Development of block copolymer lithography for device structure fabrication

This thesis investigated well-ordered block copolymer (BCP) thin film characteristics and their use for nanoscale pattern formation using a series of polystyrene-block-polymethylmethacrylate (PS-b-PMMA), polystyrene-blockpolydimethylsiloxane (PS-b-PDMS) and polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS-b-PEO) systems of various molecular weights. BCP thin films, which act as an ‘on-chip’ etch mask and material templates, are highly promising self-assembling process for future scalable nanolithography. Unlike conventional BCP processing methods, the work in this thesis demonstrates that well-ordered patterns can be achieved in a few seconds compared to several hours by use of a non-conventional microwave assisted technique. As a result, well-ordered BCP nanoscale structures can be developed in industry appropriate periods facilitating their incorporation into current technologies. An optimised and controlled plasma dry etch process was used for successful pattern transfer to the underlying silicon substrate. Long range ordered BCP templates were further modified by selective metal inclusion technique to form a hard mask template towards fabrication of high aspect ratio nanopillars and nanowires. The work described here is centred on how these templates might be used to generate function at substrate surfaces. Herein we describe a number of innovations which might allow their successful uptake in a number of applications.

Degradation of poly-L-lactide. Part2 : increased temperature accelerated degradation

Poly-L-lactide (PLLA) is one of the most significant members of a group of polymers regarded as bioresorbable. The degradation of PLLA proceeds through hydrolysis of the ester linkages in the polymer's backbone; however, the time for the complete resorption of orthopaedic devices manufactured from PLLA is known to be in excess of five years in a normal physiological environment. To evaluate the degradation of PLLA in an accelerated time period, PLLA pellets were processed by compression moulding into tensile test specimens, prior to being sterilized by ethylene oxide gas (EtO) and degraded in a phosphate-buffered solution (PBS) at both 50°C and 70°C. On retrieval, at predetermined time intervals, procedures were used to evaluate the material's molecular weight, crystallinity, mechanical strength, and thermal properties. The results from this study suggest that at both 50°C and 70°C, degradation proceeds by a very similar mechanism to that observed at 37°C in vitro and in vivo. The degradation models developed also confirmed the dependence of mass loss, melting temperature, and glass transition temperature (Tg) on the polymer's molecular weight throughout degradation. Although increased temperature appears to be a suitable method for accelerating the degradation of PLLA, relative to its physiological degradation rate, concerns still remain over the validity of testing above the polymer's Tg and the significance of autocatalysis at increased temperatures.

Processing, Annealing and Sterilisation of Poly-L-Lactide.

Poly--lactide (PLLA) is one of the most significant members of a group of polymers regarded as bioabsorbable. Degradation of PLLA proceeds through hydrolysis of the ester bonds in the polymer chains and is influenced significantly by the polymer's molecular weight and crystallinity. To evaluate the effects of processing and sterilisation on these properties, PLLA pellets were either compression moulded or extruded, subjected to annealing at 120°C for 4 h and sterilised by ethylene oxide (EtO) gas. Procedures were used to evaluate the mechanical properties, molecular weight and crystallinity. Upon processing, the crystallinity of the material fell from 61% for the PLLA pellets to 12% and 20% for the compressed and extruded components, respectively. After annealing, crystallinity increased to 43% for the compression-moulded material and 40% for the extruded material. Crystallinity further increased upon EtO sterilisation. A slight decrease in molecular weight was observed for the extruded material through processing, annealing and sterilisation. Young's modulus generally increased with increasing crystallinity, and extension at break and tensile strength decreased. The results from this investigation suggest that PLLA is sensitive to processing and sterilisation, altering properties critical to its degradation rate.

Identification of a suitable sterilisation method for collagen derived from a marine Demosponge

Collagen is widely used as a biomedical material, and its importance is likely to grow as research and understanding progresses in this field. As a biomedical material, ensuring the sterility of collagen before use as, or incorporation into, a medical device is paramount. However, common sterilisation techniques can induce changes in the physical structure and protein chemistry of collagen, potentially affecting the performance. In this preliminary study, the influence of autoclaving, gamma irradiation and ethylene oxide gas sterilisation on the denaturation temperature and helical content of the collagen was evaluated using differential scanning calorimetry and Fourier transform infrared spectroscopy. Early results indicate that all sterilisation techniques affect collagen properties but suggest that the least damaging of the techniques investigated was y irradiation.

