| Resumo: |
A tecnologia médica é um amplo campo no qual a inovação desempenha um papel crucial na manutenção da saúde. As doenças pulmonares são uma das maiores preocupações de saúde a nível mundial, causando cerca de um sexto do total de mortes em todo o mundo. Diferentes terapias têm sido aplicadas dependendo da doença e da sua gravidade. A oxigenação por membrana extracorporal (ECMO) é um suporte temporário amplamente
utilizado na assistência a doentes que apresentam insuficiência respiratória, porém existem várias complicações técnicas relacionadas com a segurança e complexidade na aplicação desta técnica terapêutica. Durante a aplicação do procedimento, um volume significativo de sangue encontra-se em circulação, aumentando deste modo as interações entre os componentes do sangue e a superfície sintética da membrana. Para superar essa limitação, as tecnologias microfluídicas surgiram como plataformas viáveis para o desenvolvimento de dispositivos oxigenadores extracorporais, com base na capacidade de criar canais à escala micro imitando a arquitetura dos capilares humanos, diminuindo deste modo o volume de sangue no circuito. A tecnologia fotoeletroquímica permite gerar energia a partir da eletrólise da água sob irradiação de luz UV utilizado um semicondutor, geralmente o dióxido de titânio (TiO2). Na literatura são poucas as evidências da aplicação de dispositivos microfluídicos para produção de oxigénio utilizando esta técnica, e na maioria dos casos o TiO2 é utilizado como foto-ânodo. Portanto, o principal objetivo deste projeto é desenvolver um dispositivo microfluídico para produção de oxigénio combinando os princípios estabelecidos de ação fotoelectroquímica e tendo como base a experiência prévia dos membros da equipa do projeto nas áreas de ciência de materiais, eletrólise de água e desenvolvimento de reatores fotocatalíticos. Nanocompósitos constituídos por
semiconductores e nanoestruturas de carbono têm vindo a ser testados com sucesso em aplicações fotocatal  |
Resumo
A tecnologia médica é um amplo campo no qual a inovação desempenha um papel crucial na manutenção da saúde. As doenças pulmonares são uma das maiores preocupações de saúde a nível mundial, causando cerca de um sexto do total de mortes em todo o mundo. Diferentes terapias têm sido aplicadas dependendo da doença e da sua gravidade. A oxigenação por membrana extracorporal (ECMO) é um suporte temporário amplamente
utilizado na assistência a doentes que apresentam insuficiência respiratória, porém existem várias complicações técnicas relacionadas com a segurança e complexidade na aplicação desta técnica terapêutica. Durante a aplicação do procedimento, um volume significativo de sangue encontra-se em circulação, aumentando deste modo as interações entre os componentes do sangue e a superfície sintética da membrana. Para superar essa limitação, as tecnologias microfluídicas surgiram como plataformas viáveis para o desenvolvimento de dispositivos oxigenadores extracorporais, com base na capacidade de criar canais à escala micro imitando a arquitetura dos capilares humanos, diminuindo deste modo o volume de sangue no circuito. A tecnologia fotoeletroquímica permite gerar energia a partir da eletrólise da água sob irradiação de luz UV utilizado um semicondutor, geralmente o dióxido de titânio (TiO2). Na literatura são poucas as evidências da aplicação de dispositivos microfluídicos para produção de oxigénio utilizando esta técnica, e na maioria dos casos o TiO2 é utilizado como foto-ânodo. Portanto, o principal objetivo deste projeto é desenvolver um dispositivo microfluídico para produção de oxigénio combinando os princípios estabelecidos de ação fotoelectroquímica e tendo como base a experiência prévia dos membros da equipa do projeto nas áreas de ciência de materiais, eletrólise de água e desenvolvimento de reatores fotocatalíticos. Nanocompósitos constituídos por
semiconductores e nanoestruturas de carbono têm vindo a ser testados com sucesso em aplicações fotocatalíticas, quer em sistemas com o catalisador em pó ou imobilizado sob a forma de películas finas foto-ativas. Foto-ânodos com base nestas nanoestruturas, capazes de dividir as moléculas de água num dispositivo microfluídico sob exposição à luz visível, podem ser desenvolvidos com base no know-how adquirido previamente. O dispositivo microfluídico para produção de oxigénio será projetado com base em Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) de forma a obter uma arquitetura semelhante à dos capilares pulmonares. Diferentes configurações serão consideradas sendo que, a mais promissora será utilizada para construir o dispositivo microfluídico. Numa primeira abordagem, para
avaliar a eficiência dos foto-ânodos na decomposição da água, soluções aquosas contendo moléculas modelo irão ser testadas em reatores disponíveis nos grupos de investigação. Por fim, um fluido com propriedades semelhantes ao plasma será utilizado para avaliação da eficiência do dispositivo microfluídico na produção de oxigénio. |
| Resultados: |
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. |
| Observações: |
O projeto MicroPhotOGen foi desenvolvido positivamente durante o primeiro ano, com pequenos desvios científicos que foram adequadamente mitigados.
