Under-representation of intrinsic terminators across bacterial genomic islands: Rho as a principal regulator of xenogenic DNA expression

Two transcription termination mechanisms - intrinsic and Rho-dependent - have evolved in bacteria. The Rho factor occurs in most bacterial lineages, and has been hypothesized to play a global regulatory role. Genome-wide studies using microarray, 2D-gel electrophoresis and ChIP-chip provided evidence that Rho serves to silence transcription from horizontally acquired genes and prophages in Escherichia coli K-12, implicating the factor to be a part of the ``cellular immune mechanism'' protecting against deleterious phages and aberrant gene expression from acquired xenogenic DNA. We have investigated this model by adopting an alternate in silico approach and have extended the study to other species. Our analysis shows that several genomic islands across diverse phyla have under-representation of intrinsic terminators, similar to that experimentally observed in E. coli K-12. This implies that Rho-dependent termination is the predominant process operational in these islands and that silencing of foreign DNA is a conserved function of Rho. From the present analysis, it is evident that horizontally acquired islands have lost intrinsic terminators to facilitate Rho-dependent termination. These results underscore the importance of Rho as a conserved, genome-wide sentinel that regulates potentially toxic xenogenic DNA. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Mycobacterium tuberculosis Rho Is an NTPase with Distinct Kinetic Properties and a Novel RNA-Binding Subdomain

Two mechanisms - factor independent and dependent termination - ensure the completion of RNA synthesis in eubacteria. Factor-dependent mechanism relies on the Rho protein to terminate transcription by interacting with RNA polymerase. Although well studied in Escherichia coli, the properties of the Rho homologs from most bacteria are not known. The rho gene is unusually large in genus Mycobacterium and other members of actinobacteria, having,150 additional residues towards the amino terminal end. We describe the distinct properties of Rho from Mycobacterium tuberculosis. It is an NTPase with a preference for purine nucleoside triphosphates with kinetic properties different from E. coli homolog and an ability to use various RNA substrates. The N-terminal subdomain of MtbRho can bind to RNA by itself, and appears to contribute to the interaction of the termination factor with RNAs. Furthermore, the interaction with RNA induces changes in conformation and oligomerization of MtbRho.

DNA Assisted Self-Assembly of PAMAM Dendrimers

We report DNA assisted self-assembly of polyamidoamine (PAMAM) dendrimers using all atom Molecular Dynamics (MD) simulations and present a molecular level picture of a DNA-linked PAMAM dendrimer nanocluster, which was first experimentally reported by Choi et al. (Nano Lett., 2004, 4, 391-397). We have used single stranded DNA (ssDNA) to direct the self-assembly process. To explore the effect of pH on this mechanism, we have used both the protonated (low pH) and nonprotonated (high pH) dendrimers. In all cases studied here, we observe that the DNA strand on one dendrimer unit drives self-assembly as it binds to the complementary DNA strand present on the other dendrimer unit, leading to the formation of a DNA-linked dendrimer dimeric complex. However, this binding process strongly depends on the charge of the dendrimer and length of the ssDNA. We observe that the complex with a nonprotonated dendrimer can maintain a DNA length dependent inter-dendrimer distance. In contrast, for complexes with a protonated dendrimer, the inter-dendrimer distance is independent of the DNA length. We attribute this observation to the electrostatic complexation of a negatively charged DNA strand with the positively charged protonated dendrimer.

A general methodology for calculating mixed mode stress intensity factors and fracture toughness of solder joints with interfacial cracks

Solder joints in electronic packages undergo thermo-mechanical cycling, resulting in nucleation of micro-cracks, especially at the solder/bond-pad interface, which may lead to fracture of the joints. The fracture toughness of a solder joint depends on material properties, process conditions and service history, as well as strain rate and mode-mixity. This paper reports on a methodology for determining the mixed-mode fracture toughness of solder joints with an interfacial starter-crack, using a modified compact mixed mode (CMM) specimen containing an adhesive joint. Expressions for stress intensity factor (K) and strain energy release rate (G) are developed, using a combination of experiments and finite element (FE) analysis. In this methodology, crack length dependent geometry factors to convert for the modified CMM sample are first obtained via the crack-tip opening displacement (CTOD)-based linear extrapolation method to calculate the under far-field mode I and II conditions (f(1a) and f(2a)), (ii) generation of a master-plot to determine a(c), and (iii) computation of K and G to analyze the fracture behavior of joints. The developed methodology was verified using J-integral calculations, and was also used to calculate experimental fracture toughness values of a few lead-free solder-Cu joints. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ab Initio Molecular Dynamics Simulations of Amino Acids in Aqueous Solutions: Estimating pK(a) Values from Metadynamics Sampling

