Ciência e Engenharia de Materiais

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segunda-feira, 31 de outubro de 2022

Teste de fadiga em madeira com até um bilhão de carga em ciclos

31 outubro

 

Resumo: A madeira maciça de bétula (Betula pendula) foi estudada com um teste de ressonância ultrassônica, recentemente desenvolvido, como um modo de configuração que permite experimentos acelerados em fadiga. As vidas de fadiga ultrassônica foram medidas a uma frequência de ciclo de cerca de 20 kHz em até 109 ciclos de carga.


A madeira se mostra um material muito promissor como alternativa para polímeros reforçados que demandam muito trabalho e custo para reciclar. Recentemente, estudos em madeiras têm se mostrado relevantes para estabelecer a madeira, e materiais à base de madeira, como peças fundamentais em instalações de transporte. 


Além da sua leveza e sustentabilidade, a madeira possui muitas propriedades vantajosas, como alta resistência e rigidez, fácil usinabilidade, boa disponibilidade e custo benefício. Se usada para componentes de transporte de carga em veículos, no entanto, o material está sujeito a inúmeros ciclos de tensões, que podem causar danos por fadiga do material. Os autores estudaram a madeira maciça de bétula (B. pendula), da Áustria. 


Em relação aos testes de fadiga ultrassônica, os corpos de prova, em vez de serem tensionados por forças externas, são submetidos a vibrações de ressonância. As amostras são montadas em um trem de carga composto por componentes que são restringidos pela condição de ressonância em frequência ultrassônica. Diante disso, ambas as extremidades de cada componente vibram em direções opostas, resultando em nós de vibração com máxima deformação e tensão em seus centros.


O autor enfatiza que os testes de fadiga ultrassônicos são estritamente realizados no regime linear elástico e a correlação linear entre a amplitude de vibração e amplitude de tensão foi determinada antes do teste realizado nos corpos de prova, e as amplitudes de tensões resultantes foram calculadas pela lei de Hooke.


Além disso, o autor afirmou que a qualidade da aderência do medidor na superfície da amostra pode ser um problema para um material fibroso e poroso, como a madeira. Com isso, normalmente são utilizados adesivos para compensar a irregularidade da superfície, que podem gerar erros nas medidas.


Com isso, os autores desenvolveram uma configuração de teste de fadiga ultrassônica, que permite testes de fadiga de ciclo muito alto para a madeira dentro de um tempo de teste razoável. Essa nova configuração foi reverter o ciclo de tensão e deformação, possibilitando testes de fadiga em madeira maciça de bétula com equipamentos ultrassônicos operando a 20 kHz, alcançando vidas úteis na ordem de 103 a 109 ciclos de carga.


O artigo conclui que essa técnica de teste de fadiga ultrassônica é um método apropriado para testes acelerados em madeiras, permitindo a coleta de dados de fadiga estatisticamente significativos de até 109 ciclos de carga dentro de um tempo de teste razoável. 


Além disso, o autor conclui que a bétula não mostrou um limite de fadiga abaixo de 109 ciclos de carga, com 50% de probabilidade de fratura em 109 ciclos encontrados em uma tensão de 29 MPa.




Referência:
K. Ulrike, F. Michael, S. Bernd, K. Thomas, M. Ulrich, M. Herwig. "Fatigue testing of wood up to one billion load cycles". Holzforschung, 2022. https://doi.org/10.1515/hf-2022-0111


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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segunda-feira, 24 de outubro de 2022

Painéis solares de perovskita sem TCOs são propostos aproveitando as esponjas nano-híbridas SWCNT/TiO2

24 outubro

 


Resumo: Esponjas nano-híbridas SWCNT/TiO2 foram fabricadas para uso como centro de painéis solares de perovskita de baixo custo. Embora os resultados não superem os obtidos com os tradicionais FTOs, espera-se que este seja um passo importante para o estudo e desenvolvimento de novos eletrodos livres do alto custo dos TCOs.


Troung et al. (2022) estudam a fabricação de um painel solar de perovskita (PSC) com eletrodos livres de óxidos de condução transparentes (TCO). Para isso, materiais porosos, chamados de esponjas, foram fabricados para serem usados como camadas bloqueadoras de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), um tipo comum de TCO. 


Essas esponjas continham nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) que foram revestidos de rutilo (TiO2), assim é dado o nome SWCNT/TiO2. As esponjas foram sintetizadas pela técnica de deposição de nano-cluster de carbono (NCD), utilizando um eletrodo de grafite como fonte. 


Terminada a deposição, foi necessária uma etapa de recozimento a 400°C por 30 minutos para eliminar defeitos na estrutura dos nanotubos. Em seguida, esses nanotubos foram recobertos por uma fina camada de rutilo, também depositada pela técnica NCD. 


O substrato foi novamente aquecido a 400°C para promover a cristalização de TiO2. A espessura desta camada foi monitorada via SEM e TEM. Uma vez obtida a esponja, ela foi revestida com tinta à base de perovskita (MAPbI3) utilizando a técnica de deposição química de vapor e a técnica de spincoating. 


Para finalizar o painel, foi colocado um filme de ouro por meio da técnica de pulverização de corrente contínua (DCS), para atuar como eletrodo. Outro painel com o mesmo revestimento de rutilo, mas com FTO (nano-híbrido FTO/TiO2) como centro também foi sintetizado para comparar os resultados. 


Os resultados mostram que FTO/TiO2 tem melhor desempenho como camada de bloqueio para TCO, chegando até 91,1%; enquanto o SWCNT/TiO2 mal chega a 63,0%. Os painéis SWCNT/TiO2 obtiveram eficiência de apenas 7,2% na conversão da energia captada em energia elétrica. 


Por fim, os autores recomendam recriar esse experimento com SWCNTs de alta qualidade para melhorar a condução e a mobilidade da carga; e eles auguram um próspero futuro para o desenvolvimento de painéis solares de baixo custo, flexíveis e baseados em perovskita.




