La filature par voie électrostatique consiste à dissoudre un polymère dans un solvant, puis soumettre cette solution à un champ électrostatique intense. Différents paramètres influencent l'obtention, la production et la régularité des nanofilaments obtenus. Parmi ces paramètres, il y a des paramètres physiques inhérents à la cabine de filage, des paramètres électriques et des paramètres liés à la solution. Pour obtenir des nanofilaments, la première étape est de déterminer le ou les meilleurs couples polymère-solvant ainsi que les conditions expérimentales optimales pour obtenir à la fois des produits homogènes et reproductibles. L'obtention de nanofilaments de caractéristiques mécaniques et de structures données est complexe et dépend à la fois de paramètres de filage, mais aussi des propriétés de la solution. Une des propriétés les plus importantes de la solution est sa viscosité. Il a donc été nécessaire d'étudier, pour différents couples solvant-polymère (PA, PAN, PLA, PHEA) leur comportement rhéologique. Ces études rhéologiques ont permises d'expliquer les morphologies des matériaux obtenus par la conformation macromoléculaire de la solution. Les non-tissés de nanofibres obtenus ont été caractérisés par Microscopie à Forces Atomiques (AFM), Microscopie Electronique à Transmission (MET) et à Balayage (MEE) pour les aspects morphologiques. D'autres caractérisations, thermique (DSC), spectroscopique (FTIR) et mécaniques (traction et indentation) ont complété la caractérisation de ces matériaux. A l'issue de l'étude précédente, les nanofibres ont été employées dans deux applications. (1) L'incorporation et la compatibilisation de nanorenforts à l'intérieur d'une matrice polymère (Polyacrylonitrile). L'influence sur les propriétés géométriques des nanofibres de façon globale, et plus finement, la morphologie de surface, ont été observées par une analyse AFM de nano-rugosité. (2) La réalisation à partir d'un biopolymère d'un guide tubulaire permettant la croissance cellulaire et la reconnexion de nerfs sectionnés. Il a fallu pour cela remplir un cahier des charges rigoureux en termes de dimensionnement, de structure, et de propriétés mécaniques. / Electrospinning is a process to produce the fibers in nano scale by injecting the polymer solution through a metallic needle to a high voltage electrical field. Different parameters affect the process production and regularity of obtained nano-web. Among these parameters, there are physical parameters depending on the electrospinning booth, electrical parameters and polymer solution properties. For nanofibers production, the first step is to determine the most efficient polymer-solvent pairs and the optimal experimental conditions for both homogeneous and reproducible products. Obtaining mechanical and morphological properties of nanofibers nonwowen is complex and depends on the electrospinning parameters, but also the solution properties. One of the most important properties of the solution is its viscosity. It was therefore necessary to study for the selected pairs (PA, PAN, PLA, PHEA) their rheological behaviour. These rheological studios allow to explain the morphology of obtained nanofibers, which could be explained by the conformation of the macromolecules in the solution. Nonwoven nanofibers obtained were characterized by atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) for morphological aspects. Other characterizations, thermal (DSC), spectroscopie (FTIR) and mechanical (tensile and indentation) completed the characterization of these materials. After these previous studios, the nanofibers have been used in two applications. (1) The incorporation of nanofillers and compatibilization within a polymer matrix (Polyacrylonitrile). The influence on the geometric properties of nanofibers, and surface morphology were observed by AFM nano-roughness analysis. (2) The production by electrospinning of a guide tube for cell growth and reconnection of severed nerves: from a biopolymer. The produced material had to meet strict specifications in terms of size, structure, and mechauical properties.

La production de membranes échangeuses de protons (PEM) robustes et présentant une conductivité élevée est essentielle pour le développement à grande échelle de dispositifs de stockage et de conversion de l’énergie tels que les piles à combustible (PEMFC) et les électrolyseurs (PEMWE). Ces travaux de thèse portent sur la préparation et la caractérisation de membranes composites préparées à partir d’acide perfluorosulfonique, à chaine latérale courte (SSC-PFSA), de type Aquivion®, et de fibres de polymères obtenues par filage électrostatique. Cette dernière technique permet de préparer des matériaux fibreux à porosité élevée, caractérisés par la présence de fibres de diamètres sub-micrométriques, et pouvant être utilisés comme renfort mécanique des membranes ionomères. Le polysulfone a été retenu comme constituant des fibres étant donné ses stabilités mécanique et chimique élevées d’une part et pour la possibilité de modifier ses propriétés physico-chimiques par fonctionnalisation, d’autre part. Ces membranes comportant une distribution homogène des nanofibres dans toute leur épaisseur ont été préparées à partir d’un procédé d’imprégnation Des membranes renforcées, Aquivion®-PSU, basées sur un PFSA dont le poids équivalent (EW) varie entre 700 et 870 g.mol-1 et dont la concentration massique de fibres varie entre 5 et 18 %, ont été préparées. Les membranes renforcées sont caractérisées par des faibles gonflements volumique et surfacique et par une rigidité plus élevée en comparaison des membranes non renforcées de même EW. La perméabilité a l’hydrogène a engluement été réduite. Les améliorations en terme de propriétés mécaniques et dimensionnelles n’ont pas amené à une diminution significatif de la conductivité protonique, qui été maintenue aux mêmes valeurs des membranes non renforcée. Les assemblage membrane-électrode (AME) préparés à partir de ces membranes composites ont montré des caractéristiques i/V intéressantes et prometteuses (1.76 V à 2 A/cm²).Des Polysulfones fonctionnalisés avec le 1,2,3 triazole portant des groupements alkyle ou aryle ont été préparés par une voie de synthèse rapide et a haute rendement assistée par micro-ondes. Les nanofibres electrofilées de PSU fonctionnalisé avec le 4-ethyl-1,2,3-triazole (PSUT), avec un degré de fonctionnalisation en espèce triazole de 0.3 et 0.9 par unité répétitive de PSUT ont été intégrées à une matrice Aquivion®. L’objectif de ces travaux est d’améliorer la stabilité mécanique des membranes composites à partir des interactions acido-basiques PFSA-PSUT (réticulation ionique). Les membranes Aquivion®-PSUT sont caractérisées par une rigidité, une dureté et une ductilité plus élevées en comparaison des