Optimising drug solubilisation in amorphous polymer dispersions: rational selection of hot-melt extrusion processing parameters

The aim of this article was to construct a T–ϕ phase diagram for a model drug (FD) and amorphous polymer (Eudragit® EPO) and to use this information to understand the impact of how temperature–composition coordinates influenced the final properties of the extrudate. Defining process boundaries and understanding drug solubility in polymeric carriers is of utmost importance and will help in the successful manufacture of new delivery platforms for BCS class II drugs. Physically mixed felodipine (FD)–Eudragit® EPO (EPO) binary mixtures with pre-determined weight fractions were analysed using DSC to measure the endset of melting and glass transition temperature. Extrudates of 10 wt% FD–EPO were processed using temperatures (110°C, 126°C, 140°C and 150°C) selected from the temperature–composition (T–ϕ) phase diagrams and processing screw speed of 20, 100 and 200rpm. Extrudates were characterised using powder X-ray diffraction (PXRD), optical, polarised light and Raman microscopy. To ensure formation of a binary amorphous drug dispersion (ADD) at a specific composition, HME processing temperatures should at least be equal to, or exceed, the corresponding temperature value on the liquid–solid curve in a F–H T–ϕ phase diagram. If extruded between the spinodal and liquid–solid curve, the lack of thermodynamic forces to attain complete drug amorphisation may be compensated for through the use of an increased screw speed. Constructing F–H T–ϕ phase diagrams are valuable not only in the understanding drug–polymer miscibility behaviour but also in rationalising the selection of important processing parameters for HME to ensure miscibility of drug and polymer.

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.

Drug Polymer Thermodynamic Phase Diagrams in the Selection of Optimal API-Polymer Compositions for Amorphous Solid Dispersions

Purpose The aim of this work was to examine, for amorphous solid dispersions, how the thermal analysis method selected impacts on the construction of thermodynamic phase diagrams, and to assess the predictive value of such phase diagrams in the selection of optimal, physically stable API-polymer compositions. Methods Thermodynamic phase diagrams for two API/polymer systems (naproxen/HPMC AS LF and naproxen/Kollidon 17 PF) were constructed from data collected using two different thermal analysis methods. The “dynamic” method involved heating the physical mixture at a rate of 1 &[deg]C/minute. In the "static" approach, samples were held at a temperature above the polymer Tg for prolonged periods, prior to scanning at 10 &[deg]C/minute. Subsequent to construction of phase diagrams, solid dispersions consisting of API-polymer compositions representative of different zones in the phase diagrams were spray dried and characterised using DSC, pXRD, TGA, FTIR, DVS and SEM. The stability of these systems was investigated under the following conditions: 25 &[deg]C, desiccated; 25 &[deg]C, 60 % RH; 40 &[deg]C, desiccated; 40 &[deg]C, 60 % RH. Results Endset depression occurred with increasing polymer volume fraction (Figure 1a). In conjunction with this data, Flory-Huggins and Gordon-Taylor theory were applied to construct thermodynamic phase diagrams (Figure 1b). The Flory-Huggins interaction parameter (&[chi]) for naproxen and HPMC AS LF was + 0.80 and + 0.72, for the dynamic and static methods respectively. For naproxen and Kollidon 17 PF, the dynamic data resulted in an interaction parameter of - 1.1 and the isothermal data produced a value of - 2.2. For both systems, the API appeared to be less soluble in the polymer when the dynamic approach was used. Stability studies of spray dried solid dispersions could be used as a means of validating the thermodynamic phase diagrams. Conclusion The thermal analysis method used to collate data has a deterministic effect on the phase diagram produced. This effect should be considered when constructing thermodynamic phase diagrams, as they can be a useful tool in predicting the stability of amorphous 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

Dual interfacial modifications of hierarchically structured iodine-doped ZnO photoanodes for high-efficiency dye-sensitized solar cells

