Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VIVIANE TELEGINSKI.pdf: 4135573 bytes, checksum: d862e0fdfd063afd1dec2d86b22b4031 (MD5) Previous issue date: 2012-08-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work, the aerospace alloy Al–1.5wt.%Fe was submitted to laser surface remelting (LSR). This process occurs thought the application of a localized laser radiation with high power density, causing fast heating and melting of the irradiated material, following with high rates of cooling causing the non-equilibrium solidification of the treated layer. In the present work a broad experimental survey was made in relation to microstructure, composition of the resulting phases, morphology characterization, microhardness and corrosion resistance of the treated layer and the results were compared with the untreated sample. Predictions through the numerical simulation were done relative to the thermal history, heating and cooling cycles, the depth of the treated layer and the thermal stress caused by sudden heating and cooling of the treated layer. The results indicate that the high cooling rates of the order of 104 K/s promoted the formation of metastable intermetallic phases and oxides. Due to the laser treatment there was an increase in microhardness, reduction in surface roughness and there was an increase in corrosion resistance about fourteen times on the studied electrolyte. These results indicate that laser surface remelting is an effective tool for upgrade the surface quality of parts that require high level performances. The RSL technique is a modern technology for surface processing and it is being applied in industry such as automotive, aerospace and energy. / Neste trabalho a liga aeroespacial Al–1,5%Fe foi submetida ao tratamento de refusão superficial a laser (RSL). O processo ocorre através da aplicação localizada da radiação laser com alta densidade de potência, acontecendo um rápido aquecimento e fusão do material irradiado, seguido de um resfriamento com taxas elevadas sendo que a solidificação da camada tratada ocorre em condições fora de equilíbrio. No presente trabalho realizou-se um amplo levantamento experimental quanto à microestrutura, composição das fases resultantes, característica da morfologia, microdureza e resistência à corrosão da camada tratada e os resultados foram comparados com a amostra não tratada. Através da simulação numérica foram previstos o histórico térmico, ciclos de aquecimento, resfriamento, profundidade da camada tratada e as tensões termicamente induzidas pelo brusco aquecimento e resfriamento provocado pelo processamento. Os resultados indicam que em consequência do resfriamento com taxas da ordem de 104 K/s houve a formação de fases intermetálicas metaestáveis e óxidos. Houve um aumento da dureza, redução da rugosidade superficial e aumento da resistência à corrosão em torno de quatorze vezes no eletrólito de ácido sulfúrico 0,1 mol/L. Estes resultados indicam que o tratamento de refusão superficial a laser é uma eficiente ferramenta para aprimorar a qualidade superficial de peças que exigem alto nível de desempenho. A técnica de RSL é uma tecnologia moderna de processamento superficial e vem sendo aplicada nas indústrias como automobilística, aeroespacial e de energia.

Cellulosabaserade material är världens rikligast förekommande förnyelsebara råvara. Växters cellväggar är naturliga kompositmaterial där den kristallina cellulosan är inbäddad i en väv av hemicellulosa, strukturproteiner och lignin. Xyloglukaner är en viktig hemicellulosagrupp som omger och korslänkar den kristallina cellulosan i cellväggarna. I denna avhandling undersöks undersöks sambanden mellan struktur och funktion hos olika xyloglukan-aktiva enzymer. En modell för effektiv enzymatisk omvandling av biomassa ges av cellulosomen hos den anaeroba prokaryota organismen Clostridium thermocellum. Cellulosomen är ett proteinkomplex med hög molmassa och flera olika enzymaktiviteter, bl.a. det inverterande xyloglukan-endohydrolaset CtXGH74A. Proteinstrukturen för CtXGH74A har lösts i komplex med xyloglukanoligosackarider, som stabliliserar vissa loopar/slingor som är oordnade i apostrukturen. Ytterligare detaljerade kinetiska och produktananalyser har genomförts för att entydigt visa att CtXGH74A är ett endoxyloglukanas vars slutliga nedbrytningsprodukt är Glc4-baserade xyloglukanoligosackarider. Som jämförelse innehåller glykosidhydrolasfamilj 16 (GH16) såväl hydrolytiska endoxyloglukanaser som xyloglukantransglykosylaser (XETs) från växter. För att utreda vad som bestämmer förhållandet mellan transglykosylering och hydrolys i xyloglukanaktiva enzymer från familj GH 16 jämfördes struktur och kinetik hos ett strikt transglykosylas, PttXET16-34 från hybridasp, med ett nära besläktat hydrolytiskt enzym, NXG1 från krasse. I NXG1 identifierades en viktig förlängningsloop, som vid trunkering gav ett muterat enzym med högre transglykosyleringshastighet och minskad hydrolytisk aktivitet. Kinetikstudierna genomfördes med hjälp av nyutvecklade känsliga provmetoder med väldefinerade XGO:er och ett antal kromogena XGO-arylglykosider. En detaljerad förståelse av enzymologin inom GH16 möjliggjorde utvecklingen av en ny kemoenzymatisk metod för biomimetisk fiberytmodifiering med hjälp av PttXET16-34s translgykosyleringsaktivitet. Aminoalditolderivat av xyloglukanoligosackarider användes som nyckelintermediärer