membranes Aquivion® renforcées par les fibres de PSU non fonctionnalisées. Une diminution du gonflement volumique et surfacique a également été observée sans perte de la conductivité jusqu’à une concentration massique de fibres de 12 %. Les AME préparés à partir de membranes renforcées Aquivion®-PSUT (12%) sont caractérisés par les mêmes propriétés courant/tension, en monocellule de pile à combustible fonctionnant à 80 °C et 100 % d’humidité relative, que ceux préparés à partir d’Aquivion®. / The preparation of highly proton conducting and durable proton exchange membranes (PEM) for low temperature fuel cells (PEMFC) and electrolysers (PEMWE) is crucial for the large scale application of these energy conversion/storage devices. This PhD thesis focuses on the preparation and characterisation of composite membranes based on highly conducting Aquivion® short side chain perfluorosulfonic acid (PFSA) and polymer fibres obtained by electrospinning. This technique allows the preparation of highly porous mats of fibres with sub-micrometric diameters that can act as an efficient mechanical reinforcement for ionomer membranes. The chosen polymer is the mechanically robust and chemically stable polysulfone (PSU), which can also been functionalised to modify its physico-chemical properties. Reinforced PEM with fibres homogeneously dispersed through the entire membrane cross-section have been realised by a fast and efficient impregnation process.Aquivion®-PSU reinforced membranes based on PFSA with equivalent weight (EW) ranging from 700 to 870 g mol-1 and fibre loading ranging from 5 to 18 wt% have been prepared. They showed reduced volume and area swelling and higher stiffness with respect to non-reinforced membranes with the same EW. The hydrogen crossover was also reduced. The improvement in mechanical and dimensional properties was not detrimental for the in-plane proton conductivity that was kept at the same value of non-reinforced membranes. Membrane-electrode assemblies (MEA) based on these composite PEM show promising i/V characteristics in PEMWE (1.76 V at 2 A cm-2).Polysulfones functionalised with 1,2,3-triazole bearing alkyl and aryl ring substituents have been synthesized by a fast and high-yield chemical route involving the azide-alkyne cycloaddition reaction assisted by microwaves as last step. Electrospun nanofibers of polysulfone functionalised with 4-epthyl-1,2,3-triazole (PSUT) with a degree of functionalisation of 0.3 and 0.9 triazole moiety per PSUT repeat unit have been embedded into the Aquivion® matrix. The aim of this study was to further improve the mechanical properties of the membrane by PFSA-PSUT acid-base interactions (ionic crosslinking). Aquivion®-PSUT membranes showed enhanced mechanical stiffness, toughness and ductility with respect to Aquivion® membranes reinforced with the non-functionalised polymer with the same EW and fibre loading. Reduced volume and area swelling have also been observed with no drop of proton conductivity until a fibre loading of (12 wt%). MEA based on Aquivion®-PSUT reinforced membrane with 12 wt% fibre loading showed identical fuel cell polarisation curve with respect to a MEA based on Aquivion® at 80 °C and 100 % of relative humidity (RH).

Um novo método de modificação da superfície de nanopartículas de hidroxiapatita (HAP) por reação com cloreto de lauroíla foi desenvolvido, gerando a nanopartícula funcionalizada por laurato (HAP-CL). A superfície modificada da HAP foi confirmada por infravermelho, termogravimetria, ressonância magnética nuclear e análise elementar. Provamos por testes mecânicos a capacidade de criar compósitos com alto teor de HAP-CL em matrizes poliméricas de poli(L-acido láctico) (PLLA) e poli(succinato de isosorbídeo-b-L-lactídeo) (PLLA-co-PIS) sem perda significativa de propriedades mecânicas. Diferentes quantidades de HAP-CL, HAP enxertado com PLLA (PLLA-g-HAP) e HAP puro foram dispersadas em soluções de PLLA para formar fibras eletrofiadas. Para comparar a dispersão destas nanopartículas nas fibras e a sua morfologia, análise de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão foram empregadas. A HAP-CL exibiu melhor dispersão na matriz polimérica do que o PLLA-g-HAP e HAP, e permitiu a produção de fibras com grande quantidade de HAP-CL (até 30% massa da fase mineral em relação à massa do polímero(mm/mp)), tanto para o PLLA como para o PLLA-co-PIS. Células tronco mesenquimais derivadas de polpa de dente foram cultivadas em fibras de PLLA com alto teor de HAP-CL, resultando em um aumento significativo da atividade de fosfatase alcalina (ALP), nos dias 14 e 21 (p <0,001) quando comparados com conteúdos mais baixos de HAP-CL, assim como um melhor processo de mineralização apresentado pelos teste de vermelho de alizarina depois de 21 dias (p <0,001). As células cultivadas nas fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram maior atividade de ALP após 21 dias (p <0,05), e melhor processo de mineralização, depois de 14 e 21 dias (p <0,05) do que as fibras de PLLA com 30% de HAP-CL (mm/mp). PLLA e PLLA-co-PIS, ambos contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) induziram uma maior expressão de osteocalcina e osteopontina, dois marcadores de diferenciação osteoblástica, quando comparados ao PLLA e PLLA-co-PIS (controle). Finalmente, em experimentos in vivo, as fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram um desempenho superior no processo de neoformação óssea do que as fibras de PLLA com o mesmo conteúdo de nanopartículas. Em conclusão, os nossos resultados in vitro demonstraram que os suportes construídos de compósitos de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) se mostraram superiores tanto na adesão e proliferação quanto na diferenciação de células mesenquimais de polpa de dente em osteoblastos. Além disso, experimentos in vivo confirmaram estes resultados, demonstrando que estes nanocompósitos são excelentes modelos para implantes destinados a regeneração óssea. / A new method of surface modification of hydroxyapatite nanoparticles (HAP) by reaction with lauroyl chloride was developed, producing the laurate functionalized nanoparticle (HAP-CL). The surface modified HAP was confirmed by infrared, thermogravimetric analysis, nuclear magnetic resonance and elemental analysis. We proved by mechanical tests the ability to create composites with high HAP-CL content in poly(L-lactic acid) (PLLA) and poly(isosorbide succinate-b-L-lactide) (PLLA-co-PIS) polymeric matrixes without significant loss of mechanical properties. Different amounts of HAP-CL, HAP grafted with PLLA (PLLA-g-HAP) and HAP were dispersed in pure PLLA solutions to form nanofibers. To compare the dispersion of these nanoparticles in the fibers and their morphology, scanning and transmission electron