Changes in the protonation and deprotonation of amino acid residues in proteins play a key role in many biological processes and pathways. Here, we report calculations of the free-energy profile for the protonation deprotonation reaction of the 20 canonical alpha amino acids in aqueous solutions using ab initio Car-Parrinello molecular dynamics simulations coupled with metad-ynamics sampling. We show here that the calculated change in free energy of the dissociation reaction provides estimates of the multiple pK(a) values of the amino acids that are in good agreement with experiment. We use the bond-length-dependent number of the protons coordinated to the hydroxyl oxygen of the carboxylic and the amine groups as the collective variables to explore the free-energy profiles of the Bronsted acid-base chemistry of amino acids in aqueous solutions. We ensure that the amino acid undergoing dissociation is solvated by at least three hydrations shells with all water molecules included in the simulations. The method works equally well for amino acids with neutral, acidic and basic side chains and provides estimates of the multiple pK(a) values with a mean relative error, with respect to experimental results, of 0.2 pK(a) units.

Thermo-optic Degradation of Single-Modedness in Active LMA fibers and Simple Compensation Mechanisms

We demonstrate significant thermo-optic degradation of single-modedness in active large mode area fibers due to heat generation in the fiber. We propose and demonstrate through simulations, simple compensation mechanisms using custom length dependent fiber coiling.

Synthesis and biological activity of anticoagulant heparan sulfate glycopolymers

Heparin has been used as an anticoagulant drug for more than 70 years. The global distribution of contaminated heparin in 2007, which resulted in adverse clinical effects and over 100 deaths, emphasizes the necessity for safer alternatives to animal-sourced heparin. The structural complexity and heterogeneity of animal-sourced heparin not only impedes safe access to these biologically active molecules, but also hinders investigations on the significance of structural constituents at a molecular level. Efficient methods for preparing new synthetic heparins with targeted biological activity are necessary not only to ensure clinical safety, but to optimize derivative design to minimize potential side effects. Low molecular weight heparins have become a reliable alternative to heparin, due to their predictable dosages, long half-lives, and reduced side effects. However, heparin oligosaccharide synthesis is a challenging endeavor due to the necessity for complex protecting group manipulation and stereoselective glycosidic linkage chemistry, which often result in lengthy synthetic routes and low yields. Recently, chemoenzymatic syntheses have produced targeted ultralow molecular weight heparins with high-efficiency, but continue to be restricted by the substrate specificities of enzymes.

To address the need for access to homogeneous, complex glycosaminoglycan structures, we have synthesized novel heparan sulfate glycopolymers with well-defined carbohydrate structures and tunable chain length through ring-opening metathesis polymerization chemistry. These polymers recapitulate the key features of anticoagulant heparan sulfate by displaying the sulfation pattern responsible for heparin’s anticoagulant activity. The use of polymerization chemistry greatly simplifies the synthesis of complex glycosaminoglycan structures, providing a facile method to generate homogeneous macromolecules with tunable biological and chemical properties. Through the use of in vitro chromogenic substrate assays and ex vivo clotting assays, we found that the HS glycopolymers exhibited anticoagulant activity in a sulfation pattern and length-dependent manner. Compared to heparin standards, our short polymers did not display any activity. However, our longer polymers were able to incorporate in vitro and ex vivo characteristics of both low-molecular-weight heparin derivatives and heparin, displaying hybrid anticoagulant properties. These studies emphasize the significance of sulfation pattern specificity in specific carbohydrate-protein interactions, and demonstrate the effectiveness of multivalent molecules in recapitulating the activity of natural polysaccharides.

