Electrospinning of silica sub-microtubes mats with platinum nanoparticles for NO catalytic reduction

Silica sub-microtubes loaded with platinum nanoparticles have been prepared in flexible non-woven mats using co-axial electrospinning technique. A partially gelated sol made from tetraethyl orthosilicate was used as the silica precursor, and oil was used as the sacrificial template for the hollow channel generation. Platinum has been supported on the wall of the tubes just adding the metallic precursor to the sol–gel, thus obtaining the supported catalyst by one-pot method. The silica tubes have a high aspect ratio with external/internal diameters of 400/200 nm and well-dispersed platinum nanoparticles of around 2 nm. This catalyst showed a high NO conversion with very high selectivity to N2 at mild conditions in the presence of excess oxygen when using C3H6 as reducing agent. This relevant result reveals the potential of this technique to produce nanostructured catalysts onto easy to handle conformations.

Theranostic Fibers for Simultaneous Imaging and Drug Delivery

New methods for creating theranostic systems with simultaneous encapsulation of therapeutic, diagnostic, and targeting agents are much sought after. This work reports for the first time the use of coaxial electrospinning to prepare such systems in the form of core–shell fibers. Eudragit S100 was used to form the shell of the fibers, while the core comprised poly(ethylene oxide) loaded with the magnetic resonance contrast agent Gd(DTPA) (Gd(III) diethylenetriaminepentaacetate hydrate) and indomethacin as a model therapeutic agent. The fibers had linear cylindrical morphologies with clear core–shell structures, as demonstrated by electron microscopy. X-ray diffraction and differential scanning calorimetry proved that both indomethacin and Gd(DTPA) were present in the fibers in the amorphous physical form. This is thought to be a result of intermolecular interactions between the different components, the presence of which was suggested by infrared spectroscopy. In vitro dissolution tests indicated that the fibers could provide targeted release of the active ingredients through a combined mechanism of erosion and diffusion. The proton relaxivities for Gd(DTPA) released from the fibers into tris buffer increased (r1 = 4.79–9.75 s–1 mM–1; r2 = 7.98–14.22 s–1 mM–1) compared with fresh Gd(DTPA) (r1 = 4.13 s–1 mM–1 and r2 = 4.40 s–1 mM–1), which proved that electrospinning has not diminished the contrast properties of the complex. The new systems reported herein thus offer a new platform for delivering therapeutic and imaging agents simultaneously to the colon.

LOCAL HEAD LOSS OF NON-COAXIAL EMITTERS INSERTED IN POLYETHYLENE PIPE

The design of a lateral line for drip irrigation requires accurate evaluation of head losses in not only the pipe but in the emitters as well. A procedure was developed to determine localized head losses within the emitters by the formulation of a mathematical model that accounts for the obstruction caused by the insertion point. These localized losses can be significant when compared with tire total head losses within the system due to the large number of emitters typically installed along the lateral line. Air experiment was carried out by altering flow characteristics to create Reynolds numbers (R) from 7,480 to 32,597 to provide turbulent flow and a maximum velocity of 2.0 m s(-1). The geometry of the emitter was determined by an optical projector and sensor An equation was formulated to facilitate the localized head loss calculation using the geometric characteristics of the emitter (emitter length, obstruction ratio, and contraction coefficient). The mathematical model was tested using laboratory measurements on four emitters. The local head loss was accurately estimated for the Uniram (difference of +13.6%) and Drip Net (difference of +7.7%) emitters, while appreciable deviations were found for the Twin Plus (-21.8%) and Tiran (+50%) emitters. The head loss estimated by the model was sensitive to the variations in the obstruction area of the emitter However, the variations in the local head loss did not result in significant variations in the maximum length of the lateral lines. In general, for all the analyzed emitters, a 50% increase in the local head loss for the emitters resulted in less than an 8% reduction in the maximum lateral length.

Simple Excitation Model for Coaxial Driven Monopole Antennas

A new excitation model for the numerical solution of field integral equation (EFIE) applied to arbitrarily shaped monopole antennas fed by coaxial lines is presented. This model yields a stable solution for the input impedance of such antennas with very low numerical complexity and without the convergence and high parasitic capacitance problems associated with the usual delta gap excitation.

Coaxial flattening at deep levels of orogenic belts: evidence from blueschists and eclogites on Syros and Sifnos (Cyclades, Greece)

This work presents new Structural data from a high-pressure/low-temperature (HP/LT) metamorphic terrane exposed on the islands of Syros and Sifnos (Cyclades, Greece). The structure and the metamorphism of a relatively coherent HP/LT rock section were studied in order to elucidate how strain was accommodated at deep crustal levels during the formation and exhumation of HP/LT rocks. At least three deformation phases associated with eclogite- and blueschist-facies conditions (P = 8-15 kbar; T = 400-550 degreesC) were recognised. The earliest deformation fabric (S1), preserved as inclusion trails within garnet porphyroblasts, is aligned to define a sub-vertical schistosity (at present orientation), which is frequently orthogonal to the flat matrix schistosity (S2), and may indicate that deep crustal thickening involved upright folding. The currently dominant fabric in the HP rock section, S2, is Usually moderately dipping and locally contains NW-trending glaucophane lineations, symmetric pressure-shadows and eclogitic boudins. The symmetric structures associated with this fabric seem to indicate coaxial vertical thinning, although the existence of non-coaxial structures out of the study area cannot be excluded. Glaucophane-bearing shear bands (S3), with top-to-NW sense of shearing, locally crosscut the earlier structures. The latest recognised fabric (D4) is scarce and often absent within the HP rocks. It is associated with top-to-NE kinematic criteria that formed at greenschist-facies conditions (P = 4-7 kbar; T = 400-450 degreesC). Based on these observations, it is suggested that partitioning of strain occurred at different crustal levels and at different times. Deep crustal deformation was governed by thickening via upright folding followed by coaxial vertical thinning, whereas non-coaxial shearing occurred when the rocks were already exhumed to relatively shallow crustal levels. The earliest fabrics (D1 to D3) pertain to Alpine orogenesis and possibly to syn-orogenic extension, whereas the latest correspond to whole-crust back-are extension. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Fiber average size and distribution dependence on the electrospinning parameters of poly(vinylidene fluoride trifluoroethylene)) membranes for biomedical applications