microscopies were employed. HAP-CL showed better dispersion in the polymer matrix than the PLLA-g-HAP and HAP, and allowed fiber production with large amounts of HAP-CL (up to 30% mineral to polymer weight (wm/wp)) for both PLLA and PLLA-co-PIS. Mesenchymal stem cells derived from dental pulp were cultured in PLLA fibers with high levels of HAP-CL, resulting in a significant increase in alkaline phosphatase activity (ALP), on days 14 and 21 (p <0.001) as compared to those with lower content HAP-CL, as well as a better mineralization process shown by alizarin red test after 21 days (p <0.001). Cells grown in PLLA-co-PIS fibers containing 30% of HAP-CL showed higher ALP activity after 21 days (p <0.05) and a better mineralization process, after 14 and 21 days (p <0.05 ) than fibers of PLLA with 30% HAP-CL. PLLA and PLLA-co-PIS, both containing 30% of HAP-CL (wm/wp) induced a higher expression of osteocalcin and osteopontin, two osteoblast differentiation markers when compared with PLLA and PLLA-co-PIS (control). Finally, in the in vivo experiments, the PLLA-co-PIS fibers containing 30% HAP-CL (wm/wp) outperformed the process of bone formation than PLLA fibers with the same content of nanoparticles. In conclusion, our in vitro results demonstrated that scaffolds from composites of PLLA-co-PIS containing 30% HAP-CL (wm/wp) were superior both in adhesion and in the differentiation and proliferation of dental pulp stem cells in osteoblasts. Furthermore, in vivo experiments confirmed these results, demonstrating that these nanocomposites are excellent models for implants for bone regeneration

Neste trabalho a celulose extraída do bagaço de cana-de-açúcar foi convertida para triacetato de celulose que foi utilizado na produção de nanomembranas obtidas através da técnica de eletrofiação. O acetato de celulose foi preparado adicionando-se 100 mL de ácido acético, 1 mL de ácido sulfúrico e 67 mL de anidrido acético para 1g de celulose do bagaço de cana deaçúcar. Foi obtido um rendimento de cerca de 1,3g do produto para cada 1g de bagaço utilizado no processo. O triacetato de celulose produzido foi caracterizado por meio de Análise de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). Os resultados mostraram um conjunto de bandas de baixa intensidade na região 3700 a 3100, uma banda intensa em 1750 cm-1 e uma banda intensa em 1230 cm-1. O grau de substituição foi de 2,8. Os resultados da Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) para a celulose comercial (Sigma®) apresentou dois picos endotérmico a 200ºC e 320ºC e um pico exotérmico a 340ºC, e a celulose do bagaço de cana-de-açúcar mostrou um pico endotérmico a 190ºC. O acetato de celulose comercial (Sigma®) apresentou dois picos endotérmicos a 185ºC e a 240ºC e o triacetato de celulose do bagaço de cana-de-açúcar mostrou quatro picos endotérmicos a 170ºC, 240ºC, 300ºC e 370ºC, respectivamente. As nanomembranas de triacetato de celulose foram produzidas utilizando-se várias soluções poliméricas, a solução polimérica mais adequada ao processo foi Acetona/Dimetilformamida (DMF 85:15 m/m) a 15% de triacetato de celulose 70/30 m/m Sigma®/Bagaço. Durante o processo de eletrofiação foram testadas as seguintes condições: voltagem (25 KV), fluxo (2-4 mL/h) e distância de (7-12 cm). As nanomembranas foram caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV); citotoxicidade onde os resultados obtidos indicando a biocompatibilidade das nanomembranas eletrofiadas; absorção de água, na faixa de 150% a 350% e perda de massa na faixa de 9% a 28%. Neste trabalho também foi realizado o estudo da incorporação da enzima bromelina, visando agregar propriedades cicatrizantes e anti-inflamatórias às nanomembrana e assim possibilitando sua futura utilização no tratamento de feridas, traumas, queimaduras, entre outros. Os melhores resultados na condição em recuperação de atividade enzimática foram de 67,5 / In this work, the cellulose extracted from sugarcane bagasse was converted to cellulose triacetate which was used in the production of nanomembranes obtained by electrospinning technique. The cellulose acetate was prepared by adding 100 mL of acetic acid, 1 mL of sulfuric acid and 67 mL of acetic anhydride to 1 g of cellulose pulp from sugar cane. A yield of about 1.3 g of product per gram of bagasse used in the process was obtained. The cellulose triacetate produced was characterized by analysis of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The results show a set of low intensity bands in the region 3700 - 3100, an intense band at 1750 cm-1 and an intense band at 1230 cm-1. The degree of substitution calculated was 2.8. The results of Differential Scanning Calorimetry (DSC) of the commercial cellulose (Sigma®), presented two endothermic peaks at 200ºC, 320ºC and an exothermic peak at 340ºC, and the cellulose from sugarcane bagasse showed the endothermic peak at 190ºC. The commercial cellulose acetate (Sigma®) showed two endothermic peak 185ºC to 240°C and cellulose triacetate from sugarcane bagasse showed four endothermic peaks at 170°C, 240°C, 300°C and 370ºC respectively. The nanomembranes of cellulose triacetate were produced using some polymeric solutions, the polymeric solutions most appropriated was acetone/ dimethylformamide (DMF 85:15 w / w) to 15% cellulose triacetate, cellulose 70/30 w / w Sigma® / Bagasse. During the electrospinning process the following conditions were tested: voltage (25 kV), flow rate (2 - 4 mL/h) and distance (7 - 12 cm). The nanomembranes were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM); cytotoxicity the results indicate the biocompatibility of the electrospinning nanomembranes; and water absorption, yielding values between 150 and 350% mass loss and to values between 9 and 28%. In this study it was the incorporation of the enzyme bromelain, in order to add healing and anti-inflammatory properties to nanomembrane was also performed and thus allowing their future use in the treatment of wounds, traumas, burns, among others. Provided the best results in recovery of enzyme activity was about 67.5