1. Cláudia G. Silva é membro da equipa, no entanto, foi exigida a redução de sua dedicação atribuída de 30% para 15% devido à sua participação em mais dois projetos financiados na mesma convocatória da presente proposta. Igualmente, Adrián M.T. Silva reduziu sua dedicação no âmbito deste projeto de 10% para 5% devido a compromissos académicos relacionados à sua nova posição como Professor na FEUP. A percentagem de dedicação do aluno de doutorado Raquel A. Fernandes (membro da equipa) foi aumentado em 50%. De referir, que este aumento não interfere no plano de estudos como doutorando, já que o plano de trabalhos da estudante Raquel A. Fernandes, foca-se no desenvolvimento de materiais semelhantes aos propostos no presente projeto, no entanto para diferentes aplicações fotocatalíticas.
2. Foi solicitada uma transferência do orçamento entre rúbricas, e aceite em 20/08/2018 pela FCT. Este pedido esteve foi realizado devido ao aumento do nível salarial inicial da categoria “Investigador”, ter-se alterado entre o período de submissão do projeto e a aprovação do mesmo. Assim, solicitou-se uma alteração das rúbricas (designadas de equipamentos, missões e consumíveis / serviços), com um total de 11.060,38 ¤ para a rúbrica designada recursos humanos. Essa substituição foi verificada para manter a viabilidade do projeto. Da mesma forma, a transferência entre rúbricas foi também solicitada pelos parceiros do projeto (INL). Além disso, foi solicitada a prorrogação da apresentação do 1º pagamento do projeto, aceito pela FCT até 30 de novembro de 2019.
3. No que diz respeito aos desvios científicos, durante este primeiro ano, as Tarefas foram realizadas com uma taxa esperada regular. No entanto, durante o primeiro ano do projeto, ocorreram alguns atrasos normais relacionado com burocracias necessárias durante os contratos de equipamentos adquiridos (equipamentos, consumíveis e serviços) e recursos humanos. Além disso, devido à complexidade da proposta (em particular as Tarefas 2 e 3) o desenvolvimento do dispositivo microfluídico para oxigenação do sangue foi reavaliado e, nesta fase, estamos a tentar desenvolver um dispositivo na faixa de mililitros. Essa nova abordagem foi levada em consideração devido aos resultados obtidos nas simulações de CFD. Além disso, até agora foi projetado uma célula fotocatalítica eficiente para a evolução do oxigênio, no entanto, o principal objetivo deste projeto é o desenvolvimento de uma célula fotoeletroquímica, que na prática é mais eficiente para a produção de oxigênio e não requer agentes sacrificiais. Portanto, um compromisso entre o design de uma célula fotocatalítica usando catalisadores e agentes sacrificiais com propriedades biocompatíveis; ou o desenvolvimento de célula fotoeletroquímica com propriedades biocompatíveis (que será difícil, uma vez que metais como Pt são necessários para o potencial Bias ser mantido), está a ser considerado, de forma a promover a viabilidade do protótipo.
4. A contratação obrigatória do Investigador Júnior por um período mínimo de 30 meses atrasou 2 meses, em relação à data inicial planejada. Assim, a prorrogação pode ser necessária posteriormente, se houver atrasos na realização do plano de trabalho. |