A nanocomposite porous electrode structure consisting of hierarchical iodine-doped zinc oxide (I-ZnO) aggregates combined with the two simple solution-processed interfacial modifications i.e. a ZnO compact layer (CL) and a TiO2 protective layer (PL) has been developed in order to understand electron transport and recombination in the photoanode matrix, together with boosting the conversion efficiency of I-ZnO based dye-sensitized solar cells (DSCs). Electrochemical impedance spectra demonstrate that ZnO CL pre-treatment and TiO2 PL post-treatment synergistically reduce charge-transfer resistance and suppress electron recombination. Furthermore, the electron lifetime in two combined modifications of IZnO + CL + PL photoelectrode is the longest in comparison with the other three photoelectrodes. As a consequence, the overall conversion efficiency of I-ZnO + CL + PL DSC is significantly enhanced to 6.79%, with a 36% enhancement compared with unmodified I-ZnO DSC. Moreover, the stability of I-ZnO + CL + PL cell is improved as compared to I-ZnO one. The mechanism of electron transfer and recombination upon the introduction of ZnO CL and TiO2 PL is also proposed in this work.

Upgrading of suberin from cork and birch outer bark

O trabalho aqui apresentado teve como principal propósito o estudo do potencial da suberina como fonte de produtos de química fina e como precursor de novos materiais macromoleculares de origem renovável. O interesse na suberina reside, não só na sua ubiquidade e nas suas propriedades únicas em termos de composição química e hidrofobicidade, mas também no facto de ser um dos principais componentes macromoleculares dos subprodutos da indústria corticeira de Quercus suber L. no Sul da Europa, e da indústria de pasta de papel do Norte da Europa, que utiliza a Betula pendula Roth como matéria-prima. A primeira parte do presente trabalho consistiu no estudo detalhado da composição química da cortiça de Quercus suber L. e respectivos resíduos industriais bem como da casca de Betula pendula Roth recorrendo a diferentes técnicas de caracterização, nomeadamente GC-MS, IV, RMN de 1H e de 13C, DSC, termomicroscopia, TGA e difracção de raios-X. Os resultados mostraram que os produtos de despolimerização da suberina representam tipicamente uma fracção substancial de todas as amostras. Para além da suberina, foram também identificados nas diversas amostras quantidades variáveis de compostos triterpénicos, lenhina, polissacarídeos e matéria inorgânica. Os principais resultados da análise por GC-MS mostraram que todas as amostras de suberina despolimerizada são fontes abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos, bem como dos correspondentes derivados epóxidados. No entanto, as quantidades relativas de cada componente identificado foram significativamente diferentes entre amostras. Por exemplo, em amostras de suberina da casca de Quercus suber L. isoladas por metanólise alcalina o composto maioritário encontrado foi o ácido 22-hidroxidocosanóico, enquanto que a suberina também proveniente da cortiça, mas isolada por hidrólise alcalina era composta maioritariamente pelo ácido 9,10-dihidroxioctadecanóico. Já no caso da amostra de suberina despolimerizada proveniente da casca externa da bétula o composto identificado como mais abundante foi o ácido 9,10-epoxi-18-hidroxioctadecanóico. A caracterização das diversas amostras de suberina despolimerizada por FTIR e RMN de 1H e de 13C foram concordantes com os resultados de GC-MS, evidenciando a sua natureza predominantemente lipofílica. Foi ainda determinada a razão entre os grupos CO2H/OH e CO2CH3/OH por RMN de 1H das amostras convenientemente derivatizadas com isocianato de tricloroacetilo, verificando-se que a suberina despolimerizada possuía quantidades não-estequiométricas destes grupos funcionais. A investigação do comportamento térmico das amostras de suberina despolimerizada, por DSC e termomicroscopia, bem como a análise por difracção de raios-X, permitiu concluir que algumas amostras de suberina despolimerizada possuíam importantes domínios cristalinos e pontos de fusão bem definidos, tipicamente próximos de 70 oC, enquanto outras amostras eram essencialmente amorfa. Factores como a fonte de suberina ou as condições de despolimerização estiveram na origem destas diferenças. iv Neste trabalho estudaram-se também os extractáveis lipofílicos da cortiça e dos seus resíduos industriais, em particular os do pó industrial de cortiça e dos condensados negros, mostrando que os extractáveis lipofílicos são uma fonte abundante de compostos triterpénicos, em particular de ácido betulínico e de friedelina. Foram ainda identificadas fracções abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos no condensado negro. A segunda parte deste trabalho abordou a síntese e a caracterização de novos poliésteres alifáticos derivados de suberina. Estes materiais foram sintetizados utilizando, quer misturas de suberina despolimerizada, quer monómeros modelo estruturalmente análogos aos existentes na suberina. Recorreu-se para o efeito a duas aproximações distintas de polimerização por passos, a policondensação e a politransesterificação. Procurou-se em simultâneo maximizar a eficiência da polimerização em termos de peso molecular e de extensão da reacção e utilizar condições de reacção de química “verdes”. Neste sentido, utilizou-se a policondensação em emulsão utilizando um tensioactivo como catalisador e a policondensação em massa utilizando a lipase B de Candida antarctica. Adicionalmente foram também testado os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto(III) no caso da policondensação, e ainda os catalisadores clássicos óxido de antimónio(III) e o carbonato de potássio no caso da politransesterificação. Os poliésteres resultantes foram caracterizados através de várias técnicas, tais como IV, RMN (de 1H e de 13C), DSC, DMA, TGA, difracção de raios-X e medidas dos ângulos de contacto. Verificou-se que os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto (III), óxido de antimónio(III) e carbonato de potássio conduziram aos rendimentos de isolamento dos polímeros resultantes mais elevados. No caso dos poliésteres derivados da suberina os resultados em termos de rendimentos e pesos moleculares sofreram um incremento substancial quando a estequiometria da reacção de polimerização foi adequadamente balanceada (r=1) com a adição de uma quantidade extra de um comonómero. Verificou-se a predominância de diferentes estruturas consoante a amostra de suberina utilizada e as condições de síntese adoptada, predominando as cadeias lineares ou então quantidades substanciais de estruturas reticuladas. Globalmente, este primeiro estudo sistemático da utilização de suberina como um precursor de novos poliésteres alifáticos confirmou o elevado potencial deste recurso abundante e renovável como precursor para preparar materiais macromoleculares.