Referência:
TRUONG, H. C. et al. TCO-free perovskite solar cells in taking advantage of SWCNT/TiO2 core/shell sponge. Journal of Science: Advanced Materials and Devices, v. 7, n. 2, 1 jun. 2022. DOI: 10.1016/j.jsamd.2022.100440.


Redação: Nahuel Eduardo Maldonado - Engenharia de Materiais - UNILA
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sábado, 22 de outubro de 2022

Aplicações de nanogeradores para a engenharia biomédica e sistemas de saúde

22 outubro

 

Resumo: Mesmo com o desenvolvimento avançado dos equipamentos biomédicos, eles apresentam deficiências como baixa vida útil, tamanho de equipamento e riscos de segurança. Neste último caso, a fonte de alimentação do dispositivo convencional continua sendo predominantemente por baterias. Os nanogeradores emergentes, apresentados pelo artigo, fornecem uma solução ideal para a auto-alimentação de dispositivos biomédicos.


A demanda crescente por cuidados de saúde de forma segura, confortável e de alta qualidade levou a um aumento exponencial das tecnologias biomédicas e nos serviços de saúde. Neste aspecto, os sensores biomédicos e dispositivos médicos implantados estão substituindo gradualmente os dispositivos médicos utilizados tradicionalmente. Para simplificar, sensores biomédicos definem uma classe de equipamentos, desenvolvidos por meio de uma combinação de engenharia e biomedicina, que detectam e/ou respondem a sinais fisiológicos do corpo humano.


O artigo aponta que um dos problemas mais críticos nesse ambiente de aplicação biomédica é a confiabilidade da fonte de alimentação para os sensores biomédicos e dos dispositivos implantáveis. A transmissão tradicional de energia elétrica (baseada em contato através de fios) é propensa ao desgaste e exposição ao longo do prazo, que leva ao contato acidental e ao choque elétrico, representando um risco potencial para o paciente.


Com isso, o artigo apresenta os nanogeradores, que são dispositivos que coletam micro energias, energias nano-mecânicas e energias térmicas e as converte em energia elétrica. Sendo assim, o nanogerador se apresenta como uma nova tecnologia que pode possibilitar o desenvolvimento de dispositivos auto-alimentados, criando um novo campo de captação e conversão de energia. Além disso, existem três abordagens técnicas típicas para nanogeradores, baseadas em três diferentes mecanismos de geração de energia: piezoelétrico, triboelétrico e piroelétrico.


Na área da biomedicina, o artigo mostra que os nanogeradores podem ser usados diretamente em biossensores para converter sinais biológicos em sinais elétricos. Por exemplo, nano-dispositivos, como acessórios, podem ser usados fora do corpo para coletar a respiração, expressão facial e outras informações. Já o nanogerador implantável pode ser usado para detectar informações como frequência cardíaca e açúcar no sangue.


O artigo apresenta um exemplo de sensores para cada mecanismo de geração de energia. No mecanismo triboelétrico, um sensor de pulso ultra sensível auto-alimentado flexível (SUPS - self-powered ultrasensitive pulse sensor) pode monitorar informações fisiológicas relacionadas a doenças cardiovasculares em tempo real. No mecanismo piroelétrico, é apresentado um exemplo de um dispositivo respiratório auto-alimentado, onde o sensor foi proposto para coletar energia respiratória, detecção respiratória e detecção da temperatura ambiente. Por fim, no mecanismo piezoelétrico, o artigo cita um sensor implantável à base de óxido de zinco (ZnO) para coletar energia gerada pela respiração e batimentos cardíacos.


Atualmente, os nanogeradores apresentam um potencial considerável para fornecimento de energia em dispositivos biomédicos, além de promover a proliferação de células e entrega de drogas, além da estimulação elétrica direta.


O artigo conclui que os materiais para eletrificação e sensoriamento devem oferecer flexibilidade, durabilidade e biocompatibilidade. Além disso, os desempenhos dos nanogeradores podem ser adaptados regulando e acoplando os materiais triboelétricos, piezoelétricos e piroelétricos. Com isso, dando ênfase na importância dos materiais utilizados nos sensores, que são necessários para garantir a adaptação desses dispositivos às diversas formas e ambientes internos, ou seja, excelente biocompatibilidade.




Referência:
W. Wang, J. Pang, J. Su, et al. “Applications of nanogenerators for biomedical engineering and healthcare systems”. InfoMat. 2022;4(2):e12262. doi:10.1002/inf2.12262.


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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segunda-feira, 17 de outubro de 2022

Modelo de rede para prever propriedades estruturais de papel

17 outubro

 


Resumo: As simulações em papel que resolvem toda a estrutura microscópica da fibra são tipicamente demoradas e requerem recursos extensos. O artigo apresenta modelos de papel tridimensionais, com uma nova técnica de ligação dinâmica usada e simulações mais extensas. O modelo foi usado para simular rigidez à tração, resistência à tração, e resistência à flexão.


Historicamente, a fabricação de papel existe há milênios. Embora o papel seja antigo, o material e o processo para processar ele nunca parou de evoluir. Muita coisa aconteceu ao longo dos anos, desde a utilização de prensas de madeira a máquinas industriais. Utilizando a experimentação e desenvolvimento nas pesquisas, chegaram-se a diferentes produtos de papel com uma ampla gama de aplicações. Com o avanço da tecnologia, as simulações estão se tornando uma abordagem realista. A simulação é mais atrativa, pois permite testar novas abordagens em máquinas de tamanho industrial cada vez mais avançadas, que são caras em termos de recursos, energia e tempo. 


A análise do papel é um desafio devido à sua heterogeneidade química. Essa complexidade surge da complexa estrutura fibrosa que o papel tem no nível microscópico. Essas fibras de papel individuais são conectadas através de travamento mecânico e das forças microscópicas, que formam o papel.


