Patterned CNT-PDMS nanocomposites for flexible pressure sensors

This paper reports the fabrication process and characterization of a flexible pressure sensor based on polydimethylsiloxane (PDMS) and multi-walled carbon nanotubes (CNT-PDMS). The proposed approach relies on patterned CNT-PDMS nanocomposite strain gauges fabricated with SU-8 microstructures (with the micropatterns) in a low‑cost and simple fabrication process. This nanocomposite polymer is mounted over a PDMS membrane, which, in turn, lies on top of a PDMS diaphragm like structure. This configuration enables the PDMS membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the nanocomposite strain gauges, effectively changing their electrical resistance. Carbon nanotubes have several advantages such as excellent mechanical properties, high electrical conductivity and thermal stability. Furthermore, the measurement range of the proposed sensor can be adapted according to the application by varying the CNTs content and geometry of microstructure. In addition, the sensor’s biocompatibility, low cost and simple fabrication makes it very appealing for biomechanical strain sensing. The sensor’s sensitivity was about 0.073%ΔR/mmHg.

Flexible gastrointestinal motility pressure sensors based on aluminum thin-film strain-gauge arrays

This paper reports on an innovative approach to measuring intraluminal pressure in the upper gastrointestinal (GI) tract, especially monitoring GI motility and peristaltic movements. The proposed approach relies on thin-film aluminum strain gauges deposited on top of a Kapton membrane, which in turn lies on top of an SU-8 diaphragm-like structure. This structure enables the Kapton membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the strain gauges and effectively changing their electrical resistance. The sensor, with an area of 3.4 mm2, is fabricated using photolithography and standard microfabrication techniques (wet etching). It features a linear response (R2 = 0.9987) and an overall sensitivity of 2.6 mV mmHg−1. Additionally, its topology allows a high integration capability. The strain gauges’ responses to pressure were studied and the fabrication process optimized to achieve high sensitivity, linearity, and reproducibility. The sequential acquisition of the different signals is carried out by a microcontroller, with a 10-bit ADC and a sample rate of 250 Hz. The pressure signals are then presented in a user-friendly interface, developed using the Integrated Development Environment software, QtCreator IDE, for better visualization by physicians.

Biomimetic superhydrophobic surfaces patterned with wettable spots as implantable chips for in vivo high-content 3D biomaterials response assessment

"Tissue engineering: part A", vol. 21, suppl. 1 (2015)

Micro/nano-structured superhydrophobic surfaces in the biomedical field: part I: basic concepts and biomimetic approaches.

Inspired by natural structures, great attention has been devoted to the study and development of surfaces with extreme wettable properties. The meticulous study of natural systems revealed that the micro/nano-topography of the surface is critical to obtaining unique wettability features, including superhydrophobicity. However, the surface chemistry also has an important role in such surface characteristics. As the interaction of biomaterials with the biological milieu occurs at the surface of the materials, it is expected that synthetic substrates with extreme and controllable wettability ranging from superhydrophilic to superhydrophobic regimes could bring about the possibility of new investigations of cellâ material interactions on nonconventional surfaces and the development of alternative devices with biomedical utility. This first part of the review will describe in detail how proteins and cells interact with micro/nano-structured surfaces exhibiting extreme wettabilities.

Introducing biomimetic approaches to materials development and product design for engineering students

In this paper, we present a new course entitled “Biomimicry: from life to nanotechnological innovations” at the Mines Nancy Engineering School, Nancy, France, and explain how we developed a specific curriculum covering biomimicry. We discuss strategies that can be followed by teachers to explain selected contents in the multi-disciplinary field of biomimicry and/or bioinspiration to undergraduate students and how practical classroom activities can be conducted as individual or team work. We hope that sharing our experience will help teachers and senior researchers disseminate useful concepts and real examples of biomimetic principles and tools for the development of new materials, new/improved design and fabrication strategies, and innovation methodologies.

Development of multifunctional coatings deposited on polymers based sensors for biomedical applications

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia de Materiais)

Development of a water-in-oil-in-water multiple emulsion system integrating biomimetic aqueous-core lipid nanodroplets for protein entity stabilization. Part I: experimental factorial design

Lipid nanoballoons integrating multiple emulsions of the type water-in-oil-in-water enclose, at least in theory, a biomimetic aqueous-core suitable for housing hydrophilic biomolecules such as proteins, peptides and bacteriophage particles. The research effort entertained in this paper reports a full statistical 23x31 factorial design study (three variables at two levels and one variable at three levels) to optimize biomimetic aqueous-core lipid nanoballoons for housing hydrophilic protein entities. The concentrations of protein, lipophilic and hydrophilic emulsifiers, and homogenization speed were set as the four independent variables, whereas the mean particle hydrodynamic size (HS), zeta potential (ZP) and polydispersity index (PI) were set as the dependent variables. The V23x31 factorial design constructed led to optimization of the higher (+1) and lower (-1) levels, with triplicate testing for the central (0) level, thus producing thirty three experiments and leading to selection of the optimized processing parameters as 0.015% (w/w) protein entity, 0.75% (w/w) lipophilic emulsifier (soybean lecithin) and 0.50% (w/w) hydrophilic emulsifier (poloxamer 188). In the present research effort, statistical optimization and production of protein derivatives encompassing full stabilization of their three-dimensional structure, has been attempted via housing said molecular entities within biomimetic aqueous-core lipid nanoballoons integrating a multiple (W/O/W) emulsion.