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.

Portuguese georesources suitability for medical hydrology applications

In Portugal, there is an old tradition in using clayey materials for therapeutic purposes. They are applied in pelotherapy, at several beaches of the Atlantic coast in the form of clay-sea water mixtures (peloids) to treat skin and rheumatic diseases. During many generations, peloids have been applied without scienti c studies that prove their therapeutic validity. In the last decade, the Portuguese scienti c community has become increasingly more interested in assessing the properties that make clayey materials suitable for therapeutic purposes. The abundance of clayey formations and the established practices of medical hydrology in our country turned this interest into a new perspective of application. The studied materials include di erent clays (in age and origin) mainly collected from well-known Mesozoic-Cenozoic formations, in some cases outcropping at beaches where empirical applications occur. This thesis focus in the study of silt-clay fraction (< 63 m).To determine their suitability for therapy, compositional, physicochemical, technological, thermal and rheological properties were assessed. Conventional techniques (XRD, XRF and Sedigraph) were used to assess compositional features of silt-clay fraction. Electron microscopy (SEM, VPSEM, HREM) was used to study the micromorphology and composition of clay fraction (< 2 m). Physicochemical properties (cation exchange and speci c surface) were assessed using the Ammonium Acetate and BET methods. Technological properties (plasticity and abrasivity indices) were assessed using the Atterberg limits and Einlehner abrasion tests. Thermal properties (speci c heat and cooling kinetics) were estimated by DSC analysis and cooling tests. Pharmacotechnical tests (compressibility index, sediment volume and Brook eld viscosity) were used to assess the powder owability as well as the physical stability and viscosity of clay-water dispersions. We selected as suitable Portuguese clays for health applications the samples A-Pe, A-Be2, A-Sd, J-Fr , M-To, C-Lu1, C-Lu2, Pl-Ba, M-Ga and J-Ab because they represent safe materials, with an adequate composition, good technological, physicochemical and thermal properties for application, also presenting an adequate rheology when dispersed in water. Their most relevant characteristics are the high clay minerals content, abundant smectite, illite and kaolinite, and safe hazardous concentrations. They also showed moderate capacity to exchange Ca 2+, high plasticity, low abrasivity, high speci c heat and slow cooling kinetics. They evidenced fair powder owability and good potential to formulate viscous dispersions when stabilized. Because the majority of the assessed characteristics are in accordance with those presented by clays applied in European spas for pelotherapy, we considered this group of clays also suitable for medical hydrology treatments in Portuguese spas.

