the MNs was evaluated using Optical coherence tomography (OCT). The implementation of MN transdermal patches in the market can be improved by make this product user-friendly and easy to use. Therefore, manual insertion is preferred to other kind of procedures. Consequently, the insertion studies were performed in neonatal porcine skin and the artificial membrane using a manual insertion force applied by human volunteers. The insertion studies using manual forces correlated very well with the same studies performed with a Texture Analyzer equipment. These synthetic membranes seem to mimic closely the mechanical properties of the skin for the insertion of MNs using different methods of insertion. In conclusion, this artificial membrane substrate offers a valid alternative to biological tissue for the testing of MN insertion and can be a good candidate for developing a reliable quality control MN insertion test.

Strahlenmodifizierte Kunststoffseilscheiben in Seiltrieben

Kunststoffseilscheiben sind leichter als Stahl- oder Graugussseilscheiben, woraus sich insbesondere bei Auslegerkranen Vorteile in deren Konstruktion und Handling-Eigenschaften ergeben. Während die Betriebsdauer von Stahlseilen über metallische Seilscheiben gut bestimmbar ist, ist diese Bestimmung bei Verwendung von Kunststoffseilscheiben nur ungenau möglich. In einem AiF-ZIM-Forschungsprojekt wurden strahlenvernetzte sowie naturbelassene Kunststoffseilscheiben auf ihre veränderten Gebrauchseigenschaften untersucht und mit den Ergebnissen beim Lauf über Stahlseilscheiben verglichen.

Suivi par élastographie ultrasonore après réparation endovasculaire d’anévrisme aorto-iliaque : étude de faisabilité in vivo

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et les anévrismes de l’aorte abdominale (AAAs) font partie de ce lot déplorable. Un anévrisme est la dilatation d’une artère pouvant conduire à la mort. Une rupture d’AAA s’avère fatale près de 80% du temps. Un moyen de traiter les AAAs est l’insertion d’une endoprothèse (SG) dans l’aorte, communément appelée la réparation endovasculaire (EVAR), afin de réduire la pression exercée par le flux sanguin sur la paroi. L’efficacité de ce traitement est compromise par la survenue d’endofuites (flux sanguins entre la prothèse et le sac anévrismal) pouvant conduire à la rupture de l’anévrisme. Ces flux sanguins peuvent survenir à n’importe quel moment après le traitement EVAR. Une surveillance par tomodensitométrie (CT-scan) annuelle est donc requise, augmentant ainsi le coût du suivi post-EVAR et exposant le patient à la radiation ionisante et aux complications des contrastes iodés. L’endotension est le concept de dilatation de l’anévrisme sans la présence d’une endofuite apparente au CT-scan. Après le traitement EVAR, le sang dans le sac anévrismal coagule pour former un thrombus frais, qui deviendra progressivement un thrombus plus fibreux et plus organisé, donnant lieu à un rétrécissement de l’anévrisme. Il y a très peu de données dans la littérature pour étudier ce processus temporel et la relation entre le thrombus frais et l’endotension. L’étalon d’or du suivi post-EVAR, le CT-scan, ne peut pas détecter la présence de thrombus frais. Il y a donc un besoin d’investir dans une technique sécuritaire et moins coûteuse pour le suivi d’AAAs après EVAR. Une méthode récente, l’élastographie dynamique, mesure l’élasticité des tissus en temps réel. Le principe de cette technique repose sur la génération d’ondes de cisaillement et l’étude de leur propagation afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu étudié. Cette thèse vise l’application de l’élastographie dynamique pour la détection des endofuites ainsi que de la caractérisation mécanique des tissus du sac anévrismal après le traitement EVAR. Ce projet dévoile le potentiel de l’élastographie afin de réduire les dangers de la radiation, de l’utilisation d’agent de contraste ainsi que des coûts du post-EVAR des AAAs. L’élastographie dynamique utilisant le « Shear Wave Imaging » (SWI) est prometteuse. Cette modalité pourrait complémenter l’échographie-Doppler (DUS) déjà utilisée pour le suivi d’examen post-EVAR. Le SWI a le potentiel de fournir des informations sur l’organisation fibreuse du thrombus ainsi que sur la détection d’endofuites. Tout d’abord, le premier objectif de cette thèse consistait à tester le SWI sur des AAAs dans des modèles canins pour la détection d’endofuites et la caractérisation du thrombus. Des SGs furent implantées dans un groupe de 18 chiens avec un anévrisme créé au moyen de la veine jugulaire. 4 anévrismes avaient une endofuite de type I, 13 avaient une endofuite de type II et un anévrisme n’avait pas d’endofuite. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été réalisés à l’implantation, puis 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois après le traitement EVAR. Une angiographie, un CT-scan et des coupes macroscopiques ont été produits au sacrifice. Les régions d’endofuites, de thrombus frais et de thrombus organisé furent identifiées et segmentées. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions furent comparées. Celles-ci furent différentes de façon significative (P < 0.001). Également, le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (1) et le DUS (3) ont échoué. Dans la continuité de ces travaux, le deuxième objectif de ce projet fut de caractériser l’évolution du thrombus dans le temps, de même que l’évolution des endofuites après embolisation dans des modèles canins. Dix-huit anévrismes furent créés dans les artères iliaques de neuf modèles canins, suivis d’une endofuite de type I après EVAR. Deux gels embolisants (Chitosan (Chi) ou Chitosan-Sodium-Tetradecyl-Sulfate (Chi-STS)) furent injectés dans le sac anévrismal pour promouvoir la guérison. Des examens échographiques, DUS et SWI ont été effectués à l’implantation et après 1 semaine, 1 mois, 3 mois et 6 mois. Une angiographie, un CT-scan et un examen histologique ont été réalisés au sacrifice afin d’évaluer la présence, le type et la grosseur de l’endofuite. Les valeurs du module d’élasticité des régions d’intérêts ont été identifiées et segmentées sur les données pathologiques. Les régions d’endofuites et de thrombus frais furent différentes de façon significative comparativement aux autres régions (P < 0.001). Les valeurs d’élasticité du thrombus frais à 1 semaine et à 3 mois indiquent que le SWI peut évaluer la maturation du thrombus, de même que caractériser l’évolution et la dégradation des gels embolisants dans le temps. Le SWI a pu détecter des endofuites où le DUS a échoué (2) et, contrairement au CT-scan, détecter la présence de thrombus frais. Finalement, la dernière étape du projet doctoral consistait à appliquer le SWI dans une phase clinique, avec des patients humains ayant déjà un AAA, pour la détection d’endofuite et la caractérisation de l’élasticité des tissus. 25 patients furent sélectionnés pour participer à l’étude. Une comparaison d’imagerie a été produite entre le SWI, le CT-scan et le DUS. Les valeurs de rigidité données par le SWI des différentes régions (endofuite, thrombus) furent identifiées et segmentées. Celles-ci étaient distinctes de façon significative (P < 0.001). Le SWI a détecté 5 endofuites sur 6 (sensibilité de 83.3%) et a eu 6 faux positifs (spécificité de 76%). Le SWI a pu détecter la présence d’endofuites où le CT-scan (2) ainsi que le DUS (2) ont échoué. Il n’y avait pas de différence statistique notable entre la rigidité du thrombus pour un AAA avec endofuite et un AAA sans endofuite. Aucune corrélation n’a pu être établie de façon significative entre les diamètres des AAAs ainsi que leurs variations et l’élasticité du thrombus. Le SWI a le potentiel de détecter les endofuites et caractériser le thrombus selon leurs propriétés mécaniques. Cette technique pourrait être combinée au suivi des AAAs post-EVAR, complémentant ainsi l’imagerie DUS et réduisant le coût et l’exposition à la radiation ionisante et aux agents de contrastes néphrotoxiques.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Quitosana na indução de resistência ao tombamento de plântulas de espécies olerícolas e no controle de fitopatógenos in vitro

