Control of wettability of carbon nanotube array by reversible dry oxidation for superhydrophobic coating and supercapacitor applications

In this thesis, dry chemical modification methods involving UV/ozone, oxygen plasma, and vacuum annealing treatments are explored to precisely control the wettability of CNT arrays. By varying the exposure time of these treatments the surface concentration of oxygenated groups adsorbed on the CNT arrays can be controlled. CNT arrays with very low amount of oxygenated groups exhibit a superhydrophobic behavior. In addition to their extremely high static contact angle, they cannot be dispersed in DI water and their impedance in aqueous electrolytes is extremely high. These arrays have an extreme water repellency capability such that a water droplet will bounce off of their surface upon impact and a thin film of air is formed on their surface as they are immersed in a deep pool of water. In contrast, CNT arrays with very high surface concentration of oxygenated functional groups exhibit an extreme hydrophilic behavior. In addition to their extremely low static contact angle, they can be dispersed easily in DI water and their impedance in aqueous electrolytes is tremendously low. Since the bulk structure of the CNT arrays are preserved during the UV/ozone, oxygen plasma, and vacuum annealing treatments, all CNT arrays can be repeatedly switched between superhydrophilic and superhydrophobic, as long as their O/C ratio is kept below 18%.

The effect of oxidation using UV/ozone and oxygen plasma treatments is highly reversible as long as the O/C ratio of the CNT arrays is kept below 18%. At O/C ratios higher than 18%, the effect of oxidation is no longer reversible. This irreversible oxidation is caused by irreversible changes to the CNT atomic structure during the oxidation process. During the oxidation process, CNT arrays undergo three different processes. For CNT arrays with O/C ratios lower than 40%, the oxidation process results in the functionalization of CNT outer walls by oxygenated groups. Although this functionalization process introduces defects, vacancies and micropores opening, the graphitic structure of the CNT is still largely intact. For CNT arrays with O/C ratios between 40% and 45%, the oxidation process results in the etching of CNT outer walls. This etching process introduces large scale defects and holes that can be obviously seen under TEM at high magnification. Most of these holes are found to be several layers deep and, in some cases, a large portion of the CNT side walls are cut open. For CNT arrays with O/C ratios higher than 45%, the oxidation process results in the exfoliation of the CNT walls and amorphization of the remaining CNT structure. This amorphization process can be implied from the disappearance of C-C sp2 peak in the XPS spectra associated with the pi-bond network.

The impact behavior of water droplet impinging on superhydrophobic CNT arrays in a low viscosity regime is investigated for the first time. Here, the experimental data are presented in the form of several important impact behavior characteristics including critical Weber number, volume ratio, restitution coefficient, and maximum spreading diameter. As observed experimentally, three different impact regimes are identified while another impact regime is proposed. These regimes are partitioned by three critical Weber numbers, two of which are experimentally observed. The volume ratio between the primary and the secondary droplets is found to decrease with the increase of Weber number in all impact regimes other than the first one. In the first impact regime, this is found to be independent of Weber number since the droplet remains intact during and subsequent to the impingement. Experimental data show that the coefficient of restitution decreases with the increase of Weber number in all impact regimes. The rate of decrease of the coefficient of restitution in the high Weber number regime is found to be higher than that in the low and moderate Weber number. Experimental data also show that the maximum spreading factor increases with the increase of Weber number in all impact regimes. The rate of increase of the maximum spreading factor in the high Weber number regime is found to be higher than that in the low and moderate Weber number. Phenomenological approximations and interpretations of the experimental data, as well as brief comparisons to the previously proposed scaling laws, are shown here.