O presente trabalho teve como principal objetivo a produção por eletrofiação de nãotecidos compostos por fibras ultrafinas à base de policaprolactona (PCL) e cloreto de N-(2-hidroxil)-propil-3-trimetilamônio quitosana (QCh) potencialmente aplicáveis no tratamento de lesões de pele. Para tal, QCh foi sintetizado pela reação entre cloreto de glicidiltrimetilamônio (CGTMA) e quitosana em meio ácido sob irradiação de micro-ondas. Tanto a quitosana de partida como os derivados obtidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN 1H), viscosimetria capilar, solubilidade em função do pH, análise termogravimétrica e difração de raios-X. Planejamento fatorial 23 com ponto central e metodologia de superfície de resposta foram aplicados para avaliar o efeito dos parâmetros reacionais razão molar CGTMA/Q, temperatura e tempo reacionais sobre o grau médio de quaternização (GQ-), viscosidade intrínseca e sobre o rendimento reacional. Os resultados mostraram que a razão molar CGTMA/Q foi o fator que mais influenciou as variáveis resposta avaliadas e que a síntese realizada em reator micro-ondas possibilitou a produção de QCh com elevado grau médio de quaternização (GQ-&gt; 70%) em tempo expressivamente inferior (&le;30 min.) quando comparado à reação empregando aquecimento convencional (&gt; 4 h). Na etapa subsequente, QCh com diferentes características estruturais (grau médio de quaternização (GQ-) e grau médio de polimerização (GPv-), a saber QCh1 (GQ-= 47,3 %; GPv- = 2218) e QCh2 (GQ-= 71,1 %; GPv- = 1427, foram dissolvidos em diferentes proporções mássicas com poli(&epsilon;-caprolactona) (PCL/QCh: 100/0 - 70/30) em solução ácido acético/ácido fórmico 60/40 (v/v) e eletrofiados. Os nãotecidos obtidos foram caracterizados quanto ao diâmetro médio e grau de orientação das fibras, porosidade e espessura, caráter hidrofílico/hidrofóbico das superfícies, capacidade de absorção de água, transmissão de vapor de água, além de cristalinidade e propriedades térmicas e mecânicas. Experimentos in vitro também foram realizados para avaliar a suscetibilidade à degradação enzimática, citotoxicidade em relação às linhagens de células de fibroblastos dérmicos humanos neonatais (HDFn) e queratinócitos humanos (HaCaT) e adesão dessas células na superfície dos nãotecidos. Os resultados dessa etapa revelaram que de acordo com as características estruturais do QCh e com a quantidade desse derivado na blenda PCL/QCh, os nãotecidos obtidos apresentaram fibras com diferentes diâmetros médio (175 nm - 415 nm) e graus de orientação, além de exibirem diferentes porosidade (57,0 % - 81,6 %) e capacidade de hidratação (175 % - 425 %). Os ensaios de tração revelaram que os nãotecidos apresentaram equilíbrio entre capacidade de alongação e tensão na ruptura nos estados seco e após hidratação, sendo que altos valores de tensão na ruptura (&gt; 4 MPa) e alongação (&gt; 120 %) foram observados nos nãotecidos PCL/QCh 90/10. A cristalinidade e a estabilidade térmica dos nãotecidos PCL/QCh foram progressivamente reduzidas com o aumento da concentração de QCh. Os nãotecidos não foram suscetíveis à degradação por lisozima e os ensaios de citotoxidade in vitro mostraram que todos os materiais, exceto PCL/QCh2 70/30, não apresentaram caráter citotóxico em relação às linhagens de células de fibroblastos (HDFn) e queratinócitos humanos (HaCaT). A presença de QCh conferiu caráter hidrofílico à superfície dos nãotecidos favorecendo a adesão e a proliferação dessas células, o que não ocorreu no nãotecido composto somente por PCL. A análise global dos resultados indicou que os nãotecidos PCL/QCh1 90/10 e PCL/QCh2 90/10 foram os que apresentaram características mais promissoras para serem utilizados como curativos, visto que possuem caráter hidrofílico, elevada capacidade de hidratação, estabilidade em meio aquoso, resistência mecânica tanto secos como hidratados, além de não apresentarem caráter citotóxico e favorecerem a adesão e proliferação de fibroblastos e queratinócitos. / The main purpose of this work was the development of electrospun nonwovens composed by ultrathin fibers based on polycaprolactone (PCL) and N-(2-hydroxy)-propyl-3-trimethylammonium chitosan chloride (QCh) potentially useful as wound dressings. QCh was synthesized by reacting glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC) and chitosan (Ch) in acid medium under microwave irradiation. The parent chitosan, as well as the resulting derivatives, were characterized by Fourier transform infrared (FTIR) and 1H NMR spectroscopy, capillary viscometry, thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction and with respect to water-solubility as a function of pH. Full-factorial 23 central composite design and response surface methodology (RSM) were applied to evaluate the effects of molar ratio GTMAC/Ch, reaction time and temperature on the reaction yield, average degree of quaternization (DQ-) and intrinsic viscosity ([&eta;]) of QCh. Results showed that the molar ratio GTMAC/Ch was the most important factor affecting the response variables and that microwave-assisted synthesis allowed the production of highly substituted QCh ((DQ- &gt; 70%)) at a significantly shorter time (&le; 30 min.) as compared to conventional reaction procedures (&gt; 4 h). Following, two samples of QCh possessing different characteristics, i.e. average degree of quaternization (DQ-) and viscosity average degree of polymerization (DPv-), namely QCh1 ( DQ- = 47.3 %; DPv- = 2218) and QCh2 (DQ-= 71.1 %; DPv- = 1427), were synthesized, blended with PCL in acetic acid/formic acid (60/40 v/v) and electrospun into fibrous nonwovens. The PCL/QCh nonwovens were characterized in terms of morphology, surface properties, water absorption capacity, moisture permeation, thermal and tensile properties. In vitro experiments were carried out to evaluate the susceptibility of PCL/QCh nonwovens to enzymatic degradation, cytotoxicity toward neonatal human dermal fibroblasts (HDFn) and human keratinocytes (HaCaT), and adhesion of these cells on nonwoven\'s surface. According to the characteristics of QCh derivative, mainly DQ- and (DPv) ?, and to the QCh content on the resulting PCL/QCh nonwoven, the nanofibers displayed different average diameter (175 nm - 415 nm), and the nonwovens exhibited variable porosity (57.0 % - 81.6 %) and swelling capacity (175 % - 425 %). The tensile tests revealed that the nonwovens present a balance between elasticity and strength under both, dry and hydrated state, the higher tensile strength (&gt; 4 MPa) and elongation (&gt; 120 %) being observed for PCL/QCh 90/10 nonwovens. The crystallinity and thermal stability of PCL/QCh nonwoven decreased with increasing QCh content. The PCL/QCh nonwovens were not susceptible to lysozyme degradation and all PCL/QCh nonwovens, except PCL/QCh2 70/30, were non-cytotoxic toward fibroblasts (HDFn) and keratinocyte (HaCaT). The presence of QCh conferred a hydrophilic character to the surface of the nonwoven, favoring HDFn and HaCaT cells adhesion and spreading, which did not occur in the nonwoven composed only by PCL. Taking into account the whole set of results, it is concluded that the PCL/QCh1 90/10 and PCL/QCh2 90/10 nonwovens showed the most promising characteristics to be used as wound dressings, since they have hydrophilic character, high hydration capacity, stability in aqueous medium, mechanical resistance, in dry and hydrated states, besides they were non-cytotoxic and favored the adhesion and proliferation of fibroblasts and keratinocytes.

