Repositório Colecção:
https://hdl.handle.net/1822/12049
2024-03-28T23:04:37ZMicrofluidic system for cell separation and deformation assessment by using passive methods
https://hdl.handle.net/1822/80141
Título: Microfluidic system for cell separation and deformation assessment by using passive methods
Autor: Faustino, Vera Luísa Carreira
Resumo: Os sistemas microfluídicos têm sido usados com sucesso em muitas aplicações biomédicas. As principais vantagens destes sistemas consistem na utilização de volumes de amostras reduzidos e com tempos de ensaios curtos. Além disso, os sistemas microfluídicos possibilitam a execução de várias tarefas em paralelo numa única plataforma microfluídica, como por exemplo a separação e medição da deformabilidade de células/partículas. Em dispositivos microfluídicos, existem dois métodos principais para separar células: métodos passivos, baseados em microestruturas e escoamentos laminares, e métodos ativos, baseados em campos de forças externos. Muitos estudos têm sido realizados com métodos passivos, pois estes não necessitam de forças externas. Nesta tese serão apresentadas diferentes geometrias passivas para um dispositivo microfluídico, constituído por vários filtros de fluxo cruzado e multiníveis com o intuito de separar células/partículas em função do seu tamanho. Outra característica importante é a implementação de microcanais hiperbólicos a montante das saídas por forma a criar um escoamento extensional homogéneo e consequentemente medir a deformabilidade das células de forma controlada. Após a separação e avaliação da deformação, a quantidade de glóbulos vermelhos será quantificada por um método de espectrofotometria. Os resultados indicam que várias geometrias mostraram uma boa taxa de separação, confirmada pelas medidas de camada livre de células e pela espectrofotometria. Verificou-se também que os sistemas microfluídicos testados são capazes de separar amostras patológicas de sangue, demostrando assim o seu potencial em realizar simultaneamente a separação e deformação de células patológicas, como por exemplo células provenientes de pacientes diagnosticados com malária e/ou diabetes.; Microfluidic systems have been successfully used at many biomedical applications. Their great advantages allow working with minimal sample volumes and with short assays times. Additionally, microfluidic systems allow parallel operations in a single microfluidic platform such as separation and measurement of single cell/particles deformability. In microfluidic devices, there are two main methods for cells separation: passive methods, based on microstructures and laminar flow, and active methods, based on external force fields. Many studies have been made using passive methods because they do not require external forces. In this thesis it will be presented different geometrical passive approaches for a microfluidic device, that will have crossflow filters and multilevel steps that will separate the cells/particles by their size. Another important feature is the implementation of hyperbolic microchannels upstream the outlets in order to create a homogeneous extensional flow and consequently to measure the cells deformability in a controlled way. After the separation and deformation assessment, the amount of RBCs will be quantified by a spectrophotometry method. The results indicate that several geometries have shown a good separation rate, confirmed by the cell free layer and spectrophotometry measurements. It was also verified that the tested microfluidic systems are able to separate pathological blood samples, showing its potential to perform simultaneously separation and deformation assessments of blood diseases, such as malaria and diabetes.
Descrição: Tese de doutoramento em Biomedical Engineering
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2022-10-14T10:29:06ZExperimental procedures for the identification of material properties of intervertebal disc - a contribution for the development of biomimetic substitutes for the nucleus pulposus
https://hdl.handle.net/1822/41522
Título: Experimental procedures for the identification of material properties of intervertebal disc - a contribution for the development of biomimetic substitutes for the nucleus pulposus
Autor: Araújo, Ângelo Rafael Gomes
Resumo: The degenerative disc disease is among the promoters of low back pain, being normally associated with sciatica and disc herniation. Several experimental works have studied the intervertebral disc and proven that it presents poroelastic, osmotic, viscoelastic and anisotropic characteristics. However, the information about the mechanical loading on the IVD and its relation with the degenerative disc disease remains unclear.
This work aimed to provide new insights about the mechanical properties of the intervertebral disc, as well as to contribute for selection and characterization of a new implant, developed by research partners at Nicast®, Lod, Israel. In order to better understand the biomechanical behavior of the intervertebral disc, a new set of experimental techniques for mechanical characterization, mechanical testing protocols and benchmark results that allows stablishing specifications for the new nucleus pulposus implants were addressed and performed. The experimental approach included mechanical tests in the overall structure of a porcine intervertebral disc: axial compressive tests at the motion segment (composed by the two adjacent vertebrae and the intervertebral disc) and annulus fibrosus level, as well as pressurization tests on nucleus pulposus. Moreover, it comprised several tests for the selection and mechanical characterization of the developed implant.
