Phosphorylcholine based amphiphilic polymers for the solubilization of integral membrane proteins

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Effet des chaînes de poly(4-vinylpyridinium) sur l'adhésion de bactéries pathogènes aux surfaces

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

New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules.

Design, synthèse et application en catalyse verte d’un ligand alkyl imidazolium β-cyclodextrine

Le 21e siècle est le berceau d’une conscientisation grandissante sur les impacts environnementaux des processus utilisés pour synthétiser des molécules cibles. Parmi les avancées qui ont marqué ces dernières décennies, il est également question de réduction de déchets, de conservation de l’énergie et de durabilité des innovations. Ces aspects constituent les lignes directrices de la chimie verte. De ce fait, il est impératif de développer des stratégies de synthèse dont les impacts environnementaux sont bénins. Dans ce mémoire nous présentons la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés catalytiques en milieu aqueux d’un ligand composé d’une unité -cyclodextrine native, d’une unité imidazolium et d’une chaine alkyle à 12 carbones. Ce ligand hybride s’auto-assemble dans l’eau sous forme de micelles, permettant ainsi d’effectuer en sa présence des couplages de Suzuki-Miyaura dans l’eau, avec de bons rendements. La fonctionnalisation de la face primaire de la -cyclodextrine par un noyau alkyl-imidazolium, précurseur de ligand de type carbène N-hétérocyclique, a permis le développement d’un système catalytique vert et hautement recyclable. Dans un deuxième temps, nous présentons l’utilisation du même ligand hybride dans des couplages de Heck dans l’eau, démontrant ainsi la versatilité du ligand.

The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

Association Behavior of Biotinylated and Non-Biotinylated PolyEthylene Oxide-b-Poly(2-(Diethylamino)Ethyl Methacrylate)

Biotinylated and non-biotinylated copolymers of ethylene oxide (EO) and 2-(diethylamino)ethyl methacrylate (DEAEMA) were synthesized by the atom transfer radical polymerization technique (ATRP). The chemical compositions of the copolymers as determined by NMR are represented by PEO₁₁₃PDEAEMA₇₀ and biotin-PEO₁₀₄PDEAEMA₉₃ respectively. The aggregation behavior of these polymers in aqueous solutions at different pHs and ionic strengths was studied using a combination of potentiometric titration, dynamic light scattering (DLS), static light scattering (SLS), and transmission electron microscopy (TEM). Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers form micelles at high pH with hydrodynamic radii (Rh) of about 19 and 23 nm, respectively. At low pH, the copolymers are dispersed as unimers in solution with Rh of about 6-7 nm. However, at a physiological salt concentration (cs) of about 0.16M NaCl and a pH of 7-8, the copolymers form large loosely packed Guassian chains, which were not present at the low cs of 0.001M NaCl. The critical micelle concentrations (CMC) and the cytotoxicity of the copolymers were investigated to determine a suitable polymer concentration range for future biological applications. Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers possess identical CMC values of about 0.0023 mg/g, while the cytotoxicity test indicated that the copolymers are not toxic up to 0.05mg/g (> 83% cell survival at this concentration).

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Stimuli-responsive Novel Amphiphilic Polymers for Chemical and Biomedical Applications

Amphiphilic polymers are a class of polymers that self-assemble into different types of microstructure, depending on the solvent environment and external stimuli. Self assembly structures can exist in many different forms, such as spherical micelles, rod-like micelles, bi-layers, vesicles, bi-continuous structure etc. Most biological systems are basically comprised of many of these organised structures arranged in an intelligent manner, which impart functions and life to the system. We have adopted the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique to synthesize various types of block copolymer systems that self-assemble into different microstructure when subject to an external stimuli, such as pH or temperature. The systems that we have studied are: (1) pH responsive fullerene (C60) containing poly(methacrylic acid) (PMAA-b-C60); (2) pH and temperature responsive fullerene containing poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (C₆₀-b-PDMAEMA); (3) other responsive water-soluble fullerene systems. By varying temperature, pH and salt concentration, different types microstructure can be produced. In the presence of inorganic salts, fractal patterns at nano- to microscopic dimension were observed for negatively charged PMAA-b-C60, while such structure was not observed for positively charged PDMAEMA-b-C60. We demonstrated that negatively charged fullerene containing polymeric systems can serve as excellent nano-templates for the controlled growth of inorganic crystals at the nano- to micrometer length scale and the possible mechanism was proposed. The physical properties and the characteristics of their self-assembly properties will be discussed, and their implications to chemical and biomedical applications will be highlighted.

