Grafting of functional brushes on the surface of 5-Fluorouracil molecularly imprinted polymer particles through RAFT polymerization

The grafting of functional brushes on the surface of molecularly imprinted polymer (MIP). particles hás been explored in the last few years to synthesize materiais combining high molecular recognition capabilities and stimulation triggered by changes in the surrounding environment [1, 2]. In the present work, MIP particles for 5-fluorouracil (a drug used in câncer treatment) were produced by precipitation polymerization in acetonitrile, using either MAA or HEMA as imprinting fünctional monomers, and m the presence of different kinds of RAFT agents. In a second step, taking advantage of the RAFT groups present in the surface of the particles, different kinds of fiinctional polymer brushes were grafted on the MIPs considering a "grafting from" process in the presence of a RAFT agent.

Controlled growth of poly(2-(diethylamino)ethyl methacrylate) brushes via atom transfer radical polymerisation on planar silicon surfaces

Progress in making pH-responsive polyelectrolyte brushes with a range of different grafting densities is reported. Polymer brushes of poly(2-(diethylamino)ethyl methacrylate) were synthesised via atom transfer radical polymerisation on silicon wafers using a 'grafted from' approach. The [11-(2-bromo-2-methyl) propionyloxy]undecyl trichlorosilane initiator was covalently attached to the silicon via silylation, from which the brushes were grown using a catalytic system of copper(I) chloride and pentamethyldiethylenetriamine in tetrahydrofuran at 80°C. X-ray reflectivity was used to assess the initiator surfaces and an upper limit on the grafting density of the polymer was determined. The quality of the brushes produced was analysed using ellipsometry and atomic force microscopy, which is also discussed.

Surface Functionalization of Monodisperse Magnetic Nanoparticles

We present a systematic methodology to functionalize magnetic nanoparticles through surface-initiated atom-transfer radical polymerization (ATRP). The magnetite nanoparticles are prepared according to the method proposed by Sun et al. (2004), which leads to a monodisperse population of ~ 6 nm particles stabilized by oleic acid. The functionalization of the nanoparticles has been performed by transforming particles into macro-initiators for the ATRP, and to achieve this two different routes have been explored. The first one is the ligand-exchange method, which consists of replacing some oleic acid molecules adsorbed on the particle surface with molecules that act as an initiator for ATRP. The second method consists in using the addition reaction of bromine to the oleic acid double bond, which turns the oleic acid itself into an initiator for the ATRP. We have then grown polymer brushes of a variety of acrylic polymers on the particles, including polyisopropylacrylamide and polyacrylic acid. The nanoparticles so functionalized are water soluble and show responsive behavior: either temperature responsive behavior when polyisopropylacrylamide is grown from the surface or PH responsive in the case of polyacrylic acid. This methodology has potential applications in the control of clustering of magnetic nanoparticles.

Production of pH-responsive microparticles by spray drying: investigation of experimental parameter effects on morphological and release properties

During spray drying, emphasis is placed on process optimisation to generate favourable particle morphological and flow properties. The effect of the initial feed solution composition on the drug release from the prepared microparticles is rarely considered. We investigated the effects of solvent composition, feed solution concentration and drug-loading on sodium salicylate, hydrocortisone and triamcinolone release from spray dried Eudragit L100 microparticles. Eudragit L100 is a pH-responsive polymer whose dissolution threshold is pH 6 so dissolution testing of the prepared microparticles at pH 5 and 1.2 illustrated non-polymer controlled burst release. Increasing the water content of the initial ethanolic feed solution significantly reduced hydrocortisone burst release at pH 5, as did reducing the feed solution concentration. These findings caution that changes in feed solution concentration or solvent composition not only affect particles’ morphological characteristics but can also negatively alter their drug release properties. This work also illustrate that drug-free microparticles can have different morphological properties to drug-loaded microparticles. Therefore, process optimisation needs to be carried out using drug-loaded systems. Depending on the physicochemical properties of the encapsulated API, drug-loading can affect the polymer solubility in the initial feed solution with consequent impact on microparticles morphological and release properties.

Estudo das propriedades estímulo responsivas dos polímeros escovas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Impact of Solvent Quality on the Density Profiles of Looped Triblock Copolymer Brushes by Neutron Reflectivity Measurements

Preferential adsorption of poly(2-vinylpyridine)-deuterated polystyrene-poly(2-vinylpyridine) (PVP-dPS-PVP) triblock copolymers from toluene onto silicon leads to the formation of dPS loops tethered by the PVP end blocks. Using neutron reflectometry, we have determined the segment density profiles of these looped polymer brushes in toluene, a good solvent for the dPS block, and in cyclohexane at 20 °C (poor solvent), 32 °C, (near-Θ solvent), and 50 °C (marginal solvent). While the swelling behavior qualitatively agrees with that observed for singly grafted brushes, there are interesting differences in the local structural details: In a good solvent, the segment density profiles are composed of an inner parabolic region and a long, extended tail. In cyclohexane, the profiles are described by exponential decays. We ascribe these features to a novel polydispersity effect that arises due to tethering the PS loops by both ends. The results also show that the less dense layers undergo more significant changes in swollen height as solvent quality is changed and that the looped brushes of different molecular weight, asymmetry, and tethering density adhere to scaling relationships derived for lightly cross-linked polymer gels.