för att introducera ny kemisk funktionalitet hos xyloglukan, såsom kromoforer, reaktiva grupper, proteinligander och initiatorer för polymeriseringsreaktioner. Tekniken innebär ett nytt och mångsidigt verktyg för fiberytmodifiering. / Zellulosehaltige Materialien sind die häufigsten erneuerbaren Rohmaterialien auf der Welt. Pflanzenzellwände sind natürliche Kompositmaterialien, sie enthalten kristalline Zellulose, die in einer Matrix aus Hemizellulosen, Proteinen und Lignin eingebettet sind. Xyloglukane sind eine wichtige Gruppe der Hemizellulosen, sie ummanteln und verbinden Zellulose in der pflanzlichen Zellwand. In dieser Abhandlung werden Strukturen von drei Xyloglukanaktiven Enzymen in Beziehung zu ihrer Funktion untersucht. Ein Paradigma für effizienter Nutzung von Biomasse ist das Cellulosom des anaerob lebenden Bakteriums Clostridium thermocellum. Das Cellulosom ist ein hochmolekularer Komplex von Proteinen mit vielen verschiedenen Aktivitäten, darunter ist auch die invertierende Xyloglukan Endohydrolase CtXGH74A. Die Proteinstruktur von CtXGH74A wurde im Komplex mit Xyloglukanoligosacchariden (XGO) gelöst, welche ungeordnete Loops der apo-Struktur stabilisierten. Durch weitere detaillierte Analyse der Kinetik und Reaktionsprodukte konnte schlüssig gezeigt werden, daß CtXGH74A eine Endoglukanase ist, die Glc4-basierte XGO produziert. Im Vergleich dazu enthält die retentierende Glykosidhydrolasefamilie 16 (GH16) sowohl hydrolytische Endoxyloglukanasen als auch Transglykosidasen von Pflanzen. Um zu erklären welche Faktoren das Verhältnis zwischen Transglykosidase und Hydrolase Aktivität bei GH16 Xyloglukanaktiven Enzymen bestimmen wurde eine reine Transglykosidase PttXET16-34 von Hybridaspen mit einem nah verwandten hydrolytischen Enzym NXG1 von Kapuzinerkresse strukturell und kinetisch verglichen. Als Schlüsselstelle wurde eine Verlängerung eines Loops in NXG1 identifiziert, Verkürzung des Loops führte zu einer Mutante mit erhöhter Transglykosylierungsrate bei verminderter hydrolytischer Aktivität. Kinetische Studien wurden erleichtert durch neu entwickelte hochempfindliche Methoden für Aktivitätsmessung, die auf XGO oder chromogene Aryl-XGO als definierte Substrate zurückgreifen. Detailliertes Verständnis von GH16 Enzymologie hat den Weg für die Entwicklung für eine neuartige Methode für biomimetische Oberflächenmodifikation von Zellulosefibern geebnet, dafür wurde die transglykosylierende Aktivität von PttXET16-34 angewendet. Aminoalditol-derivate von XGO wurden als wichtigste Zwischenprodukte angewendet, um neue chemische Funktionalitäten in Xyloglukan einzuführen, darunter waren Chromophore, reaktive Gruppen, Proteinliganden und Initiatoren für Polymerisationsreaktionen. Die modifizierten Xyloglukane wurden an eine Reihe von verschiedenen Zellulosematerialien gebunden und veränderten die Oberflächeneigenschaften dramatisch. Diese Methode ist ein neues wertvolles Werkzeug für Oberflächenmodifikation von Zellulosen. / Cellulosic materials are the most abundant renewable resource in the world; plant cell walls are natural composite materials containing crystalline cellulose embedded in a matrix of hemicelluloses, structural proteins, and lignin. Xyloglucans are an important group of hemicelluloses, which coat and cross-link crystalline cellulose in the plant cell wall. In this thesis, structure-function relationships of a range of xyloglucan-active enzymes were examined. A paradigm for efficient enzymatic biomass utilization is the cellulosome of the anaerobic bacterium Clostridium thermocellum. The cellulosome is a high molecular weight complex of proteins with diverse enzyme activities, including the inverting xyloglucan endo-hydrolase CtXGH74A. The protein structure of CtXGH74A was solved in complex with xyloglucan oligosaccharides (XGOs) which stabilized disordered loops of the apo-structure. Further detailed kinetic and product analyses were used to conclusively demonstrate that CtXGH74A is an endo-xyloglucase that produces Glc4-based XGOs as limit digestion products. In comparison, the retaining glycoside hydrolase family 16 (GH16) contains hydrolytic endo-xyloglucanases as well as xyloglucan transglycosylases (XETs) from plants. To elucidate the determinants of the transglycosylase/hydrolysis ratio in GH16 xyloglucan-active enzymes, a strict transglycosylase, PttXET16-34 from hybrid aspen, was compared structurally and kinetically with the closely related hydrolytic enzyme NXG1 from nasturtium. A key loop extension was identified in NXG1, truncation of which yielded a mutant enzyme that exhibited an increased transglycosylase rate and reduced hydrolytic activity. Kinetic studies were facilitated by the development of new, sensitive assays using well-defined XGOs and a series of chromogenic XGO aryl-glycosides. A detailed understanding of GH16 xyloglucan enzymology has paved the way for the development of a novel chemo-enzymatic approach for biomimetic fiber surface modification, in which the transglycosylating activity of PttXET16-34 was employed. Aminoalditol derivates of XGOs were used as key intermediates to incorporate novel chemical functionality into xyloglucan, including chromophores, reactive groups, protein ligands, and initiators for polymerization reactions. The resulting modified xyloglucans were subsequently bound to a range of cellulose materials to radically alter surface properties. As such, the technology provides a novel, versatile toolkit for fiber surface modification. / QC 20100624

