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.

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.

O objetivo do presente estudo foi agregar valor a fibras de sisal, a dois dos componentes principais de fibras lignocelulósicas (celulose e lignina) e a PET reciclado, via produção de materiais com elevado valor agregado. Neste contexto, foram investigadas condições que levassem a mats constituídos por nanofibras/fibras ultrafinas, alinhadas (coletor rotativo) e não alinhadas (coletor estático), a partir da eletrofiação de soluções contendo essas matérias-primas, combinadas ou não [PET/sisal, PET/celulose e/ou lignina, PET/CNC (combinado ou não com OM)], em TFA. Parâmetros de solução, como razão PET/componente da biomassa e tempo de dissolução, foram diversificados, assim como parâmetros de processo (taxa de vazão da solução e velocidade de rotação do coletor utilizado, por exemplo). Os resultados de DMA indicaram a influência positiva do alinhamento das fibras nos superiores valores de E\' [tanto para os mats de PET/sisal, quanto para os mats de PET/celulose e/ou lignina e PET/CNC (combinado ou não com OM)] e também foi possível observar que não houve uma influência significativa desse alinhamento na Tg do PET nestes materiais. Como exemplo, o valor de E\' (a 30 &deg;C) para o mat de fibras alinhadas, com razão de sisal/PET = 0,40 (S/PET0,40 &#8211; A dir), caracterizado na direção preferencial de alinhamento das fibras, foi superior (765,0 MPa), em comparação ao valor apresentado pelo mat de fibras orientadas aleatoriamente, de composição correspondente, S/PET0,40 (E&rsquo; = 358,0 &plusmn; 1,5 MPa). A molhabilidade dos mats foi intrinsicamente dependente da razão fibra de sisal/PET e variou de altamente hidrofóbico (PETref, ACA de 134&deg;), a super hidrofílico (S/PET0,40, ACA de 0&deg;). Observou-se que, as principais influências da presença de lignina foram na morfologia achatada das fibras e no aumento do alongamento na ruptura dos materiais, de aproximadamente 90%, comparativamente a PETref. A presença da celulose resultou principalmente em um elevado diâmetro médio das fibras (valores de até 365,9 &plusmn; 139,7 nm) e módulo de Young dos materiais (com valores de até 360,4 &plusmn; 41,5 MPa), comparativamente ao apresentado pelos mats contendo PET e este polímero combinado com lignina. Os resultados mostraram que os CNCs exerceram uma ação efetiva como agentes de reforço, principalmente nos mats constituídos por fibras orientadas aleatoriamente de PET, considerando as propriedades mecânicas apresentadas por esses materiais (como resistência à ruptura de 4,6 &plusmn; 0,5 MPa), em comparação ao mat PETref (resistência à ruptura = 1,8 &plusmn; 0,2 MPa). O OM atuou como agente compatibilizante entre o PET reciclado e os CNCs, principalmente com relação ao superior valor de módulo de Young de PET/OM/CNC (354,2 &plusmn; 46,1 MPa), em comparação ao valor apresentado por PET/CNC (19,9 &plusmn; 3,9 MPa). Assim, os objetivos do presente trabalho foram atingidos com a preparação via eletrofiação, até onde se tem conhecimento, pela primeira vez, de mats de fibras alinhadas e não alinhadas baseadas em biomassa lignocelulósica nativa e dois de seus principais constituintes (celulose e lignina). Os materiais preparados apresentam uma vasta gama de possíveis aplicações, como sistemas de filtração de ar, por exemplo. / The aim of the present investigation was to add value to sisal fibers, to two of the major components of lignocellulosic fibers (cellulose and lignin) and recycled PET via preparation of materials with high added value. In this context, conditions that lead to mats of nanofibers and ultrathin fibers were investigated, aligned (rotating drum collector) and nonaligned (stationary collector), via electrospinning of solutions containing these raw materials, combined or not {PET/sisal fiber, PET/cellulose and/or lignin, PET/CNC [combined or not with castor oil (CO)]} in TFA. Solution parameters such as the ratio of PET/biomass component and dissolution times were diverse, as well as process parameters (e.g. solution flow rate and rotational speed of the collector). The DMA results indicated the positive influence of fiber alignment on the higher storage modulus &#8211; E&rsquo; [for mats of PET/sisal, PET/cellulose and/or lignin and PET/CNC (combined or not with CO)] and it was also possible to observe no significant influence of fiber alignment on the Tg of PET for these mats. The value of E&rsquo; (at 30 &deg;C) for the aligned fibers mat with sisal/PET ratio = 0.40 (S/PET0.40 - A dir), characterized in the preferred direction of fiber alignment, was higher (765.0 MPa) when compared to the value presented by the randomly oriented fibers mat of the corresponding composition, S/PET0.40 (E&rsquo; = 358.0 &plusmn; 1.5 MPa). The wettability of the mats was intrinsically dependent on the sisal/PET fiber ratio and ranged from highly hydrophobic (PETref, ACA of 134°) to super hydrophilic (S/PET0.40, ACA of 0°). It was observed that the main influences of the presence of lignin was on the flat fibers morphology and on the increase of the elongation-at-break of the materials of approximately 90% compared to PETref. The presence of cellulose resulted mainly in a high average fiber diameter (values up to 365.9 &plusmn; 139.7 nm) and elastic modulus of the materials (values up to 360.4 &plusmn; 41.5 MPa) compared to the ones presented by mats containing PET and by this polymer combined with lignin. The results showed that the CNCs were efficient as reinforcing agents, especially in the mats composed of randomly oriented fibers of PET, considering the mechanical properties presented by these materials (such as ultimate tensile strength of 4.6 &plusmn; 0.5 MPa) compared to PETref mat (ultimate tensile strength = 1.8 &plusmn; 0.2 MPa). CO acted as a compatibilizing agent between recycled PET and CNCs, mainly regarding the superior elastic modulus value of PET/OM/CNC (354.2 &plusmn; 46.1 MPa) compared to PET/CNC mat (19.9 &plusmn; 3.9 MPa). Therefore, the goals of the present study were reached for the first time with the preparation of aligned and nonaligned fiber mats based on native lignocellulosic biomass and two of its main constituents (cellulose and lignin), to the best of our knowledge. The prepared materials have a wide range of possible applications, such as air filtration systems, for example.

