Synthesis and evaluation of polymer nanoparticles for delivery in RPE cells

Ocular pathologies are among the most debilitating medical conditions affecting all segments of the population. Traditional treatment options are often ineffective, and gene therapy has the potential to become an alternative approach for the treatment of several pathologies. Methacrylate polymers have been described as highly biocompatible and are successfully used in medical applications. Due to their cationic nature, these polymers can be used to form polyplexes with DNA for its delivery. This work aims to study the potential of PDMAEMA (poly(2-(N,N’-dimethylamino)ethyl methacrylate)) as a non viral gene delivery system to the retina. The first part of this work aimed to study the potential for gene delivery of a previously synthesized PDMAEMA polymer of high molecular weight (354kDa). In the second part, we synthesized by RAFT a PDMAEMA with a lower molecular weight (103.3kDa) and similarly, evaluated its ability to act as a gene delivery vehicle. PDMAEMA/DNA polyplexes were prepared at 5, 7.5, 10, 12.5 and 20 nitrogen/phosphorous (N/P) ratio for the 354kDa PDMAEMA and at 5 and 7.5 for the 103.3kDa PDMAEMA. Dynamic light scattering and zeta potential measurements confirmed the nanosize and positive charge of polyplexes for all ratios and for both polymers. Both high and low Mw PDMAEMA were able to efficiently complex and protect DNA from DNase I degradation. Their cytotoxicity was evaluated using a non-retinal cell line (HEK293) and a retinal pigment epithelium (RPE) cell line (D407). We have found that cytotoxicity of the free polymer is concentration and time dependent, as expected, and negligible for all the concentrations of the PDMAEMA-DNA polyplexes. Furthermore, for the concentrations to be used in vivo, the 354kDa PDMAEMA showed no signs of inflammation upon injection in the intravitreal space of C57BL/6 mice. The transfection efficiency, as evaluated by fluorescence microscopy and flow cytometry, showed that the D407 retinal cells were transfected by polyplexes of both high and low Mw PDMAEMA, but with varied efficiency, which was dependent on the N/P ratio. Althogether, these results suggest that PDMAEMA is a feasible candidate for non-viral gene delivery to the retina, and this work constitutes the basis of further studies to elucidate the bottleneck in transfection and further optimization of the material.

Electrical characterization of metal-oxide-polymer devices for non-volatile memory applications

The objective of this thesis is to study the properties of resistive switching effect based on bistable resistive memory which is fabricated in the form of Al2O3/polymer diodes and to contribute to the elucidation of resistive switching mechanisms. Resistive memories were characterized using a variety of electrical techniques, including current-voltage measurements, small-signal impedance, and electrical noise based techniques. All the measurements were carried out over a large temperature range. Fast voltage ramps were used to elucidate the dynamic response of the memory to rapid varying electric fields. The temperature dependence of the current provided insight into the role of trapped charges in resistive switching. The analysis of fast current fluctuations using electric noise techniques contributed to the elucidation of the kinetics involved in filament formation/rupture, the filament size and correspondent current capabilities. The results reported in this thesis provide insight into a number of issues namely: (i) The fundamental limitations on the speed of operation of a bi-layer resistive memory are the time and voltage dependences of the switch-on mechanism. (ii) The results explain the wide spread in switching times reported in the literature and the apparently anomalous behaviour of the high conductance state namely the disappearance of the negative differential resistance region at high voltage scan rates which is commonly attributed to a “dead time” phenomenon which had remained elusive since it was first reported in the ‘60s. (iii) Assuming that the current is filamentary, Comsol simulations were performed and used to explain the observed dynamic properties of the current-voltage characteristics. Furthermore, the simulations suggest that filaments can interact with each other. (iv) The current-voltage characteristics have been studied as a function of temperature. The findings indicate that creation and annihilation of filaments is controlled by filling and neutralizing traps localized at the oxide/polymer interface. (v) Resistive switching was also studied in small-molecule OLEDs. It was shown that the degradation that leads to a loss of light output during operation is caused by the presence of a resistive switching layer. A diagnostic tool that predicts premature failure of OLEDs was devised and proposed. Resistive switching is a property of oxides. These layers can grow in a number of devices including, organic light emitting diodes (OLEDs), spin-valve transistors and photovoltaic devices fabricated in different types of material. Under strong electric fields the oxides can undergo dielectric breakdown and become resistive switching layers. Resistive switching strongly modifies the charge injection causing a number of deleterious effects and eventually device failure. In this respect the findings in this thesis are relevant to understand reliability issues in devices across a very broad field.

