As the world population ages, hospital discharges of geriatric patients to nursing homes have increased. Patients with peripherally inserted central catheters (PICCs) are routinely discharged with the catheters in place. PICCs, only capable of being tracked through x-ray imaging, will routinely experience complications due to thrombosis or accidental dislodgement from poor at-home care. Routinely, elderly patients will be forced to revisit the hospital to have the catheter replaced using x-ray imaging, exposing them to hospital borne illness. Catheters with the capability to be tracked without the need of x-ray imaging would greatly benefit the ill and elderly, providing decreased stress to the patients and increase nursing home capabilities. This project seeks to develop the field of real-time ultrasound tracking of polymeric medical devices, through fabrication of ultrasound responsive polymer-glass composites. Optimal composition will be researched through three complimentary approaches. The first approach seeks to develop a polyurethane-glass microparticle composite to understand the relationship between microparticle loading and ultrasound imaging. In the second approach, manufacturing and end-use complications will be simulated to evaluate the effects on mechanical and ultrasonic properties. Furthermore, impacts from in-vitro long term catheterization to the sample mechanical and ultrasound morphologies would be analyzed. In the third approach, optimization from the previous approaches would assist in the replacement of medical grade polyurethane with medical grade thermoset silicone in hopes to prove the ability for the research to be transferable to other medical polymeric devices. The stated approaches will be useful for setting a path towards the development of ultrasonic imaging as the standard for medical device tracking. / Doctor of Philosophy / As the world population ages, hospital discharges of geriatric patients to nursing homes have increased. Patients with peripherally inserted central catheters (PICCs) are routinely discharged with the catheters in place. PICCs, only capable of being tracked through x-ray imaging, will routinely experience complications due to poor at-home care. Routinely, elderly patients will be forced to revisit the hospital to have the catheter replaced using x-ray imaging, exposing them to hospital borne illness. Catheters with the capability to be tracked without the need of x-ray imaging would greatly benefit the ill and elderly, providing decreased stress to the patients and increase nursing home capabilities. We hope to develop the field of real-time ultrasound tracking of plastic medical devices, through production of ultrasound activated plastic devices.

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O objetivo geral deste trabalho foi explorar a versatilidade de filmes multicamadas de polieletrólitos (PEM) e suas aplicações em sistemas de entrega de drogas e como filmes funcionais para aplicações biomédicas. Filmes PEM montados pela técnica de camada por camada (layer­-by­-layer, LbL), foram explorados em três aplicações principais. Na primeira, foi explorado o desenvolvimento de um protocolo de funcionalização em filmes de poli(alilamina)/poli (estireno sulfonato), PAH/SPS. Os parâmetros de construção do filme para biotinilação dos grupamentos amina do PAH foram otimizados e aplicados na captura e detecção do antígeno específico da próstata (PSA), na concentração de 100 a 0,1 ng/mL, usando pontos quânticos (Qdots). Em comparação com outros trabalhos, este sistema apresentou uma boa sensibilidade na detecção de PSA, dentro do limite de detecção clínica de 0,4 a 0,1 ng/mL. A segunda aplicação envolveu o desenvolvimento de filmes de sacrifício baseados nas interações naturais da mucina submandibular bovina e da lectina, jacalina (BSM/JAC). Filmes de BSM/JAC apresentaram estabilidade quando submetidos a uma ampla faixa de pH (pH 3-­-9) e em solução de alta força iônica (5 M NaCl). A dissolução dos filmes BSM/JAC pôde ser seletivamente desencadeada mediante à incubação em solução de melibiose, 37 °C, pH 7,4, sem apresentar citotoxicidade às células. Na última parte deste trabalho, a incorporação de lipossomos ecogênicos (ELIP) em mochilas celulares foi investigada. Mochilas celulares são \"patches\" de 7­-10 µm de diâmetro que podem ser fabricados por meio de deposição alternada de polímeros utilizando-­-se a técnica de LbL, sobre uma matriz pré­-moldada obtida por fotolitografia, a fim de criar um sistema composto por três multicamadas estratificadas: uma região de liberação, para promover o destacamento do substrato, uma região de carga de droga, e uma região adesiva às células. O uso de ELIP permitiu incorporação de até 9x mais doxorrubicina (DOX) se comparado com o fármaco livre em solução absorvido pelos dos filmes. A liberação de DOX pelos filmes foi monitorado por 25 dias. Mochilas contendo ELIP-­DOX foram então aderidos a monócitos, e sua viabilidade monitorados por 72h. Mochilas vazias mostraram diminuir a proliferação de monócitos ao longo das 72 horas, enquanto mochilas carregadas com ELIP-­DOX mostraram uma diminuição dramática na população celular, apontando uma potencialização dos efeitos da droga pela sua proximidade com as células. / The overall goal of this thesis was to exploit the versatility of polyelectrolite multilayers (PEM) to be applied in drug delivery systems and biofunctionalizable films for biomedical applications. PEM films assembled by the layer-by­-layer technique were explored in three main applications. In the first part of this work, the development of a functionalization protocol of poly(allylamine)/poly(styrene sulfonate), PAH/SPS was explored. The optimal film parameters to the use of biotinylated multilayers were applied for the capture and detection of prostate specific antigen (PSA) protein in the range of 100 to 0.1 ng/mL, by using quantum dots. Compared to previous work, this system presented a good sensitivity for PSA detection that is within the clinical limit range of 0.4 to 0.1 ng/mL. The second application involved the creation of a novel sacrificial multilayer film. Films based in natural interactions of bovine submaxillary mucin and the lectin jacalin, BSM/JAC were assembled. BSM/JAC films showed stability when underwent a wide rage of pH (pH 3 to 9) and high ionic strength (5 M NaCl) solutions. BSM/JAC dissolution could be triggered released by incubation in melibiose at 37 °C in pH 7.4 buffer, without cytotoxicity. In the last part of this work the incorporation of echogenic liposomes (ELIP) into cell backpacks was investigated. Cell backpacks are 7-10 µm diameter patches that can be fabricated through LbL polymer deposition onto a photopatterned array to create a stacked composite of three stratified multilayer systems: a releasable region for easy detachment from the substrate, a drug payload region, and a cell adhesive region. The use of ELIP allowed up to 9x more doxorubicin (DOX) loading when compared to free drug in solution adsorbed through the films. DOX release from films was monitored for over 25 days. ELIP­-DOX backpacks were then attached to mouse monocytes and their viability monitored by 72h. Empty backpacks showed to decrease monocytes proliferation over the course of 72h, while ELIP­-DOX backpacks showed a dramatic decrease in cell population, showing that DOX effects were enhancement in drug potency by its proximity.