The introduction of a nanoscopic reinforcing phase to a polymer matrix offers great possibilities of obtaining improved properties, enabling applications outside the boundaries of traditional composites. The majority of the work in this thesis has been devoted to polymer/clay nanocomposites in coating applications, using the hydroxyl-functional hyperbranched polyester Boltorn® as matrix and montmorillonite clay as nanofiller. Nanocomposites with a high degree of exfoliation were readily prepared using the straightforward solution-intercalation method with water as solvent. Hard and scratch-resistant coatings with preserved flexibility and transparency were obtained, and acrylate functionalization of Boltorn® rendered a UV-curable system with similar property improvements. In order to elucidate the effect of the dendritic architecture on the exfoliation process, a comparative study on the hyperbranched polyester Boltorn® and a linear analogue of this polymer was performed. X-ray diffraction and transmission electron microscopy confirmed the superior efficiency of the hyperbranched polymer in the preparation of this type of nanocomposites. Additionally, an objective of this thesis was to investigate how cellulose nanofibers can be utilized in high performance polymer nanocomposites. A reactive cellulose “nanopaper” template was combined with a hydrophilic hyperbranched thermoset matrix, resulting in a unique nanocomposite with significantly enhanced properties. Moreover, in order to fully utilize the great potential of cellulose nanofibers as reinforcement in hydrophobic polymer matrices, the hydrophilic surface of cellulose needs to be modified in order to improve the compatibility. For this, a grafting-from approach was explored, using ring-opening polymerization of ε-caprolactone (CL) from microfibrillated cellulose (MFC), resulting in PCL-modified MFC. It was found that the hydrophobicity of the cellulose surfaces increased with longer graft lengths, and that polymer grafting rendered a smoother surface morphology. Subsequently, PCL-grafted MFC film/PCL film bilayer laminates were prepared in order to investigate the interfacial adhesion. Peel tests demonstrated a gradual increase in the interfacial adhesion with increasing graft lengths. / QC20100621

<p>Energy is one of the basic needs of human beings and is extremely crucial for continued development of human life. Our work, leisure and our economic, social and physical welfare all depend on the sufficient, uninterrupted supply of energy. Therefore, it is essential to provide adequate and affordable energy for improving human welfare and raising living standards. Global concern over environmental climate change linked to fossil fuel consumption has increased pressure to generate power from renewable sources [1]. Although substantial advances in renewable energy technologies have been made, significant challenges remain in developing integrated renewable energy systems due primarily to mismatch between load demand and source capabilities [2]. The output from renewable energy sources such as photo-voltaic, wind, tidal, and micro-hydro fluctuate on an hourly, daily, and seasonal basis. As a result, these devices are not well suited for directly powering loads that require a uniform and uninterrupted supply of input energy.</p>

El present treball es basa en l'estudi de la modificació de la superfície del negre de carboni (NC) per mitjà de tècniques de plasma. Tot i que aquest tipus de tractament s'utilitza de manera comú sobre superfícies planes, tanmateix encara existeixen problemes a l'hora de treballar en materials en pols degut a la dificultat que suposa la seva manipulació. En aquest treball s'ha modificat NC tant per tècniques de plasma a baixa pressió com per mitjà de tècniques de plasma atmosfèric. Per tal d'assolir aquest objectiu s'han posat a punt tres reactors de plasma capaços de modificar aquest tipus de material; dos reactors treballen a baixa pressió mentre que el tercer es tracta d'un equip a pressió atmosfèrica.Els sistemes de plasma a baixa pressió utilitzats han estat un reactor down-stream i un reactor de llit fluiditzat. Ambdós sistemes utilitzen un generador de radio freqüències a 13,56MHz per tal de general el plasma. Tots dos sistemes han estat optimitzats per la modificació de materials en pols. En el cas del reactor down-stream, s'ha estudiat a posició d'entrada del gas reactiu, la potència del generador i el temps de modificació per a tres tipus de tractament: oxigen, nitrogen i amoníac. En el cas del reactor de llit fluiditzat, els paràmetres que s'han estudiat han estat la distància entre la pols i la zona de generació de plasma, la mida de la partícula i la porositat de la placa suport.Pel que fa a la modificació mitjançant la utilització de plasma atmosfèric, s'ha dissenyat un sistema que permet utilitzar una torxa de plasma atmosfèric comercial (Openair® de Plasmatreat GmbH) per tal de modificar materials en pols. Aquest sistema consisteix en un reactor adaptable a la torxa de plasma atmosfèric on té lloc la modificació, un sistema d'introducció de la pols dins de la zona de reacció així com també un sistema de refredament i col·lecció del material modificat que conjuntament permeten un funcionament quasi-continu del tractament.S'ha