Induction of resistance is defined as the activation of a state of resistance against diseases which is induced systemically in plants by the use of biotic or abiotic agents without any modification of the plant genome, occurring non-specific way, by activating genes coding for various plant defense responses. Chitosan is a polymer derived from the deacetylation of chitin, which is found in large quantities in crustacean shell, and studied with the potential to control plant pathogens, both by its direct fungistatic action, as the ability to induce protection of plants, indicating the presence of molecules of elicitoras characteristics. Three experiments with objective of evaluating the potential of chitosan in the seedling resistance induction were developed, beet (Beta vulgaris) seeds, cucumber (Cucumis sativus) seeds and tomato (Solanum lycopersicum) seeds, and the control of Fusarium sp., Rhizoctonia solani K¨uhn e Pythium sp. in vitro conditions. The experimental design was completely randomized, with four replications. Beet seeds, tomato and cucumber were submerged in chitosan solution for 20 minutes, in concentrations of 0.25, 0.5, 1 and 2% in the control and distilled water. Seeds were sown in trays containing Plantmax Florestalr substrate sterilized and inoculated with Fusarium sp., Rhizoctonia solani K¨unh and Pythium sp., respectively for the three cultures. The experiment was conducted for 14 days in growth chamber with controlled temperature (25 C 2 C), light (12 hour photoperiod) and humidity (70% 10%). The evaluations were seed emergency, seedling damping-off, seedling length, fresh weight and activity of the enzymes phenylalanine amˆonia-liase (PAL), chitinase and b-1,3-glucanase. It was also rated the mycelial growth of Fusarium sp., Pythium sp. and R. solani on P.D.A. (Potato-Dextrose and Agar) culture medium containing chitosan at the same concentrations evaluated in seeds. For beet growing, seed treatment with chitosan presented higher emergence and the length of the seedlings, and reduced the percentage of tipping. Treatment with chitosan activated the systemic acquired resistance with expression of chitinase and b-1,3-glucanase enzymes. For the tomato crop in chitosan concentration of 0.25% favored the emergency of seedlings, reduced the incidence of tipping and activated the PAL enzymes, chitinase and b-1,3-glucanase. In cucumber on the concentration of up 0.5% favored seedlings emergence and reduces the incidence of tipping. Chitosan activated the PAL enzymes and b-1,3-glucanase. Chitosan also presented fungistatic action on the initial growth of Pythium sp. and R. solani in vitro conditions, however, such action did not prevail until the end of the experiment. To Fusarium sp. the concentration of chitosan resulted in the reduction of mycelial growth in vitro.