Mais recentemente, estudos apresentam técnicas como modelos contínuos para análise de papel cartão e modelos de elementos finitos, que têm sido usados para modelar embalagens de papelão. Os modelos contínuos são geralmente dependentes de parâmetros baseados na estrutura do papel, que são derivados experimentalmente ou analisando as estruturas de geometrias do papel simulado. Outra abordagem para os modelos contínuos é simular toda a microestrutura do papel modelando as fibras individuais.


O modelo de papel usado neste trabalho foi desenvolvido para ser simples e eficiente. Sendo modelos de rede linear e modelos de ligações como elementos de viga, que têm a mesma abordagem para simulações de força/resistência. O autor apresenta os vínculos que são modelados como múltiplos elementos de viga. Com isso, o trabalho do autor visou avaliar a utilidade de uma abordagem baseada em fibra simplificada e computacionalmente ampla.


O artigo mostrou que o modelo pôde produzir resultados representativos para resistência à flexão, rigidez à tração, e resistência à tração na máquina e na direção transversal usando o modelo de rede linear proposto. Os resultados experimentais validaram a precisão de modelos para uma variedade de folhas de baixa gramatura, onde a validação é reforçada pela comparação dos resultados simulados com as previsões usando modelos contínuos. 


Além disso, as simulações foram realizadas várias vezes pelo autor para diferentes modelos gerados para validar a estabilidade das abordagens. A natureza simplificada do modelo permite uma validação rápida de propriedades em macroescala em um computador comum. Esses recursos e tempos de simulação são acessíveis para um desenvolvedor de papel na indústria e pode atuar como uma ferramenta intermediária entre as empresas de fabricação de papel.


Por fim, o artigo de estudo propôs um modelo linear baseado em rede, que foi apresentado para simular o comportamento mecânico de diferentes tipos de papéis. O modelo em rede pode prever rigidez à tração, resistência à tração e resistência à flexão para a direção da máquina e transversal direção para os diferentes papéis de baixa gramatura. Além disso, os resultados apresentados pelos autores foram consistentes com a teoria apresentada ao longo do artigo, o que aumenta a chance de implementação em empresas papeleiras simplificando o processo, e diminuindo os problemas encontrados no início do texto como recursos de energia, tempo e dinheiro.




Referência:
M. Gortz, G. Kettil, A. Malqvist, M. Fredlund, K. Wester, F. Edelvik. "Network model for predicting structural properties of paper" Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2022. https://doi.org/10.1515/npprj-2021-0079.


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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sexta-feira, 7 de outubro de 2022

Fotodetectores de nanofios de perovskita ultrassensíveis e flexíveis com estabilidade a longo prazo superior a 5000 horas

07 outubro

 

Resumo: Os fotodetectores baseados em nanofios de perovskita estão entre as tecnologias de fotodetecção de próxima geração mais promissoras. Entretanto, apresenta baixa estabilidade a longo prazo e é o maior desafio que limita sua aplicação comercial. O artigo apresenta um líquido iônico, que é incorporado como aditivo em nanofios.


Ao longo dos últimos anos, o desempenho dos fotodetectores (PDs - Photodetectors) de nanofios de perovskita melhorou e agora é equivalente ou até superior ao dos fotodiodos de silício comerciais padrão.. É amplamente reconhecido pela comunidade científica que a baixa estabilidade a longo prazo desses PDs é o maior desafio que limita sua aplicação comercial. Embora a estabilidade a longo prazo dos nanofios de perovskita tenha melhorado usando estratégias difundidas pela comunidade, os resultados ainda são inadequados e longe de satisfazer os requisitos para aplicação comercial.


O artigo apresenta a pesquisa em um líquido iônico: tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMIMBF4). Sendo usado como um aditivo na fabricação de nanofios de triiodeto de chumbo de metilamônio (MAPbI3), o que resultou em PDs de nanofios com estabilidade e desempenho adequados a longo prazo. Neste caso, o nanofio não apresentou degradação de desempenho após ser exposto ao ar livre por mais de 5.000 horas.


Figura 1: (A) A estrutura química do líquido iônico BMIMBF 4. (B) Imagem MEV - microscópio eletrônico de varredura do nanofio de MAPbI3 com BMIMBF4. Fonte: (Wu et al. 2022).

 

O artigo cita que a alta estabilidade do dispositivo, tanto no início do procedimento de produção quanto durante o processo é extremamente crucial, além dos requisitos de desempenho aprimorados do dispositivo. Além disso, os parâmetros que controlam essa estabilidade ainda continuam em estudo pelo grupo.


Os autores afirmam que a aplicabilidade do PD de nanofios MAPbI3 ultra sensível e ultra estável fabricado com o aditivo BMIMBF4 é grande no campo da imagem de reflexão difusa. Uma fotografia comparativa do sistema de imagem difuso construído pelo grupo é mostrada a seguir.



Figura 2: Comparativo entre imagens de reflexão difusa de um contorno de borboleta pelo (A) fotodiodo de silício comercial S2386 e (B) fotodetector desenvolvido pelo grupo. Fonte: (Wu et al. 2022).



O artigo mostrou que o dispositivo pode reter 100% do desempenho inicial após ser exposto a um ambiente ao ar livre por mais de 5.000 horas, sendo o fotodetector de nanofios de perovskita mais estável relatado até o momento. Além disso, o dispositivo flexível fabricado pelos autores, com o aditivo BMIMBF4, também apresentou desempenho e flexibilidade mecânica notáveis que são especificados no artigo.


Os autores concluem que esses resultados demonstraram que a introdução de aditivos líquidos iônicos em perovskitas é uma abordagem promissora para a preparação de PDs flexíveis, ultra estáveis e ultra sensíveis, que promovem consideravelmente as aplicações práticas e a comercialização de PDs de perovskita.