Orientadora: Márcia Tsuyama Escote / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2012

Orientador: Mariselma Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2014

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2019-02-07T15:18:50Z No. of bitstreams: 1 Anderson_Gotardo_2018.pdf: 8740713 bytes, checksum: a5124905fb476303a65a06e329454980 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-02-07T15:18:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Anderson_Gotardo_2018.pdf: 8740713 bytes, checksum: a5124905fb476303a65a06e329454980 (MD5) Previous issue date: 2018-11-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Surface phenomena such as adsorption, formation of colloids, heterogeneous catalysis, have varied applications spread in the industry. An important property to achieve efficiency in the processes of surface chemistry is the high ratio area/volume of the materials involved in each process. In search of this property, in conjunction with others, a large number of publications report the use of the electrospinning technique as having unique characteristics in the production of fibers, with diameters of the order of nanometers, and fibers aggregates, in the form of membranes or films, with high specific area. In this work an alloy consisted of selenium and gallium was added into an Ecovio® polymer solution before electrospinning. The effects of alloy concentration on the properties of the composite material (membranes) was investigated by means of thermal analysis, X-ray diffraction, IR spectroscopy (FTIR-ATR), SEM analysis, and PAS (UV-vis) spectroscopy. The formed composite shown dependency of alloy cristallinity and although it has not been directly measured the surface area seems to be increased. The thermogravimetric analysis evidenced an increase in the thermal stability of the composite material. Although the FTIR spectrosocopy was inconclusive as to the incorporation of the alloy into the polymer, the SEM morphological analysis shown that the particules of the alloy material were partialy or fully incorporated into the composite. XRD also evince the incorporation of the alloy into the polymer. Photoacoustic spectroscopy allowed the determination of gap energy in the composite, further evidence that the alloy was incorporated into the polymer. / Fenômenos de superfície como adsorção, formação de coloides, catálise heterogênea, têm variadas aplicações difundidas na indústria. Uma propriedade importante para se obter eficiência nos processos da química de superfície é a razão área/volume dos materiais envolvidos em cada processo. Buscando por essa propriedade, conjugada com outras, um elevado número de publicações reporta o uso da técnica da eletrofiação como tendo características únicas na produção de fibras, com diâmetros da ordem de nanometros, e agregados de fibras, na forma de membranas ou filmes, com elevada área específica. Neste trabalho, uma liga constituída de selênio e gálio foi adicionado a uma solução polimérica de Ecovio® antes da eletrofiação. Os efeitos da concentração de liga sobre as propriedades do material compósito (membranas) foram investigados por meio de análise térmica, difração de Raios X (DRX), espectroscopia de infravermelho, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia fotoacústica (EFA) na região de Ultravioleta e visível. O compósito formado mostrou dependência com cristalinidade da liga e, embora não tenha sido medido diretamente, a área superficial parece estar aumentada. A análise termogravimétrica evidenciou aumento na estabilidade térmica do material compósito. Embora a espectroscopia de infravermelho tenha sido inconclusiva quanto à incorporação da liga no polímero, a análise morfológica da MEV mostrou que as partículas do material da liga foram parciais ou totalmente incorporadas ao compósito. A difração de Raios X também evidencia a incorporação da liga no polímero. A espectroscopia fotoacústica permitiu a determinação da energia do gap no compósito, mais uma evidência de que a liga foi incorporada ao polímero.

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.