The outcomes demonstrated that porcine motion segments are valid model to provide valuable information about the mechanical behavior of the human intervertebral disc, for the axial compressive tests. This study also proved that the rupture of the intervertebral disc could be reached at intradiscal pressure levels that are normally reported as physiological. Moreover, the compressive tests on the reinforced-ground matrix of the annulus fibrosus strengthened the idea, previous reported in the literature, that this structure presents an inhomogeneous behavior. Finally, the implant as revealed to have a satisfactory behavior under the set of experimental tests performed: while the ex-situ tests revealed promising characteristics in what concerns to the capacity to replace the nucleus pulposus, the stress relaxation tests in-situ, performed during the placement of the implants in the nuclear cavity of the motion segment, revealed no significant differences between the behavior of intact structures and the ones with the implants placed in the inner region of the intervertebral disc.
The intervertebral disc is an intricate struture, with a “multi-factors dependent” biomechanical behavior, being extremely hard to design an efficient solution to replace its damaged structures. The experimental procedures of this work gave valuable information about the mechanical properties of the intervertebral disc, contributing for the advance of the knowledge on the biomechanics of its compounds. Furthermore, it helps to clarify the suitability of the new developed implant in the partial replacement of the damaged intervertebral disc.; A doença degenerativa do disco intervertebral é uma das principais causas de dor lombar, estando intimamente
associada à dor ciática e à herniação discal. Nos últimos anos têm sido realizados diversos trabalhos experimentais, os
quais demonstraram que o disco apresenta características poro-elásticas, viscoelásticas e anisotrópicas. No entanto, a
relação entre as cargas aplicadas no disco intervertebral e a degeneração do disco intervertebral não é clara.
Este trabalho tem por objectivo providenciar informação relevante sobre as propriedades mecânicas do disco
intervertebral, bem como contribuir para a seleção e caracterização de um novo implante, desenvolvido pela Nicast®,
localizada em Lod, Israel - associado ao projeto no qual este trabalho se inseriu, o NP Mimetic. Para tal, no âmbito
deste trabalho foram desenvolvidas e produzidas protocolos e técnicas experimentais para a caracterização mecânica e
material, tendo sido obtidos valores standard importantes, que permitem, por um lado, o melhor conhecimento sobre o
comportamento biomecânico do disco intervertebral, e por outro lado, definir as especificações relevantes para novos
implantes de substituição do núcleo pulposo. A abordagem experimental incluiu testes mecânicos na estrutura do disco
intervertebral de suínos, nomeadamente testes de compressão axial em unidades funcionais da coluna, constituídas
por um disco intervertebral entre duas vértebras adjacentes, e no anel fibroso, bem como testes de pressurização na
cavidade nuclear do disco. Além disso, este trabalho apresenta ainda diversos testes complementares para a seleção,
caracterização e validação mecânica do implante desenvolvido.
Os resultados obtidos demonstraram que as unidades funcionais da coluna de suínos apresentam-se como um
modelo válido para a obtenção de informações relevantes sobre o comportamento mecânico do disco intervertebral
humano, em testes de compressão. Este trabalho mostrou ainda que a rotura do disco intervertebral pode ser atingida
para valores de pressão interna discal que são normalmente considerados como fisiológicos. No que diz respeito aos
testes de compressão estática e dinâmica na matriz do anel fibroso, estes reforçaram a ideia previamente descrita na
literatura, de que esta estrutura apresenta um comportamento não-homogéneo. Por último, os implantes apresentaram
um comportamento muito satisfatório nos testes a que foram submetidos: enquanto os testes de avaliação do implante
ex-situ revelaram características bastante promissoras no que concerne à capacidade de substituição do núcleo, os
testes de relaxação de tensões in-situ, realizados aquando da colocação dos implantes na cavidade nuclear das
unidades funcionais da coluna, revelaram a inexistência de diferenças significativas entre o comportamento dessas
mesmas estruturas antes e após a colocação do implante na cavidade nuclear.