Selluloosamembraanien kehittäminen ja testaus

Tämän työn tavoitteena oli selvittää, kuinka selluloosan lisääminen vaikuttaa polysulfonirunkoisiin membraaneihin. Lisäksi työssä selvitettiin selluloosamembraanien modifiointia kitosaanilla ja bentoniitilla. Työssä muodostettiin membraanit faasi-inversiotekniikalla. Selluloosamembraanien valmistuksessa jauhettu selluloosa liuotettiin ioniseen nesteeseen. Sekä polysulfonista että selluloosasta valmistetuille membraaneille määritettiin puhdasvesivuot ja retentiot. Retention määrittämiseen käytettiin malliaineena dekstraanin vesiliuosta. Lisäksi määriteltiin polysulfonipohjaisten membraanien hydrofiilisyys tutkimalla membraanien pintojen ja vesipisaroiden välisiä kontaktikulmia. Polysulfonimembraaneihin lisätyn selluloosan havaittiin pienentävän puhdasvesivuota ja kasvattavan hydrofiilisyyttä mitä enemmän selluloosaa oli membraanimatriisissa. Kaikkien selluloosalla modifioitujen membraanien retentiot olivat suurempia kuin modifioimattoman polysulfonimembraanin. Kitosaanilla modifioitujen selluloosamembraanien valmistus ei onnistunut johtuen luultavasti kitosaanin liian suuresta partikkelikoosta. Bentoniitilla modifioitujen membraanien vuot olivat merkittävästi suuremmat sekä niiden retentiot pienemmät verrattuna modifioimattomaan selluloosamembraaniin. Tämä johtui luultavasti siitä, että bentoniitin lisääminen aiheutti membraanirakenteeseen reikiä.

Produção de quitosana a partir de resíduos de camarão: análise do processo e da operação de secagem

A quitina é encontrada principalmente nos exoesqueletos de crustáceos, insetos e na parede celular de fungos. O biopolímero quitosana é obtido através da hidrólise alcalina da quitina. A despolimerização da quitosana é realizada para se obter um produto com valores baixos de massa molecular. O uso da quitosana em diversas áreas é diretamente relacionada com a massa molecular e o grau de desacetilação do polímero. Os objetivos deste trabalho foram o estudo da cinética de secagem de quitina em camada delgada utilizando um modelo difusivo, considerando a resistência externa à transferência de massa; a determinação do comportamento da massa molecular média viscosimétrica da quitosana, durante a secagem convectiva, em camada delgada; a otimização das etapas de desacetilação e despolimerização da quitosana. A quitina foi obtida de resíduos de camarão. Os experimentos da secagem de quitina e da quitosana foram em secador de bandejas, a 60°C, sendo que para a quitina foram utilizadas duas velocidades do ar de 0,5 e 1,5 m/s. A estimativa da viscosidade intrínseca foi através da equação de Huggins e a massa molecular da quitosana foi calculada pela equação de Mark-Houwink-Sakurada. As otimizações da reação de desacetilação e despolimerização foram realizadas utilizando a metodologia da superfície de resposta. Para a reação de desacetilação foram variados o tempo e a temperatura. Para a reação de despolimerização foram analisados a concentração de ácido clorídrico, a temperatura e o tempo de reação. O modelo difusivo com difusividade efetiva variável, utilizado para analisar a secagem de quitina, apresentou concordância com os dados experimentais, onde foi observado o efeito da resistência externa à transferência de massa, quando utilizada a menor velocidade do ar. A condição ótima da reação de desacetilação para massa molecular foi observada na temperatura de 130°C em 90 min, e correspondeu a massa molecular de 150 kDa e um grau de desacetilação de 90%. A operação de secagem da quitosana causou um aumento na massa molecular média viscosimétrica de 27% e este aumento foi linear com o tempo e a umidade do polímero, apresentando duas regiões. As condições da reação de despolimerização para alcançar 50 kDa foram à temperatura de reação de 65°C, concentração de ácido clorídrico de 35% v/v. Nestas condições a cinética de despolimerização foi de pseudo-primeira ordem, apresentando duas fases.