They are present in devices used in widely practiced medical procedures with the aim of treating or diagnosing health problems. They become part of the human body, temporarily or permanently, and interact, in a more or less active manner, with the biological system in which they are inserted. Obviously, we are talking about biomaterials. Examples of devices made of biomaterials are quite numerous. We can mention, among many others, stents that release drugs to achieve best results in the opening of arteries that are becoming blocked, and orthopedic implants that promote the regeneration of the bone tissue they are temporarily replacing.
Biomaterials is the subject of the XIV SBPMat Meeting´s plenary lecture that will be given by Paul Ducheyne. In the talk, Ducheyne will address, in particular, two kinds of biomaterials: bioactive ceramics with in situ functionalization, and sol-gel nanoporous materials that delivery drugs and other molecules.
Ducheyne is a Professor of Bioengineering and of Orthopaedic Surgery Research at the University of Pennsylvania (Penn), United States. He is also Director of the Center for Bioactive Materials and Tissue Engineering, a group of multidisciplinary research that brings together scientists from the Engineering, Dentistry and Medicine Departments at Penn. Besides, Ducheyne is a Special Guest Professor at the University of Leuven (KU Leuven), Belgium, where he obtained his MSc and PhD degrees in Materials Science and Engineering.
Paul Ducheyne is the author or editor of a number of books on biomaterials; in particular, he is editor in chief of “Comprehensive Biomaterials,” a 3,650 paged book divided into six volumes, published in 2011 by Elsevier publisher. Owner of a 58 H index, he has published about 330 scientific papers with more than 10,000 citations – of which some 2,600 belong to his 10 most cited articles. Ducheyne has also authored over 40 patents. In addition, from the 1980s on, he has organized several conferences and symposia in biomaterials.
In 1992, Ducheyne founded the company Orthovita, dedicated to products for treating injured bones and for controlling bleeding, and he was its CEO until 1999. In 2011, the company became part of Stryker Corporation, one of the leaders in the market of technology for medicine.
Paul Ducheyne was Secretary of the European Society for Biomaterials, and President of the US Society for Biomaterials and the International Society for Ceramics in Medicine. Among other awards and distinctions, in 2008 he won the C. William Hall Award of the Society for Biomaterials. Ducheyne was or is still part of the editorial boards of scientific journals in the fields of Biomaterials, Bioceramics, Bioengineering, Tissue Engineering, Orthopedics and Dentistry.
What follows is a mini-interview with this scientist.
SBPMat newsletter: – Could you briefly tell us what led you to devote to research on biomaterials?
Paul Ducheyne: – I was always attracted to medicine. In addition – when I graduated (in the seventies) – I foresaw the decline of the steel industry in the West, and I did not want to be caught into this. Therefore, my radical turning away from the then current materials science.
SBPMat newsletter: – How were you able to merge Materials Science and Biology in your scientific career?
Paul Ducheyne: – It is THE central theme in Biomaterials research.
SBPMat newsletter: – In your opinion, what are your most significant contributions in the field of biomaterials? Please explain them, very briefly, and share references from the resulting articles or books, or comment if these studies have produced patents, products, spin-off companies etc.
Paul Ducheyne: – Most people will know my mechanistic explanation for how synthetic materials (ceramics) stimulate cell function and lead to tissue formation. More recently, my using sol gel processed ceramics for controlled relase of a plethora of drugs and growth factors is also highly regarded. Lastly, I have published papers on a number of subjects (such as bone tissue ingrowth in porous materials, bone cement mechanical behavior, and titanium biocompatibility) which are highly cited.
“Organic electronic devices” is the subject of the plenary talk that will be given by Professor Alberto Salleo at the XIII SBPMat Meeting. Professor Salleo is the head of a research group at Stanford University (USA), working on novel materials and processing techniques for large-area and flexible electronic/photonic devices. Salleo received his Laurea degree in Chemistry in 1994 from the University of Rome La Sapienza (Italy) and his M.S. (1998) and Ph.D. (2001) in Materials Science from UC Berkeley (USA) investigating optical breakdown in fused silica. He spent 4 years at the Palo Alto Research Center (USA) before joining the Department of Materials Science and Engineering at Stanford University in December 2005. Salleo is Principal Editor of MRS Communications, Associate Editor of the Journal of Electronic Materials, and member of the Advisory Board of the Journal of Organic Electronics. Salleo was awarded the Early Career Achievement Award from SPIE, the International Society for Optics and Photonics and the 3M Untenured Faculty Award, among other honors. He has (co)/authored over 140 papers in peer-reviewed journals and 6 book chapters and has co-authored a book on flexible electronics.
