| Summary: |
Extracorporeal membrane oxygenator is the most widely used support for respiratory disorders; however, it is still prone to some complications. Technical limitations related to safety and complexity, and the large volume of blood in circulation during the procedure, represent some of the drawbacks of this practice. The approach proposed in this project, to overcome these issues, is based on the development of a microfluidic device designed to have lower blood prime volume and improved blood circulation. The design of a microfluidic system, capable to generate oxygen by splitting water molecules available in blood plasma, is proposed by combining the principles of photoelectrochemical processes with nanotechnology applied to materials science. The key for the success of the present proposal lays in the development of an effective photoanode compatible with living cells coupled to a microfluidic device capable to compete with traditional blood oxygenation systems. |
| Results: |
O presente relatório concentra-se nas tarefas propostas durante o primeiro ano, como segue:
Tarefa 1. Síntese de óxidos metálicos/materiais de nanocarbonos
Diferentes semicondutores óticos foram sintetizados usando diferentes técnicas. Os materiais de óxido de zinco (ZnO) foram sintetizados utilizando procedimentos técnicos distintos. O ZnO designado por ZnO-cvd foi preparado por deposição de vapor químico (CVD). Outro ZnO foi sintetizado por pirólise usando acetato de zinco como precursor. O dióxido de titânio (TiO2) comercial Aeroxide® TiO2 da Evonik foi também utilizado. Além disso, a hematita (alfa-Fe2O3) foi preparada por um processo de duas etapas. Foram também preparados materiais à base de nitreto de carbono polimérico (C3N4). A seleção deste material foi baseada na sua alta eficiência em aplicações fotocatalíticas. Os fotocatalisadores foram extensivamente caracterizados usando diferentes técnicas. Em seguida, os fotocatalisadores desenvolvidos foram primeiramente testados como suspensões para diferentes aplicações fotocatalíticas (como tratamento de água, produção de hidrogênio e síntese de compostos químicos orgânicos de elevado valor acrescentado). Paralelamente, uma célula fotocatalítica foi desenvolvida, com base nos estudos de simulação descritos abaixo (Tarefa 3). Após obter a melhor configuração da célula fotocatalítica, os fotocatalisadores selecionados foram imobilizados em lâminas de vidro por diferentes técnicas. Em seguida, as lâminas de vidro com catalisador imobilizado foram fixadas no interior da célula fotocatalítica, e foram efetuados testes na evolução do oxigênio sob irradiação por LED em diferentes comprimentos de onda. Os resultados foram correlacionados com as propriedades dos fotocatalisadores desenvolvidos.
Em relação aos resultados obtidos com essa tarefa, é importante destacar o envolvimento de estudantes de doutorado, estudantes de mestrado e bolseiros de investigação, que participaram ativamente da estrutura do projeto, preparando, caracterizando e testando os catalisadores em diferentes aplicações de fotocatalisadores e realizando simulações computacionais de dinâmica de fluidos (CFD).
Tarefa 2 - Preparação e caracterização de fotoanodos
As matrizes de alfa-Fe2O3 foram sintetizadas hidrotermicamente. A caracterização morfológica e estrutural foi realizada utilizando diferentes técnicas. Os resultados revelaram uma diminuição nos “nanorods”, após tratamento. A voltametria de varrimento linear (VVL) foi empregada para entender o comportamento dos elétrodos. A sua atividade foi analisada sob iluminação frontal. O processo de otimização está em andamento para obter uma densidade máxima de corrente empregando “nanorods” alfa-Fe2O3.
Além disso, foram desenvolvidos fotoanodos BiVO4 para geração de oxigênio. A partir dos dados de caracterização, verificou-se que o tempo de eletrodeposição é crucial para obter crescimento homogêneo do BiVO4 no suporte. O trabalho ainda está em desenvolvimento, e a dopagem com Mo/ou W, e o acoplamento com eletrocatalisadores serão tentados.
3.1 Projeto de protótipo usando simulações de CFD
O objetivo principal era o desenvolvimento de uma célula fotocatalítica para evolução de oxigênio usando semicondutores ópticos desenvolvidos preparados na Tarefa 1. Três células para produção de O2 foram projetadas utilizando simulações de "Computational Fluid Dynamic (CFD)". Durante as simulações de CFD, foram realizados estudos com diferentes condições experimentais. A partir desses estudos, foi montada uma célula fotocatalítica para geração de oxigênio. |
| Observations: |
The MicroPhotOGen project has been developed positively during its 1st year, with minor scientific deviations that were properly mitigated.
1. Cláudia G. Silva is team member (Researcher) of the project, however was required the reduction of her assigned dedication from 30% to 15% due to her dedication on more two financed projects in the same call of the present proposal. Equally, Adrián M.T. Silva reduced his dedication in the framework of this project from 10% to 5% due to academic commitments related to its new position as Professor at FEUP. As mitigation action, the dedication percentage of the PhD student Raquel A. Fernandes (team member) was increase for 50%. This increase does not interfere on her PhD studies since she has been working on the development of similar materials for photocatalytic applications.
2. A budget transfer was requested to FCT (annex 1) and accepted on 2018-08-20. This request was related to the fact that the initial salary level of the category “Investigador” increased in the period between the project application and approval for funding. Thus, was requested a change from the equipment, missions and Consumables/services budget with a total of 11,060.38 ¤ to human resources. This replacement was verified in order to keep the project viability dependent on the hiring of a Junior Researcher (PhD Holder). Similarly, the budget transfer was also requested (annex 2) for the project partners (INL).
In addition, the extension of the 1st project payment was requested and accepted by FCT until 30th November (annex 3).
3. Concerning the scientific deviations, during this first year the Tasks were performed at regular expected rate. Nevertheless, during the research project occurred some normal delays related with equipment/consumables delivered, and bureaucracy required to acquired equipment and Resource Human contracts. In addition due to the complexity of the proposal in particular, the design of a microfluidic device for blood oxygenation (Task 2 and 3) was reassessed, and at this stage, we are trying to develop a device at the milliliters range. This new approach is been take into account due to the results obtained from CFD simulations. Moreover, as referred above (Resumo dos trabalho) until now was design an efficient photocatalytic cell for oxygen evolution, however the main goal of this project is the development of a photoelectrochemical cell, which in practice is more efficient for oxygen production and do not require sacrificial agents, such as AgNO3 (used in Task 1). Therefore, a compromise between the design of a photocatalytic cell using catalysts and sacrificial agents with biocompatible properties; or the design of photoelectrochemical cell with biocompatible properties (which will be hard, since metals such Pt is required to the bias potential could be maintained), is being considered in order to promote the viability of the prototype device.
4. The mandatory hiring of a Junior Researcher during a minimum period of 30 months has delayed for 2 months, concerning the initial date planned. Thus, the prorogation could be required in a later stage, if there are delays on the accomplishment of the work plan. |