Development of non-viral vectors for gene therapy for pathologies of the retina

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2015

Locust bean gum-based microparticles for pulmonary delivery of antibiotics

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Test and development of microcapsules for rigid polyurethane foam

Tese de mestrado em Química Tecnológica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Avaliação do desempenho de fibras óticas de plástico

A fibra ótica de plástico (POF) tem despertado um grande interesse nas comunicações de banda larga em curtas distâncias, devido à sua simplicidade de instalação, grande flexibilidade e custo reduzido. Por estas razões consiste numa boa alternativa ao cabo coaxial, de par entrelaçado ou mesmo à fibra ótica de sílica (GOF) multimodo. As POFs trabalham na região do visível do espectro eletromagnético ao contrário das GOFs que operam no infravermelho. O valor do índice de refração do núcleo de uma POF depende do tipo de material constituinte, em que o mais comum é o polimetilmetacrilato (PMMA) e o polímero de flúor (PF). O perfil do índice de refração do núcleo pode ser índice em degrau (SI) ou índice gradual (GI). Por serem constituídas por materiais poliméricos, a atenuação e dispersão do sinal é muito maior do que nas GOFs, levando a que só possam ser utilizadas em ligações de distâncias inferiores a 1 km. De forma a fazer a análise do desempenho de sistemas de comunicação ótica com POF, foi utilizado o software de simulação VPIphotonics™ com o qual se fez a parametrização dos componentes, nomeadamente a fonte ótica, a fibra e o fotodetetor. A qualidade do sinal foi analisada através de figuras de mérito como o BER, o diagrama de olho, o diagrama da constelação QAM e o EVM. Dos resultados obtidos concluiu-se que a POF Lucina™ é a que apresenta o melhor desempenho para transmissão de dados com elevados débitos binários (até 40 Gbps), devido a ser constituída por PF e ter um perfil do índice de refração do núcleo do tipo GI. Como tal, esta POF foi escolhida para se implementar na simulação de uma arquitetura DVB-c FTTH, juntamente com uma GOF monomodo, onde os sinais QAM transmitidos a partir da central do operador foram recebidos com sucesso na casa do cliente.

Velocidade da corrosão do aço em argamassas cimentícias modificadas com polímeros

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Amplificação em imunohistoquímica: estudo comparativo de sistemas de polímeros

Desde o início da utilização da imunohistoquímica em anatomia patológica, um dos objetivos tem sido detetar as quantidades mais ínfimas de antigénio, tornando-o visível ao microscópio ótico. Vários sistemas de amplificação têm sido aplicados de forma a concretizar este objetivo, tendo surgido um grupo genérico de métodos simples e que apresentam uma amplificação superior: são os denominados métodos do polímero indireto. Tendo em conta a variedade de métodos disponíveis, o autor propõe-se a comparar a qualidade de quatro sistemas de amplificação, que recorrem ao método do polímero indireto com horseradish peroxidase (HRP). Foram utilizadas lâminas de diferentes tecidos, fixados em formol e incluídos em parafina, nos quais se procedeu à identificação de 15 antigénios distintos. Na amplificação recorreu-se a quatro sistemas de polímero indireto (Dako EnVision+ System – K4006; LabVision UltraVision LP Detection System – TL-004-HD; Leica NovoLink – RE7140-k; Vector ImmPRESS Reagent Kit – MP-7402). A observação microscópica e classificação da imunomarcação obtida foram feitas com base num algoritmo que enquadra intensidade, marcação específica, marcação inespecífica e contraste, num score global que pode tomar valores entre 0 e 25. No tratamento dos dados, para além da estatística descritiva, foi utilizado o teste one-way ANOVA com posthoc de tukey (alfa=0.05). O melhor resultado obtido, em termos de par média/desvio-padrão, dos scores globais foi o do NovoLink (22,4/2,37) e o pior foi o do EnVision+ (17,43/3,86). Verificou-se ainda que existe diferença estatística entre os resultados obtidos pelo sistema NovoLink e os sistemas UltraVision (p=.004), ImmPRESS (p=.000) e EnVision+ (p=.000). Concluiu-se que o sistema que permitiu a obtenção de melhores resultados, neste estudo, foi o Leica NovoLink.

Estudo de retardantes de chama, isentes de halogéneos, em espumas de poliuretano monocomponente

Estágio de natureza profissional para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Caracterização do “warpage” e sua variabilidade no processo produtivo de encapsulamento de circuitos integrados