utilitzat el reactor down-stream i el reactor a pressió atmosfèrica per tal de modificar tres tipus diferents de negre de carboni (N134, XPB 171 i Vulcan XC-72). D'altra banda, s'ha grafititzat i extret el N134 prèviament a la modificació per tal de realitzar un estudi sobre la influència de l'estructura superficial així com també de la presència d'impureses sobre la superfície del NC. L'oxidació i l'augment de nitrogen en superfície han estat les dues modificacions que s'han estudiat principalment per tal de comparar el resultat obtingut per les tècniques presentades.El NC s'ha caracteritzat mitjançant diverses tècniques analítiques per tal de poder obtenir informació sobre els canvis produïts durant la modificació per plasma. Aquestes tècniques inclouen superfície específica, XRD, WAXS, STM per tal d'estudiar els canvis en la seva morfologia i estructura de la superfície. D'altra banda, per tal d'estudiar els canvis en la composició química s'han emprat mesures de pH, valoracions àcid/base i XPS.Finalment, alguns dels negres de caboni modificats han estat seleccionats per tal de ser avaluats en aplicacions finals tal i com són el reforçament d'elastòmers i la seva activitat vers la reducció d'oxigen utilitzada en les PEMFC per tal d'eliminar els metalls nobles. En el primer cas, s'ha estudiat l'efecte sobre la cinètica i el mecanisme de vulcanització del negre de carboni modificat mitjançant el plasma atmosfèric. Aquest estudi s'ha dut a terme utilitzant dues tècniques complementaries com són les corbes reomètriques i la vulcanització de molècules model (MCV). També s'han realitzat mesures d'adsorció de polímer sobre el NC i Bound Rubber per tal d'estudiar la interacció polímer-càrrega la qual presenta una gran influència en les propietats finals dels materials. D'altra banda, s'ha estudiat també la capacitat del NC modificat vers a la reducció d'oxigen a partir de voltametria cíclica i s'han determinat les propietats del NC que poden influir de manera rellevant en l'activitat cataítica final del NC per a aquesta reacció. Tot i que es necessari fer una preparació posterior al tractament de plasma per a aquesta aplicació, el material final pot contribuir notablement a la eliminació de metalls nobles com a catalitzadors de reducció d'oxigen en les Piles de Combustible. / The present works deals with plasma modification of carbon black (CB). Although this type of treatment is widely used on flat surfaces handling problems should be overcome in order to treat powders as CB. In this study CB has been modified both by means of low-pressure and atmospheric pressure non-equilibrium plasmas. In order to accomplish this objective three different plasma reactors have been set-up; two at low pressure and one at atmospheric pressure working conditions.Low pressure plasma reactors utilised in this work consist in a down-stream and a fluidised bed system working at Radio Frequency generation power (RF 13,56 MHz). Both reactors have been optimized to treat powder materials. For the down-stream reactor, position of the reactive gas inlet, and treatment conditions such as generator power and time have been studied for oxygen, nitrogen and ammonia treatments. For the fluidized bed reactor the distance of the powder sample to the plasma generation zone, particle size and support porosity have been taken into account. Concerning atmospheric plasma, a device has been set up in order to adapt a commercial plasma torch (Openair® from Plasmatreat GmbH), for powder modification. An adaptable reactor, a method to introduce the powder in the plasma zone as well as a collecting system had been developed in order to obtain a quasi-continuous modification treatment.Three types of CBs, N134, XPB 171 and Vulcan XC-72 have been modified in both the down-stream and the atmospheric plasma system. Graphitization and extraction of N134 were also carried out before plasma modification in order to study the effect of both impurities and surface structure of the CB during plasma modification. Surface oxidation and nitrogen enrichment were the two main studied treatments in both systems which allowed comparing their performances.Unmodified and Modified CBs have been characterised from several points of view. Specific surface area, XRD, WAXS and STM have been used in order to study morphological and surface structure changes. On the other hand, pH measurements, acid/base titration and XPS were employed in order to study the surface chemistry composition changes that had taken place during plasma modification. Some of the modified CB grades were selected in order to be tested in final applications such as rubber reinforcement and oxygen reduction non-noble metal catalyst for PEMFC. In the first case, the effect of atmospheric plasma treatment on the vulcanization kinetics and mechanism has been evaluated both by rheometre curves and the model compounding approach. Studies about the polymer-filler interaction have been also carried out by calculating bound rubber and adsorption from polymer solution. Last but not least, plasma modification capacity to enhance the oxygen reduction activity to obtain non-noble metal catalysts for PEMFC has been evaluated after the correspondent preparation. Oxygen reduction activity has been studied by means of cyclic voltammetry. The main CB properties which could play an important role in such applications have been analyzed.