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.

Novas dispersões aquosas com morfologia controlada para revestimentos

O objetivo desta dissertação foi o desenvolvimento de dispersões poliméricas acrílicas, passíveis de serem usadas como ligantes em esmaltes aquosos que sejam capazes de conferir características especiais como elevada resistência ao empilhamento e à nódoa, assim como reduzir o impacto no ambiente quer através da utilização de matérias-primas de fontes renováveis, quer pela substituição de esmaltes de base solvente por esmaltes de base aquosa. Depois de uma introdução em que se contextualiza o conhecimento e as práticas nas áreas de polimerização em emulsão e revestimentos decorativos, são descritos e discutidos os resultados das várias etapas de desenvolvimento efetuadas ao longo do qual foram exploradas diferentes vias: - Funcionalização de polímeros acrílicos procurando melhorar as propriedades de superfície através da introdução de monómeros com grupos funcionais amina, epóxido e acetoacetoxilo; - Formulação de dispersões poliméricas com partículas de morfologia heterogénea, otimizando-se as suas propriedades de superfície em função da variação da composição monomérica das diferentes fases, da partição entre as duas fases poliméricas e diferentes níveis de monómero funcional. Complementaram-se os resultados com seleções afinadas baseadas em ensaios delineados através de planeamento de experiências. - Modificação dos produtos obtidos para melhoria de propriedades de resistência à nódoa, através da adição de aditivos específicos; - Teste de emulsionantes com origem em fontes renováveis quer aniónicos, quer não-iónicos. Todas as dispersões aquosas foram caracterizadas de acordo com as suas características mais relevantes entre as quais a temperatura mínima de formação de filme, o tamanho médio de partícula e a formação de grumos. As formulações mais promissoras foram também caracterizadas por 1H - NMR, FTIR, DSC, STEM e AFM). Seguidamente com essas dispersões foram preparados esmaltes com as dispersões aquosas mais promissoras que foram caracterizados exaustivamente em termos de propriedades de relevo para a aplicação decorativa em madeira. Os objetivos principais do trabalho foram atingidos, tendo sido desenvolvido um produto com morfologia heterogénea que apresenta elevada resistência ao empilhamento e propriedades antinódoa aceitáveis capaz de substituir os esmaltes de base solvente. A sua produção foi validada através do fabrico industrial (scale-up) e introdução no mercado. Relativamente à utilização de matérias-primas de fontes renováveis, esta carece ainda de otimizações futuras.