Nos últimos anos a indústria de semicondutores, nomeadamente a produção de memórias, tem sofrido uma grande evolução. A necessidade de baixar custos de produção, assim como de produzir sistemas mais complexos e com maior capacidade, levou à criação da tecnologia WLP (Wafer Level Packaging). Esta tecnologia permite a produção de sistemas mais pequenos, simplificar o fluxo do processo e providenciar uma redução significativa do custo final do produto. A WLP é uma tecnologia de encapsulamento de circuitos integrados quando ainda fazem parte de wafers (bolachas de silício), em contraste com o método tradicional em que os sistemas são individualizados previamente antes de serem encapsulados. Com o desenvolvimento desta tecnologia, surgiu a necessidade de melhor compreender o comportamento mecânico do mold compound (MC - polímero encapsulante) mais especificamente do warpage (empeno) de wafers moldadas. O warpage é uma característica deste produto e deve-se à diferença do coeficiente de expansão térmica entre o silício e o mold compound. Este problema é observável no produto através do arqueamento das wafers moldadas. O warpage de wafers moldadas tem grande impacto na manufatura. Dependendo da quantidade e orientação do warpage, o transporte, manipulação, bem como, a processamento das wafers podem tornar-se complicados ou mesmo impossíveis, o que se traduz numa redução de volume de produção e diminuição da qualidade do produto. Esta dissertação foi desenvolvida na Nanium S.A., empresa portuguesa líder mundial na tecnologia de WLP em wafers de 300mm e aborda a utilização da metodologia Taguchi, no estudo da variabilidade do processo de debond para o produto X. A escolha do processo e produto baseou-se numa análise estatística da variação e do impacto do warpage ao longo doprocesso produtivo. A metodologia Taguchi é uma metodologia de controlo de qualidade e permite uma aproximação sistemática num dado processo, combinando gráficos de controlo, controlo do processo/produto, e desenho do processo para alcançar um processo robusto. Os resultados deste método e a sua correta implementação permitem obter poupanças significativas nos processos com um impacto financeiro significativo. A realização deste projeto permitiu estudar e quantificar o warpage ao longo da linha de produção e minorar o impacto desta característica no processo de debond. Este projecto permitiu ainda a discussão e o alinhamento entre as diferentes áreas de produção no que toca ao controlo e a melhoria de processos. Conseguiu–se demonstrar que o método Taguchi é um método eficiente no que toca ao estudo da variabilidade de um processo e otimização de parâmetros. A sua aplicação ao processo de debond permitiu melhorar ou a fiabilidade do processo em termos de garantia da qualidade do produto, como ao nível do aumento de produção.

Elétrodo de pasta de carbono molecularmente impresso para deteção voltamétrica de Furazolidona

A furazolidona é uma substância ativa do medicamento Giarlam que contém um espetro anti-bacteriano relativamente amplo e que é frequentemente usado para tratar certas doenças bacterianas e protozoárias no homem. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabólitos exige o desenvolvimento constante de métodos analíticos eficientes. Neste trabalho desenvolveu-se um novo sensor eletroquímico para a deteção da furazolidona, baseado num elétrodo de pasta de carbono modificado com um polímero molecularmente impresso. A procura de novos materiais que permitam uma melhor seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção é especialmente importante no desenvolvimento de métodos analíticos. Os polímeros molecularmente impressos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais frequente como ferramenta importante em química analítica. Assim, sintetizou-se um polímero com cavidades seletivas para a Furazolidona. Este polímero foi, misturado com grafite e perafina de modo a produzir uma pasta de carbono. Uma seringa de plástico foi usada como suporte da pasta de carbono. O comportamento eletroquímico do sensor foi avaliado e diversas condições de utilização foram estudadas e otimizadas. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade do pico e a concentração numa gama de concentrações entre 1 e 100 μM, um limite de deteção de 1 μM e uma precisão (repetibilidade) inferior a 7%. A aplicabilidade do sensor fabricado em amostras complexas foi avaliada pela deteção do fármaco em amostras de urina.

Desenvolvimento de um biossensor para Ácido Glutâmico

A presente dissertação tem com objetivo o desenvolvimento de um biossensor com base nos polímeros de impressão molecular para a deteção de uma molécula alvo, o ácido glutâmico que é convertido em glutamina pela glutamina sintetase, recorrendo à potenciometria. Nas células neoplásicas a glutamina não é sintetizada podendo-se considerar que o ácido glutâmico é um potencial agente anti-cancro. A técnica de impressão molécular utilizada foi a polimerização em bulk, combinando a acrilamida e a bis acrilamida com o ácido glutâmico. Para se verificar se a resposta potenciométrica obtida era de facto da molécula alvo foram preparados em paralelo com os sensores, materiais de controlo, ou seja, moléculas sem impressão molécular (NIP). Para se controlar a constituíção química dos vários sensores nomeadamente, do NIP e do polímero de impressão molecular (MIP) antes e após a remoção bem como a molécula foram realizados estudos de Espetroscopia de Infravermelhos de Transformada de Fourier (FTIR), Scanning electron microscope (SEM) e Espetroscopia de Raios X por dispersão em energia (EDS). Os materiais desenvolvidos foram aplicados em várias membranas que diferiam umas das outras, sendo seletivas ao ião. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na análise das curvas de calibração, conseguidas em meios com pHs diferentes, comparando os vários elétrodos. O pH 5 foi o que apresentou melhor resultado, associado a uma membrana que continha um aditivo, o p-tetra-octilphenol, e com o sensor com percentagem de 3%. Posto isto, testou-se em material biológico, urina, com as melhores características quer em termos de sensibilidade (18,32mV/década) quer em termos de linearidade (1,6x10-6 a 1,48x10-3 mol/L). Verificou-se ainda que aplicando iões interferentes na solução, estes não interferem nesta, podendo ser aplicados na amostra sem que haja alteração na resposta potenciométrica. O elétrodo é capaz de distinguir o ácido glutâmico dos restantes iões presentes na solução.