El treball que es presenta en aquesta tesi pretén contribuir al camp de la ciència de superfícies biològiques, amb el desenvolupament de superfícies adaptades amb cadenes lateral reactives per tal de unir covalentment biomolècul·les d'interès a la superfície.La polimerització assistida per plasma del recobriments actius és un mètode atractiu per tal d'obtenir cadenes laterals reactives, mitjançant pel·lícules nanomètriques amb densitats de grups funcionals adaptats. Sota control de les condicions experimentals, l'estructura del dipòsit polimèric es pot control i les estructures químiques obtingudes poden variar des de xarxes polimèriques altament funcionalitzades amb baixa reticulació fins a xarxes altament reticulades amb baix contingut funcional. La recerca descrita en aquesta tesi tracta de la modificació de superfície de diversos substrats per polimerització de plasma. La part essencial del treball es dirigeix cap al funcionalització amb grups èster de pentafluorofenil a la superfície, durant la polimerització per grafting i polimerització de plasma pulsat de pentafluofenil metacrilat. Aquesta classe de grup làbil és de gran interès per a la seva fàcil reactivitat amb molècules amb mines terminals, com pèptids. Altres monòmers comercials també s'han emprat al començament de l'estudi, com a primera aproximació a les tècniques de plasma. La caracterització d'aquestes superfícies s'ha fet a través de tècniques analítiques com FTIR, XPS, AFM o ToF - SIMS entre d'altres.A més, s'ha dut a terme un estudi per fer a mida el polímer de PFM per a millorar la retenció de la seva estructura, i així com un estudi profund de la seva reactivitat davant de molècules amb amines terminals diferents d'interès, afegint SPR o l'aplicació de sensors microcantiliver a les tècniques de caracterització per aconseguir una millor comprensió de la química i cinètica de la reacció.Sobre el propòsit d'aconseguir superfícies funcionalitzades útils, s'ha realitzat un patterning de les superfícies amb l'ús de màscares per a capa selectiva de les mostres per controlar les àrees modificades. Això s'ha fet per a l'aplicació d'aquesta pel·lícula a dispositius reals, així com a prova de la seva biocompatibilitat per cultiu cel·lular i per assaigs in vivo. / El trabajo que se presenta en esta tesis pretende contribuir al campo de la ciencia de superficies biológicas, con el desarrollo de superficies adaptadas con cadenas lateral reactivas con el fin de unir covalentemente biomoléculas de interés a la superficie.La polimerización asistida por plasma de recubrimientos activos es un método atractivo con el fin de obtener cadenas laterales reactivas, mediante películas nanométricas con densidades de grupos funcionales adaptados. Bajo control de las condiciones experimentales, la estructura del depósito polimérico se puede control y las estructuras químicas obtenidas pueden variar desde redes poliméricas altamente funcionalitzadas con baja reticulación hasta redes altamente reticuladas con bajo contenido funcional.La investigación descrita en esta tesis trata de la modificación de superficie de diversos sustratos por polimerización de plasma. La parte esencial del trabajo se dirige hacia el funcionalización con grupos éster de pentafluorofenilo en la superficie, durante la polimerización por grafting y polimerización de plasma pulsado de pentafluofenilmetacrilato. Esta clase de grupo lábil es de gran interés para su fácil reactividad con moléculas con minas terminales, como péptidos. Otros monómeros comerciales también se han servido al principio del estudio, como primera aproximación a las técnicas de plasma. La caracterización de estas superficies se ha hecho a través de técnicas analíticas como FTIR, XPS, AFM o ToF - SIMS entre otros. Además, se ha llevado a cabo un estudio para hacer a medida el polímero de PFM para mejorar la retención de su estructura, y así como un estudio profundo de su reactividad delante de moléculas con aminas terminales diferentes de interés, añadiendo SPR o la aplicación de sensores microcantiliver a las técnicas de caracterización para conseguir una mejor comprensión de la química y cinética de la reacción.Sobre el propósito de conseguir superficies funcionalizadas útiles, se ha realizado un patterning de las superficies con el uso de máscaras para capa selectiva de las muestras para controlar las áreas modificadas. Eso se ha hecho para la aplicación de esta película en dispositivos reales, así como a prueba de su biocompatibillidad por cultivo celular y para ensayos in vivo. / The work presented in this thesis has the main aim to contribute in the field of biological surface science, by developing tailored surfaces with reactive side chains in order to attach desired biomolecules to the surface by a covalent link. Plasma polymerization of surface active coatings is an attractive method to