Apatite-Polymer Composite Particles for Controlled Delivery of BMP-2: In Vitro Release and Cellular Response

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has the ability to induce osteoblast differentiation of undifferentiated cells, resulting in the healing of skeletal defects when delivered with a suitable carrier. We have applied a versatile delivery platform comprising a novel composite of two biomaterials with proven track records – apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – to the delivery of BMP-2. Sustained release of this growth factor was tuned with variables that affect polymer degradation and/or apatite dissolution, such as polymer molecular weight, polymer composition, apatite loading, and apatite particle size. The effect of released BMP-2 on C3H10T1/2 murine pluripotent mesenchymal cells was assessed by tracking the expression of osteoblastic makers, alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin. Release media collected over 100 days induced elevated ALP activity in C3H10T1/2 cells. The expression of osteocalcin was also upregulated significantly. These results demonstrated the potential of apatite-PLGA composite particles for releasing protein in bioactive form over extended periods of time.

Noves aproximacions a la síntesi i caracterització de poliglicols al·lílics, polihidrosiloxans i surfactants copolimèrics. Avaluació d'aquests surfactants en formulacions de poliuretà

Els polímers són una sèrie de compostos que troben un ampli ventall d'aplicacions en la indústria actual. Un exemple són les espumes de poliuretà, estructures de tipus cel·lular obtingudes mitjançant la reacció química entre compostos de tipus isocianat i compostos de tipus poliol (polièters amb diferent nombre de grups hidroxil). És imprescindible l'ús d'additius d'estructura tensioactiva (surfactants de silicona) per estabilitzar el procés d'espumació i per proporcionar una estructura cel·lular ordenada i homogènia en mida i distribució. La síntesis i caracterització de les molècules precursores (polihidrosiloxans i polièters al·lílics), l'estudi de la reacció d'hidrosililació com a via d'obtenció dels diferents surfactants per reacció d'addició entre els polihidrosiloxans i els polièters al·lílics i la caracterització i avaluació en formulacions comercials de poliuretà dels surfactants sintetitzats han constituït els objectius del present treball. MEMÒRIA La Tesi Doctoral ha estat presentada seguint el següent esquema: CAPÍTOL I. INTRODUCCIÓ A LA QUÍMICA DEL POLIURETÀ. Es presenten els principis de la química del poliuretà, fent esment dels recents avenços en la síntesis i caracterització d'aquests compostos polimèrics, així com un apartat concret centrat en els surfactants de silicona. Es presenten les estructures habituals d'aquests compostos comercials i es detallen les reaccions de síntesi i les característiques físiques que aquests compostos proporcionen a les espumes de poliuretà. CAPÍTOL II. OBJECTIUS. 1.- Síntesis y caracterització d'una àmplia gamma de poliglicols al·lílics i de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, ambdós precursors d'estructures polimèriques de tipus surfactant. 2.- Estudi de la reacció d'hidrosililació com a via de formació d'enllaços Si-C no hidrolitzables, mitjançant la reacció d'addició entre els substrats al·lílics insaturats i els polisiloxans amb grups hidrur reactius. 3.- Caracterització de les estructures polimèriques de tipus surfactant sintetitzades i avaluació d'aquestes en formulacions de poliuretà, a fi de relacionar l'estructura química d'aquests oligómers amb els efectes físics que originen en l'espuma de poliuretà. CAPÍTOL III. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE SUBSTRATS AL·LÍLICS INSATURATS DE TIPUS POLIGLICOL. S'han caracteritzat per HPLC-UV una sèrie de polietilenglicols comercials. S'ha estudiat la reacció de derivatització al·lílica sobre els grups hidroxil dels polièters comercials (PEG, PPG i copolímers PEG-PPG) i s'han caracteritzat exhaustivament els productes sintetitzats (1H,13C-RMN, GC, GC-MS, FTIR, ESI-MS, HPLC-UV). S'ha iniciat un estudi de polimerització aniònica sobre nous epòxids amb un punt de diversitat molecular, sintetitzant-se i caracteritzant-se els corresponents nous polièters obtinguts. CAPÍTOL IV. SÍNTESI I CARACTERITZACIÓ DE POLIHIDROSILOXANS REACTIUS. S'estudia la síntesis de polihidrosiloxans amb grups hidrur reactius, mitjançant la reacció de polimerització aniònica d'obertura d'anell ("AROP, anionic ring opening polimerization") i mitjançant la reacció de polimerització per equilibració catiònica. Es presenta una caracterització exhaustiva dels productes sintetitzats i es descriu la naturalesa de la microestructura polimèrica a partir de la distribució bivariant dels copolímers PDMS-co-PHMS (poli(dimetilsiloxà)-co-poli(hidrometilsiloxà)). CAPÍTOL V. ESTUDI SISTEMÀTIC DE LA REACCIÓ D'HIDROSILILACIÓ. S'ha estudiat la reacció d'hidrosililació amb la finalitat de sintetitzar estructures copolimèriques poliglicol-polisiloxà a partir de la reacció de polisiloxans hidrur reactius i polièters al·lílics. S'han provat diferents catalitzadors (Pt/C 5%, cat. de Speier i cat. de Karstedt), s'han sintetitzat diferents estructures tensoactives (lineals i ramificades) i s'ha modelitzat les diferents reaccions secundàries observades, per presentar un estudi mecanístic de la reacció d'hidrosililació aplicada a la síntesis de molècules d'elevat PM a partir de la reacció entre substrats al·lílics insaturats i polihidrosiloxans. CAPÍTOL VI. AVALUACIÓ DELS SURFACTANTS EN FORMULACIONS DE POLIURETÀ. S'ha estudiat la idoneïtat dels surfactants de silicona sintetitzats en diferents formulacions de poliuretà comercials. S'ha relacionat el comportament físic d'aquests surfactants en les espumes de poliuretà amb la seva estructura química a partir de l'anàlisi per microscòpia electrònica de rastreig. CAPÍTOL VII. CONCLUSIONS. S'han esposat les conclusions extretes de cada capítol.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.

Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading

La aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados mediante fibras largas (FRP, Fiber Reinforced Plastic), está en gradual crecimiento debido a las buenas propiedades específicas y a la flexibilidad en el diseño. Uno de los mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicación de estos materiales tiene claros beneficios económicos y medioambientales. Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se inicia un programa de diseño donde se combinan ensayos reales y técnicas de análisis. El desarrollo de herramientas de análisis fiables que permiten comprender el comportamiento mecánico de la estructura, así como reemplazar muchos, pero no todos, los ensayos reales, es de claro interés. Susceptibilidad al daño debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los aspectos de más importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de diseño de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales. Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mecánico para analizar la resistencia a impacto de una estructura es de gran interés, pero aún más, la predicción de la resistencia residual después del impacto. En este sentido, el presente trabajo abarca un amplio rango de análisis de eventos de impacto a baja velocidad en placas laminadas de material compuesto, monolíticas, planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la predicción de la resistencia residual a compresión, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado análisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripción analítica del impacto, el diseño y la realización de un plan de ensayos experimentales, la formulación e implementación de modelos constitutivos para la descripción del comportamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.

Finite-stretching corrections to the Milner-Witten-Cates theory for polymer brushes

This paper investigates finite-stretching corrections to the classical Milner-Witten-Cates theory for semi-dilute polymer brushes in a good solvent. The dominant correction to the free energy originates from an entropic repulsion caused by the impenetrability of the grafting surface, which produces a depletion of segments extending a distance $\mu \propto L^{-1}$ from the substrate, where $L$ is the classical brush height. The next most important correction is associated with the translational entropy of the chain ends, which creates the well-known tail where a small population of chains extend beyond the classical brush height by a distance $\xi \propto L^{-1/3}$. The validity of these corrections is confirmed by quantitative comparison with numerical self-consistent field theory.