Dry oxidation methods are used for the first time to characterize the influence of oxidation on the capacitive behavior of CNT array EDLCs. The capacitive behavior of CNT array EDLCs can be tailored by varying their oxygen content, represented by their O/C ratio. The specific capacitance of these CNT arrays increases with the increase of their oxygen content in both KOH and Et4NBF4/PC electrolytes. As a result, their gravimetric energy density increases with the increase of their oxygen content. However, their gravimetric power density decreases with the increase of their oxygen content. The optimally oxidized CNT arrays are able to withstand more than 35,000 charge/discharge cycles in Et4NBF4/PC at a current density of 5 A/g while only losing 10% of their original capacitance.

Influência do equilíbrio redox na resistência a fibrose pulmonar induzida por bleomicina em camundongos

O desenvolvimento de fibrose pulmonar (FP) induzida por bleomicina tem sido associado com as características genéticas e estresse oxidativo. Nosso objetivo foi investigar a influência do equilíbrio redox sobre a resistência a fibrose pulmonar induzida por bleomicina em diferentes linhagens de camundongos. Uma única dose de bleomicina (0,1 U/camundongo) ou salina (50 mL) foi administrada por via intratraqueal (i.t.) em camundongos C57BL/6, DBA/2 e camundongos BALB/c. Vinte e um dias após a administração de bleomicina, a taxa de mortalidade foi acima de 50% em camundongos C57BL/6 e 20% em DBA/2, enquanto não foi observada em BALB/c. Houve um aumento na elastância (p<0.001), ΔP2 (p<0.05), ΔPtot (p<0.01) e DE,l (p<0.05) em camundongos C57BL/6. O volume dos septos aumentaram em camundongos C57BL/6 (p<0.05) e DBA/2 (p<0.001). Os níveis de INF-γ foram reduzidas em camundongos C57BL/6 (p<0.01). Níveis OH-prolina foram aumentados em camundongos C57BL/6 e DBA/2 (p<0.05). Atividade e expressão de SOD foram reduzidas em camundongos C57BL/6 e DBA/2 (p<0.001 e p<0.001, respectivamente), enquanto que a atividade de CAT reduziu em todas as linhagens (C57BL/6: p<0.05; DBA/2: p<0.01, BALB/c: p<0.01). A atividade da GPx e expressão GPx 1/2 diminuiram em camundongos C57BL/6 (p<0.001). Nós concluímos que a resistência da FP pode também estar relacionada com a atividade e expressão de SOD em camundongos BALB/c

Nano-polypyrrole supercapacitor arrays prepared by layer-by-layer assembling method in anodic aluminum oxide templates

A novel method for preparing nano-supercapacitor arrays, in which each nano-supercapacitor consisted of electropolymerized Polypyrrole (PPy) electrode / porous TiO2 separator / chemical polymerized PPy electrode, was developed in this paper. The nano-supercapacitors were fabricated in the nano array pores of anodic aluminum oxide template using the bottom-up, layer-by-layer synthetic method. The nano-supercapacitor diameter was 80 nm, and length 500 nm. Based on the charge/discharge behavior of nano-supercapacitor arrays, it was found that the PPy/TiO2/PPy array supercapacitor devices performed typical electrochemical supercapacitor behavior. The method introduced here may find application in manufacturing nano-sized electrochemical power storage devices in the future for their use in the area of microelectronic devices and microelectromechanical systems.

Influência do desequilíbrio redox e resposta inflamatória na fibrose pulmonar associada a estímulo inflamatório prévio

