Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Ab Initio Calculations of Structural Evolution and Conductance of Benzene-1,4-dithiol on Gold Leads

By performing at) initio density functional theory (DFT) calculations and electronic transport simulations based on the OFT nonequilibrium Green`s functions method we investigate how the conformational changes of a benzene-1,4-dithiol molecule bonded to gold affect the molecular transport as the electrodes are separated from each other. In particular we consider the full evolution of the stretching process until the Junction breaking point and compare results obtained with a standard semilocal exchange and correlation functional to those computed with a self-interaction corrected method. We conclude that the inclusion of self-interaction corrections is fundamental for describing both the molecule conductance and its stability against conformational fluctuations.

The origin of the molecular interaction between amino acids and gold nanoparticles: A theoretical and experimental investigation

This study describes the synthesis of novel biological hybrid materials, where 3D structures were obtained using gold nanoparticles (AuNps) and methionine (Met) in a one-step procedure in aqueous media. The type of nanostructure can be controlled by tuning the intermolecular interactions between Met and AuNp, which strongly depends on the pH used for the synthesis. Computational simulation using the density-functional theory (DFT) showed that the AuNp - Met 3D structures are formed upon reorientation of Met molecules so that the backbone amine groups interact via H-bonds. These findings were experimentally confirmed using FTIR and UV-vis spectroscopy. Crown Copyright (C) 2008 Published by Elsevier B. V. All rights reserved.

Enhanced Mechanical Stability of Gold Nanotips through Carbon Nanocone Encapsulation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Fabrication, Optical Analysis and Photonic Applications of Certain Metallic Nanostructure-Integrated Dye Doped Polymer Optical Fibers” submitted by Ms. Suneetha Sebastian

Polymer Optical Fibers have occupied historically a place for large core flexible fibers operating in short distances. In addition to their practical passive application in short-haul communication they constitute a potential research field as active devices with organic dopants. Organic dyes are preferred as dopants over organic semiconductors due to their higher optical cross section. Thus organic dyes as gain media in a polymer fiber is used to develop efficient and narrow laser sources with a tunability throughout the visible region or optical amplifier with high gain. Dyes incorporated in fiber form has added advantage over other solid state forms such as films since the pump power required to excite the molecules in the core of the fiber is less thereby utilising the pump power effectively. In 1987, Muto et.al investigated a dye doped step index polymer fiber laser. Afterwards, numerous researches have been carried out in this area demonstrating laser emission from step index, graded index and hollow optical fibers incorporating various dyes. Among various dyes, Rhodamine6G is the most widely and commonly used laser dye for the last four decades. Rhodamine6G has many desirable optical properties which make it preferable over other organic dyes such as Coumarin, Nile Blue, Curcumin etc. The research focus on the implementation of efficient fiber lasers and amplifiers for short fiber distances. Developing efficient plastic lasers with electrical pumping can be a new proposal in this field which demands lowest possible threshold pump energy of the gain medium in the cavity as an important parameter. One way of improving the efficiency of the lasers, through low threshold pump energy, is by modifying the gain of the amplifiers in the resonator/cavity. Success in the field of Radiative Decay Engineering can pave way to this problem. Laser gain media consisting of dye-nanoparticle composites can improve the efficiency by lowering the lasing threshold and enhancing the photostability. The electric field confined near the surface of metal nanoparticles due to Localized Surface Plasmon Resonance can be very effective for the excitation of active centers to impart high optical gain for lasing. Since the Surface Plasmon Resonance of nanoparticles of gold and silver lies in the visible range, it can affect the spectral emission characteristics of organic dyes such as Rhodamine6G through plasmon field generated by the particles. The change in emission of the dye placed near metal nanoparticles depend on plasmon field strength which in turn depends on the type of metal, size of nanoparticle, surface modification of the particle and the wavelength of incident light. Progress in fabrication of different types of nanostructures lead to the advent of nanospheres, nanoalloys, core-shell and nanowires to name a few. The thesis deals with the fabrication and characterisation of polymer optical fibers with various metallic and bimetallic nanostructures incorporated in the gain media for efficient fiber lasers with low threshold and improved photostability.