A further study of the recovery and purification of surfactin from fermentation broth by membrane filtration

Surfactin is a bacterial lipopeptide produced by Bacillus subtilis and is a powerful surfactant, having also antiviral, antibacterial and antitumor properties. The recovery and purification of surfactin from complex fermentation broths is a major obstacle to its commercialization; therefore, a two-step membrane filtration process was developed using a lab scale tangential flow filtration (TFF) unit with 10 kDa MWCO regenerated cellulose (RC) and polyethersulfone (PES)membranes at three different transmembrane pressure (TMP) of 1.5 bar, 2.0 bar and 2.5 bar. Two modes of filtrations were studied, with and without cleaning of membranes prior to UF-2. In a first step of ultrafiltration (UF-1), surfactin was retained effectively by membranes at above its critical micelle concentration (CMC); subsequently in UF-2, the retentate micelles were disrupted by addition of 50% (v/v) methanol solution to allow recovery of surfactin in the permeate. Main protein contaminants were effectively retained by the membrane in UF-2. Flux of permeates, rejection coefficient (R) of surfactin and proteinwere measured during the filtrations. Overall the three different TMPs applied have no significant effect in the filtrations and PES is the more suitable membrane to selectively separate surfactin from fermentation broth, achieving high recovery and level of purity. In addition this two-step UF process is scalable for larger volume of samples without affecting the original functionality of surfactin, although membranes permeability can be affected due to exposure to methanolic solution used in UF-2.

Structure and rheology of aqueous micellar solutions and gels formed from an associative poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer

The structure and shear flow behaviour of aqueous micellar solutions and gels formed by an amphiphilic poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer with a lengthy hydrophilic poly(oxyethylene) block has been investigated by rheology, small angle neutron scattering (SANS) and small-angle X-ray scattering (SAXS). SANS revealed that bridging of chains between micelles introduces, in the micellar solution, an attractive long-range component which can be described through a potential of interaction corresponding to sticky soft spheres. The strength of the attractive interaction increases with increasing concentration. Rheology showed that the dependence of the storage modulus with temperature can be explained as a function of the micellar bridging, micellisation and phase morphology. SAXS studies showed that the orientation adopted by the system in the get phase under shear is similar to that previously observed by us for the gel phase of a poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) diblock copolymer with a long poly(oxyethylene) chain, suggesting that the micellar corona/core length ratio and not the architecture of the block copolymer influences the alignment of the gel phase under shear.

Wormlike micelle formation and flow alignment of a pluronic block copolymer in aqueous solution

The self-assembly into wormlike micelles of a poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) triblock copolymer Pluronic P84 in aqueous salt solution (2 M NaCl) has been studied by rheology, small-angle X-ray and neutron scattering (SAXS/SANS), and light scattering. Measurements of the flow curves by controlled stress rheometry indicated phase separation under flow. SAXS on solutions subjected to capillary flow showed alignment of micelles at intermediate shear rates, although loss of alignment was observed for high shear rates. For dilute solutions, SAXS and static light scattering data on unaligned samples could be superposed over three decades in scattering vector, providing unique information on the wormlike micelle structure over several length scales. SANS data provided information on even shorter length scales, in particular, concerning "blob" scattering from the micelle corona. The data could be modeled based on a system of semiflexible self-avoiding cylinders with a circular cross-section, as described by the wormlike chain model with excluded volume interactions. The micelle structure was compared at two temperatures close to the cloud point (47 degrees C). The micellar radius was found not to vary with temperature in this region, although the contour length increased with increasing temperature, whereas the Kuhn length decreased. These variations result in an increase of the low-concentration radius of gyration with increasing temperature. This was consistent with dynamic light scattering results, and, applying theoretical results from the literature, this is in agreement with an increase in endcap energy due to changes in hydration of the poly(ethylene oxide) blocks as the temperature is increased.