obtain reactive side chains, by making nanometer thick films of tailored functional group densities. By controlling the experimental conditions, the structure of the polymer deposit can be largely controlled and the chemical structures obtained can range from highly functional polymer networks of low cross link density to polymer networks of low functional group but high cross link densities. The research described in this thesis deals with the surface modification of various substrates by plasma polymerization. The major part of the work is directed towards the funtionalization with pentafluorophenyl ester groups on the surface, through the grafting polymerization and pulsed plasma polymerization of pentafluophenyl methacrylate. This kind of labile group is of high interest for its easy reactivity to amino terminated molecules, such as peptides. Other commercial monomers were also used at the beginning of the study, as a first approach to the plasma techniques. The characterization of these surfaces is done through several analytical techniques as FTIR, XPS, AFM or ToF-SIMS among others. Furthermore, a study for tailoring the PFM polymer for better structure retention and deep study of its reactivity in front of different amino terminated molecules of interest was performed, adding SPR or the implementation of microcantilever sensors to the characterization techniques to achieve a better understanding of the chemistry and kinetic of the reaction, in order to achieve the best peptide binding for reliable well characterized bioactive interface..On the aim of achieving useful functionalized surfaces, a patterning of the surfaces with the use of masks for selective coating of the samples has been performed to control the modified areas. This has been done for application of this film to real devices, as well as to test of its biocompatibility by cell culture and in vivo assays.

En aquest treball es descriu el disseny, síntesi i caracterització de diferents biomaterials i la seva possible aplicació en biomedicina. S'ha fet especial èmfasi a ressaltar la importància que tenen l'estructura, la composició i l'activitat superficial en les propietats finals del biomaterial. Així, s'ha desenvolupat un biomaterial biodegradable i elastomèric, altament porós, amb una gran interconnectivitat que permet la difusió de nutrients i de cèl•lules, un cop sigui implantat. La viabilitat d'aquest material s'ha demostrat tant en assaigs in vitro com in vivo. La síntesi del mateix s'ha realitzat mitjançant calefacció assistida per microones, cosa que ha permès una reacció més ràpida sense necessitat de catalitzadors i evitant les etapes posteriors de purificació. S'ha desenvolupat també un material biodegradable i injectable a temperatures de 45°C, que, en refredar fins als 37°C, s'endureix i pot emprar com a suport estructural al mateix temps que actua com a alliberador de fàrmacs. L'aplicació d'aquest material com ciment ossi millora els problemes de biocompatibilitat, tant de composició, com mecànica, dels actuals productes en el mercat, obrint una nova via d'aplicació d'aquest tipus de materials. D'altra banda, el compost desenvolupat s'ha assajat en aplicacions bioadhesives, on ha demostrat uns excel•lents resultats en la unió de teixit intestinal. Finalment, s'ha aconseguit desenvolupar una superfície amb capacitat de reprogramar cèl•lules amb el simple contacte entre la cèl•lula i la superfície. Amb aquesta tecnologia, anomenada cell reprograming surface (CRS), s'han obtingut cèl•lules pluripotents induïdes (iPS) d'una forma molt més eficient i ràpida que els mètodes habituals de treball. / En este trabajo se describe el diseño, síntesis y caracterización de diferentes biomateriales y su posible aplicación en biomedicina. Se ha hecho especial énfasis en resaltar la importancia que tienen la estructura, la composición y la actividad superficial en las propiedades finales del biomaterial. Así, se ha desarrollado un biomaterial biodegradable y elastomérico, altamente poroso, con una gran interconectividad que permite la difusión de nutrientes y de células, una vez sea implantado. La viabilidad de este material se ha demostrado tanto en ensayos in vitro como in vivo. La síntesis del mismo se ha realizado mediante calefacción asistida por microondas, lo que ha permitido una reacción más rápida sin necesidad de catalizadores y evitando las etapas posteriores de purificación. Se ha desarrollado también un material biodegradable e inyectable a temperaturas de 45°C, que, al enfriarse hasta los 37°C, se endurece y puede emplearse como soporte estructural a la vez que actúa como liberador de fármacos. La aplicación de dicho material como cemento óseo mejora los problemas de biocompatibilidad, tanto de composición como mecánica, de los actuales productos en el mercado, abriendo una nueva vía de aplicación de este