Hidrogéis compreendem uma importante classe de materiais poliméricos adequados à aplicação como curativos de feridas e queimaduras. A estrutura tridimensional hidrofílica dos hidrogéis permite que estes mantenham a umidade ideal no leito das feridas, absorvam o exsudato e não causem danos ao novo tecido durante as trocas dos curativos. No caso dos hidrogéis, essas trocas podem ser menos frequentes. Além disso, curativos que auxiliem na remoção de tecidos necrosados e ainda sejam capazes de oferecer tratamentos extras que acelerem o processo de cicatrização são desejáveis. Este trabalho apresenta a produção de materiais à base de hidrogel capazes de auxiliar neste processo de diferentes maneiras. Primeiramente, são apresentados hidrogéis formados a partir de nanofibras de poli(N-vinil-2-pirrolidona) (PVP) produzidas por eletrofiação, seguido da reticulação através da utilização de radiação UV-C ou reação de Fenton. A utilização da eletrofiação como técnica auxiliar na formação dos hidrogéis permitiu o controle da porosidade através da formação de fibras de diferentes diâmetros. A evidência de tal propriedade foi constatada através da produção de materiais que apresentam diferentes perfis de liberação da proteína modelo albumina de soro bovino (BSA). O hidrogel de PVP nanoestruturado foi capaz de liberar e manter a atividade da colagenase, uma importante enzima aplicada no tratamento de feridas via desbridamento enzimático, durante as 48 horas em que foi avaliado. Além disso, hidrogéis bactericidas nanoestruturados foram produzidos a partir de nanocompósitos de PVP e nanopartículas de prata (AgNP) produzidos por eletrofiação. Esses hidrogéis apresentaram propriedades térmicas semelhantes aos hidrogéis sem AgNP, diminuindo, contudo, a sua capacidade de intumescimento. Esses hidrogéis mostraram-se ativos contra bactérias gram-positivas e gram-negativas a partir de 100 ppm de AgNPs. Adicionalmente, foi estudada a formação de um hidrogel modelo composto PVP/AgNP/Imidazol, almejando-se a produção de um material bactericida-fungicida a base de hidrogel. Este hidrogel apresentou atividade conta três espécies de Candida a partir de 500 ppm de imidazol no material. Embora exista a formação de um complexo estável entre AgNP e Imidazol, cálculos teóricos e a constatação da atividade fungicida corroboram com o fato de que derivados imidazólicos podem ser liberados a partir deste hidrogel híbrido. A produção de hidrogéis físicos compostos por blendas de PVP/Polianidridos sintetizados a partir de derivados de hidroxicinamatos e ácido salicílico, capazes de liberar moléculas de interesse biológico quando parcialmente degradados hidroliticamente, também é descrita neste trabalho. Os resultados indicam que interações hidrofóbicas entre a PVP e os polianidridos sintetizados podem ser responsáveis pela formação dos hidrogéis físicos e pela miscibilidade das blendas produzidas. Os hidrogéis físicos de PVP/Polianidridos foram obtidos na forma de filmes por evaporação do solvente. Micro- e nanofibras também foram obtidas por eletrofiação. Desta maneira, o presente trabalho contribui com o desenvolvimento de uma geração de curativos multifuncionais aplicados no tratamento de feridas crônicas e queimaduras. / Hydrogels comprise an important class of polymeric materials that finds application as wound and burn dressings. The hydrophilic three-dimensional structure of hydrogels helps to provide the ideal humidity at the wound bed, to remove exsudates and to prevent damages to the new tissue during dressing substitution. Furthermore, these wound dressings are able to remove necrotic tissues and, therefore, capable to offer extra treatments that would benefit the healing processes. This work describes the production of hydrogel based materials that are able to act in wound healing by different ways. First, it is presented hydrogels composed of poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) (PVP) nanofibers produced by electrospinning, followed by its crosslinking using UV-C radiation or Fenton reaction. The use of electrospinning in the hydrogel formation allowed porosity control by obtaining fibers of different diameters. This was evidenced by achieving materials that present different release profiles of the model protein bovine serum albumin (BSA). The nanostructured PVP hydrogel was capable of releasing and maintaining collagenase activity during 48 hour of evaluation. This is an important enzyme that find application in wound healing based on enzymatic debridement. Moreover, nanostructured bactericidal hydrogels were produced from PVP and silver nanoparticles (AgNP) composite through electrospinning, resulting in hydrogels with thermal properties similar to those hydrogels without AgNP, decreasing its swelling ability. These hydrogels were active against gram-positives and gram-negatives bacteria starting from 100 ppm of AgNP. In addition, the production of a model hydrogel composed by PVP/AgNP/Imidazole was investigated, aiming at a bactericidal-fungicidal hydrogel based material. This hydrogel was active against three Candida having 500 ppm of imidazole into the structure. In spite of the formation of a stable complex between AgNP and imidazole, theoretic calculations and the observed fungicidal activity corroborate with the fact that imidazoles derivatives can be released from this hybrid hydrogel. Physical hydrogels composed of PVP/Polyanhydrides blends were synthesized from hydroxycinammates derivatives and salicylic acid. These materials which were capable of releasing molecules with biological potential upon hydrolysis, are also described in this work. The results indicate that hydrophobic interactions between PVP and the synthesized polyanhydrides could be responsible for the hydrogel formation and blend miscibility as well. PVP/Polyanhydride physical hydrogels were obtained from cast films. Micro- and nanofibers were also obtained by electrospinning. Thus, the present work contributes with the development of the new generation of smart dressings for wound and burn healing.