Catalytic routes to convert saccharides to furanic aldehydes

The conversion of plant biomass-derived carbohydrates (preferably non-edible) into added-value products is envisaged to be at the core of the future biorefineries. Carbohydrates are the most abundant natural organic polymers on Earth. This work deals with the chemical valorisation of plant biomass, focusing on the acid-catalysed conversion of carbohydrates (mono and polysaccharides) to furanic aldehydes, namely 2-furaldehyde (Fur) and 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (Hmf), which are valuable platform chemicals that have the potential to replace a variety of oil derived chemicals and materials. The investigated reaction systems can be divided into two types depending on the solvent used to dissolve the carbohydrates in the reaction medium: water or ionic liquid-based systems. The reaction temperatures were greater than 150 ºC when the solvent was water, and lower than 150 º C in the cases of the ionic liquid-based catalytic systems. As alternatives to liquid acids (typically used in the industrial production of Fur), solid acid catalysts were investigated in these reaction systems. Aiming at the identification of (soluble and insoluble) reaction products, complementary characterisation techniques were used namely, FT-IR spectroscopy, liquid and solid state NMR spectroscopy, TGA, DSC and GC´GC-ToFMS analyses. Complex mixtures of soluble reaction products were obtained and different types of side reactions may occur. The requirements to be put on the catalysts for these reaction systems partly depend on the type of carbohydrates to be converted and the reaction conditions used. The thermal stability is important due to the fact that formation of humins and catalyst coking phenomena are characteristically inherent to these types of reactions systems leading to the need to regenerate the catalyst which can be effectively accomplished by calcination. Special attention was given to fully inorganic nanoporous solid acids, amorphous or crystalline, and consisting of nano to micro-size particles. The investigated catalysts were silicoaluminophosphates, aluminosilicates and zirconium-tungsten mixed oxides which are versatile catalysts in that their physicochemical properties can be fine-tuned to improve the catalytic performances in the conversion of different substrates (e.g. introduction of mesoporosity and modification of the acid properties). The catalytic systems consisting of aluminosilicates as solid acids and water as solvent seem to be more effective in converting pentoses and related polysaccharides into Fur, than hexoses and related polysaccharides into Hmf. The investigated solid acids exhibited fairly good hydrothermal stabilities. On the other hand, ionic liquid-based catalytic systems can allow reaching simultaneously high Fur and Hmf yields, particularly when Hmf is obtained from D-fructose and related polysaccharides; however, catalyst deactivation occurs and the catalytic reactions take place in homogeneous phase. As pointed out in a review of the state of the art on this topic, the development of truly heterogeneous ionic liquid-based catalytic systems for producing Fur and Hmf in high yields remains a challenge.

Barrier properties of poly(lactic acid) based films

In recent years, the search for a environmentally friendly products has increased. One of the major challenges has been the demand for biodegradable materials that can replace plastic. If a few decades ago, plastic replaced, for example, the ivory in billiard balls, and in other products, saving the lives of thousands elephants, nowadays a replacement for that plastic is being searched, to prevent the change of the environmental conditions, essential to life in harmonly with the fauna and flora that the human specie has, in recent years, destroyed. Plastic is a petroleum derivate, whose price has been growing exponentially, mainly due to the fact of beind a cheap material and also to enable the production of products that are essential to modern life. Therefore, the petrochemical era is going to come to an end and a new environmentally sustainable era, based on biodegradable materials from renewable sources, will follow. The change to green routes only will be possible with the support of the major companies, and the implementation of drastic governmental law. Poly(lactic acid), PLA, is produced from the lactose present in the corn or sugarcane and has been intensively studied in recent years because if some limitants properties required its extrusion are overcome, it has the potential to replace the traditional polymers. PLA have high brittleness, low toughness and low tensile elongation. In this work, natural antioxidant (alpha-tocopherol) and synthetics antioxidants (BHT ant TBHQ) were added to the PLA with the aim not only to improve their flexibility, but also to create an active packaging to extend the shelf life of the foods and improve the organoleptic properties by preventing food losses. The impact of the addition of antioxidants into the PLA films, in its mechanical, thermal and barrier properties were studied by FTIR, DSC, SEM, AFM, DMA, TGA, QCM and time-lag techniques.