A fibrose pulmonar é uma doença pulmonar crônica caracterizada pelo acúmulo excessivo de matriz extracelular (MEC) e um remodelamento na arquitetura pulmonar. Embora já se saiba da participação do estresse oxidativo e da inflamação na fibrose de forma isolada, é importante observar como se comporta o estresse oxidativo na fibrose quando esta ocorre associada a uma doença de base. O presente estudo teve como objetivo investigar o perfil inflamatório e oxidativo na fibrose pulmonar associado ao enfisema pulmonar prévio. Camundongos C57BL/6 foram divididos em três grupos: grupo controle (n=5) que receberam salina intranasal (50 l) e foram sacrificados no 21 dia; grupo bleomicina (BLEO) (n=15) que receberam bleomicina intratraqueal (0.1 U/animal) no dia 0 e foram sacrificados nos 7 (n=5), 14 (n=5) e 21 (n=5) dias e grupo PPE (elastase) + BLEO (n=21) que receberam elastase (3U/animal) e após 14 dias receberam bleomicina e foram sacrificados nos 14(n=7), 21 (n=7), 28 (n=7) e 35 (n=7) dias. Foram realizadas análises histológicas através de H&E e picro-sirius; análises bioquímicas para superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), glutationa peroxidase (GPx) e glutationa-S-transferase (GST) e ELISA para Interleucina (IL)-1β e IL-6. A fibrose pulmonar ocorreu a partir do 14 dia (p<0.001) e o enfisema concomitante a fibrose pulmonar a partir do 28 dia (p<0.001) e um aumento de fibras colágenas no grupo BLEO 21(p<0.001) e PPE + BLEO 21(p<0.001). As enzimas antioxidantes CAT (p<0.01), SOD (p<0.01) e GPx (p<0.01) reduziram e a GST aumentou no grupo BLEO 21 dias (p<0.05). No grupo PPE + BLEO 21 dias houve redução das enzimas antioxidantes CAT, SOD, GPx (p<0.05) e GST. Os níveis de óxido foram altos nos grupos BLEO 21 dias (p<0.01) e PPE + BLEO 21 dias (p<0.01). A IL-1β mostrou-se elevada no grupo BLEO 7 dias quando comparado ao controle (p<0.001) e ao grupo PPE + BLEO 7 dias (p<0.01). Concluímos que a resposta inflamatória inibiu a ação do sistema antioxidante contribuindo para o agravamento da lesão. Isso sugere que terapias anti-inflamatórias podem contribuir tanto para redução da resposta inflamatória quanto de forma indireta no sistema antioxidante.

Papel do sistema renina-angiotensina e do desequilíbrio redox em modelo experimental de pré-eclâmpsia induzida por L-NAME

Pré-eclâmpsia (PE), uma síndrome sistêmica da gestação caracterizada por proteinúria e hipertensão, está associada a uma significativa mortalidade tanto materna quanto fetal. Eentretanto, sua fisiopatologia ainda não é totalmente compreendida. Apesar de um expressivo aumento da atividade do sistema renina-angiotensina (SRA) na gestação normal, a pressão arterial não aumenta. Além disso, a redução da pressão de perfusão intra-uterina promove um aumento na liberação de espécies reativas de oxigênio que podem contribuir para a hipertensão na gestação. Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi estudar o papel do SRA vascular, assim como, do estresse oxidativo plasmático, cardiorenal e placentário para a regulação cardiovascular materna em ratas normotensas e em modelo de PE induzida por L-NAME. Foi observado um aumento da pessão arterial em animais que receberal L-NAME. As ratas grávidas + L-NAME apresentaram um menor ganho de massa corporal durante a gestação, menor múmero de filhotes vivos, maior número de abortos, menor massa placentária total e fetos com menor massa corporal. Foi observada uma redução na resposta vasodilatadora induzida por acetilcolina (ACh) e angiotensina (Ang) II, aumento na resposta vasodilatadora induzida por nitroglicerina (NG) e aumento na resposta vasoconstritora induzida por fenilefrina (Phe) e Ang II em LAM de ratas grávida e não grávidas que receberam L-NAME. Não foi observada diferença na expressão dos receptores AT1 e AT2 e das enzimas ECA, ECA2 e eNOS. Foi observado um aumento na concentração plasmática de renina e bradicinina (BK) em ratas grávidas + L-NAME e uma redução na concentração de Ang 1-7. As ratas grávidas e grávidas + L-NAME apresentaram um aumento nos níveis séricos de estradiol. Os níveis de malondialdeído e carbonilação de proteínas estava aumentados e a atividade das enzimas antioxidantes SOD e GPx estavam reduzidas em ratas grávidas e não grávidas que receberam L-NAME. A atividade da CAT não apresentou diferença entre os grupos. Em conclusão, uma redução na vasodilatação induzida pela Ang II associada a um aumento da vasoconstrição promovida por este peptídeo, sugerem uma contribuição do SRA no desenvolvimento das complicações características da PE observadas no modelo experimental de PE induzido por L-NAME. Do mesmo modo, a peroxidação lipídica e oxidação de proteínas aumentadas, assim como, as atividades enzimáticas antioxidantes reduzidas sugerem a contribuição de uma defesa antioxidante comprometida e um dano oxidativo aumentado para o desenvolvimento da hipertensão e disfunção endotelial, aumento da mortalidade fetal e retardo do crescimento intra-uterino observados no modelo de PE estudado.