Um novo método de modificação da superfície de nanopartículas de hidroxiapatita (HAP) por reação com cloreto de lauroíla foi desenvolvido, gerando a nanopartícula funcionalizada por laurato (HAP-CL). A superfície modificada da HAP foi confirmada por infravermelho, termogravimetria, ressonância magnética nuclear e análise elementar. Provamos por testes mecânicos a capacidade de criar compósitos com alto teor de HAP-CL em matrizes poliméricas de poli(L-acido láctico) (PLLA) e poli(succinato de isosorbídeo-b-L-lactídeo) (PLLA-co-PIS) sem perda significativa de propriedades mecânicas. Diferentes quantidades de HAP-CL, HAP enxertado com PLLA (PLLA-g-HAP) e HAP puro foram dispersadas em soluções de PLLA para formar fibras eletrofiadas. Para comparar a dispersão destas nanopartículas nas fibras e a sua morfologia, análise de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão foram empregadas. A HAP-CL exibiu melhor dispersão na matriz polimérica do que o PLLA-g-HAP e HAP, e permitiu a produção de fibras com grande quantidade de HAP-CL (até 30% massa da fase mineral em relação à massa do polímero(mm/mp)), tanto para o PLLA como para o PLLA-co-PIS. Células tronco mesenquimais derivadas de polpa de dente foram cultivadas em fibras de PLLA com alto teor de HAP-CL, resultando em um aumento significativo da atividade de fosfatase alcalina (ALP), nos dias 14 e 21 (p <0,001) quando comparados com conteúdos mais baixos de HAP-CL, assim como um melhor processo de mineralização apresentado pelos teste de vermelho de alizarina depois de 21 dias (p <0,001). As células cultivadas nas fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram maior atividade de ALP após 21 dias (p <0,05), e melhor processo de mineralização, depois de 14 e 21 dias (p <0,05) do que as fibras de PLLA com 30% de HAP-CL (mm/mp). PLLA e PLLA-co-PIS, ambos contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) induziram uma maior expressão de osteocalcina e osteopontina, dois marcadores de diferenciação osteoblástica, quando comparados ao PLLA e PLLA-co-PIS (controle). Finalmente, em experimentos in vivo, as fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram um desempenho superior no processo de neoformação óssea do que as fibras de PLLA com o mesmo conteúdo de nanopartículas. Em conclusão, os nossos resultados in vitro demonstraram que os suportes construídos de compósitos de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) se mostraram superiores tanto na adesão e proliferação quanto na diferenciação de células mesenquimais de polpa de dente em osteoblastos. Além disso, experimentos in vivo confirmaram estes resultados, demonstrando que estes nanocompósitos são excelentes modelos para implantes destinados a regeneração óssea. / A new method of surface modification of hydroxyapatite nanoparticles (HAP) by reaction with lauroyl chloride was developed, producing the laurate functionalized nanoparticle (HAP-CL). The surface modified HAP was confirmed by infrared, thermogravimetric analysis, nuclear magnetic resonance and elemental analysis. We proved by mechanical tests the ability to create composites with high HAP-CL content in poly(L-lactic acid) (PLLA) and poly(isosorbide succinate-b-L-lactide) (PLLA-co-PIS) polymeric matrixes without significant loss of mechanical properties. Different amounts of HAP-CL, HAP grafted with PLLA (PLLA-g-HAP) and HAP were dispersed in pure PLLA solutions to form nanofibers. To compare the dispersion of these nanoparticles in the fibers and their morphology, scanning and transmission electron microscopies were employed. HAP-CL showed better dispersion in the polymer matrix than the PLLA-g-HAP and HAP, and allowed fiber production with large amounts of HAP-CL (up to 30% mineral to polymer weight (wm/wp)) for both PLLA and PLLA-co-PIS. Mesenchymal stem cells derived from dental pulp were cultured in PLLA fibers with high levels of HAP-CL, resulting in a significant increase in alkaline phosphatase activity (ALP), on days 14 and 21 (p <0.001) as compared to those with lower content HAP-CL, as well as a better mineralization process shown by alizarin red test after 21 days (p <0.001). Cells grown in PLLA-co-PIS fibers containing 30% of HAP-CL showed higher ALP activity after 21 days (p <0.05) and a better mineralization process, after 14 and 21 days (p <0.05 ) than fibers of PLLA with 30% HAP-CL. PLLA and PLLA-co-PIS, both containing 30% of HAP-CL (wm/wp) induced a higher expression of osteocalcin and osteopontin, two osteoblast differentiation markers when compared with PLLA and PLLA-co-PIS (control). Finally, in the in vivo experiments, the PLLA-co-PIS fibers containing 30% HAP-CL (wm/wp) outperformed the process of bone formation than PLLA fibers with the same content of nanoparticles. In conclusion, our in vitro results demonstrated that scaffolds from composites of PLLA-co-PIS containing 30% HAP-CL (wm/wp) were superior both in adhesion and in the differentiation and proliferation of dental pulp stem cells in osteoblasts. Furthermore, in vivo experiments confirmed these results, demonstrating that these nanocomposites are excellent models for implants for bone regeneration

A eletrofiação é uma celebrada técnica de processamento de polímeros, capaz de produzir fibras de diâmetro nanométrico. A montagem comum do sistema de eletrofiação permite a captação de fibras aleatórias sob a forma de um não-tecido. Diversas modificações nessa montagem permitem a obtenção de diferentes morfologias de fibras. Tais modificações são revisadas e discutidas neste trabalho. Na produção de suportes de crescimento de células neurais, é interessante que seja incorporada alguma anisotropia no meio. Assim, um aparato de eletrofiação, capaz de produzir fibras alinhadas, foi construído e a variação dos parâmetros de seu processamento permitiu a obtenção de diferentes qualidades de alinhamento das fibras para dois polímeros biodegradáveis. Diversos parâmetros influenciaram a qualidade desse alinhamento, porém a velocidade de captação das fibras mostrou ser o mais impactante, em acordo com dados reportados na literatura. A morfologia das fibras foi avaliada quanto ao seu diâmetro, com o auxílio de micrografias de MEV e do software de edição de imagens ImageJ. Adicionalmente buscou-se avaliar a qualidade do alinhamento de tais fibras. Para tanto, foi desenvolvida uma metodologia de quantificação de qualidade de alinhamento