Composition and cure temperature: The influence on properties of final flexible PU cold cure foam parts

Foams are cellular structures, produced by gas bubbles formed during the polyurethane polymerization mixture. Flexible PU foams meet the following two criteria: have a limited resistance to an applied load, being both permeable to air and reversibly deformable. There are two main types of flexible foams, hot and cold cure foams differing in composition and processing temperatures. The hot cure foams are widely applied and represent the main composition of actual foams, while cold cure foams present several processing and property advantages, e.g, faster demoulding time, better humid aging properties and more versatility, as hardness variation with index changes are greater than with hot cure foams. The processing of cold cure foams also is attractive due to the low energy consumption (mould temperature from 30 degrees to 65 degrees C) comparatively to hot cure foams (mould temperature from 30 degrees to 250 degrees C). Another advantage is the high variety of soft materials for low temperature processing moulds. Cold cure foams are diphenylmethane diisocyanate (MDI) based while hot cure foams are toluene diisocyanate (TDI) based. This study is concerned with Viscoelastic flexible foams MDI based for medical applications. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was used to characterize the cure kinetics and Dynamical Mechanical Analisys to collect mechanical data. The data obtained from these two experimental procedures were analyzed and associated to establish processing/properties/operation conditions relationships. These maps for the selection of optimized processing/properties/operation conditions are important to achieve better final part properties at lower costs and lead times.

Significance of cross correlations in the stress relaxation of polymer melts

According to linear response theory, all relaxation functions in the linear regime can be obtained using time correlation functions calculated under equilibrium. In this paper, we demonstrate that the cross correlations make a significant contribution to the partial stress relaxation functions in polymer melts. We present two illustrations in the context of polymer rheology using (1) Brownian dynamics simulations of a single chain model for entangled polymers, the slip-spring model, and (2) molecular dynamics simulations of a multichain model. Using the single chain model, we analyze the contribution of the confining potential to the stress relaxation and the plateau modulus. Although the idea is illustrated with a particular model, it applies to any single chain model that uses a potential to confine the motion of the chains. This leads us to question some of the assumptions behind the tube theory, especially the meaning of the entanglement molecular weight obtained from the plateau modulus. To shed some light on this issue, we study the contribution of the nonbonded excluded-volume interactions to the stress relaxation using the multichain model. The proportionality of the bonded/nonbonded contributions to the total stress relaxation (after a density dependent "colloidal" relaxation time) provides some insight into the success of the tube theory in spite of using questionable assumptions. The proportionality indicates that the shape of the relaxation spectrum can indeed be reproduced using the tube theory and the problem is reduced to that of finding the correct prefactor. (c) 2007 American Institute of Physics

Defining Structure in Electrospun Polymer Fibres

We use a combination of microscopy, x-ray scattering and neutron scattering to show how structure develops in micro and nano-size polymer fibres prepared by electrospinning. The technique has been applied to a range of different polymers, an amorphous system (polystyrene), a crystallisable polymer (poly-epsilon-caprolactone), a composite systems (polyethylene oxide or poly vinyl alcohol containing polypyrrole) and consider the possibility of self assembly (gelatin).

Combination therapy: opportunities and challenges for polymer-drug conjugates as anticancer nanomedicines.

The discovery of new molecular targets and the subsequent development of novel anticancer agents are opening new possibilities for drug combination therapy as anticancer treatment. Polymer-drug conjugates are well established for the delivery of a single therapeutic agent, but only in very recent years their use has been extended to the delivery of multi-agent therapy. These early studies revealed the therapeutic potential of this application but raised new challenges (namely, drug loading and drugs ratio, characterisation, and development of suitable carriers) that need to be addressed for a successful optimisation of the system towards clinical applications.

Polymer-drug conjugates for combination anticancer therapy: investigating the mechanism of action.

We developed a family of polymer-drug conjugates carrying the combination of the anticancer agent epirubicin (EPI) and nitric oxide (NO). EPI-PEG-(NO)8, carrying the highest content of NO, displayed greater activity in Caco-2 cells while it decreased toxicity against endothelium cells and cardiomyocytes with respect to free EPI. FACS and confocal microscopy confirmed conjugates internalization. Light scattering showed formation of micelle whose size correlated with internalization rate. EPI-PEG-(NO)8 showed increased bioavailability in mice compared to free EPI.