Modulação redox da homeostase de células musculares lisas através de estimuladores do sistema NADPH oxidase

As doenças cardiovasculares representam a principal causa de morte nos países ocidentais. Dentre essas doenças, a aterosclerose é que mais se destaca, sendo caracterizada pelo acúmulo de células musculares lisas vasculares (CMLV). O efeito patológico das CMLV em resposta a diferentes estímulos pode acarretar em disfunções nestas células. É notável que a aterosclerose ocorra principalmente em vasos sinuosos onde ocorre um forte turbilhonamento do fluxo sanguíneo, que pode acarretar em hemólise e, consequentemente, acúmulo de heme livre. Além disso, no processo de aterogênese as moléculas de adesão, principalmente integrinas, são de crucial importância durante a resposta de CMLV. Nesse trabalho nosso objetivo inicial foi avaliar o efeito do heme livre nas funções de CMLV, bem como os mecanismos moleculares por trás desses efeitos. Em uma segunda parte, investigamos o envolvimento da integrina α1ß1 no efeito da Angiotensina II (Ang II) em CMLV. Nós observamos que o heme livre é capaz de induzir a proliferação e migração de CMLV via espécies reativas de oxigênio (ERO) provenientes da NADPHoxidase (NADPHox). Adicionalmente vimos que o heme ativa vias de sinalização redox-sensíveis relacionadas à proliferação celular, como MAPKinases e o fator de transcrição NFκB. Também observamos que há uma ligação entre a NADPHox e o sistema heme oxigenase (HO), uma vez que o heme induz a expressão de HO-1 e o pré-tratamento das CMLV com inibidores de HO levam ao aumento tanto o efeito proliferação quanto a indução de ERO promovidas pelo heme. Além disso, vimos que o efeito contra-regulatório promovido pela HO ocorre devido as metabolites do heme: biliverdina, bilirrubina e monóxido de carbono. Por último, quando bloqueamos tanto a NADPHox quanto o sistema HO o heme não teve efeito algum na proliferação de CMLV. Em um segundo estudo, observamos que o efeito da Ang II sobre a migração de CMLV foi inibido quando as células foram pré-tratadas com o ligante da integrina α1ß1, a desintegrina Obtustatina. A seguir observamos que o efeito da Ang II na ativação de FAK e na colocalização actina-ILK é dependente da integrina α1ß1, que possivelmente ativa PKCα, uma vez que vimos que a produção de ERO induzida por Ang II foi inibida pela Obtustatina. Vimos que a indução da expressão de ILK por Ang II em CMLV é dependente da integrina α1ß1 e também observamos que a Obtustatina inibibiu o desacoplamento de ILK da FAK, uma vez que a Obtustatina bloqueou a fosforilação de FAK induzida por Ang II (processo crucial para o desacoplamento da ILK). Nós também observamos que a Ang II induz, via integrina α1ß1, a fosforilação de AKT e a diminuição da expressão de p21, provavelmente via ILK. Corroborando estes dados, nós mostramos que o pré-tratamento com Obtustatina induziu um estacionamento na fase G0 e diminuição da proliferação de CMLV tratadas com Ang II. Portanto, mostramos nesse trabalho que o heme livre induz a ativação de CML via NADPHox, que é elegantemente contra-regulado pelo sistema HO. Além disso, sugerimos que a integrina α1ß1 pode ser um importante alvo molecular para o desenvolvimento de intervenções mais efetivas para a aterosclerose.