de fibras, baseado nas micrografias e na ferramenta de FFT do ImageJ. A metodologia proposta foi capaz de ordenar de maneira objetiva e consistente a qualidade do alinhamento das fibras obtidas, mesmo quando a análise visual (usada como referência) se provava ineficiente. A metodologia proposta foi incorporada num plugin para ImageJ, via algoritmo computacional escrito em Java. Com o uso do plugin, foi possível processar diversas micrografias, obtidas em diferentes pontos das malhas eletrofiadas e com variadas magnificações, a fim de se criar uma estatística dos resultados obtidos para qualidade de alinhamento das fibras, algo inédito na literatura. Malhas eletrofiadas com diferentes qualidades de alinhamento de suas fibras foram utilizadas como substrato na cultura de células precursoras neurais, provenientes de neuroesferas. Foi feita a cultura de células progenitoras neurais, provenientes de neuroesferas, tendo como substrato malhas eletrofiadas com diferentes qualidades de alinhamento, a fim de se avaliar o impacto dos contatos físicos das fibras sobre a migração e diferenciação de tais células. / Electrospinning is a celebrated technique of polymer processing, able to produce fibers with nanometric diameter. Common assembly of electrospinning apparatus allows collection of random fibers in a non-woven matt. Several modifications on this assembly enable different fiber morphologies to be obtained. Such modifications are revised and discussed in this work. In the production of cell growth scaffolds, its interesting that some anisotropy is incorporated in the medium. Therefore, an electrospinning apparatus capable of producing aligned fibers was constructed. Variation of processing parameters of said apparatus enabled different alignment qualities of fibers to be attained for two biodegradable polymers. Many parameters influenced on the quality of said alignment; fiber collection speed, however, proved more impacting, in accordance with literature data. Fiber morphology was assessed in regard to its diameter with the aid of MEV micrographs and ImageJ software. Furthermore, assessment of fiber alignment quality was sought. For this matter, it has been developed a quantification methodology for fiber alignment quality, based on micrographs and ImageJ\'s FFT tool. The proposed methodology was able to objectively and consistently rank fiber alignment quality, even when visual analysis (used as reference) failed to do so. This methodology was incorporated in a plugin for ImageJ, via Java script algorithm. With the aid of this plugin it was feasible to process several micrographs, taken from electrospun mats at different spots and magnifications. This helped create statistics about obtained results of fiber alignment quality, on an unprecedented approach in written literature. Electrospun mats with varying quality in fiber alignment were used as substrate in the culture of neural precursor cells from neurospheres to assess the influence of contact guidance on migration and differentiation of such cells

Uma potencial alternativa para o transplante de tecidos é a engenharia de tecidos. Células-tronco mesenquimais e scaffolds eletrofiados são comumente utilizados nesta área devido à capacidade multipotente de diferenciação destas células e à rede de poros interconectados destas estruturas fibrosas. Além disso, bioreatores de perfusão podem ser utilizados para melhorar o transporte de nutrientes e reduzir o acúmulo de metabolitos tóxicos. Neste contexto, uma maneira de estudar e otimizar o sistema de cultivo é utilizar técnicas de modelagem para descrever interações ou processos individuais envolvidos no crescimento celular. Deste modo, o objetivo geral deste estudo é realizar o cultivo de células-tronco mesenquimais da polpa de dente decíduo (DPSCs) utilizando scaffolds tridimensionais eletrofiados de policaprolactona (PCL), biorreatores e técnicas de modelagem. Inicialmente foram testadas diferentes misturas de solventes (clorofórmio e metanol), a fim de produzir scaffolds com poros adequados ao cultivo tridimensional. Os diâmetros de fibra e de poro foram determinados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O crescimento e o metabolismo das células foram avaliados através da determinação da atividade metabólica e das concentrações de glicose e lactato do meio de cultivo, e a infiltração celular foi observada com a marcação do núcleo celular. Depois de estabelecidos os parâmetros de eletrofiação, o efeito da perfusão direta no desprendimento de DPSCs de scaffolds eletrofiados de PCL foi estudado. A atividade metabólica das células foi determinada para diferentes tempos de adesão, vazões e densidades de semeadura, e a tensão de cisalhamento na parede do poro foi calculada para cada vazão. A morfologia das células foi avaliada através de imagens de microscopia confocal e MEV. Paralelamente, foram realizadas simulações utilizando o software OpenFOAM para estudar como os parâmetros e variáveis de entrada (concentração inicial de glicose, porosidade e espessura do scaffold) afetam as saídas (fração volumétrica de células e concentração de substrato) de um modelo de proliferação celular que considera a difusão e o consumo de glicose. As contribuições do teor de oxigêno na cinética de crescimento de Contois e da variação da porosidade com o tempo devido à degradação do polímero também foram avaliadas. Inicialmente, foi observado que apenas um tamanho de poro maior que o diâmetro da célula permitiu a infiltração das células no scaffold. Então, observou-se que o aumento do tempo de adesão acarretou em maior espalhamento das células e, assim como a diminuição da densidade de semeadura e da tensão de cisalhamento, resultou em uma redução do desprendimento das células sob perfusão. Quanto ao modelo fenomenológico, observou-se maior sensibilidade à concentração inicial de glicose e à porosidade do scaffold, e aos parâmetros adimensionais relacionados à proliferação e morte celular e ao consumo de nutrientes. Além disso, o número inicial de células apresentou maior impacto no transporte de massa do que no crescimento celular. Neste estudo, foi possível obter scaffolds eletrofiados e conduções de cultivo dinâmico adequadas ao cultivo tridimensional de DPSCs, e elucidar os efeitos da limitação do transporte de massa e do oxigênio no crescimento celular, e da degradação do polímero no transporte de