Read our interview with the lecturer.
SBPMat newsletter: – Please choose some of your main publications on organic electronics to share them with our public.
Alberto Salleo: – My group has long been interested in the role defects play in transport in organic semiconductors. We combine materials characterization to correlate structure to properties and really get deep in the “Materials Science” of organic semiconductors. In 2009 we looked at the role of grain-boundary structure in charge transport in crystalline organic semiconductors [J. Rivnay, L. Jimison, J. Northrup, M. Toney, R. Noriega, T. Marks, A. Facchetti, A. Salleo, “Large Modulation of Carrier Transport by Grain Boundary Molecular Packing and Microstructure in Organic Semiconductor Thin Films. Implications for Organic Transistor Performance”, Nature Materials 8, 952-958 (2009)]. Later, we extended this work to understanding how the microstructure of semicrystalline polymers affects carrier mobility and we outlined some basic design rules for materials [R. Noriega, J. Rivnay, K. Vandewal, F.P.V. Koch, N. Stingelin, P. Smith, M.F. Toney, A. Salleo, “A general relationship between disorder, aggregation and charge transport in conjugated polymers”, Nature Materials, 12, 1037-1043 (2013)].
In the last few years we have been interested in the fundamental processes of charge generation in organic photovoltaics. In collaboration with other groups we discovered the fundamental intermediate of the charge generation process, which is the thermalized charge-transfer state [K. Vandewal, S. Albrecht, E.T. Hoke, K.R. Graham, J. Widmer, J.D. Douglas, M. Schubert, W.R. Mateker, J.T. Bloking, G.F. Burkhard, A. Sellinger, J.M.J. Frechet, A. Amassian, M.K. Riede, M.D. McGehee, D. Neher, A. Salleo, “Efficient charge generation by relaxed charge-transfer states at organic interfaces,” Nature Materials 13, 63-68 (2014)].
Charge transport in heterogeneous polymeric microstructures is dominated by percolation through ordered regions.
SBPMat newsletter: – In your opinion, which are the organic electronics´main challenges for Materials Science and Engineering? And the main applications of organic semiconductors we´ll see in everyday life in the next decades?
Alberto Salleo: – Because these materials are bound by weak van der Waals bonds, their microstructure is very process-dependent. This is a great property for fundamental studies as it allows to generate a zoo of structures relatively easily. On the other hand, most applications require that many (sometimes thousands) of devices be integrated, which puts stringent requirements on the reproducibility of the electrical characteristics. Reaching the level of reproducibility needed to build somewhat complex circuits is still challenging.
As far as applications, it is important to think of a space that is well-matched to the unique properties of organic semiconductors. OLED displays are already commercial but maybe in the future they can be driven by organic transistors to further push flexibility and fabrication sustainability. OLEDs are also exciting as low-power, low-cost lighting sources. Of course, there is continuing progress in photovoltaics and the possibility of organics being part of tandem cells is becoming ever more realistic, while fundamental breakthroughs may also make them competitive as single junctions in specific applications where their low weight and flexibility add value. Finally, there are plenty of applications that don’t require great speed but that take advantage of the mechanical properties of organics. I am thinking of bio-electronics and wearable electronics, which are experiencing a significant growth lately. Organic devices have been used to monitor brain signals and to deliver drugs locally, as well as to measure heartbeat or oxygen content in blood.
SBPMat newsletter: – Tell us a little about the plenary lecture on organic electronic devices you are going to give at the XIII SBPMat Meeting.
Alberto Salleo – My interest is in understanding how microstructure and defects play a role in materials properties. In the end, these relationships are important for all devices, therefore I view our work as quite fundamental, regardless of applications. My goal for the lecture is to pick a device (I have a few months to decide which one!) and show exactly how the structure of the material at all length-scales affects the device behavior. This type of studies provides a nexus between scientists who make materials, those who process materials and those who design devices.