Referência:
D. Wu, Y. Xu, H. Zhou, X. Feng, J. Zhang, X. Pan, Z. Gao, R. Wang, G. Ma, L. Tao, H. Wang, J. Duan, H. Wan, J. Zhang, L. Shen, H. Wang, T. Zhai. Ultrasensitive, flexible perovskite nanowire photodetectors with long-term stability exceeding 5000 h. InfoMat. 2022;4(9):e12320. doi:10.1002/inf2.1232012.


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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quinta-feira, 29 de setembro de 2022

Materiais de circuito mecânico integrado

29 setembro

Resumo: Este artigo relata a criação de um novo material capaz de "pensar". O material foi produzido pela Universidade Estatal da Pensilvânia e pela Força Aérea Americana e é capaz de receber informação mecânica, processá-la e reagir a esse estímulo.



Este material revela a oportunidade de utilizar quase qualquer outro material comum como o seu próprio circuito integrado, capaz de "pensar" e responder ao seu ambiente. Tal material pode receber um estímulo mecânico, processá-lo e reagir a ele simultaneamente sem a necessidade de componentes electrónicos adicionais.


Este polímero mole é um condutor que contém circuitos reconfiguráveis capazes de combinações lógicas, e quando recebe um estímulo é transformado em informação eléctrica que é depois processada para criar um sinal de saída. Por outras palavras, este material pode utilizar forças mecânicas para resolver problemas aritméticos complexos, algo que os investigadores foram capazes de demonstrar. O processo de "pensamento" deste material é semelhante ao nosso, onde recebemos um estímulo, os nervos o transformam em sinais eléctricos que são processados no cérebro, o que diz ao corpo como reagir. Isto abre o caminho para uma ampla aplicação do material em sistemas autónomos de busca e salvamento, reparação estrutural e mesmo materiais bio-híbridos capazes de identificar, isolar e neutralizar agentes patogénicos transportados pelo ar.


Para esta conquista, os investigadores basearam-se num trabalho anterior sobre um metamaterial semelhante, mas limitado a operações lógicas e entradas e saídas binárias. Foram ajudados por um artigo de 1938 publicado por Claude E. Shannon, o Pai da Teoria da Informação, que descreveu uma forma de criar circuitos integrados utilizando redes de comutação mecânico-eléctricas.


 


Figura 1 - O material traduz uma força mecânica em sinais eléctricos que produzem um resultado computacional.


O passo seguinte, segundo os investigadores, é melhorar o material para que possa processar estímulos visuais, ou seja, adaptar o material para que tenha a capacidade de "ver". O objectivo final é criar um material com capacidade de navegação autónoma, seguindo sinais que o guiem e com os quais possa evitar obstáculos.





Referência:
El Helou, C., Grossmann, B., Tabor, C.E. et al. Mechanical integrated circuit materials. Nature 608, 699–703 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05004-5


Redação: Mauricio Isaac Gomes Ibarra - Engenharia de Materiais - UNILA
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segunda-feira, 26 de setembro de 2022

Valorização de resíduos de peixes e camarão para biocompósitos de nano-hidroxiapatita/quitosana para o tratamento de águas residuais

26 setembro
Resumo: Biocompósitos adsorventes de nano-hidroxiapatita/quitosana (nHCB) foram produzidos para tratamento de águas residuais e imobilização bacteriológica. A conversão dos resíduos de pesca em matérias-primas de valor agregado se mostrou um processo econômico, eficiente e ecológico.


Trung et al., sugerem um processo simples para produzir biocompósitos (nHCB) de nano-hidroxiapatita (nHA) e matriz de quitosana (CTS) a partir de esqueletos de tilápias e bagres e cascas de camarões, resíduos da indústria pesqueira. O resultado deste processo é um material altamente poroso que será utilizado como adsorvente para a remoção de corantes como azul de metileno (MB) e laranja de metileno (MO) e íons Cu (II) de águas residuais.


Toda a matéria-prima foi reduzida a pó, e a quitosana (0,5 g) foi dissolvida em solução de CH3COOH. Adicionou-se nHA à solução e agitou-se durante 30 minutos até se formar uma suspensão homogênea. TPP (Tripolifosfato de sódio) é então adicionado como um agente ligante para formar pérolas de hidrogel e lavado várias vezes com água destilada. Finalmente, a amostra é congelada a -80°C para obter as esferas de aerogel. Assim, foram conformadas 4 amostras de nHCB, variando a carga em peso de nHA entre 0,00, 0,75, 1,00 e 1,25 g) nomeadas como nHCB-0, nHCB-2, nHCB-3 e nHCB-4, respectivamente, enquanto a carga de CTS foi mantida em 0,5g.


Em relação ao desempenho das amostras produzidas, verificou-se que existe uma relação proporcional entre a carga de nHA e a área específica, o que resulta em maior adsorção das partículas desejadas conforme aumenta o teor de nHA. Porém, acima de 1,0g de nHA, os grupos ativos amino do composto começam a ser reduzidos, o que piora a adsorção. O pH também é um fator importante em compostos a base de CTS, e as melhores condições operacionais ocorrem com um pH entre 5,0 e 6,0.


Em conclusão, o artigo celebra a eficácia do composto nHCB não apenas por sua atuação na adsorção de corantes e íons de cobre, mas também como forma de reaproveitamento de subprodutos da indústria pesqueira. Além disso, o artigo indica que tanto o HA quanto a CTS são apenas dois de vários outros derivados dessa indústria que também poderiam ser revalidados para outras áreas.




Figura 1. Imagens de MEV de (b) nHCB-0, (d) nHCB-2, (e) nHCB-3 e (f) nHCB-4, mostrando alta porosidade formada (d, e, f) o que ativa a adsorção e uma boa distribuição das nanopartículas de HA na matriz polimérica de CTS. [adaptado de TRUNG, T. S. et al, 2022].