Construção de um sensor eletroquímico molecularmente impresso para monitorização do cancro da mama

O Cancro da mama é uma doença cuja incidência tem vindo a aumentar de ano para ano e além disso é responsável por um grande número de mortes em todo mundo. De modo a combater esta doença têm sido propostos e utilizados biomarcadores tumorais que permitem o diagnóstico precoce, o acompanhamento do tratamento e/ou a orientação do tipo tratamento a adotar. Atualmente, os biomarcadores circulantes no sangue periférico recomendados pela Associação Americana de Oncologia Clinica (ASCO) para monitorizar os pacientes durante o tratamento são o cancer antigen 15-3 (CA 15-3), o cancer antigen 27.29 (CA 27.29) e o cancer embryobic antigen (CEA). Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquímico (voltamétrico) para monitorizar o cancro da mama através da análise do biomarcador CA 15-3. Inicialmente realizou-se o estudo da adsorção da proteína na superfície do elétrodo para compreender o comportamento do sensor para diferentes concentrações. De seguida, estudaram-se três polímeros (poliaminofenol, polifenol e polifenilenodiamina) e selecionou-se o poliaminofenol como o polímero a utilizar, pois possuía a melhor percentagem de alteração de sinal. Após a seleção do polímero, este foi depositado na superfície do elétrodo por eletropolimerização, formando um filme polimérico molecularmente impresso (MIP) à volta da proteína (molde). Posteriormente, foram analisados cinco solventes (água, mistura de dodecil sulfato de sódio e ácido acético, ácido oxálico, guanidina e proteinase K) e o ácido oxálico revelou ser mais eficaz na extração da proteína. Por último, procedeu-se à caraterização do sensor e analisou-se a resposta analítica para diferentes concentrações de CA 15-3 revelando diferenças claras entre o NIP (polímero não impresso) e o MIP.

Estudo da Produção de Towpregs e Transformação por Pultrusão

Durante as últimas décadas, os materiais compósitos têm substituído com sucesso os materiais tradicionais em muitas aplicações de engenharia, muito devido às excelentes propriedades que se conseguem obter com a combinação de materiais diferentes. Nos compósitos reforçados com fibras longas ou contínuas tem-se verificado, ao longo dos últimos anos, um aumento do uso de matrizes termoplásticas, fruto de várias vantagens associadas, como o facto de serem bastante mais ecológicas, comparativamente às termoendurecíveis. No entanto, este aumento está muito dependente do desenvolvimento de novas tecnologias de processamento, pois a elevada viscosidade dos termoplásticos, comparativamente aos termoendurecíveis, dificulta significativamente o processo. Muitos equipamentos de produção de termoplásticos são resultado de adaptações de equipamentos de produção de termoendurecíveis, onde normalmente é necessário adicionar fornos de pré-aquecimento. Neste trabalho, pretendeu-se produzir pré-impregnados de fibras contínuas com matriz termoplástica, por deposição a seco de polímero em pó sobre fibras de reforço (denominados por towpreg) para, posteriormente, serem transformados por pultrusão e caracterizados. As matérias-primas utilizadas foram: Polipropileno (PP) como matriz termoplástica e fibra de carbono como reforço. Por forma a melhorar as propriedades finais do compósito, foram otimizadas as condições de processamento na produção dos towpregs, estudando-se a influência da variação dos parâmetros de processamento no teor de polímero presente nestes, tendo como objetivo teores mássicos de polímero superiores a 30%. A condição ótima e a influência dos parâmetros de processamento foram obtidas com o auxílio do Método de Taguchi. Os perfis produzidos por pultrusão foram sujeitos a ensaios de flexão, de forma a obter as suas propriedades quando sujeitos a esse tipo de esforço. Foram também realizados ensaios de calcinação de forma a obter as frações mássicas de fibra e polímero presentes no compósito final. Sabidas as frações mássicas, converteramse em frações volúmicas e obtiveram-se as propriedades teoricamente esperadas através da Lei das Misturas e compararam-se com as obtidas experimentalmente. As propriedades obtidas foram também comparadas com as de outros compósitos pultrudidos.

Produção de quitosano e desenvolvimento de novos materiais a partir de resíduos alimentares

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Ciência e Engenharia dos Materiais