Experimental procedures for the identification of material properties of intervertebal disc - a contribution for the development of biomimetic substitutes for the nucleus pulposus

Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica.

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Sensores basados en nanocavidades de sistemas supramoleculares. Sensors based on nanocavities of supramolecular systems.

Uno de los grandes desafíos analíticos es resolver la complejidad del análisis de cantidades trazas de compuestos orgánicos debido a la baja sensibilidad analítica de las técnicas usuales que permiten una determinación específica como IR o RMN. El uso de espectrofotometría UV-Visible y espectroluminiscencia, técnicas que presentan mayor sensibilidad, se ve dificultada en muchos casos por el efecto matriz producido en el tratamiento de muestras reales y complejas o pérdida de la selectividad debido a la superposición de bandas.La interacción por formación de complejos entre determinados sustratos y receptores macrocíclicos que presentan poros o cavidades nanométricas, puede afectar las propiedades espectroscópicas de los sustratos. La respuesta de técnicas sensibles puede traducirse así en un análisis selectivo debido al reconocimiento molecular que se establece entre un dado receptor y el sustrato de interés. Por otra parte puede mejorar la sensibilidad debido a efectos de micropolaridad del medio, a efectos de restricciones de grados de libertad, por compartamentalización o protección de los estados excitados de los sustratos incluidos. El uso analítico de receptores selectivos es un área actualmente en desarrollo, que permite una rápida determinación de especies químicas, disminuyendo el efecto de interferentes, mejorando la sensibilidad y disminuyendo el tratamiento de la muestra.Se estudiarán los mecanismos involucrados en las interacciones y los factores que los modifican por técnicas espectroscópicas como UV-visible, RMN y luminiscencia. Se determinarán los parámetros analíticos por luminiscencia en los medios y condiciones en que la sensibilidad analítica muestre el mayor incremento. Se realizarán las pruebas de validación en las mejores condiciones para cada uno y mezclas de analitos relacionados en muestras reales.

Caracterització d'oscil·ladors basats en CMOS-M/NEMS i la seva aplicació com a sensors de massa

El present projecte tracta sobre la caracterització d'oscil·ladors basats en ressonadors micro/nanoelectromecànics (M/NEMS) i la seva aplicació com a sensors de massa. Els oscil·ladors utilitzats es basen en un pont i una palanca ressoants M/NEMS, integrats en tecnologia CMOS. En primer lloc s'ha fet una introducció teòrica als conceptes utilitzats per a entendre el funcionament i la caracterització dels dispositius. A continuació s'han realitzat proves per tal de caracteritzar els paràmetres importants per a l'ús dels oscil·ladors com a sensors de massa, com la seva estabilitat en freqüència. Per acabar s'han aplicat aquests sensors en la caracterització i modelització del flux de massa a través d'obertures de dimensions micromètriques.

A gene knockout approach in mice to identify glucose sensors controlling glucose homeostasis.

A key aspect of glucose homeostasis is the constant monitoring of blood glucose concentrations by specific glucose sensing units. These sensors, via stimulation of hormone secretion and activation of the autonomic nervous system (ANS), regulate tissue glucose uptake, utilization or production. The best described glucose detection system is that of the pancreatic beta-cells which controls insulin secretion. Secretion of other hormones, in particular glucagon, and activation of the ANS, are regulated by glucose through sensing mechanisms which are much less well characterized. Here I review some of the studies we have performed over the recent years on a mouse model of impaired glucose sensing generated by inactivation of the gene for the glucose transporter GLUT2. This transporter catalyzes glucose uptake by pancreatic beta-cells, the first step in the signaling cascade leading to glucose-stimulated insulin secretion. Inactivation of its gene leads to a loss of glucose sensing and impaired insulin secretion. Transgenic reexpression of the transporter in GLUT2/beta-cells restores their normal secretory function and rescues the mice from early death. As GLUT2 is also expressed in other tissues, these mice were then studied for the presence of other physiological defects due to absence of this transporter. These studies led to the identification of extra-pancreatic, GLUT2-dependent, glucose sensors controlling glucagon secretion and glucose utilization by peripheral tissues, in part through a control of the autonomic nervous system.

Desenvolupament d'una xarxa de sensors i actuadors sense fils de propòsit industrial

Aquesta memòria de projecte final de carrera és un estudi i implementació bàsica de l’estat actual en quant a les tecnologies/protocols sense fils existents, en particular centrat en ZigBee sobre la plataforma CC2430 de Texas Instruments, per a una aplicació industrial amb una taxa de transferència de dades baixa, que no presenta un alt grau de complexitat, però que requereix gran versatilitat i fiabilitat.