tipo de materiales. Por otro lado, el compuesto desarrollado se ha ensayado en aplicaciones bioadhesivas, donde ha demostrado unos excelentes resultados en la unión de tejido intestinal. Por último, se ha conseguido desarrollar una superficie con capacidad de reprogramar células con el simple contacto entre la célula y la superficie. Con esta tecnología, denominada cell reprograming surface (CRS), se han obtenido células pluripotentes inducidas (iPS) de una forma mucho más eficiente y rápida que los métodos habituales de trabajo. / This paper describes the design, synthesis and characterization of different biomaterials and their possible applications in biomedicine, highlighting the importance of the structure, composition and surface activity in the final properties of the biomaterial. Thus, a biodegradable and elastomeric biomaterial, highly porous, with a strong interconnectivity that allows diffusion of nutrients and cells, once it is implanted has been developed. The feasibility of this material has been demonstrated both in vitro and in vivo assays. The synthesis has been performed using microwave-assisted heating, which has allowed a faster reaction without catalysts and avoiding the later stages of purification. It has also been developed a biodegradable and injectable material, at temperatures of 45°C, which, when cooled to 37°C, it hardens and can be used as structural support while acting as drug delivery. The application of such material as bone cement avoid biocompatibility problems, both in composition and mechanicas, of the current products on the market, opening a new way of application of such material. On the other hand, the compound has been tested in bioadhesive applications, where it has shown excellent results in the union of intestinal tissue. Finally, a surface with ability to reprogram cells with simple contact between the cell and the surface has been developed. With this technology, called cell reprograming surface (CRS), induced pluripotent cells (iPS) have been obtained in a much more efficient and faster way than the usual methods.

PMMA is a widely used biomaterial especially in the fields of orthopedia, orthodontia and ophthalmology. When biocompatibility is considered, modification of the biomaterials&amp / #8217 / surface may be needed to optimize interactions of the biomaterial with the biological environment. After the surface modifications one of the most important changes that occur is the change in the surface free energy (SFE). SFE is an important but an obscure property of the material and evaluation methods with different assumptions exist in the literature. In this study, SFE of pristine and oxygen plasma modified PMMA films were calculated by means of numerous theoretical approaches (Zisman, Saito, Fowkes, Berthelot, Geometric and Harmonic Mean and Acid-Base) using numerous liquids and the results were compared to each other to elucidate the differences of methods. Dispersive, polar, acidic and basic components of the SFE were calculated by the use of different liquid couples and triplets with the application of Geometric and Harmonic mean methods and Acid-Base approach. The effect of SFE and the components of SFE on the cell attachment efficiencies were examined by using fibroblast cells. It was observed that with the treatment of oxygen plasma, cell attachment capability and hydrophilicity of PMMA surfaces were altered depending on the applied power and duration of the plasma.

Diese Arbeit liefert die Grundlage für intelligente Beschichtungen aus kovalent gebundenen Polymeren, sogenannten Polymerbürsten, mit Schichtdicken von wenigen Nanometern. Durch ihre Fähigkeit die Oberflächeneigenschaften je nach Umgebungstemperatur, pH Wert und Zusammensetzung zu ändern, kann die Adsorption von Biomolekülen auf eine einzigartige Art und Weise kontrolliert und reguliert werden. Die zusätzliche Modifizierung der Polymerbürsten mit Elektronenstrahlen ermöglicht die Generierung von Gradienten und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in vielfältigen Bereichen der interdisziplinären Forschung, wie z.B. in Hinblick auf das Lab-on-Chip Design oder die Biomedizin. / Polymer brushes represent sensitive coatings with thicknesses of few nanometres and are interesting for interdisciplinary scientific research, e.g. for intelligent lab-on-chip design or biotechnology. It is demonstrated in this work, that polymer brushes are able to change their surface properties depending on the ambient conditions like solvent quality, temperature or pH value. This sensitivity highly influenced the adsorption of bio molecules. Especially mixed polymer brushes enabled the tuning of the adsorbed amount of various proteins and cells. To create surface gradients or structures in the different polymer brush surfaces, controlled electron beam modification was applied.