Enzymatic grafting: A novel approach to develop multifunctional materials of interest

Today more than 99% of plastics are petroleum-based because of the availability and cost of the raw material. The durability of disposed plastics contributes to the environmental problems as waste and their persistence in the environment causes deleterious effects on the ecosystem. Environmental pollution awareness and the demand for green technology have drawn considerable attention of both academia and industry into biodegradable polymers. In this regard green chemistry technology has the potential to provide solution to this issue. Enzymatic grafting has recently been the focus of green chemistry technologies due to the growing environmental concerns, legal restrictions, and increasing availability of scientific knowledge. Over the last several years, research covering various applications of robust enzymes like laccases and lipases has been increased rapidly, particularly in the field of polymer science, to graft multi-functional materials of interest. In principle, enzyme-assisted grafting may modify/impart a variety of functionalities to the grafted composites which individual materials fail to demonstrate on their own. The modified polymers through grafting have a bright future and their development is practically boundless. In the present study series of graft composites with poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB) as side chain and cellulose as a backbone polymer were successfully synthesised by introducing enzymatic grafting technique where laccase and lipase were used as model catalysts [1-3]. Subsequently, the resulting composites were removed from the casting surface under ambient environment and characterised by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) in detail. Moreover, the thermo-mechanical behaviours of the grafted composites were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analyser (DMA) measurements, respectively. In addition, hydrophobic and hydrophilic characteristics of the grafted polymers were studied through drop contour analysis using water contact angle (WCA). In comparison to the individual counterparts improvement was observed in the thermo- mechanical properties of the composites to varied extent. The tensile strength, elongation at break, and Young’s modulus values of the composites reached their highest levels in comparison to the films prepared with pure P(3HB) only which was too fragile to measure any of the above said characteristics. Interestingly, untreated P(3HB) was hydrophobic in nature and after lipase treatment P(3HB) and P(3HB)-EC-based graft composite attained higher level of hydrophilicity. This is a desired characteristic that enhances the biocompatibility of the materials for proper cell adhesion and proliferation therefore suggesting potential candidates for tissue engineering/bio-medical type applications [3]. The present research will be a first step in the biopolymer modification. To date no report has been found in literature explaining the laccase/lipase assisted grafting of P(3HB) [1-3]. The newly grafted composites exhibit unique functionalities with wider range of potential applications in bio-plastics, pharmaceutical, and cosmetics industries, tissue engineering, and biosensors. [1] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Cellulose 21, 3613-3621 (2014). [2] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Carbohydrate Polymers 113, 131-137 (2014). [3] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Polymer Chemistry In-Press, DOI: 10.1039/C4PY0 0857J (2014).

Laccase-assisted bio-grafting of polyhydroxy-alkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) backbone

In the present study, a novel enzyme-based methodology for grafting Polyhydroxyalkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) as a backbone polymer was developed. Laccase assisted copolymerization was carried out under mild and eco-friendly reaction conditions. The resulting homogeneous composite membranes were characterized by Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), and Atomic Force Microscopy (AFM). The FTIR spectra of pure PHAs and PHAs containing graft composites (PHAs-g-EC) showed their strong characteristic bands at 1721 cm1, 1651 cm-1 and 1603 cm-1 respectively. Other accompanying bands in the range of 900-1300 cm-1 correspond to C=O vibration and C-O-C bond stretching, which could be contributed from PHAs and EC, respectively. The high intensity of the 3358 cm-1 band in the graft composite may have corresponded to the degradation of the carboxylic group from PHAs and also showed an increase of hydrogen-bonded groups at that distinct band region. The morphology was examined by SEM, which showed the well dispersed PHAs crystals in the backbone polymer of EC. XRD pattern for PHAs showed distinct peaks at 2-Theta values of 28o, 32o, 34o, 39o, 46o, 57o, 64o, 78o and 84o that represent the crystalline nature of PHAs. In comparison with those of neat PHAs, the degree of crystallinity for PHAs-g-EC decreased and this reduction is mainly because of the new cross-linking of PHAs within the EC backbone that changes the morphology and destroys the crystallites. Improved mechanical properties were observed for the PHAs-g-EC as compared to the individual components due to the impregnation of EC as reinforcement into the PHAs matrix. Improved mechanical strength enhanced thermal properties, along with low crystallinity of the present PHAs-g-EC suggesting its potential for various industrial and bio-medical applications.