Poly(vinylidene fluoride-trifluoethylene) electrospun membranes were obtained from a blend of dimethylformamide (DMF) and methylethylketone (MEK) solvents. The inclusion of the MEK to the solvent system promotes a faster solvent evaporation allowing complete polymer crystallization during the jet travelling between the tip and the grounded collector. Several processing parameters were systematically changed to study their influence on fiber dimensions. Applied voltage and inner needle diameter do not have large influence on the electrospun fiber average diameter but in the fiber diameter distribution. On the other hand, the increase of the distance between the needle tip to collector results in fibers with larger average diameter. Independently on the processing conditions, all mats are produced in the electroactive phase of the polymer. Further, MC-3T3-E1cell adhesion was not inhibited by the fiber mats preparation, indicating their potential use for biomedical applications.

Influence of electrospinning parameters on Poly(hydroxybutyrate) electrospun membranes fiber size and distribution

Poly(hydroxybutyrate) (PHB) obtained from sugar cane was dissolved in a blend of chloroform and dimethylformamide (DMF) and electrospun at 40 ºC. By adding DMF to the solution, the electrospinning process for the PHB polymer becomes more stable, allowing complete polymer crystallization during the jet travelling between the tip and the grounded collector. The influence of processing parameters on fiber size and distribution was systematically studied. It was observed that an increase of tip inner diameter promotes a decrease of the fiber average size and a broader distribution. On the other hand, an increase of the electric field and flow rate produces an increase of fiber diameter until a maximum of ~2.0 m, but for electric fields higher than 1.5 kV.cm-1, a decrease of the fiber diameter was observed. Polymer crystalline phase seems to be independent of the processing conditions and a crystallinity degree of 53 % was found. Moreover, thermal degradation of the as-spun membrane occurs in single step degradation with activation energy of 91 kJ/mol. Furthermore, MC-3T3-E1 cell adhesion was not inhibited by the fiber mats preparation, indicating their potential use for biomedical applications.

Oscillatory magnetic tweezers based on ferromagnetic beads and simple coaxial coils

We report the design and validation of simple magnetic tweezers for oscillating ferromagnetic beads in the piconewton and nanometer scales. The system is based on a single pair of coaxial coils operating in two sequential modes: permanent magnetization of the beads through a large and brief pulse of magnetic field and generation of magnetic gradients to produce uniaxial oscillatory forces. By using this two step method, the magnetic moment of the beads remains constant during measurements. Therefore, the applied force can be computed and varies linearly with the driving signal. No feedback control is required to produce well defined force oscillations over a wide bandwidth. The design of the coils was optimized to obtain high magnetic fields (280 mT) and gradients (2 T/m) with high homogeneity (5% variation) within the sample. The magnetic tweezers were implemented in an inverted optical microscope with a videomicroscopy-based multiparticle tracking system. The apparatus was validated with 4.5 ¿m magnetite beads obtaining forces up to ~2 pN and subnanometer resolution. The applicability of the device includes microrheology of biopolymer and cell cytoplasm, molecular mechanics, and mechanotransduction in living cells.

Enhancement of the photoelectrochemical properties of Cl-doped ZnO nanowires by tuning their coaxial doping profile

Arrays of vertically aligned ZnO:Cl/ZnO core-shell nanowires were used to demonstrate that the control of the coaxial doping profile in homojunction nanostructures can improve their surface charge carrier transfer while conserving potentially excellent transport properties. It is experimentally shown that the presence of a ZnO shell enhances the photoelectrochemical properties of ZnO:Cl nanowires up to a factor 5. Likewise, the ZnO shell promotes the visible photoluminescence band in highly conducting ZnO:Cl nanowires. These lines of evidence are associated with the increase of the nanowires" surface depletion layer

Viability of mesenchymal stem cells during electrospinning

Tissue engineering is a technique by which a live tissue can be re-constructed and one of its main goals is to associate cells with biomaterials. Electrospinning is a technique that facilitates the production of nanofibers and is commonly used to develop fibrous scaffolds to be used in tissue engineering. In the present study, a different approach for cell incorporation into fibrous scaffolds was tested. Mesenchymal stem cells were extracted from the wall of the umbilical cord and mononuclear cells from umbilical cord blood. Cells were re-suspended in a 10% polyvinyl alcohol solution and subjected to electrospinning for 30 min under a voltage of 21 kV. Cell viability was assessed before and after the procedure by exclusion of dead cells using trypan blue staining. Fiber diameter was observed by scanning electron microscopy and the presence of cells within the scaffolds was analyzed by confocal laser scanning microscopy. After electrospinning, the viability of mesenchymal stem cells was reduced from 88 to 19.6% and the viability of mononuclear cells from 99 to 8.38%. The loss of viability was possibly due to the high viscosity of the polymer solution, which reduced the access to nutrients associated with electric and mechanical stress during electrospinning. These results suggest that the incorporation of cells during fiber formation by electrospinning is a viable process that needs more investigation in order to find ways to protect cells from damage.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.