O hidrogênio vem sendo muito utilizado como agente pulverizador de ligas à base de terras raras e metais de transição devido à sua taxa de difusão ser extremamente alta mesmo em baixas temperaturas. Tais materiais são utilizados em dispositivos de estocagem de hidrogênio, geração de eletricidade ou de campos magnéticos, que são produzidos através de um processo cuja primeira etapa é a transformação das ligas em um pó fino através de moagem. Além destas, o hidrogênio também está sendo utilizado para a obtenção de ligas à base de titânio nióbio zircônio para sua pulverização. Para a fabricação destas ligas a metalurgia do pó é utilizada, pois com ela é possível obter como resultado peças com superfície porosa, requisito para sua aplicação como biomateriais. Outras vantagens da utilização da metalurgia do pó na fabricação dessas ligas são melhor acabamento superficial e melhor homogeneidade microestrutural. Neste trabalho foram preparadas amostras na composição Ti-13Nb-13Zr. A hidrogenação foi realizada a 700°C, 600°C e a 500°C para o titânio, nióbio e zircônio, respectivamente. Após a hidrogenação, foram realizadas moagens em moinho do tipo planetário de alta energia utilizando velocidade de 200rpm durante 90 minutos, e moinho convencional de bolas durante 30h. As amostras foram prensadas em prensa uniaxial e em seguida em prensa isostática e então sinterizadas a 1150°C com tempo de patamar de 7 a 13h. As amostras foram caracterizadas microestruturalmente por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e difração de raios X. As propriedades estruturais e mecânicas determinadas foram de densidade, microdureza e módulo de elasticidade. A amostra sinterizada a 1150°C por 7h, hidrogenada com pressão de 10.000 mbar e produzida por moagem em moinho planetário de alta energia apresentou melhores propriedades mecânicas e boa homogeneidade microestrutural, obtendo a composição final da liga Ti-13Nb- 13Zr. / Hydrogen has been used as pulverization agent in alloys based on rare earth and transition metals due to its extremely high difusion rate even on low temperatures. Such materials are used on hydrogen storage dispositives, generation of eletricity or magnetic fields, and are produced by a process which the first step is the transformation of the alloy in fine powder by miling. Besides those, hydrogenium is also being used to obtain alloys based on titanium niobium zirconium in the pulverization. Powder metallurgy is utilized on the production of these alloys, making it possible to obtain structures with porous surface as result, requirement for its application as biomaterials. Other advantages of powder metallurgy usage include better surface finish and better microstructural homogeneity. In this work samples were prepared in the Ti-13Nb-13Zr composition. The hydrogenation was performed at 700°C, 600°C, and 500°C for titanium, niobium and zirconium respectively. After hydrogenation, the milling stage was carried out on high energy planetary ball milling with 200rpm during 90 minutes, and also in conventional ball milling for 30 hours. Samples were pressed in uniaxial press, followed by isostatic cold press, and then sintered at 1150°C for 7-13 hours. Microstructural properties of the samples were caracterized by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrocopy (EDS) and x-ray diffraction. Mechanical and structural properties determined were density, microhardness and moduli of elasticity. The sample sintered at 1150°C for 7h, hydrogenated using 10.000 mbar and produced by milling on high energy planetary ball milling presented the best mechanical properties and microstructural homogeneity.