Synthesis and characterization of polyelectrolyte brushes

On the pathway to synthesizing synthetic model systems for human cartilage, macroinitiators for the ATRP of styrene sulfonate esters with different chain lengths and initiation site densities from 10 % to 100 % were synthesized. Polymer brushes from styrene sulfonate ethyl ester and styrene sulfonate dodecyl ester with varying grafting density, backbone length and side chain length were synthesized and characterized by 1H-NMR, AUC, AFM, TEM, and in the case of the ethyl esters, GPC-MALLS. Polyelectrolyte brushes from styrene sulfonate were synthesized from the corresponding esters. These brushes were characterized in solution (GPC-MALLS, static and dynamic light scattering, SANS, 1H-NMR) and on solid interfaces (AFM and TEM). It was shown that these brushes may form extended aggregates in solution. The aggregation behavior and the size and shape of the aggregates depend on the side chain length and the degree of saponification. For samples with identical backbone and side chain length, but varying degrees of ester hydrolysis, marked differences in the aggregation behavior were observed. A functionalized ATRP macroinitiator with a positively charged head group was synthesized and employed for the synthesis of a functionalized polyelectrolyte brush. These brushes were found to form complexes with negatively charged latex particles and are thus suitable as proteoglycan models in the proteoglycan-hyaluronic acid complex.

Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit peptidischen Seitenketten

Die Forschung im Bereich der Drug Delivery-Systeme konzentriert sich auf biokompatible und wenig immunogene Trägermoleküle. Eine Klasse vielversprechender Trägersysteme stellen Peptid basierte Polymere dar, die neben einer hohen Biokompatibilität auch eine Sensitivität gegenüber externen Einflüssen aufweisen. Der zwitterionische Charakter von Aminosäuren und Peptiden verhindert die Adsorption von Serumproteinen und ein „antifouling“ Verhalten kann festgestellt werden, sodass diese Moleküle für den Einsatz als Wirkstoffträgersystem sehr geeignet scheinen. In Kombination mit einer bürstenartigen Struktur entstehen Systeme mit einer einzigartigen Peptidarchitektur, die sich durch eine hohe Dichte funktioneller Gruppen für Konjugationsreaktionen auszeichnen und deren formabhängige Zellaufnahme sie besonders attraktiv für die Anwendung als „Nanocarrier“ macht.rnrnDas zwitterionische Poly-(ε-N-Methacryloyl-L-Lysin) (Mw = 721,000 g∙mol 1) wurde durch freie radikalische Polymerisation dargestellt und seine Konformation in Abhängigkeit von Ionenstärke und pH-Wert untersucht. Die Biokompatibilität des Systems konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden. Zusammen mit der vernachlässigbaren unspezifischen Aufnahme in dendritische Zellen aus Knochenmark erfüllt das System damit alle Bedingungen, die an ein polymeres Wirkstoffträgersystem gestellt werden. Darüber hinaus können Komplexe des Polymers mit DNA in Gegenwart von divalenten Metallionen für die Gentransfektion verwendet werden.rnrnDurch Kopplung von ε-N-Methacryloyl-L-Lysin mit der Elastin-ähnlichen Polypeptid Pentasequenz Valin-Prolin-Glycin-Glycin-Glycin konnte ein Hexapeptid-Makromonomer dargestellt werden, welches anschließend mittels „grafting through“ Polymerisation zur Polymerbürste umgesetzt wurde. Die wurmartige Struktur der Polymerbürsten wurde in AFM-Aufnahmen gezeigt und eine hohe Kettensteifigkeit der Polymerbürsten über dynamische und statische Lichtstreuung nachgewiesen. Zirkulardichroismus-Messungen lieferten Informationen über struktur-, salz- und temperaturabhängige Veränderungen der Konformation. Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum bestätigten die erwartete Biokompatibilität.rnrnBasierend auf zwei Elastin-ähnlichen Polypeptiden mit ähnlicher Peptidsequenz wurden insgesamt vier unterschiedliche Makromonomere mit jeweils 20 Pentapeptid-Wiederholungseinheiten dargestellt. Über anschließende „grafting through“ Polymerisation entstanden molekulare Bürstenmoleküle mit variierenden externen funktionellen Gruppen, die für zukünftige Konjugationsreaktionen verwendet werden können. Der Einfluss von Ionenstärke und Temperatur auf die Konformation der Makromonomere und Polymere wurde mittels Zirkulardichroismus- und Trübungskurven-Messungen untersucht und ein starker Einfluss der hohen Seitenkettendichte auf das Verhalten der Polymerbürsten wurde festgestellt. Über dynamische Lichtstreuung konnte ein von den externen funktionellen Gruppen abhängiges Aggregationsverhalten in humanem Blutserum nachgewiesen werden.rnrnDie in dieser Arbeit synthetisierten Polymerbürsten mit peptidischen Seitenketten stellen damit biokompatible und vielversprechende Trägersysteme für die Konjugation mit Biomolekülen dar, die zukünftig als Drug Delivery-Systeme ihren Einsatz finden können.rn