Compartilhamos com nossos visitantes os arquivos das palestras plenárias recebidos até o momento, acompanhados dos resumos das palestras.
Orlando Auciello na plenária sobre UNCD.
Science and technology of multifunctional oxide and ultrananocrystalline diamond (UNCD) films and applications to a new generation of multifunctional devices/systems.
A primeira plenária do XI Encontro da SBPMat foi de Orlando Auciello, distinguished fellow do Laboratório Nacional de Argonne e, desde o dia 1 de outubro de 2012, endowed chair professor da Universidade de Texas em Dallas, nos Estados Unidos.
Na palestra, Auciello abordou, principalmente, a ciência, tecnologia e engenharia de filmes de diamante ultrananocristalino (UNCD). Esses materiais apresentam uma combinação única de propriedades, incluindo uma excelente biocompatibilidade e propriedades mecânicas e tribológicas superiores.
O palestrante também discorreu sobre a integração dos filmes UNCD em uma nova geração de dispositivos e sistemas voltados a diversos setores da indústria, principalmente o micro/nanoeletrônico e o biomédico. Segundo Auciello, existe um mercado pronto para receber esses produtos.
Entre os numerosos exemplos de aplicações apresentados na palestra, um dos mais impactantes foi o do revestimento de UNCD usado para viabilizar a implantação de um microchip na retina humana com o objetivo de recuperar a visão de pessoas cegas.
Em sintonia com a proposta desta edição do encontro da SBPMat de incluir o tema da transformação do conhecimento da área de Materiais em inovação, Auciello apresentou duas empresas, das quais ele foi co-fundador, que comercializam produtos baseados em filmes UNCD, a Advanced Diamond Technologies e a Original Biomedical Implants.
Bernd Mayer, do Instituto Fraunhofer, no XI Encontro da SBPMat.
Na palestra realizada no dia 24 de setembro no início da tarde, o IFAM (Instituto de Tecnologia de Manufatura e Materiais Avançados) do Instituto Fraunhofer (Alemanha) foi apresentado por seu diretor, Bernd Mayer.
No início da palestra, Mayer lembrou Josef von Fraunhofer (1787-1826) por seu empenho em transformar invenções em inovações. “É o que ainda tentamos fazer no IFAM”, disse.
Mayer compartilhou com o público experiências de pesquisa e desenvolvimento no IFAM, mais precisamente, na Divisão de Tecnologia de União Adesiva e Superfícies, à qual se referiu como um grupo especialista em interfaces. Em alguns casos, o palestrante relatou processos de desenvolvimento que se iniciaram com pesquisa básica e culminaram com produtos do interesse do mercado.
Entre outros casos, Mayer descreveu um tratamento a plasma usado para revestir moldes de aço. Com o revestimento, o processo de desmoldagem é facilmente realizado, eliminando a necessidade de utilizar produtos para soltar o conteúdo do molde, com uma série de vantagens na produção quanto a custos e qualidade.
Mayer também citou alguns exemplos de desenvolvimento de tecnologia inspirados na natureza, como um revestimento para uso na indústria aeroespacial usado para reduzir o arrasto, inspirado na pele do tubarão.
Localizado na cidade de Grenoble (França), o Minatec reúne, em um quilômetro quadrado, pesquisa, educação e indústria. Os recursos materiais para P&D (laboratórios e salas limpas) estão organizados na forma de plataformas “por atividade” (nanocaracterização, CMOS 200, design, nanobiotecnologia, entre outras). As plataformas são compartilhadas por pesquisadores, estudantes de graduação e pós-graduação e profissionais de empresas.
Nesse ambiente que visa promover a colaboração, surgem os principais agentes de transferência de tecnologia do campus, asstartups, empreendimentos criados por pesquisadores a partir de ideias que envolvem a aplicação de pesquisa. Segundo Guibert, o mais importante para conseguir implementar o modelo de transferência porstartups é criar uma cultura da transferência tecnológica, além de contar com pesquisadores de bom nível e dar apoio a eles em questões como estudos de mercado e propriedade intelectual. Para difundir essa cultura, Guibert promove apresentações abertas à comunidade do campus sobre casos de sucesso de pesquisadores que fundaram empresas de base tecnológica.