Referência:
Trang Si Trung, Nguyen Cong Minh, Hoang Ngoc Cuong, Pham Thi Dan Phuong, Pham Anh Dat, Pham Viet Nam, Nguyen Van Hoa. Valorization of fish and shrimp wastes to nano-hydroxyapatite/chitosan biocomposite for wastewater treatment. Journal of Science: Advanced Materials and Devices, v. 7, n. 4, 1 dez. 2022. DOI: 10.1016/j.jsamd.2022.100485


Redação: Nahuel Eduardo Maldonado - Engenharia de Materiais - UNILA

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quinta-feira, 15 de setembro de 2022

Fabricação e propriedades de scaffold de PLA/nano-HA com propriedades mecânicas balanceadas e funções biológicas para aplicação óssea em engenharia de tecidos

15 setembro

 Resumo: O artigo apresenta uma técnica de produção de matrizes porosas (scaffolds) de poli-ácido lático (PLA) e nanohidroxiapatita (nano-HA) através da manufatura aditiva para simular a fase orgânica e inorgânica do osso natural. Sendo avaliado por métodos de caracterização, propriedades mecânicas e atividades biológicas, apresentando uma proposta promissora para a área da reconstrução óssea.



Por muitos anos, pesquisadores da área de materiais vem trabalhando no desenvolvimento de uma alternativa para enxertos ósseos de forma artificial (ou sintética). Inicialmente, scaffolds (matrizes porosas) eram utilizadas para preenchimento da área com defeito. Porém, com o avanço da tecnologia, eles começaram a ser utilizados como um mecanismo de indução ativa para a regeneração óssea, e assim, promovendo a reconstrução do osso original. 


Atualmente, os scaffolds simulando estruturas ósseas porosas podem ser fabricados por uma variedade de métodos. Os métodos tradicionais incluem separação de fase, lixiviação de partículas, formação de espuma de gás ou liofilização, que não podem controlar o tamanho, a forma e o tamanho dos poros. No entanto, essas técnicas não produzem a estrutura precisa de um scaffold tridimensional. 


A impressão 3D (manufatura aditiva) mostra uma grande capacidade de fabricação de material e pode produzir o scaffold camada por camada de acordo com o modelagem específica de um arquivo CAD (Computer-aided engineering).

Neste estudo, nano-HA e PLA com a mesma massa (50/50) foram fabricados em scaffolds compósitos. A caracterização, propriedades mecânicas, biocompatibilidade in vitro e indutibilidade osteogênica do scaffold compósito foram sistematicamente examinadas, e mais experimentos in vivo foram realizados em modelo de defeito femoral de coelho por 3 meses. 


Os resultados mostram que os andaimes compósitos PLA/nano-HA têm boa biocompatibilidade e indução osteogênica habilidade simulando materiais orgânicos e inorgânicos no tecido ósseo, simulando o ambiente natural da matriz óssea e com potencial de transformação clínica no reparo de defeitos ósseos críticos.


 


Figura 1: Fabricação de compósitos PLA/n-HA. (a) Material seco de PLA/n-HA; (b) materiais brutos de PLA/n-HA triturados; (c e d) filamento compósito PLA/n-HA; (e) scaffolds de células compostas PLA/n-HA impressas em 3D; (f) reconstrução CT de um cilindro composto impresso em 3D; e (g) reconstrução de TC de blocos impressos em 3D (frente, diagonal, em estrutura honeycomb). Fonte: (WANG, el at. 2021).


Por fim, o artigo conclui que o material compósito de PLA/nano-HA (50/50) foi produzido através da manufatura aditiva e apresentou alta processabilidade, biocompatibilidade e alta atividade biológica, capaz de induzir crescimento ósseo in vivo. O material produzido apresentou alto potencial para implantes em defeitos ósseos e pode combinar as vantagens do método de fabricação, além de compensar as deficiências de cada material. Sendo assim, apresentando um significado promissor na área da engenharia de tecidos e aplicação de biomateriais.





Referência:
W. Wenzhao, Z. Boqing, Z. Lihong, L. Mingxin, H. Yanlong, W. Li, Z. Zhengdong, L. Jun, Z. Changchun e L., Lei. "Fabrication and properties of PLA/nano-HA composite scaffolds with balanced mechanical properties and biological functions for bone tissue engineering application" Nanotechnology Reviews, vol. 10, no. 1, 2021, pp. 1359-1373. https://doi.org/10.1515/ntrev-2021-0083


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA
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quinta-feira, 1 de setembro de 2022

Biomineralização e regeneração sucessiva de materiais de construção vivos projetados

01 setembro

 


Resumo: Materiais de construção vivos (LBMs – Living Building Materials) foram projetados que forma são capazes de possuirem funções biológicas e estruturais. Os LBMs foram criados inoculando um scaffold de hidrogel de areia estrutural inerte com Synechococcus sp. PCC 7002, uma cianobactéria fotossintética. O scaffold forneceu suporte estrutural para Synechococcus, que endureceu a matriz de hidrogel através da biomineralização de carbonato de cálcio.


Nos dias atuais, a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) induzida microbianamente (MICP - microbially induced calcium carbonate) é utilizada para a estabilização do solo, reparos em fissuras no concreto, vedação de fratura de óleos, biorremediação em metais e mitigação de vazamento de dióxido de carbono (CO2). Durante a precipitalção induzida microbianamente, a atividade metabólica dos microorganismos aumenta o estado de saturação local da célula bacteriana e promove a precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3).


Com a viabilidade a longo prazo melhorada, os microorganismos podem ser utilizados para cultivar materiais de construção vivos (LBM’s) com funções biológicas estruturais. Os LBM’s necessitam de dois componentes principais: scaffold inerte (que fornece suporte estrutural para um componente vivo) e um componente vivo (que utiliza o scaffold como função estrutural e biológica).


Os microorganismos capazes de precipitar o carbonato de cálcio induzido microbianamente podem ser utilizados para cultivar materiais de construção com função auto-sustentável.