An indexing model for stormwater quality in the Gold Coast

In the era of climate change sustainable urban development and in particular provision of sustainable urban infrastructure has become a key concept in dealing with environmental challenges. This paper discusses issues affecting stormwater quality and introduces a new indexing model that is to be used in evaluation of the stormwater quality in urban areas. The model has recently been developed and will be tested in a number of pilot projects in the Gold Coast, one of the fastest growing and environmentally challenged cities of Australia.

Members abroad - Australia - Brisbane and the Gold Coast

Brisbane's sub-tropical climate, vegetation and urban history as a British settlement, endow the region with many characteristics that are familiar in KwaZulu-Natal. Brisbane settlement, firstly as a penal conlony to accommodate the hardiest criminals dispatched from Sydney, was established in 1825 on a wide river, several kilometers upstream from Moreton Bay with the Pacific Ocean beyond. The penal colony was short lived and was soon opened up to free settlement in 1842. The growth of the fledgling town was characterized by brick warehouse and service buildings to the port that was established on its riverbanks, resembling those of the old Point Road area in Durban. Government and administration buildings heralded Brisbane as the captial city of the State of Queensland, annexed from New South Wales in 1859. Morphological studies reveal that Brisbane had reached its first zenith around 1930 as a commerical city of four and five storey buildings. The urban form remained stagnant until the post-1960's building boom and the developments from this period on, consolidated land amalgamations largely ignoring the urban characteristics of the established city. Public space was poorly observed, resulting in a city that had turned its back on the river. It is only in recent times that the currency of good urban design, under the custodial direction of the City Council, has fostered a re-engagemed urban realm that, enabled by the recent building boom, has delivered high quality urban environments

An indexing model for sustainable urban environmental management : the case of Gold Coast, Australia

Improving urban ecosystems and the quality of life of citizens have become a central issue in the global effort of creating sustainable built environments. As human beings our lives completely depend on the sustainability of the nature and we need to protect and manage natural resources in a more sustainable way in order to sustain our existence. As a result of population growth and rapid urbanisation, increasing demand of productivity depletes and degrades natural resources. However, the increasing activities and rapid development require more resources, and therefore, ecological planning becomes an essential vehicle in preserving scarce natural resources. This paper aims to indentify the interation between urban ecosystems and human activities in the context of urban sustainability and explores the degrading environmental impacts of this interaction and the necessity and benefits of using sustainability indicators as a tool in sustainable urban evnironmental management. Additionally, the paper also introduces an environmental sustainability indexing model (ASSURE) as an innovative approach to evaluate the environmental conditions of built environment.

An indexing model for stormwater quality assessment : stormwater management in the Gold Coast

In the age of climate change and rapid urbanisation, stormwater management and water sensitive urban design have become important issues for urban policy makers. This paper reports the initial findings of a research study that develops an indexing model for assessing stormwater quality in the Gold Coast.

Interactions of phenyldithioesters with gold nanoparticles (AuNPs): Implications for AuNP functionalization and molecular barcoding of AuNP assemblies

The interactions of phenyldithioesters with gold nanoparticles (AuNPs) have been studied by monitoring changes in the surface plasmon resonance (SPR), depolarised light scattering, and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Changes in the SPR indicated that an AuNP-phenyldithioester charge transfer complex forms in equilibrium with free AuNPs and phenyldithioester. Analysis of the Langmuir binding isotherms indicated that the equilibrium adsorption constant, Kads, was 2.3 ± 0.1 × 106 M−1, which corresponded to a free energy of adsorption of 36 ± 1 kJ mol−1. These values are comparable to those reported for interactions of aryl thiols with gold and are of a similar order of magnitude to moderate hydrogen bonding interactions. This has significant implications in the application of phenyldithioesters for the functionalization of AuNPs. The SERS results indicated that the phenyldithioesters interact with AuNPs through the C═S bond, and the molecules do not disassociate upon adsorption to the AuNPs. The SERS spectra are dominated by the portions of the molecule that dominate the charge transfer complex with the AuNPs. The significance of this in relation to the use of phenyldithioesters for molecular barcoding of nanoparticle assemblies is discussed.