A influência do metabolismo redox na transmissão da doença de Chagas

As formas epimastigotas de Trypanosoma cruzi proliferam e se diferenciam no interior de diferentes compartimentos do trato digestivo dos triatomíneos. Esses ambientes antagônicos, no que diz respeito à concentração de nutrientes, pH e status redox, constituem um desafio para o protozoário por conterem moléculas e fatores capazes de deflagrar diferentes sinalizações e respostas no parasito. Por isso, testamos a influência de produtos abundantes do metabolismo do vetor e de status redox distintos, frente aos processos de proliferação e diferenciação in vivo e in vitro. Como exemplo temos o heme e a hemozoína, subprodutos da digestão da hemoglobina, e o urato, rico na urina dos insetos. O heme é uma importante molécula em todos os seres vivos. Nosso grupo mostrou seu papel na proliferação in vitro de T. cruzi e que esse sinal é governado pela enzima redox-sensível CaMKII (Lara et al., 2007; Souza et al., 2009). Esse efeito parece depender de uma sinalização redox, onde o heme e não seus análigos induz a formação de EROs, modulando a atividade da CaMKII (Nogueira et al, 2011). Apesar de gerar espécies reativas de oxigênio (EROs) em formas epimastigotas, o heme não alterou a ultraestrutura desses parasitos mostrando uma adaptação a ambientes oxidantes. Além disso, a adição de FCCP inibiu a formação de EROs mitocondrial, diminuindo a proliferação dos parasitos. Em contrapartida, a AA aumentou drasticamente a produção de EROs mitocondrial levando à morte dos epimastigotas. Estes resultados confirmam a hipótese de regulação redox do crescimento de epimastigotas. A formação de β- hematina (hemozoína) constitui uma elegante estratégia para minimizar o efeito tóxico do heme nos insetos hematófagos. Contudo, a β-hematina não influenciou a proliferação ou a metaciclogênese in vitro. Já o urato, e outros antioxidantes clássicos como o GSH e o NAC prejudicaram a proliferação in vitro de epimastigotas. Estes efeitos foram parcialmente revertidos quando os antioxidantes foram incubados juntamente com o heme. Durante a metaciclogênese in vitro, o NAC e o urato induziram um aumento significativo das formas tripomastigotas e levaram a diminuição da porcentagem de formas epimastigotas. Em contrapartida, o heme e a β-hematina apresentaram o efeito oposto, diminuindo a porcentagem de formas tripomastigotas e aumentando a de epimastigotas. No intuito de confirmar a influencia do status redox na biologia do parasito in vivo, nós quantificamos a carga parasitária nas porções anterior e posterior e no reto do triatomíneo alimentado na presença ou na ausência de NAC e urato por qPCR. O tratamento com os antioxidantes aumentou a carga parasitária em todas as partes do intestino analisadas. Posteriormente, para diferenciar as formas evolutivas responsáveis pelo incremento da carga parasitária, foram realizadas contagens diferenciais nas mesmas porções do intestino do inseto vetor. Cinco dias após a infecção foi observado aumento significativo de formas tripomastigotas e diminuição de formas epimastigotas in vivo. Em conjunto, estes dados sugerem que, assim como a concentração de nutrientes e o pH, o status redox também pode influenciar a biologia do T. cruzi no interior do inseto vetor. Neste cenário, moléculas oxidantes agiriam a favor da proliferação, e em contraste, antioxidantes parecem favorecer a metaciclogênese.