O disco intervertebral é uma estrutura intrincada, apresentando um comportamento biomecânico de
dependência multifactorial. Como tal, o desenvolvimento de implantes que possam substituir total ou parcialmente o
disco intervertebral degenerado é uma tarefa de elevada complexidade. Este trabalho providencia um conjunto de
dados relevantes sobre a resposta mecânica dos discos intervertebrais, contribuindo para o avanço do conhecimento
do comportamento biomecânico dos seus componentes. Mais ainda, permite clarificar a adequabilidade de um novo
implante na substituição do núcleo pulposo do disco intervertebral.
Descrição: Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica.
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2016-05-11T13:34:58ZDevelopment of a biomimetic finite element model of the intervertebral disc diseases and regeneration
https://hdl.handle.net/1822/28831
Título: Development of a biomimetic finite element model of the intervertebral disc diseases and regeneration
Autor: Castro, André
Resumo: Degenerative Disc Disease is one of the largest health problems faced worldwide, based on lost
working time and associated costs. This is the driving force for the development of a biomimetic
Finite Element (FE) model of the Intervertebral Disc (IVD), which is a multiphasic and highly
inhomogeneous structure. A great amount of experimental and numerical works have studied the
IVD and proven that it presents osmo-poro-hyper-visco-elastic behavior, with high influence of the
anisotropic behavior of collagen fibers.
Poroelastic models of the IVD are mostly implemented in commercial FE-packages, which
means that the accessibility to the source algorithm is often circumscribed. In order to approach
to the biomechanical behavior of the IVD in the Human spine with higher flexibility and accuracy,
an innovative poroelastic formulation implemented on a home-developed open-source FE solver
is addressed and validated throughout this work.
Numerical simulations were mostly devoted to the analysis of the non-degenerated Human
IVD time-dependent behavior, using a geometrically accurate FE model of a full motion segment
(MS), constructed with quadratic 27 nodes hexaedral elements. The results of the tests
performed for creep assessment were inside the scope of the experimental and numerical
literature data, with remarkable improvements of the numerical accuracy when compared with
some previously published results obtained with the commercial FE-package ABAQUS®.
Previously unpublished experimental data from the research partners at VUmc (Amsterdam, The
Netherlands) were also analyzed and compared with the MS FE model, which proved to
reproduce satisfactorily to the physiological and non-physiological conditions of those
experimental tests.
The IVD biomechanical behavioral is complex and dependent on multiple factors. The
numerical simulations with the present MS FE model, using the home-developed open-source FE
solver, demonstrated potential to biomimitize the IVD and thus contribute to the advance of the
knowledge on its biomechanics.; A Doença Degenerativa dos Discos é um dos maiores problemas de saúde enfrentados a nível
mundial, a nível de tempo de trabalho perdido e custos associados. Esta é a motivação para o
desenvolvimento de um modelo biomimético de Elementos Finitos (EF) do Disco Intervertebral
(DIV), que é uma estrutura multifásica e altamente heterogénea. Um grande número de
trabalhos, experimentais e numéricos, estudou o DIV e provou que este apresenta
comportamento osmo-poro-hiper-visco-elástico, com influência significativa do comportamento
anisotrópico das fibras de colagénio.
Os modelos poroelásticos do DIV têm sido frequentemente implementados em programas
comerciais de EF, o que significa que o acesso ao algoritmo-fonte é circunscrito. Para obter uma
aproximação mais flexível e rigorosa ao comportamento biomecânico do DIV, uma formulação
poroelástica inovadora foi implementada num programa de EF de acesso livre, desenvolvido
internamente. Esta formulação é descrita e validada ao longo do presente trabalho.
As simulações numéricas foram quase totalmente dedicadas à análise do comportamento
do DIV Humano não-degenerado, que se sabe ser fortemente dependente do factor tempo. Para
esse feito, foi utilizado um modelo de EF geométrico correcto de um segmento móvel (SM)
completo, construído com elementos quadráticos hexaédricos de 27 nós. Os resultados dos
testes levados a cabo para análise do comportamento do DIV em termos de fluência ficaram
dentro do espectro dos resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Foram,
inclusivé, registadas melhorias notáveis em relação a alguns trabalhos que utilizaram ABAQUS®,
um programa de EF comericalmente disponível. Foram também analisados dados experimentais
não publicados dos parceiros de investigação da VUmc (Amesterdão, Holanda). A comparação
com o modelo EF do SM demonstrou que este modelo reproduz satisfactoriamente as condições
dos testes experimentais, sejam elas condições fisiológicas ou não-fisiológicas.
