Synthèse de poly(N-isopropylacrylamide)s modifiés par des groupements cholestérols et leur étude en solutions aqueuses

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Micellar and surface properties of a poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) copolymer in aqueous solution

Critical micelle concentrations (cmc) of aqueous solutions of poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) were determined at several temperatures by surface tensiometry. Below the lower critical solution temperature (LCST), the low Delta(mic) H-0 determined can be assigned to the PMMA block being tightly coiled in the dispersed molecular state, so that the unfavorable interactions of hydrophobic entities with water are minimized. Above the LCST the cmc value was found to increase; an anomalous behavior that can be directly related to the micelle-globule transition of the hydrophilic block. Interestingly, above the LCST the surface tension of relatively concentrated solutions was found to depend weakly on temperature not following the usual strong decrease with temperature expected for aqueous solutions. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Thermo-responsive poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) block copolymers synthesized by RAFT polymerization: micellization and gelation

RAFT polymerization was used to prepare PMMA-b-PNIPAM copolymers. Two different chain transfer agents, tBDB and MCPDB, were used to mediate the sequential polymerizations. Micellar solutions and gels were prepared from the resulting copolymers in aqueous solution. When heated above T-c of PNIPAM (about 31 degrees C), DLS revealed that PNIPAM coronas collapsed, resulting in aggregation of the original micelles. The micellar gels underwent syneresis above T-c as water was expelled from the ordered gel structure, the lattice periodicity of which was determined by SANS. A large decrease in lattice spacing was observed above T-c. The gel became more viscoelastic at high temperature, as revealed by shear rheometry which showed a large increase in G".

Rheological and thermal behaviour of poly(N-isopropylacrylamide)/alginate smart polymeric networks

Interpenetrating polymeric networks based on sodium alginate and poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) covalently crosslinked with N,N′-methylenebisacrylamide have been investigated using rheology, thermogravimetry, differential scanning calorimetry, X-ray diffraction measurements and scanning electron microscopy (SEM). An improved elastic response of the samples with a higher PNIPAAm content and increased amount of crosslinking agent was found. The temperature-responsive behaviour of the hydrogel samples was evidenced by viscoelastic measurements performed at various temperatures. It is shown that the properties of these gels can be tuned according to composition, amount of crosslinking agent and temperature changes. X-ray scattering analysis revealed that the hydrophobic groups are locally segregated even in the swollen state whilst cryo-SEM showed the highly heterogeneous nature of the gels.

Solution properties of star and linear poly(N-isopropylacrylamide)

The LCST transitions of novel N-isopropylacrylamide ( NIPAM) star polymers, prepared using the four-armed RAFT agent pentaerythritoltetrakis(3-(S-benzyltrithiocarbonyl) propionate) (PTBTP) and their hydrolyzed linear arms were studied using H-1 NMR, PFG-NMR, and DLS. The aim was to determine the effect of polymer architecture and the presence of end groups derived from RAFT agents on the LCST. The LCST transitions of star PNIPAM were significantly depressed by the presence of the hydrophobic star core and possibly the benzyl end groups. The effect was molecular weight dependent and diminished once the number of repeating units per arm >= 70. The linear PNIPAM exhibited an LCST of 35 degrees C, regardless of molecular weight; the presence of both hydrophilic and hydrophobic end groups after hydrolysis from the star core was suggested to cancel effects on the LCST. A significant decrease in R-H was observed below the LCST for star and linear PNIPAM and was attributed to the formation of n-clusters. Application of a scaling law to the linear PNIPAM data indicated the cluster size n = 6. Tethering to the hydrophobic star core appeared to inhibit n-cluster formation in the lowest molecular weight stars; this may be due to enhanced stretching of the polymer chains, or the presence of larger numbers of n-clusters at temperatures below those measured.

Bile-salt-induced aggregation of poly(N-isopropylacrylamide) and lowering of the lower critical solution temperature in aqueous solutions

The effect of sodium cholate (NaC; concentration 1-16 mM), a biological surfactant, on the aggregation behavior of 1% (w/v, 2.2 × 10(-3) M) poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) aqueous solutions was studied as a function of temperature. From turbidity, dynamic light scattering, viscosity, and fluorescence measurements, it was observed that (i) there is NaC-induced nanoscale aggregation of PNIPAM in its sol state and (ii) the lower critical solution temperature corresponding to sol-gel transition shifts to a lower temperature by about 2 °C.