Effect of ethanol on the micellization and gelation of Pluronic P123

In certain applications copolymer P123 (E21P67E21) is dissolved in water-ethanol mixtures, initially to form micellar solutions and eventually to gel. For P123 in 10, 20, and 30 wt % aqueous ethanol we used dynamic light scattering from dilute solutions to confirm micellization, oscillatory rheometry, and visual observation of mobility (tube inversion) to determine gel formation in concentrated solutions and small-angle X-ray scattering (SAXS) to determine gel structure. Except for solutions in 30 wt % aqueous ethanol, a clear-turbid transition was encountered on heating dilute and concentrated micellar solutions alike, and as for solutions in water alone (Chaibundit et al. Langmuir 2007, 23, 9229) this could be ascribed to formation of wormlike micelles. Dense clouding, typical of phase separation, was observed at higher temperatures. Regions of isotropic and birefringent gel were defined for concentrated solutions and shown (by SAXS) to have Cubic (fcc and hcp) and hexagonal structures, consistent with packed spherical and elongated micelles, respectively. The cubic gels (0, 10, and 20 wt % ethanol) were clear, while the hex gels were either turbid (0 and 10 wt % ethanol), turbid enclosing a clear region (20 wt % ethanol), or entirely clear (30 wt % ethanol). The SAXS profile was unchanged between turbid and clear regions of the 20 wt % ethanol gel. Temperature scans of dynamic moduli showed (as expected) a clear distinction between high-modulus cubic gels (G'(max) approximate to 20-30 kPa) and lower modulus hex gels (G'(max) < 10 kPa).

A SAXS study of the structure of gels formed by mixtures of polyoxyalkylene triblock copolymers

Small-angle X-ray scattering was used to characterise aqueous micellar gels of triblock copolymers E137S18E137, E82S9E82, E76S5E76, E62P39E62, and of two mixtures: E137S18E137 and E62P39E62 (Mix 1) and ES2S9E82 and E62P39E62 (Mix 2), each 50/50 wt%. E = oxyethylene, CH2CH2O; S = oxyphenylethylene, OCH2CH(C6H5); and P = oxypropylene, OCH2CH(CH3)- Within the concentration and temperature ranges investigated (30-40 wt% copolymer, 20-80 degrees C), spherical micelles of copolymers E137S18E137, E82S9ES2 and E62P39E62 packed into bodycentred cubic (BCC) structures. Gels of E76S5E76 were stable only at high concentrations and low temperatures, and a 70 wt/o copolymer solution at T = 30 degrees C formed a hexagonal gel consistent with cylindrical micelles. It is likely that the mixed copolymers would form two distributions of micelles, and more complex structures were expected. However, gels of Mix 2 had well-ordered BCC structures, while the less ordered gels of Mix 1 were also best characterised as BCC. (c) 2006 Society of Chemical Industry.

Interactions of bovine serum albumin with ethylene oxide/butylene oxide copolymers in aqueous solution

The interactions of bovine serum albumin (BSA) with three ethylene oxide/butylene oxide (E/B) copolymers having different block lengths and varying molecular architectures is examined in this study in aqueous solutions. Dynamic light scattering (DLS) indicates the absence of BSA-polymer binding in micellar systems of copolymers with lengthy hydrophilic blocks. On the contrary, stable protein-polyrner aggregates were observed in the case of E18B10 block copolymer. Results from DLS and SAXS suggest the dissociation of E/B copolymer micelles in the presence of protein and the absorption of polymer chains to BSA surface. At high protein loadings, bound BSA adopts a more compact conformation in solution. The secondary structure of the protein remains essentially unaffected even at high polymer concentrations. Raman spectroscopy was used to give insight to the configurations of the bound molecules in concentrated solutions. In the vicinity of the critical gel concentration of E18B10 introduction of BSA can dramatically modify the phase diagram, inducing a gel-sol-gel transition. The overall picture of the interaction diagram of the E18B10-BSA reflects the shrinkage of the suspended particles due to destabilization of micelles induced by BSA and the gelator nature of the globular protein. SAXS and rheology were used to further characterize the structure and flow behavior of the polymer-protein hybrid gels and sols.