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που προκύπτουν από την χρήση εμφυτευμάτων και ιατρικών συσκευών και που εμποδίζουν την μακροχρόνια χρήση τους είναι η εμφάνιση νοσοκομειακών σηψαιμικών επεισοδίων σχετιζόμενων με λοιμώξεις που προκαλούνται από πηκτάση αρνητικούς σταφυλόκοκκους, και κυρίως από τον S. epidermidis. Με δεδομένο ότι η εκτεταμένη χορήγηση αντιβιοτικών έχει οδηγήσει στην επικράτηση πολυανθεκτικών βακτηριακών στελεχών της φυσιολογικής χλωρίδας, η κατασκευή αντιβακτηριακών ή και βακτηριοστατικών βιοϋλικών κρίνεται επιβεβλημένη. Για το σκοπό αυτό απαραίτητη είναι η μελέτη και η κατανόηση του μηχανισμού προσκόλλησης των βακτηρίων στην επιφάνεια του βιοϋλικού. Στην κατεύθυνση αυτή διερευνήθηκε η επίδραση των φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων βακτηρίων-υλικών, του ρυθμού διάτμησης και της σχετικής συνεισφοράς τους στην ικανότητα των βακτηρίων να προσκολλώνται στην επιφάνεια του βιοϋλικού αλλά και να ενεργοποιούν τα γονίδια ica που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή της εξωκυττάριας βλεννώδους ουσίας (slime) και συγκεκριμένα μιας πολυσακχαρικής φύσεως προσκολλητίνης (polysaccharide intercellular adhesin, PIA). Για τη μελέτη αυτή τροποιήθηκαν επιφανειακά με τεχνικές πλάσματος υπάρχοντα βιοϋλικά, παρασκευάστηκαν αυτό-οργανούμενα μονοστρωματικά συστήματα σε γυαλί και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά. Ελέγθηκε επίσης εάν οι θεωρίες κολλοειδών συστημάτων, και συγκεκριμένα η θερμοδυναμική, η DLVO και η εκτεταμένη DLVO μπορούν να εξηγήσουν τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βακτηριακή προσκόλληση μειώνεται με την αύξηση της επιφανειακής ενέργειας και του πολικού χαρακτήρα των υλικών, ενώ δεν επηρεάζεται σημαντικά από το μη πολικό τους χαρακτήρα. Η θερμοδυναμική θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά τα αποτελέσματα για υψηλής ιοντικής ισχύος διαλύματα, ενώ η DLVO για χαμηλής. Η εκτεταμένη DLVO θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά την επίδραση της φυσικοχημείας τόσο του διαλύματος όσο και της επιφάνειας στη βακτηριακή προσκόλληση. Η αύξηση του ρυθμού διάτμησης μείωσε την προσκόλληση των βακτηρίων με τρόπο που εξαρτώνταν από τις φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις βακτηρίων-υλικών, ενώ παράλληλα μείωσε την προβλεψιμότητα των παραπάνω θεωριών. Επομένως, η βακτηριακή προσκόλληση θεωρήθηκε ως αποτέλεσμα του συνδιασμού φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων και σχηματισμού μακρομοριακών δεσμών. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη της έκφρασης των γονιδίων ica έδειξαν ότι η έκφρασή τους αυξάνεται με την μείωση της επιφανειακής ενέργειας του υλικού και την αύξηση του ρυθμού διάτμησης. / One of the major problems arising from the use of implants and medical devices and impeding their long-term use is the emergence of nosocomial septic incidents related to infections caused by Coagulase negative staphylococci, most notably by S. epidermidis. The extensive use of antibiotics has resulted in multi-resistant bacterial strains of normal flora, making the need for developing antibacterial biomaterials of great importance. For this purpose it is necessary to study and understand the mechanism of bacterial adhesion to the surface of biomaterials. In this direction, we investigated the influence of the physicochemical interactions between bacteria and materials, the shear rate and their relative contribution on the ability of bacteria to adhere to the biomaterial surface and to activate the ica genes, which are responsible for the production of extracellular polymeric (slime), and in particular for the production of polysaccharide intercellular adhesin (PIA), that mediates cell-cell interactions. For this study, the surface of existing biomaterials was modified by plasma methods, self-assembled monolayers were prepared on glass, and the materials were physicochemicaly characterized. The applicability of the colloidal theories, such as the thermodynamic, the DLVO and the extended DLVO, for the prediction of bacterial adhesion was examined as well. The results showed that the increase in material surface energy and its polar component reduced bacterial adhesion, whereas adhesion was not significantly influenced by the non-polar character of the material surface. The thermodynamic theory explained satisfactorily the results for high ionic strength solutions, while DLVO for solutions with low ionic strength. The extended DLVO theory explained well the effects of both the solution and material surface properties to bacterial adhesion. The increase in shear rate reduced the number of adherent bacteria in a manner that depended on the bacteria-material physicochemical interactions, but not in the way that the above theories predicted. Therefore, bacterial adhesion considered as the result of a combination of the physicochemical and hydrodynamic interactions, and the formation of macromolecular bonds. The investigation of ica genes expression showed that the expression enhanced by the decrease in the material surface energy the increase in shear rate.