A engenharia de tecidos é um campo multidisciplinar que tem por objetivo o desenvolvimento de substitutos biológicos que possam ser empregados tanto na reparação, quanto na substituição de tecidos ou órgãos danificados. Entretanto, o sucesso no desenvolvimento desses substitutos depende diretamente da escolha do biomaterial a ser empregado para esse propósito. Os poliésteres alifáticos, tais como o poli(ácido lático), poli(ácido glicólico) e seus copolímeros, são amplamente utilizados em pesquisas para aplicações em engenharia de tecidos. Entretanto, esses polímeros apresentam uma alta hidrofobicidade bem como a falta de grupos funcionais que possam interagir com o meio biológico. Nesse contexto, o presente trabalho investigou a síntese e caracterização de poliésteres contendo grupos funcionais que visam permitir uma melhor interação entre o material sintético e o meio biológico. Primeiramente, um poli(L-ácido lático) de alta massa molecular foi sintetizado através da polimerização em etapas, através de um processo alternativo ao empregado industrialmente. O procedimento envolveu a utilização de peneira molecular para a remoção do excedente de água do meio reacional e o polímero sintetizado apresentou uma Mw = 80.000 g.mol-1 com polidispersidade de 2,5 nas condições otimizadas. Em outro estudo, matrizes de microfibras obtidas por electrospinning e filmes de blendas de poli(D,L-lactídeo) de alta massa molecular (PDLLA) e de poli(L-ácido lático) de baixa massa molecular (PLLA), com diferentes proporções entre os polímeros, foram preparadas e suas propriedades avaliadas. As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram a obtenção de matrizes de microfibras ausentes de imperfeições (sem beads). Os experimentos de ângulo de contato para as amostras mostraram que não houve mudanças na hidrofilicidade dos materiais em consequência da adição do PLLA à blenda. Os experimentos de degradação hidrolítica mostraram que a incorporação do PLLA aumentou a taxa de degradação dos materiais. As amostras de microfibras apresentaram um comportamento de polímeros amorfos, enquanto que os filmes mostraram-se semicristalinos a partir de análises de calorimetria exploratória diferencial (DSC). Os ensaios de tensão versus deformação indicaram um aumento tanto no módulo de Young quanto nas tensões máximas de ruptura dos filmes, enquanto que para as microfibras estes efeitos não foram evidenciados. A síntese de um copolímero contendo funções carboxila pendentes à cadeia principal foi realizada através da polimerização em etapas entre o L-ácido lático e o L-ácido málico em diversas proporções. O poli(L-ácido lático-co-L-ácido málico) (PLLALMA) sintetizado apresentou uma Mw = 6.700 g.mol-1, polidispersidade de 1,4 e uma incorporação de L-ácido málico à cadeia principal de 18 % em mol. As análises térmicas desse polímero mostraram uma natureza amorfa, com uma Tg em 43 °C. Esse polímero foi empregado na preparação de nanofibras e filmes, na forma de blendas com o PDLLA. Os ensaios de ângulo de contato mostraram que as matrizes de nanofibras tornaram-se completamente hidrofílicas quando quantidades superiores a 10 % de PLLALMA foram utilizadas na composição da blenda, mas nenhuma diferença foi observada para os filmes. Os ensaios de adesão celular para as matrizes de nanofibras contendo 30 % de PLLALMA adicionado à blenda mostraram que não houve diferença estatística entre essa matriz e o grupo controle. Os experimentos de viabilidade celular indicaram que não houve diferença estatística nas matrizes de nanofibras contendo o PLLALMA quando comparado ao grupo controle. Por fim, poliésteres foram sintetizados a partir de monômeros derivados do glicerol. Os derivados sintéticos do glicerol contendo as funcionalidades azida e p-toluenosulfonila apresentaram-se termicamente instáveis para a utilização em polimerizações com diácidos ou seus derivados anidridos. A utilização de um derivado contendo um grupo benzila na estrutura do glicerol permitiu a obtenção do poli(3-benzilglicerol-co-succinato) linear com uma massa molecular ponderal média de 61.000 g.mol-1 e uma polidispersidade de 4,1. A análise térmica desse polímero mostrou uma Tg em – 2,3 °C, a qual seria adequada para aplicações em engenharia de tecidos. A tentativa de remoção dos grupos protetores através de reação de hidrogenólise com Pd/C resultou em uma fragmentação do polímero, o qual apresentou uma Mw = 5.600 g.mol-1 e polidispersidade de 1,3. No intuito de melhorar as propriedades desse polímero foram sintetizados terpolímeros contendo L-ácido lático, 3-benzilglicerol e ácido succínico, mas apenas polímeros com baixas massas moleculares foram obtidos. / Tissue engineering is a multidisciplinary field which focuses on the development of biological substitutes to be employed in the restoration and substitution of damaged organs and tissue. However, the successful development of these substitutes is directly dependent on the choice of the biomaterial to be employed. Aliphatic polyesters, such as poly(lactic acid), poly(glycolic acid) and their copolymers have been widely used as biomaterials in tissue engineering but they show a high hydrophobicity and a lack of functional groups to interact with the biological medium. Considering this, the present work has investigated the synthesis and the characterization of polyesters containing functional groups capable of allowing better interaction among the synthetic material and the biological system. Firstly, a poly(L-lactic acid) with high molecular weight was synthesized by step polymerization as an alternative for the industrial process. The procedure involved the use of a molecular sieve to remove the excess of water from the reaction medium and the synthesized polymer showed a Mw = 80,000 g.mol-1 with a polydispersity of 2.5 in the best conditions investigated. In another study, the properties of matrices of microfibers prepared by electrospinning and films from blends of a high molecular weight poly(D,L-lactide) (PDLLA) and a low molecular weight poly(L-lactic acid) (PLLA) in different ratios were evaluated. The images from scanning electron microscope (SEM) showed matrices of microfibers without beads. The contact angle measurements exhibited no changes in the hydrophilicity, due to the addition of PLLA to the blends for both specimens. The hydrolytic degradation experiments showed an increase in the degradation rate of the materials, which was caused by the addition of a low molecular weight PLLA. Differential scanning calorimetry analysis exhibited an amorphous behavior for the microfibers samples and a semi-crystalline behavior for the films. The strain x stress measurements indicated an increase in the Young modulus and in the maximum rupture strength for the films, while no changes were observed for the microfibers matrices. The synthesis of a copolymer containing pendant carboxyl groups attached in the chain was performed through step polymerization from an aqueous solution of L-lactic acid and Lmalic acid in different ratios. The synthesized poly(L-lactic acid-co-L-malic acid) presented a Mw = 6,700 g.mol-1, polydispersity of 1.4 and an incorporation of L-malic acid of 18 % mol. The thermal analysis for this polymer showed an amorphous behavior and a Tg = 43 °C. This copolymer was employed in the preparation of nanofibers and films of blends with PDLLA. The contact angle measurements for the nanofibers exhibited a hydrophilic feature when more than 10 % of PLLALMA was used in the blend, while no differences were observed for the films. The cell adhesion essay for the nanofiber matrix containing 30 % of PLLALMA showed no statistical differences between the matrix and the control group. The cell viability experiment indicated that there were no statistical differences in the cell expansion over the matrix containing the PLLALMA in comparison with the control group. Finally, a copolymer from monomers derived from glycerol was synthesized. The derivative monomers from glycerol containing the functional groups azide and ptoluenesulfonyl were shown to be thermally unstable during the polymerization with diacids or anhydrides. However, the use of a derivative containing a benzyl group in the glycerol’s structure allowed the synthesis of the linear poly(benzylglycerol-co-succinate) with a Mw = 61,000 g.mol-1 and a polydispersity of 4.1. The thermal analysis for this copolymer showed a Tg = - 2.3 °C, which is suitable for applications in tissue engineering. The attempt to remove the protecting groups of the polymer through hydrogenolysis in the presence of Pd/C resulted in polymer fragmentation with a Mw = 5,600 g.mol-1 and polydispersity of 1.3. In order to improve its properties, a terpolymer containing L-lactic acid, benzylglycerol and succinic acid was synthesized but with low molecular weight.