massa. / A potential alternative to tissue transplant is tissue engineering. Mesenchymal stem cells and electrospun scaffolds are commonly used in this field due to the multipotent differentiation capacity of these cells and the interconnected pore network of these fibrous structures. In addition, perfusion bioreactors can be used to enhance nutrient transport and reduce the accumulation of toxic metabolites. In this context, one way to study and optimize the culture system is to use modeling techniques to describe interactions or individual processes involved in cell growth. Thus, the objective of this study is to perform the three-dimensional culture of mesenchymal stem cells of dental pulp (DPSCs) using electrospun polycaprolactone (PCL) scaffolds, bioreactors and modeling techniques. Initially, different solvent mixtures (chloroform and methanol) were tested to produce scaffolds with pores suitable to three-dimensional culture. Fiber and pore diameter was determined using a scanning electron microscope. Cell growth and metabolism were evaluated through the metabolic activity and the culture medium concentration of glucose and lactate, and the cell infiltration was observed with cell nuclei staining. After the establishment of the elesctrospinning parameters, the effect of direct perfusion on DPSCs detachment from PCL electrospun scaffolds was investigated. The metabolic activity of the cells was determined for different adhesion times, flow rates and seeding densities and the pore wall shear stress was calculated for each flow rate. The cell morphology was evaluated through scanning electron and confocal microscopy imaging. In parallel, simulations with the software OpenFOAM were performed to study how parameters and inputs (initial glucose concentration, porosity and thickness of the scaffold) affect the outputs (cell volume fraction and substrate concentration) of a model of cell proliferation and glucose diffusion and consumption. The contribution of the oxygen in the Contois growth kinetics and the porosity variation with time due to polymer degradation was also evaluated. Initially, it was observed that only a pore size higher than the cell diameter allowed the infiltration of the cells through the scaffold. Then, it was observed that a higher adhesion time leaded to higher cell spreading in static conditions and, similar to smaller seeding densities and shear stresses, reduced cell detachment under perfusion. Regarding the phenomenological model, it was observed that the model is more responsive to the initial glucose concentration and scaffold porosity, and to the dimensionless parameters related to cell proliferation, death and nutrient uptake. Furthermore, the initial cell number had a more significant impact on mass transport than on cell growth. In this study, it was possible to obtain an electrospun scaffold and dynamic culture conditions suitable for the three-dimensional culture of DPSCs, and to elucidate the effects of transport limitations and of oxygen on cell growth, and of polymer degradation on mass transport were elucidated.

La fabrication de membranes nanofibreuses par un procédé d’électrospinning plus respectueux de l’environnement, ou plus « vert », est de nos jours un défi. L’électrospinning est un procédé qui permet, généralement à partir d’une solution de polymère, d’obtenir des membranes non-tissées dont le diamètre des fibres est compris entre 50 nm et quelques micromètres. Deux stratégies nouvelles ont été développées pour répondre à ce besoin croissant. La première consiste à fabriquer des membranes à partir de polymères bio- sourcés tandis que la deuxième vise à employer des solvants exclusivement aqueux. Cette deuxième stratégie permet de s’affranchir des vapeurs de solvants souvent toxiques utilisés au cours du procédé. Dans ce cadre, des membranes ont été fabriquées à partir de suspensions aqueuses de polymères non-hydrosolubles, d’une part, et à partir d’acide tannique, une molécule non-polymérique bio-sourcée en exploitant les interactions supramoléculaires. Ces stratégies plus « vertes » rendent moins dangereuse et moins couteuse l’utilisation d’émetteurs multi-jets et permettent, de ce fait, une meilleure industrialisation du procédé d’électrospinning. Les membranes développées ont été fabriquées pour des applications de microfiltration liquide. En effet, les membranes d’électrospinning peuvent allier des tailles de pores submicroniques à des porosités supérieures à 80% contrairement aux membranes de microfiltration commerciales (porosité < 40%). La fabrication de membranes de filtration par un procédé d’électrospinning multi-jet « vert » permet ainsi d’accroitre les débits de production et de filtration tout en respectant davantage l’environnement. / The fabrication of nanofibrous mats by an environmentally friendly, or in other words by a “green”, electrospinning process is nowadays a challenge. Electrospinning is a process allowing the fabrication, generally from a polymer solution, of nonwoven mats composed of fibers having diameters ranging between 50 nm and a few micrometers. Two new strategies have been developed to answer such a growing need. The first one consists in electrospinning bio-sourced polymers while the second one is based on the electrospinning of aqueous solutions exclusively. This second strategy allows avoiding toxic vapors coming from the evaporation of toxic solvents often used during the process. In this context, mats were electrospun from solutions composed of aqueous suspensions of water insoluble polymers, on one hand, and composed of tannic acid, a non-polymeric bio-based molecule exploiting supramolecular interactions. These new environmentally friendly strategies turn the electrospinning process in a less dangerous and less expensive one, and, as a result, ease the use of multi-jet setups and enable a better industrialization of the electrospinning process. Membranes have been developed for liquid microfiltration applications. As a matter of fact, electrospinning membranes can combine submicron pore sizes with porosities greater than 80% unlike commercial microfiltration membranes (porosity < 40%). The fabrication of liquid filtration membranes by a multi-jet "green" electrospinning process, thus, makes it possible to increase the production rates of electrospinning mats and filtration rates while respecting the environment.