Outra atividade importante do Minatec é a dos contratos de P&D com empresas que chegam ao campus em busca de recursos materiais e humanos para viabilizar seus projetos de inovação. Esses contratos são responsáveis por mais de 60% da receita do Minatec. De acordo com o diretor, quando as startups se transformam em empresas consolidadas, os investimentos feitos nelas voltam ao campus por meio dos contratos que acabam fazendo com o Minatec.
No final da palestra, Guibert apresentou vários exemplos de startups do segmento de nanomateriais.
Mrityunjay Singh, do Instituto Aeroespacial de Ohio, ligado à NASA.
Integration science and technology of advanced ceramics for energy and environmental applications.
A palestra vespertina do dia 26 abordou o conceito de ciência e tecnologia de integração, que se refere, na visão do palestrante Mrityunjay Singh, ao conhecimento necessário para incorporar um material (no caso, cerâmicas avançadas) a sistemas e componentes. O conceito inclui as tecnologias para unir ou fixar mecanicamente, em diversas escalas, cerâmicas com cerâmicas ou compósitos, e cerâmicas com metais.
Cientista chefe do Instituto Aeroespacial de Ohio, ligado ao Centro de Pesquisa Glenn da NASA, Singh começou a palestra falando sobre o importante papel que as cerâmicas avançadas desempenham ou podem desempenhar no segmento de energia, tanto na geração da energia quanto na sua acumulação, distribuição, conservação e eficiência.
Durante a palestra, Singh mostrou que, para ter sucesso na incorporação de cerâmicas, criando sistemas robustos e de desempenho adequado, alguns fatores essenciais são a seleção dos melhores materiais e o encaminhamento adequado dos problemas dos sistemas, em especial, das interfaces.
O palestrante compartilhou alguns exemplos de integração de cerâmicas no segmento de energia, como o de componentes de turbinas a gás e o de injetores de gasolina que podem reduzir as emissões dos motores.
Nas conclusões, Singh reforçou que as tecnologias de integração são essenciais para avançar nas aplicações das cerâmicas avançadas no setor de energia. O cientista destacou que esse avanço ainda apresenta muitos desafios, não apenas na compreensão dos efeitos envolvidos na integração dos materiais, como também no desenvolvimento de modelos preditivos e na padronização de testes.
Saiba mais.
Veja o arquivo desta palestra plenária, gentilmente cedido pelo autor, que também disponibilizou o e-mail dele para pessoas interessadas em mais informações ou colaborações: m.singh@juno.com.
O francês Dubois falou sobre materiais intermetálicos.
How complexity can help: the case of Aluminum-based intermetallics.
Na última palestra plenária do XI Encontro da SBPMat, o pesquisador Jean Marie Dubois, que dirige o instituto de pesquisa Jean Lamour de Nancy (França) falou sobre um grupo de materiais intermetálicos compostos por ligas de alumínio e outros metais como ferro, cobre ou magnésio.
Esses compostos podem ter uma grande variedade de estruturas. Alguns deles são compostos por unidades (células unitárias) muito grandes, com milhares de átomos cada uma, que se repetem periodicamente, em padrões simétricos. Outros possuem unidades muito pequenas, com apenas alguns átomos. Finalmente, há um grupo de intermetálicos baseados em alumínio no qual não podem ser identificadas essas unidades nem há, portanto, periodicidade. Estes últimos são da família dos quasicristais, cuja descoberta deu o Prêmio Nobel a Dan Shechtman em 2011.
Do número de átomos por célula unitária depende a complexidade, que pode ser quantificada por meio de um índice que foi apresentado por Dubois. E da complexidade dependem algumas propriedades dos materiais intermetálicos, conforme mostrou o professor.
Finalmente, Dubois mostrou muitas aplicações desses materiais intermetálicos baseados em alumínio. Talvez o exemplo mais lembrado seja o da liga quasicristalina com propriedades antiaderentes. Desenvolvida pelo próprio Dubois, ela substitui o famoso Teflon em algumas frigideiras e panelas que estão no mercado.
Biomaterials is the subject of the XIV SBPMat Meeting´s plenary lecture that will be given by Paul Ducheyne. In the talk, Ducheyne will address, in particular, two kinds of biomaterials: bioactive ceramics with in situ functionalization, and sol-gel nanoporous materials that delivery drugs and other molecules.