Propriedades superficiais como rugosidade nanométrica, micrométrica e molhabilidade têm influenciado na qualidade da interface osso-implante. Nesse contexto, processos de tratamento eletroquímico de superfícies de titânio e suas ligas têm sido desenvolvidos, visando controlar a morfologia através da escolha de parâmetros experimentais adequados, para a obtenção de superfícies com diferentes texturas. As células-tronco são células que se autorrenovam e possuem plasticidade; nessa última característica inclue a capacidade de diferenciação osteogênica. Além disso, estas células conseguem criar um ambiente favorável a regeneração e reparo de diversos tecidos e órgãos lesados. Como essas células respondem bem a superfícies de topografia nanométrica, a texturização dessas superfícies poderá influenciar de forma positiva na diferenciação osteogênica de células-tronco. O presente trabalho teve por objetivo avaliar a influência do processo de nanotexturização da liga de titânio Ti6Al4V por tratamento superficial eletroquímico, visando acelerar o processo de diferenciação osteogênica em células-tronco mesenquimais. Os tratamentos superficiais foram realizados através de tratamento eletroquímico por 4 e 12 minutos, a 25V e 7°C. A caracterização morfológica das superfícies foi realizada por meio de microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEV-FEG), microscopia óptica e perfilometria. Além disso, as superfícies foram caracterizadas quanto à composição química (fluorescência por raios-x), estrutural (difração de raios-x, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-x) e molhabilidade. As superficies com tratamento superficial foram avaliadas quanto a citotoxicidade. Células-tronco mesenquimais derivadas de medula óssea de rato SHR foram associadas às superfícies, e parâmetros como taxa de adesão e viabilidade celular foram identificados. As células associadas com os biomateriais ficaram expostas ao meio indutor de osteogênese por 14 dias, após esse período a atividade de fosfatase alcalina e a mineralização foram quantificadas. Os resultados mostraram que nenhum dos biomateriais foi citotóxico e que a superfície nanoestruturada associada com a esterilização por plasma de ar da amostra tratada eletroquimicamente por 4 minutos teve maior número de células aderidas, acelerando o processo de osteogênese e a mineralização das células-tronco mesenquimais derivadas de medula óssea (BMMSCs) quando relacionadas à este tipo de tratamento no biomaterial. / Surface properties as nanometric and micrometric roughness and wettability have influenced in the quality of the bone-implant interface. In this context, electropolishing processes on the surface of titanium and its alloys have been developed aiming to control the morphology of the surface by choosing adequate experimental parameters to obtain different textures. The stem cells are self-renewal cells and they have plasticity, which represents the capacity of osteogenic differentiation. Moreover, the stem cells can create a favorable environment to regeneration and recover various damaged tissues and organs. Based on the knowledge that these cells respond well to surface of nanometric topography, the texturing of surfaces can influence positively osteogenic differentiation of stem cells. The objective of the present work was to evaluate the influence of the nanotexturing process over a Ti6Al4V titanium alloy by electrochemical superficial treatment, aiming to accelerate the osteogenic differentiation in stem cells. The surface treatments were realized by electrochemical treatment for 4 and 12 minutes, 25 V at 7°C. The morphological characterization of the surfaces was realized by atomic force microscope (AFM), Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (FEGSEM), optical microscopy and Perfilometry. Furthermore, the surfaces were characterized as to the chemical composition (X-Ray Fluorescence), structural (X-Ray Diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy) and wettability. The surfaces with surface treatments were evaluated as to cytotoxicity. The Bone Marrow-derived Mesenchymal Stem Cells were associated to the surfaces, and parameters as adhesion rate and cellular viability were identified. The cells associated with the biomaterials were exposed to osteogenic media for 14 days, after that, the alkaline phosphatase and mineralization were quantified. The results showed that none of the biomaterials was cytotoxic and that the nanostructured surface associated with air plasma sterilization of the electrochemically treated sample for 4 minutes had greater number of adhered cells, it increasing the osteogenesis rate and the mineralization of the Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells when related to this type of treatment in the biomaterial.