Multifunctional bioactive glass scaffolds coated with layers of poly(d,l-lactide-co-glycolide) and poly(n-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) microgels loaded with vancomycin

A new family of multifunctional scaffolds, incorporating selected biopolymer coatings on basic Bioglass® derived foams has been developed. The polymer coatings were investigated as carrier of vancomycin which is a suitable drug to impart antibiotic function to the scaffolds. It has been proved that coating with PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) with dispersed vancomycin-loaded microgels provides a rapid delivery of drug to give antibacterial effects at the wound site and a further sustained release to aid mid to long-term healing. Furthermore, the microgels also improved the bioactivity of the scaffolds by acting as nucleation sites for the formation of HA crystals in simulated body fluid. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Inkjet-printed poly(N-isopropylacrylamide)/graphene electrodes for selective electroanalytical sensing

The main research topic of the present master thesis consisted in the modification and electrochemical testing of inkjet printed graphene electrodes with a thin polymeric hydrogel layer made of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAM) acting as a functional layer to fabricate selective sensors. The first experimental activities dealt with the synthesis of the polymeric hydrogel and the modification of the active surface of graphene sensors through photopolymerization. Simultaneous inkjet printing and photopolymerization of the hydrogel precursor inks onto graphene demonstrated to be the most effective and reproducible technique for the modification of the electrode with PNIPAAM. The electrochemical performance of the modified electrodes was tested through cyclic voltammetry. Voltammograms with standard redox couples with either positive, neutral or negative charges, suggested an electrostatic filtering effect by the hydrogel blocking negatively charged redox species in near neutral pH electrolyte solutions from reaching the electrode surface. PNIPAAM is a known thermo-responsive polymer, but the variation of temperature did not influence the filtering properties of the hydrogels for the redox couples studied. However, a variation of the filter capacity of the material was observed at pH 2 in which the PNIPAAM hydrogel, most likely in protonated form, became impermeable to positively charged redox species and permeable to negatively charged species. Finally, the filtering capacity of the electrodes modified with PNIPAAM was evaluated for the electrochemical determination of analytes in presence of negatively charge potential interferents, such as antioxidants like ascorbic acid. The outcome of the final experiments suggested the possibility to use the inkjet-printed PNIPAAM thin layer for electroanalytical applications as an electrostatic filter against interferents of opposite charges, typically present in complex matrices, such as food and beverages.

ATRP-Synthese von Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten in wässrigem Medium und Anpassung des Nano-Plotters zur Beschichtung von Mikrocantilever-Sensoren

Das Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von Polymerbürsten auf Silizium durch Aufbringen der Reaktionslösung mit einem Pipettiersystem. Dies ist für die Beschichtung von Microcantilever Sensoren interessant, um spezifische Fühler mit funktionellen Polymerschichten, die auf chemische oder physikalische Einflüsse reagieren, zu bauen. Bisherige Synthesemethoden werden in Lösung durchgeführt. Atom Transfer Radical Polymerization ist etabliert, um definierte Schichten von Polymerbürsten herzustellen. Die Kombination mit einer “Spot Printing”-Technik kann eine Alternative sein, um einzelne Cantilever mit einer Breite von 90 μm und einer Länge von 750 μm zu beschichten. Dafür wurde eine Chemie getestet, die mit dem Pipettiersystem Nano-Plotter der Firma Gesim umsetzbar ist. Aus einer Mischung aus Wasser und DMF wurden Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten auf Silizium mit Schichtdicken bis zu 40 nm hergestellt. Es war nötig den Nano-Plotter anzupassen, damit zum einen auf die Microcantilever Sensoren pipettiert werden kann und zum andern die Nanoliter großen Tropfen über den Reaktionszeitraum stabil sind. Auf diese Weise konnten Linien mit einer Schichtdicke von ca. 2 nm auf Siliziumwafer hergestellt werden. Die “Spot-Printing” Methode ist daher eine gute Ergänzung zur herkömmlichen Synthese.

Development of biocompatible and “smart” porous structures using CO2-assisted processes

Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade Engenharia da Reacção Química, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Development of thermoresponsive (polysulfone/polyacrylonitrile) - based membranes for bioseparation processes

Mestrado integrado em Engenharia Química e Bioquímica

Bioactive beads for local sensing of proteases in 3D engineered tissues

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Bioengenharia (MIT)