A viabilidade de Synechococcus no compósito areia-hidrogel foi, em geral, muito maior do que outros microrganismos biomineralizantes relatados em outros materiais estruturais. Otimizando as caracterísicas biológicas e estruturais dos LBM’s (temperatura, umidade e química do hidrogel) podem estender a utilizade deles para aplicações mais avançadas. Por exemplo, os microorganismos podem sentir, e responder, a produtos químicos tóxicos ou revelar danos estruturais com fluorescência.


 

Figura 1: (1) Os LBMs são criados pela mistura de Synechococcus sp. com células contendo cálcio meio nutricional, gel e areia. (2) LBMs podem ser regenerados exponencialmente a partir de um LBM através do uso de interruptores de temperatura e umidade. (3) LBMs ganham integridade estrutural por meio de dessecação. Após o serviço como material estrutural de suporte de carga, os LBMs podem ser reciclados como fonte agregada para novos LBMs. Fonte: (Reveran et al. 2020).


A pesquisa desenvolvida mostrada no artigo determinou que os LBM’s projetados foram capazes de mostrar uma regeneração exponencial através do uso de interruptores ambientais e precipitar o carbonato de cálcio induzido por micróbios. A cianobactéria Synechococcus, mineralizou e endureceu o gel. Em conjunto, o artigo mostrou que os resultados obtidos demonstram novas classes de LBM’s que podem ser projetados para obter múltiplas funcionalidades biológicas em materiais estruturais.





Referência:
C. M. Heveran, S. L. Williams, J. Qiu, S. M. Cook, J. C. Cameron, W. V. Srubar III. Biomineralization and Successive Regeneration of Engineered Living Building Materials. Matter 2, 481–494. DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.016


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA


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quinta-feira, 18 de agosto de 2022

Impressão 3D e Bioimpressão por luz visível escalável usando um microdisplay de diodo orgânico emissor de luz

18 agosto




Resumo: O artigo apresenta um estudo para atender as necessidades atuais em relação à biocompatibilidade e escalabilidade de materiais visando tecnologia de manufatura aditiva (impressão 3D) baseadas em foto-crosslinking.


O desenvolvimento industrial demanda elevadas taxas de produção, com diferentes escalas. Com isso, os métodos de manufatura aditiva mostram modalidades que permitem a fabricação desde nanoescalas até mesoescalas, com geometrias simples e complexas. 


Dentre esses tipos de manufatura aditiva, a microestereolitrografia baseada em processamento de luz digital (digital light processing - DLP) explora a fotopolimerização, que converte precursores poliméricos em sólidos utilizando projeções de luz em alta resolução na superfície de uma tinta fotocruzável (photocrosslinkable ink).


O artigo apresenta quatro aspectos críticos à pesquisa, sendo eles: em primeiro aspecto, os microdisplays OLED cobrem áreas de microescalas à macroescalas por meio de uma única operação de produção (impressão 3D), o que permite a produção de tecidos em escala humana. Sendo assim, a manufatura aditiva por OLED demonstra resultados significativos nas demandas exigidas para produção industrial e em larga escala. 


Em segundo lugar, o OLED é o único modulador de luz digital bidimensional (2D) com infinita taxa de contraste, o que não é possível obter com os mecanismos tradicionais. Em terceiro, os microdisplays OLED estão comercialmente disponíveis. E, por fim, no quarto aspecto, as intensidades de luz das telas OLED devem ser uniformes. 


Juntos, estes aspectos abrem caminho para dispositivos com aplicações que exigem materiais avançados, principalmente na área de engenharia de tecidos. Um dos resultados obtidos foi que a plataforma de fabricação 3D por OLED (luz visível e tintas hidrogel à base de PEG) puderam apoiar o crescimento de células adultas de fibroblastos dérmicos humanos, potencializando o desenvolvimento na área da engenharia de tecidos.

 



Figura 1: Amostra de substratos fabricados com tinta hidrogel contendo PEG, usando multimateriais. As barras de escala são de 5 mm. Fonte: (Kowsari et al. 2021).



Com o avanço tecnológico de bioimpressão 3D, o método apresentado pelo artigo atendeu algumas das necessidades observadas pela indústria como baixo custo com a plataforma OLED, formulações de materiais biocompatíveis reticuláveis por luz visível, incitando novas oportunidades para engenharia de tecidos de alto rendimento e multimateriais.





Referência:
K. Kowsari, W. Lee, S. S. Yoo, N. X. Fang. Scalable visible light 3D printing and bioprinting using an organic light-emitting diode microdisplay. iScience 2021; 24, 103372; DOI: 10.1016/ j.isci.2021.103372


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA

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quarta-feira, 15 de dezembro de 2021

Funções biológicas e estratégias de entrega de íons para promover a indução osteogênica

15 dezembro

     



Resumo: Este artigo faz uma revisão das metodologias utilizadas para introduzir íons inorgânicos em biomateriais, destaca os efeitos terapêuticos relacionados a esses íons e o papel dos biomateriais na liberação desses íons.


Os ossos são órgãos complexos cuja função é manter a estabilidade corporal e oferecer proteção aos órgãos internos. Doenças e lesões traumáticas podem afetar as funções ósseas, portanto é muito importante tratar recuperar essas funções de maneira rápida e eficiente. O uso de transplantes autógenos, que são aqueles extraídos do próprio paciente, é o “padrão ouro” no quesito de recuperação de funções, porém sua baixa disponibilidade e risco de transmissão de doenças limita o seu uso. Nessas condições o desenvolvimento de enxertos sintéticos tem grande importância no desenvolvimento de tratamentos com desempenhos similares aos autógenos sem os riscos associados.


Dentro os tipos de materiais utilizados para a incorporação de íons estão as cerâmicas, que tem como vantagens a grande semelhança de alguns compostos, como a hidroxiapatita, com os materiais encontrados em ossos naturais. Como desvantagem desses materiais está a sua baixa taxa de degradação e reabsorção devido a sua alta cristalinidade.