Topochemical polymerization in self-assembled rodlike micelles of bisurea bolaamphiphiles

Rod-like micelles, formed from bolaamphiphiles with oligo(ethylene oxide) hydrophilic outer segments and a hydrophobic segment with diacetylene flanked by two urea moieties, were covalently fixated by topochemical photopolymerization to high degrees of polymerization by optimizing the hydrophobic core and the hydrophilic periphery of the bolaamphiphiles. Analysis of the polymerized product with dynamic light scattering in chloroform showed degrees of polymerization of approximately 250. Cryo-TEM of bolaamphiphiles before and after UV irradiation showed that the morphology of the rods was conserved upon topochemical polymerization. © 2014 The Royal Society of Chemistry.

Self-Assembled Supramolecular Gels of Reverse Poloxamers and Cyclodextrins

A series of supramolecular aggregates were prepared using a poly(propylene oxide) poly(ethylene oxide) poly(propylene oxide) (PPO-PEO-PPO) block copolymer and beta- or alpha-cyclodextrins (CD). The combination of beta-CD and the copolymer yields inclusion complexes (IC) with polypseudorotaxane structures. These are formed by complexation of the PPO blocks with beta-CD molecules producing a powder precipitate with a certain crystallinity degree that can be evaluated by X-ray diffraction (XRD). In contrast, when combining alpha-CD with the block copolymer, the observed effect is an increase in the viscosity of the mixtures, yielding fluid gels. Two cooperative effects come into play: the complexation of PEO blocks with alpha-CD and the hydrophobic interactions between PPO blocks in aqueous media. These two combined interactions lead to the formation of a macromoleculaf network. The resulting fluid gels were characterized using different techniques such as differential scanning calorimetry (DSC), viscometry, and XRD measurements.

Phase Behavior of Reverse Poloxamers and Poloxamines in Water

The phase behavior of two types of poly(ethylene oxide)/poly(propylene oxide) (PEO/PPO) copolymers in aqueous solutions was studied by light scattering, viscometry, and infrared spectroscopy. Both the reverse poloxamer (Pluronic 10R5) and the star type poloxamine (Tetronic 90R4) have practically the same PEO/PPO ratio with their hydrophobic blocks (PPO) located in the outer part. The temperature-composition phase diagrams show that both 10R5 and 90R4 tend to form aggregates in water. Up to four different phases can be detected in the case of Tetronic 90R4 for each temperature: unimers, random networks, micellar networks, and macrophase separation. Viscometric and infrared measurements complemented the results obtained by light scattering and visual inspection.

Non-covalent hydrogels of cyclodextrins and poloxamines for the controlled release of proteins

Different types of gels were prepared by combining poloxamines (Tetronic), i.e. poly(ethylene oxide)/poly(propylene oxide) (PEO/PPO) octablock star copolymers, and cyclodextrins (CD). Two different poloxamines with the same molecular weight (ca. 7000) but different molecular architectures were used. For each of their four diblock arms, direct Tetronic 904 presents PEO outer blocks while in reverse Tetronic 90R4 the hydrophilic PEO blocks are the inner ones. These gels were prepared by combining alpha-CD and poloxamine aqueous solutions. The physicochemical properties of these systems depend on several factors such as the structure of the block copolymers and the Tetronic/alpha-CD ratio. These gels were characterized using differential scanning calorimetry (DSC), viscometry and X-ray diffraction measurements. The 90R4 gels present a consistency that makes them suitable for sustained drug delivery. The resulting gels were easily eroded: these complexes were dismantled when placed in a large amount of water, so controlled release of entrapped large molecules such as proteins (Bovine Serum Albumin, BSA) is feasible and can be tuned by varying the copolymer/CD ratio. 