A DFT study of the chain growth probability in Fischer-Tropsch synthesis

The chain growth probability (alpha value) is one of the most significant parameters in Fischer-Tropsch (FT) synthesis. To gain insight into the chain growth probability, we systematically studied the hydrogenation and C-C coupling reactions with different chain lengths on the stepped Co(0001) surface using density functional theory calculations. Our findings elucidate the relationship between the barriers of these elementary reactions and the chain length. Moreover, we derived a general expression of the chain growth probability and investigated the behavior of the alpha value observed experimentally. The high methane yield results from the lower chain growth rate for C-1 + C-1 coupling compared with the other coupling reactions. After C-1, the deviation of product distribution in FT synthesis from the Anderson-Schulz-Flory distribution is due to the chain length-dependent paraffin/olefin ratio. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Characterization of rhodamine 6G doped polymer optical fiber by side illumination fluorescence

The length-dependent tuning of the fluorescence spectra of a dye doped polymer fiber is reported. The fiber is pumped sideways and the fluorescence is measured from one of the ends. The excitation of a finite length of dye doped fiber is done by a diode pumped solid state laser at a wavelength of 532 nm. The fluorescence emission is measured at various positions of the fiber starting from a position closer to the pumping region and then progressing toward the other end of the fiber. We observe that the optical loss coefficients for shorter and longer distances of propagation through the dye doped fiber are different. At longer distances of propagation, a decrease in optical loss coefficient is observed. The fluorescence peaks exhibit a redshift of 12 nm from 589 to 610 nm as the point of illumination progresses toward the detector end. This is attributed to the self-absorption and re-emission of the laser dye in the fiber.

Evaluation of trace element levels in muscles, liver and gonad of fish species from Sao Francisco River of the Parana Brazilian state by using SR-TXRF technique

This study is focused on the analysis of an accumulation of inorganic elements in muscles, liver and gonad of seven fish species from Sao Francisco River located in the Parana state of Brazil. Concentrations of the elements were determined using the SR-TXRF technique. In the muscles of fish species, negative length dependent relationships were observed for chromium and zinc ion absorption. The obtained results showed that accumulated Cr ions values are above the limits defined in the Brazilian legislative norm on food. (C) 2010 Elsevier Ltd All rights reserved.

Influência da elevaçáo transitória e da elevaçáo sustentada da pressáo arterial sobre a primeira derivada temporal da pressáo ventricular.

PURPOSE--To analyze the influence of transient and sustained elevations of arterial pressure (AP) on the rate of rise of the left ventricular pressure (dp/dt). METHODS--Thirteen anesthetized, thoracotomized and mechanically ventilated dogs, submitted to pharmacological autonomic block (oxprenolol-3 mg/kg plus atropine-0.5 mg/kg). The AP elevation was obtained by mechanical constriction of the descending thoracic aorta. Two protocols were applied to all animals: Transient Arterial Hypertension (TAH) and Sustained Arterial Hypertension (SAH) and the following variables were evaluated: heart rate (HR), systolic (LVSP) and end diastolic (LVEDP) left ventricular pressure and dp/dt. In TAH the variables were analyzed in the basal condition (To) and at the maximal value of AP attained during the transient pressure elevation (TM). In the protocol SAH the variables were evaluated in the conditions: Control (Ho), hypertension 1 (H1) and hypertension 2 (H2). RESULTS--Considering all conditions, there were no significant differences among the values of HR. In the protocol TAH, the LVSP varied from 133 +/- 22 mmHg to 180 +/- 27 mmHg, whereas in SAH the values of LVSP were as follow: HO = 129 +/- 25 mmHg; H1 = 152 = 23 mmHg; H2 = 182 +/- 24 mmHg. LVEDP changed in both protocols: To = 7 +/- 2 mmHg; TM = 13 +/- 2 mmHg (p < 0.05); Ho = 7 +/- 2 mmHg; H1 = 10 +/- 2 mmHg; H2 = 14 +/- 3 mmHg (p < 0.05). During TAH there was no difference between the values of dp/dt (To = 3.303 +/- 598 mmHg/s; TM = 3.350 +/- 653 mmHg/s; p > 0.05), however, there were increases of the dp/dt during SAH (Ho = 3.233 +/- 576 mmHg/s; H1 = 3.831 +/- 667 mmHg/s; H1 = 4.594 +/- 833 mmHg/2; p < 0.05). CONCLUSION--The values of dp/dt are not influenced by transient elevation of AP. Sustained increase of AP activates cardiac adjustments, which results in elevation of dp/dt, by stimulation of contractile state. Probably, the inotropic intervention mechanism is the length dependent activation due to the Frank-Starling mechanism.