Entre os polímeros mais utilizados para aplicação biomédica estão os polissacarídeos como alginato e proteínas naturais como o colágeno, porém alguns tipos de polímeros são menos suscetíveis a incorporar íons em sua composição.


Os metais são mais suscetíveis a incorporação de íons, que geralmente são metálicos também, devido à natureza metálica de ambos materiais. Contudo as interações entre os íons liberados e o ambiente úmido em que se encontram podem levar a problemas de corrosão que precisam ser controlados.


Alguns íons que normalmente são adicionados fazem parte da composição natural dos ossos. A adição de íons de Ca2+, Cu2+, Sr2+, Mg2+, Zn2+, e B3+ em biomateriais causou uma melhoria na osteogênese e uma melhor regeneração óssea em geral. Entre alguns efeitos, a adição de cobre melhorou a diferenciação osteogênica em estudos in vitro. O cobalto também estimulou a angiogênese, que é o processo de formação de vasos sanguíneos, contribuindo com o processo de osteogênese. O silício apresentou efeitos significativos na mineralização óssea e na osteogênese. A figura 1 apresenta uma ilustração dos efeitos dos íons nas diferentes fase da osteoblastogênese e osteoclastogênese.


Figura 1 - Ilustração esquemática dos efeitos dos íons nas diferentes fase da osteoblastogênese e osteoclastogênese. Fonte: (BOSCH-RUÉ, DIEZ-TERCERO, et al., 2021)


Em geral, diferentes íons apresentaram efeitos diversos no processo de osteogênese e os recentes desenvolvimentos em materiais biomédicos que incorporam esses íons demonstraram um grande potencial para estimular a regeneração de tecidos ósseos, porém ainda é necessário desenvolver mecanismos para efetuar uma liberação controlada e sob demanda desses íons.




Referência:

Referência: BOSCH-RUÉ, E., DIEZ-TERCERO, L., GIORDANO-KELHOFFER, B., et al. Biological Roles and Delivery Strategies for Ions to Promote Osteogenic Induction. Frontiers in Cell and Developmental Biology. [S.l.], Frontiers Media S.A. , 14 jan. 2021


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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quarta-feira, 1 de dezembro de 2021

Fabricação de piezocerâmicas curvadas com a ajuda da gravidade

01 dezembro

    




Resumo: Cientistas desenvolveram uma forma de produzir piezocerâmicas altamente compactas e com geometrias difíceis de conseguir, mas com ajuda da força de gravidade incluída na sinterização é possível.



Os materiais piezoelétricos podem produzir carga elétrica a partir de uma tensão mecânica. Esta propriedade é muito procurada em peças cerâmicas altamente compactas e geometricamente complexas devido à sua estabilidade mecânica e amplo campo de aplicação devido ao seu alto efeito de acoplamento eletromecânico, propriedades mecânicas estáveis e baixo custo. 


Um grupo de cientistas em vez de usar a impressão 3D para fazer isso porque é impossível imprimir corpos cerâmicos verdes geometricamente complexos em um alto volume de componentes cerâmicos e boa compactação, também porque é difícil para a peça ter uma geometria complexa e alto desempenho piezoelétrico ao mesmo tempo. Portanto, eles usaram o processo de sinterização por gravidade (GDS) para conseguir isso.


Como mostrado na figura 1, o processo GDS consiste na colocação de um compacto verde prensado de pós precursores de titanato de zirconato de chumbo (PZT) em duas plataformas de suporte de alumina com baixa expansão térmica e alta condutividade térmica, para uma melhor estabilidade térmica. No início do processo de sinterização há um equilíbrio de forças, mas com o calor o corpo sólido torna-se quase líquido, então ocorre uma certa deformação causada pela força da gravidade, estabelecendo um novo equilíbrio de forças. No final do processo, pode ser obtido um corpo curvo mecanicamente estável.




Figura 1: Esquema do processo de sínteses de GDS. Fonte: SHAN, Y. et al. 2021.

A estratégia GDS é uma via universal e fácil para fabricar piezocerâmicas curvas e outras cerâmicas funcionais sem comprometer suas funcionalidades, bem como seu uso para produção em larga escala.

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Referência:

Shan, Y., Liu, S., Wang, B. et al. A gravity-driven sintering method to fabricate geometrically complex compact piezoceramics. Nature Communications 12, 6066 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26373-x 


Redação: Dennis Luis Gonzales Ordoñez - UNILA
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terça-feira, 30 de novembro de 2021

PICO, PICOS e SPIDER: um estudo comparativo de especificidade e sensibilidade em três ferramentas de busca para revisões sistemáticas qualitativas

30 novembro

     






Resumo: Os autores conduziram pesquisas em bases de dados para avaliar os resultados obtidos utilizando os critérios de pesquisa PICO, PICOS e SPIDER.



Revisões sistemáticas são produções científicas com grande importância, especialmente na área da saúde, como ferramentas que auxiliam na tomada de decisões baseadas em evidências. Para produzir este tipo de revisão é necessário conduzir uma pesquisa abrangente tentando identificar todos os artigos relevantes que após encontrados serão assimilados por meio de análises estatísticas. A abrangência do processo de pesquisa tem sido vista como um fator chave na prevenção de vieses e para fornecer uma visão das pesquisas disponíveis.


Ao desenvolver uma estratégia de pesquisa, são utilizadas ferramentas para listar os termos pelos conceitos principais na pergunta de pesquisa. A ferramenta PICO (Population - população, Intervention - intervenção, Control - controle e Outcome - desfecho) é uma das mais utilizadas juntamente com a sua variante, PICOS ( onde o S significa Study type - tipo de estudo). Há também outra ferramenta de pesquisa emergente que se chama SPIDER  (Sample - amostra, Phenomenon of interest - fenômeno de interesse, Design, Evaluation - avaliação, Research type - tipo de pesquisa).