O objetivo geral deste trabalho foi explorar a versatilidade de filmes multicamadas de polieletrólitos (PEM) e suas aplicações em sistemas de entrega de drogas e como filmes funcionais para aplicações biomédicas. Filmes PEM montados pela técnica de camada por camada (layer­-by­-layer, LbL), foram explorados em três aplicações principais. Na primeira, foi explorado o desenvolvimento de um protocolo de funcionalização em filmes de poli(alilamina)/poli (estireno sulfonato), PAH/SPS. Os parâmetros de construção do filme para biotinilação dos grupamentos amina do PAH foram otimizados e aplicados na captura e detecção do antígeno específico da próstata (PSA), na concentração de 100 a 0,1 ng/mL, usando pontos quânticos (Qdots). Em comparação com outros trabalhos, este sistema apresentou uma boa sensibilidade na detecção de PSA, dentro do limite de detecção clínica de 0,4 a 0,1 ng/mL. A segunda aplicação envolveu o desenvolvimento de filmes de sacrifício baseados nas interações naturais da mucina submandibular bovina e da lectina, jacalina (BSM/JAC). Filmes de BSM/JAC apresentaram estabilidade quando submetidos a uma ampla faixa de pH (pH 3-­-9) e em solução de alta força iônica (5 M NaCl). A dissolução dos filmes BSM/JAC pôde ser seletivamente desencadeada mediante à incubação em solução de melibiose, 37 °C, pH 7,4, sem apresentar citotoxicidade às células. Na última parte deste trabalho, a incorporação de lipossomos ecogênicos (ELIP) em mochilas celulares foi investigada. Mochilas celulares são \"patches\" de 7­-10 µm de diâmetro que podem ser fabricados por meio de deposição alternada de polímeros utilizando-­-se a técnica de LbL, sobre uma matriz pré­-moldada obtida por fotolitografia, a fim de criar um sistema composto por três multicamadas estratificadas: uma região de liberação, para promover o destacamento do substrato, uma região de carga de droga, e uma região adesiva às células. O uso de ELIP permitiu incorporação de até 9x mais doxorrubicina (DOX) se comparado com o fármaco livre em solução absorvido pelos dos filmes. A liberação de DOX pelos filmes foi monitorado por 25 dias. Mochilas contendo ELIP-­DOX foram então aderidos a monócitos, e sua viabilidade monitorados por 72h. Mochilas vazias mostraram diminuir a proliferação de monócitos ao longo das 72 horas, enquanto mochilas carregadas com ELIP-­DOX mostraram uma diminuição dramática na população celular, apontando uma potencialização dos efeitos da droga pela sua proximidade com as células. / The overall goal of this thesis was to exploit the versatility of polyelectrolite multilayers (PEM) to be applied in drug delivery systems and biofunctionalizable films for biomedical applications. PEM films assembled by the layer-by­-layer technique were explored in three main applications. In the first part of this work, the development of a functionalization protocol of poly(allylamine)/poly(styrene sulfonate), PAH/SPS was explored. The optimal film parameters to the use of biotinylated multilayers were applied for the capture and detection of prostate specific antigen (PSA) protein in the range of 100 to 0.1 ng/mL, by using quantum dots. Compared to previous work, this system presented a good sensitivity for PSA detection that is within the clinical limit range of 0.4 to 0.1 ng/mL. The second application involved the creation of a novel sacrificial multilayer film. Films based in natural interactions of bovine submaxillary mucin and the lectin jacalin, BSM/JAC were assembled. BSM/JAC films showed stability when underwent a wide rage of pH (pH 3 to 9) and high ionic strength (5 M NaCl) solutions. BSM/JAC dissolution could be triggered released by incubation in melibiose at 37 °C in pH 7.4 buffer, without cytotoxicity. In the last part of this work the incorporation of echogenic liposomes (ELIP) into cell backpacks was investigated. Cell backpacks are 7-10 µm diameter patches that can be fabricated through LbL polymer deposition onto a photopatterned array to create a stacked composite of three stratified multilayer systems: a releasable region for easy detachment from the substrate, a drug payload region, and a cell adhesive region. The use of ELIP allowed up to 9x more doxorubicin (DOX) loading when compared to free drug in solution adsorbed through the films. DOX release from films was monitored for over 25 days. ELIP­-DOX backpacks were then attached to mouse monocytes and their viability monitored by 72h. Empty backpacks showed to decrease monocytes proliferation over the course of 72h, while ELIP­-DOX backpacks showed a dramatic decrease in cell population, showing that DOX effects were enhancement in drug potency by its proximity.

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