Ti e suas ligas são materiais metálicos que apresentam um completo sucesso quando usados em meio biológico. Estes materiais são amplamente usados em implantes ósseos devido às suas aplicações clínicas apropriadas. Estabilidade biomecânica e bioquímica, biocompatibilidade e uma eficiente osseointegração são os principais requisitos para selecionar um biomaterial para implantes cirúrgicos dentários ou ortopédicos. Para melhorar a integração tecido+osso, várias técnicas tem sido usadas para aumentar a rugosidade e a bioatividade da superfície de titânio. Características topográficas num intervalo de micrômetros a nanômetros e recobrimentos de fosfatos de cálcio são relevantes nas respostas biológicas. Neste trabalho, novas modificações superficiais em Ti para implantes são desenvolvidas e testadas. As modificações em Ti foram produzidas por corrosão por pites, anodização, deposição química de fosfatos de cálcio e a combinação desses processos. Células-Tronco Mesenquimais foram cultivadas sobre os substratos para avaliar a qualidade das modificações superficiais propostas para os implantes protéticos. Análises biológicas e análise de MEV foram feitas para caracterizar os nano e microporos nas superfícies, bem como a cultura de células-tronco sobre os substratos modificados superficialmente. Adicionalmente, superfícies de titânio pré-polarizadas sob condições potenciostáticas foram investigadas por MEV. O propósito deste trabalho de pesquisa foi estudar os efeitos da composição do eletrólito na característica microestrutural e no alinhamento de TiO2. / Ti and its alloys are metals that show a complete success when used in biological environment. These metals are widely used in bone implants due to their appropriated clinical applications. Biomechanical and biochemical stability, biocompatibility and an efficient osseointegration are the principal requisites to select a biomaterial for using in orthopedics and dentals surgicals implants. To improve bone-tissue integration, various techniques have been used as to increase the roughness and bioactivity of titanium surfaces. Topographic features on implants ranging from micrometers to nanometers and calcium-phosphate coatings are relevant to the biological response. In this work, new surface modifications on Ti for prosthetic implants were developed and tested. Surface treatments of pure Ti were produced by pitting, anodization, chemical deposition of Ca-phosphates and the combination of these processes. Mesenchymal Stem Cells were cultured on the Ti substrates to evaluate the quality of the proposed surfaces modifications for prosthetic implants. Biological analysis and MEV analysis were carried out to characterize the nano and micropores on the surfaces as well as the growth and modification of stem cells. Additionally, titanium surfaces previously polarized under potenciostatic conditions were investigated by SEM. The aim of this research work was to study the effects of electrolyte composition on microstructural feature and vertical alignment of TiO2.

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Instituto de Engenharia Biomédica, Faculdade de Medicina. Universidade do Porto

Estágio realizado na Medmat Innovation e orientado pelo Eng.º Bruno Sá / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica ( Área de especialização de Biomateriais). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculade de Medicina Dentária. Universidade do Porto. 2008

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Materiais, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Fernando Jorge Monteiro

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Instituto de Engenharia Biomédica. 2007