Electrospun Contrast Agent-Loaded Fibers for Colon-Targeted MRI

Magnetic resonance imaging is a diagnostic tool used for detecting abnormal organs and tissues, often using Gd(III) complexes as contrast-enhancing agents. In this work, core–shell polymer fibers have been prepared using coaxial electrospinning, with the intent of delivering gadolinium (III) diethylenetriaminepentaacetate hydrate (Gd(DTPA)) selectively to the colon. The fibers comprise a poly(ethylene oxide) (PEO) core loaded with Gd(DTPA), and a Eudragit S100 shell. They are homogeneous, with distinct core–shell phases. The components in the fibers are dispersed in an amorphous fashion. The proton relaxivities of Gd(DTPA) are preserved after electrospinning. To permit easy visualization of the release of the active ingredient from the fibers, analogous materials are prepared loaded with the dye rhodamine B. Very little release is seen in a pH 1.0 buffer, while sustained release is seen at pH 7.4. The fibers thus have the potential to selectively deliver Gd(DTPA) to the colon. Mucoadhesion studies reveal there are strong adhesive forces between porcine colon mucosa and PEO from the core, and the dye-loaded fibers can be successfully used to image the porcine colon wall. The electrospun core–shell fibers prepared in this work can thus be developed as advanced functional materials for effective imaging of colonic abnormalities.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Électrofilage de complexes de polymères

Ce travail a permis de démontrer que l’électrofilage, ainsi que l’électronébulisation, sont des méthodes faciles et efficaces de préparation de complexes entre des polymères et des petites molécules. En effet, la plupart des méthodes de préparation de complexes donnent des mélanges inhomogènes à cause de la cristallisation cinétiquement favorisée des petites molécules. Or, un mélange inhomogène peut être très difficile à caractériser. Dans ce travail, l’électrofilage a été utilisé pour la première fois avec succès pour obtenir des nanofils de complexe entre le poly(oxyde d’éthylène) (PEO) et le NaSCN (PEO-NaSCN) ainsi qu’entre le PEO et l’hydroquinone. L’électronébulisation a été utilisée pour obtenir du complexe entre la polycaprolactone (PCL) et l’urée. L’électrofilage n’était pas possible pour le système PCL-urée parce que la solubilité n’était pas suffisante pour atteindre la viscosité minimale requise pour l’électrofilage. L’électronébulisation peut donc complémenter l’électrofilage et rendre la technique applicable à encore plus de systèmes. Les systèmes ont été caractérisés par spectroscopie infrarouge (FT-IR), par diffraction de rayons X (XRD), par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par microscopies optique et électronique à balayage.

Évaluation in vitro de la stérilisation au peroxyde d'hydrogène sur les propriétés biologiques de prothèses utilisées lors de stabilisation du genou chez le chien

Objectif—Comparer les effets de la stérilisation au plasma de gaz de peroxyde d’hydrogène (HPGP) à l’oxyde d’éthylène (EO) et à la vapeur (ST) sur les propriétés physico-chimiques et d’adhésion bactérienne de fils de nylon et de polyéthylène. Design expérimental—Etude in vitro. Matériel—Des brins non stérilisés, stérilisés au HPGP, à l’EO et ST; de fil nylon leader (FNL), de fil de nylon pêche (FNP) et de fil de polyéthylène (PE) ont été utilisés. Méthodes—Une analyse de surface au spectroscope photo-électronique à rayons X (XPS), une mesure de l’angle de contact, une analyse par microscopie à force atomique (AFM) et l’adhésion bactérienne de Staphylococcus intermedius et d’Escherichia Coli ont été testés sur les brins. Résultats—Une oxydation de la surface de tous les échantillons stérilisés a été observée quelque soit la méthode de stérilisation. La stérilisation a augmenté significativement l’angle de contact pour tous les types de fil quelque soit la méthode. La rugosité n’a pas été affectée significativement par la méthode de stérilisation pour le FNL et FNP. L’adhésion bactérienne a été affectée significativement par la méthode de stérilisation. Le PE a un angle de contact, une rugosité et une adhésion bactérienne significativement plus élevée que le FNL et FNP, peu importe la méthode de stérilisation. Conclusion—La stérilisation au HPGP constitue une alternative intéressante à la vapeur et l’EO. Le PE n’est peut être pas un matériel idéal par sa capacité d’adhésion bactérienne. De futures études sont nécessaires pour déterminer la signification clinique de ces trouvailles.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

Studies on polyurethane elastomers based on liquid natural rubber

In the present study, the photochemical depolymerisation of NR in toluene, in presence of H202 and a homogenizing solvent (Methanol/Tetrahydro— furan) so as to get hydroxyl terminated liquid natural rubber (HTNR) has been carried out. The copolymeri— sation of this product with butane 1,4 diol and toluene 2,4 diisocyanate in presence of a catalyst, dibutyl tin dilaurate, to produce polyurethanes with HTNR soft segments is also reported. The preparation of block copolymers based on poly(ethylene oxide) with varying molecular weights and HTNR are also discussed along with a detailed study on their thermal and mechanical properties