Foi feito o teste entre as três ferramentas em uma pesquisa para identificar as experiências de saúde de pessoas com esclerose múltipla. Termos de pesquisa idênticos foram utilizados nas ferramentas de pesquisa PICO, PICOS e SPIDER e comparados nas bases de dados Ovid MEDLINE, Ovid EMBASE e EBSCO CINAHL Plus.


Os resultados mostraram mais resultados na ferramenta PICO enquanto a ferramenta SPIDER gerou muito menos artigos para serem avaliados, porém a ferramenta SPIDER não encontrou cinco artigos considerados relevantes para a pesquisa que foi encontrada com o PICO. A ferramenta PICOS gerou menos resultados que a PICO e mais que a SPIDER, porém não conseguiu encontrar mais resultados relevantes do que a ferramenta SPIDER.


Os autores do artigo recomendam a utilização do PICO para efetuar uma pesquisa mais abrangente e a ferramenta PICOS quando é necessário economizar tempo e recursos. Também foi concluído que a ferramenta SPIDER é promissora devido a sua alta especificidade, porém há um risco de não encontrar alguns artigos relevantes ao utilizá-la.




Referência:

METHLEY, A. M., CAMPBELL, S., CHEW-GRAHAM, C., et al. PICO, PICOS and SPIDER: A comparison study of specificity and sensitivity in three search tools for qualitative systematic reviews. BMC Health Services Research. [S.l.], BioMed Central Ltd. Disponível em: /pmc/articles/PMC4310146/. Acesso em: 18 nov. 2021. , 2014.


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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terça-feira, 16 de novembro de 2021

Polímeros com memória de forma

16 novembro

   




Resumo: Cada vez os cientistas tentam reduzir o tamanho das máquinas para diminuir os custos, com esta ideia se desenvolveu umas metamáquinas que podem se automontar com certos estímulos.



As máquinas permitiram uma maior produtividade em diferentes setores da indústria e os cientistas sempre tentam reduzir o tamanho para uma melhor eficiência e redução do custo. Cientistas inspirados nisto, desenvolveram metamáquinas, que são máquinas feitas de máquinas, estas micromáquinas podem se automontar a partir de certos estímulos.


Foram desenvolvidas estas metamáquinas reconfiguráveis a partir de coloides ativos através da manipulação óptica, mas com certa limitação. Estas se obtêm ao combinar algumas resinas e hidrogéis para formar diversas formas, como mostrado na figura acima (WU, 2021).


Este estudo abre um caminho para o progresso do automontagem em microescala e em materiais que mudam de forma através de máquinas feitas a partir de máquinas.




Referência:

Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nature Communications 12, 6070 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26386-6


Redação: Dennis Luis Gonzales Ordoñez - UNILA
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sexta-feira, 29 de outubro de 2021

Síntese e caracterização de hidroxiapatita dopada com Zinco: aplicação em arcabouços, estudos antibacterianos e de bioatividade

29 outubro

     






Resumo: Este estudo avaliou o desempenho biológico e anti bacteriano de amostras de hidroxiapatita dopadas com zinco produzidas através da técnica de precipitação química.



A hidroxiapatita tem sido alvo de muitos estudos devido a sua excepcional bioatividade, osteocondutibilidade e estrutura cristalina similar a da fase mineral de ossos naturais. Porém um dos problemas presentes é o surgimento de bactérias no local do implante que são um dos maiores causadores de falhas dos mesmos. Com isso os autores propuseram a produção de arcabouços de hidroxiapatita com a introdução de íons de zinco para obter ação antibacteriana e analisar seu desempenho biológico e mecânico.


Os métodos para produção da hidroxiapatita estão apresentados na Figura 1. Para produzir amostras dopadas foi feita a substituição de Ca(NO3)2∙6H2O por Zn(NO3)2.6H2O 

Figura 1 - Fluxograma da síntese química da hidroxiapatita. Fonte: (OFUDJE, ADEOGUN, et al., 2019)


Os ensaios in vitro dos arcabouços foram efetuados foram efetuados com a imersão de amostras em fluido corporal simulado (SBF) de 3 até 7 dias e após isso as amostras foram retiradas e analisadas sob um microscópio eletrônico de varredura (MEV), mostradas na 2, para observar as suas morfologias superficiais que encontraram uma estrutura porosa e com o surgimento de uma camada de apatita que proporciona um melhor ambiente para o desenvolvimento de tecidos.


Figura 2 - Imagens do MEV a) amostras dopadas com 10% de Zn antes de serem submersas em SBF b) Amostras dopadas com 10% de Zn após 3 dias submersas em SBF c) Amostras dopadas com 10% de Zn após 7 dias submersas em SBF. Fonte: (OFUDJE, ADEOGUN, et al., 2019)


Os ensaios de atividade antibacteriana foram conduzidos com a imersão de amostras em culturas de Escherichia coli e Staphylococcus aureus durante 7 dias com posterior secagem e fixação das bactérias presentes na superfície com formaldeído. Os ensaios demonstraram que amostras sem dopagem com zinco não apresentavam zonas com inibição de crescimento de bactérias enquanto amostras dopadas apresentaram tais zonas, os autores explicam que esse efeito pode ser causado por mudanças na superfície da camada de apatita que destroem as membranas celulares dos micro-organismos.


Foi possível produzir com sucesso arcabouços de hidroxiapatita dopadas com zinco utilizando a técnica de precipitação química que apresentaram uma estrutura porosa sob análise do MEV e demonstraram ação antibacteriana contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus.


Referência:

OFUDJE, E. A., ADEOGUN, A. I., IDOWU, M. A., et al. "Synthesis and characterization of Zn-Doped hydroxyapatite: scaffold application, antibacterial and bioactivity studies", Heliyon, v. 5, n. 5, p. e01716, 1 maio 2019. DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e01716. 


Redação: Gustavo Xavier Peres - UTFPR
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