Differences in pressure and temperature transitions of proteins and polymer gels

Pressure-driven and temperature-driven transitions of two thermoresponsive polymers, poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) and poly(N-vinylisobutyramide) (pNVIBA)), in both a soluble linear polymer form and a cross-linked hydro-gel form, were examined by a dynamic light-scattering method and direct microscopic observation, respectively. Their behavior was compared with that of protein systems. Changes in some characteristic parameters in the time-intensity correlation functions of dynamic light-scattering measurement of aqueous solutions of pNIPAM at various pressures and temperatures showed no essential differences during temperature and pressure scanning and, as a whole, the motions of polymers in aqueous solutions were similar in two types of transitions until chain shrinkage occurred. The gels (cross-linked polymer gels) prepared from the thermoresponsive polymers also showed similar volume transitions responding to the pressure and temperature increase. In temperature transitions, however, gels showed drastic volume shrinkage with loss of transparency, while pressure-induced transition showed a slow recovery of transparency while keeping the size, after first transient drastic volume shrinkage with loss of transparency. At a temperature slightly higher than the transition under atmospheric temperature, so-called reentry of the volume change and recovery of the transparency were observed during the pressure-increasing process, which implies much smaller aggregation or non-aggregated collapsed polymer chains in the gel at higher pressures, indicating a certain mechanistic difference of the dehydration processes induced by temperature and pressure.

Caractérisation de la pharmacocinétique de formulations sensibles au pH et de formulations destinées au traitement des intoxications médicamenteuses

La préparation de formulations à libération contrôlée est le domaine des sciences pharmaceutiques qui vise à modifier l’environnement immédiat des principes actifs pour en améliorer l’efficacité et l’innocuité. Cet objectif peut être atteint en modifiant la cinétique de circulation dans le sang ou la distribution dans l’organisme. Le but de ce projet de recherche était d’étudier le profil pharmacocinétique (PK) de différentes formulations liposomales. L’analyse PK, généralement employée pour représenter et prédire les concentrations plasmatiques des médicaments et de leurs métabolites, a été utilisée ici pour caractériser in vivo des formulations sensibles au pH servant à modifier la distribution intracellulaire de principes actifs ainsi que des liposomes destinés au traitement des intoxications médicamenteuses. Dans un premier temps, la PK d’un copolymère sensible au pH, à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique (MAA) a été étudiée. Ce dernier, le p(NIPAM-co-MAA) est utilisé dans notre laboratoire pour la fabrication de liposomes sensibles au pH. L’étude de PK conduite sur les profils de concentrations sanguines de différents polymères a défini les caractéristiques influençant la circulation des macromolécules dans l’organisme. La taille des molécules, leur point de trouble ainsi que la présence d’un segment hydrophobe à l’extrémité des chaînes se sont avérés déterminants. Le seuil de filtration glomérulaire du polymère a été évalué à 32 000 g/mol. Finalement, l’analyse PK a permis de s’assurer que les complexes formés par la fixation du polymère à la surface des liposomes restaient stables dans le sang, après injection par voie intraveineuse. Ces données ont établi qu’il était possible de synthétiser un polymère pouvant être adéquatement éliminé par filtration rénale et que les liposomes sensibles au pH préparés avec celui-ci demeuraient intacts dans l’organisme. En second lieu, l’analyse PK a été utilisée dans le développement de liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pour le traitement des intoxications médicamenteuses. Une formulation a été développée et optimisée in vitro pour capturer un médicament modèle, le diltiazem (DTZ). La formulation liposomale s’est avérée 40 fois plus performante que les émulsions lipidiques utilisées en clinique. L’analyse PK des liposomes a permis de confirmer la stabilité de la formulation in vivo et d’analyser l’influence des liposomes sur la circulation plasmatique du DTZ et de son principal métabolite, le desacétyldiltiazem (DAD). Il a été démontré que les liposomes étaient capables de capturer et de séquestrer le principe actif dans la circulation sanguine lorsque celui-ci était administré, par la voie intraveineuse. L’injection des liposomes 2 minutes avant l’administration du DTZ augmentait significativement l’aire sous la courbe du DTZ et du DAD tout en diminuant leur clairance plasmatique et leur volume de distribution. L’effet de ces modifications PK sur l’activité pharmacologique du médicament a ensuite été évalué. Les liposomes ont diminué l’effet hypotenseur du principe actif administré en bolus ou en perfusion sur une période d’une heure. Au cours de ces travaux, l’analyse PK a servi à établir la preuve de concept que des liposomes possédant un gradient de pH transmembranaire pouvaient modifier la PK d’un médicament cardiovasculaire et en diminuer l’activité pharmacologique. Ces résultats serviront de base pour le développement de la formulation destinée au traitement des intoxications médicamenteuses. Ce travail souligne la pertinence d’utiliser l’analyse PK dans la mise au point de vecteurs pharmaceutiques destinés à des applications variées. À ce stade de développement, l’aspect prédictif de l’analyse n’a pas été exploité, mais le côté descriptif a permis de comparer adéquatement diverses formulations et de tirer des conclusions pertinentes quant à leur devenir dans l’organisme.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.