O comportamento biomecânico do DIV é complexo e dependente de múltiplos factores. As
simulações numéricas levadas a cabo com o modelo EF do SM, utilizando o programa de EF de
acesso livre desenvolvido internamente, demonstraram potencial para biomimetizar o DIV e
assim contribuir para o avanço do conhecimento da sua biomecânica.
Descrição: Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Engenharia Biomédica
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2014-04-16T14:10:59ZThermohydrodynamic performance of twin groove journal bearings considering realistic lubricant supply conditions : a theoretical and experimental study
https://hdl.handle.net/1822/9884
Título: Thermohydrodynamic performance of twin groove journal bearings considering realistic lubricant supply conditions : a theoretical and experimental study
Autor: Brito, F. P.
Resumo: The smooth operation of the power transmission systems found in many transport vehicles and
energy production systems is often limited by the reliability of the bearings which support their
rotating shafts. Under high shaft speeds and applied loads, hydrodynamic journal bearings may
constitute the only acceptable option for the designer.
When predicting the performance of journal bearings submitted to severe operating conditions
it is crucial to account for the local variation of the temperature and the viscosity field.
Furthermore, the lubricant supply conditions such as lubricant feeding pressure and temperature
and the actual groove geometry should be treated realistically in the theoretical analysis.
The present report describes the work carried out by the author, focused on the theoretical and
experimental study of the performance of twin groove journal bearings operating under steady
state. A particular emphasis was put on the analysis of the influence of lubricant supply
conditions.
The work included the development of a Thermohydrodynamic (THD) model for the analysis
of the performance of twin groove journal bearings. The model has been based on the
simultaneous numerical solution of the generalized Reynolds and Energy equations within the
lubricant film and the heat transfer within the bush body. Special care was taken in the
treatment of the phenomena taking place in the vicinity of feeding grooves and the modeling of
the ruptured film region.
Test programs were carried out at the Laboratory of Tribology and Machine Elements of the
University of Minho (LOMT) and at the Laboratory of Solid Mechanics of the University of
Poitiers (LMS). The scope of these tests was, on one hand, to provide the scientific community
with a wealth of experimental results spanning a wide range of supply conditions and providing
an extensive discussion of the phenomena involved. On the other hand, the test programs would
allow the validation and refinement of the theoretical model.; O bom funcionamento de muitos sistemas de transmissão de potência em veículos de transporte
e em sistemas de produção de energia está frequentemente condicionado pela fiabilidade das
chumaceiras que suportam os seus veios rotativos. Em situações onde estão envolvidas
velocidades de rotação e cargas elevadas, as chumaceiras radiais hidrodinâmicas podem
constituir a única alternativa aceitável para o projectista.
Na previsão do desempenho de chumaceiras submetidas a condições de funcionamento severas,
torna-se necessário entrar em linha de conta com a variação local dos campos de temperatura e
viscosidade. As condições de alimentação (pressão e temperatura de alimentação, geometria
dos sulcos) devem também ser tidas em consideração na formulação do modelo teórico.
A presente dissertação descreve o programa de trabalhos levado a cabo pelo autor no âmbito de
um projecto FCT que se dirigiu ao estudo teórico-experimental do desempenho de chumaceiras
com dois sulcos de alimentação axiais funcionando em regime estacionário, tendo sido posto
um ênfase particular no estudo da influência das condições de alimentação.
Os trabalhos incluíram o desenvolvimento de um modelo termohidrodinâmico (THD) para a
previsão do desempenho deste tipo de chumaceiras. Este modelo foi baseado na solução
numérica simultânea da equação de Reynolds generalizada, da equação da energia no filme
lubrificante e da equação de transmissão de calor através do casquilho. Foi posto um particular
cuidado na modelação dos fenómenos que ocorrem na região dos sulcos de alimentação e do
fenómeno de ruptura de película.
Foi levado a cabo um programa de testes laboratoriais realizado no Laboratório de Órgãos de
Máquinas e Tribologia da Universidade do Minho (LOMT) e no Laboratório de Mecânica dos
Sólidos da Universidade de Poitiers (LMS). A realização deste programa de testes teve como
objectivo, por um lado, a disponibilização de um conjunto de resultados experimentais com
uma ampla gama de variação das condições de alimentação e o respectivo estudo dos
fenómenos envolvidos. Por outro lado, a realização do programa de testes teve também em
vista a validação e o refinamento modelo teórico desenvolvido.
Descrição: Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica (ramo do conhecimento em Tribologia)
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2009-12-10T18:22:44Z