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Aspiration toxicology of hydrocarbons and lamp oils studied by in vitro technology

Medical literature regularly reports on accidental poisoning in children after aspiration of combustibles such as lamp oils which usually contain hydrocarbons or rape methyl esters (RMEs). We aimed to analyze the toxic potential of alkanes and different combustible classes in vitro with regard to biologic responses and mechanisms mediating toxicity. Two different in vitro models were used, i.e. (i) a captive bubble surfactometer (CBS) to assess direct influence of combustibles on biophysical properties of surfactant film and (ii) cell cultures (BEAS-2B and R3/1 cells, primary macrophages, re-differentiated epithelia) closely mimicking the inner lung surface. Biological endpoints included cell viability, cytotoxicity and inflammatory mediator release. CBS measurements demonstrate that combustibles affect film dynamics, i.e. the surface tension/area characteristics during compression and expansion, in a dose and molecular chain length dependent manner. Cell culture results confirm the dose dependent toxicity. Generally, cytotoxicity and cytokine release are higher in short-chained alkanes and hydrocarbon-based combustibles than in long-chained substances, e.g. highest inducible cytotoxicity in BEAS-2B was for hexane 84.6%, decane 74% and hexadecane 30.8%. Effects of RME-based combustibles differed between the cell models. Our results confirm data from animal experiments and give new insights into the mechanisms underlying the adverse health effects observed.

Reaction Control in Quiescent Systems of Free-Radical Retrograde-Precipitation Polymerization

Free-radical retrograde-precipitation polymerization, FRRPP in short, is a novel polymerization process discovered by Dr. Gerard Caneba in the late 1980s. The current study is aimed at gaining a better understanding of the reaction mechanism of the FRRPP and its thermodynamically-driven features that are predominant in controlling the chain reaction. A previously developed mathematical model to represent free radical polymerization kinetics was used to simulate a classic bulk polymerization system from the literature. Unlike other existing models, such a sparse-matrix-based representation allows one to explicitly accommodate the chain length dependent kinetic parameters. Extrapolating from the past results, mixing was experimentally shown to be exerting a significant influence on reaction control in FRRPP systems. Mixing alone drives the otherwise severely diffusion-controlled reaction propagation in phase-separated polymer domains. Therefore, in a quiescent system, in the absence of mixing, it is possible to retard the growth of phase-separated domains, thus producing isolated polymer nanoparticles (globules). Such a diffusion-controlled, self-limiting phenomenon of chain growth was also observed using time-resolved small angle x-ray scattering studies of reaction kinetics in quiescent systems of FRRPP. Combining the concept of self-limiting chain growth in quiescent FRRPP systems with spatioselective reaction initiation of lithography, microgel structures were synthesized in a single step, without the use of molds or additives. Hard x-rays from the bending magnet radiation of a synchrotron were used as an initiation source, instead of the more statistally-oriented chemical initiators. Such a spatially-defined reaction was shown to be self-limiting to the irradiated regions following a polymerization-induced self-assembly phenomenon. The pattern transfer aspects of this technique were, therefore, studied in the FRRP polymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAm) and methacrylic acid (MAA), a thermoreversible and ionic hydrogel, respectively. Reaction temperature increases the contrast between the exposed and unexposed zones of the formed microgels, while the irradiation dose is directly proportional to the extent of phase separation. The response of Poly (NIPAm) microgels prepared from the technique described in this study was also characterized by small angle neutron scattering.