Development of thermoresponsive (polysulfone/polyacrylonitrile) - based membranes for bioseparation processes

Mestrado integrado em Engenharia Química e Bioquímica

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Using pH abnormalities in diseased skin to trigger and target topical therapy

Abstract Purpose: The pH discrepancy between healthy and atopic dermatitis skin was identified as a site specific trigger for delivering hydrocortisone from microcapsules. Methods: Using Eudragit L100, a pH-responsive polymer which dissolves at pH 6, hydrocortisone-loaded microparticles were produced by oil-in-oil microencapsulation or spray drying. Release and permeation of hydrocortisone from microparticles alone or in gels was assessed and preliminary stability data was determined. Results: Drug release from microparticles was pH-dependent though the particles produced by spray drying also gave significant non-pH dependent burst release, resulting from their porous nature or from drug enrichment on the surface of these particles. This pH-responsive release was maintained upon incorporation of the oil-in-oil microparticles into Carbopol- and HPMC-based gel formulations. In-vitro studies showed 4 to 5-fold higher drug permeation through porcine skin from the gels at pH 7 compared to pH 5. Conclusions: Permeation studies showed that the oil-in-oil generated particles deliver essentially no drug at normal (intact) skin pH (5.0 – 5.5) but that delivery can be triggered and targeted to atopic dermatitis skin where the pH is elevated. The incorporation of these microparticles into Carbopol- and HPMC-based aqueous gel formulations demonstrated good stability and pH-responsive permeation into porcine skin.

Improving polymeric microemulsions with block copolymer polydispersity

Recent experiments have demonstrated that block copolymers are capable of stabilizing immiscible homopolymer blends producing bicontinuous microemulsion. The stability of these polymeric alloys requires the copolymer to form flexible, nonattractive monolayers along the homopolymer interfaces. We predict that copolymer polydispersity can substantially and simultaneously improve the monolayers in both of these respects. Furthermore, polydispersity should provide similar improvements in systems, such as colloidal suspensions and polymer/clay composites, that utilize polymer brushes to suppress attractive interactions.

The effects of exposure time on the surface microhardness of three dual-cured dental resin cements

This study evaluated the exposure time of light-curing of the polymers used for cementation on microhardness test in different storage times. The polymers (specifically called resin cements) were RelyX ARC, RelyX U100, and SET. Five specimens of each group were prepared and photo-polymerized with exposure times of 20 s and 180 s, using a LED polymerization unit with wavelength of 440 ~ 480 nm and light output was consistently 1,500 mW/cm2. The Vickers hardness test was performed in a MMT-3 Microhardness Tester. Data were submitted to ANOVA and Tukey's test (α = 0.05). The values of RelyX ARC showed statistically significant difference to groups with light exposure when considering only chemical cure (p < 0.05). The groups with light exposure (20 s and 180 s) showed no significant difference between them (p > 0.05). The RelyX U100 cured only chemically showed statistically significant difference between 48 h and 7 days (p < 0.05). The SET resin cement showed no significant difference to groups without light exposure for all storage times (p > 0.05). The values of hardening of the dual-cured resin cements improved after setting by light and chemical activation demonstrating the importance of light curing. © 2011 by the authors.

Switchable biosensor controlled by biocatalytic process

The poly(dimethylamino methacrylate) (PDMAEMA) brush-modified indium tin oxide (ITO) electrode was used to test the switch properties of interfacial activity caused by bioelectrochemical signals. The swelling of the polymer brushes increased when the medium's pH changed from alkaline to acid after glucose was added to the system. A pH change generated in situ by means of biocatalytic reactions enabled bioelectrocatalytic interface's reversible activation. © 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Dynamical measurements with quartz resonators

Dynamische Messungen mit Quarzresonatoren Die Resonanzfrequenz von Quarzoszillatoren liegt im MHz-Bereich. Die Resonanzen haben hohe Gueten und sind somit empfindlich auf kleine Aenderungen an der Resonatoroberflaeche. 1. Es wurde ein Aufbau entwickelt, um Reibung bei hohen Oberflaechengeschwindigkeiten zu messen (v = 1 m/s). Bei Annaeherung einer Kugel steigen Resonanzfrequenz sowie -breite des Schwingquarzes an. Für groeßere Normalkraefte entsteht ein elastischer Kontakt, der die Frequenzerhoehung erklaert. Kurz vor Eintreten dieses Kontaktes durchlaeuft die Daempfung ein Maximum, das charakteristisch ist für das Auftreten von Reibung. Bei Erhoehung der Schichtdicke (0,4-2,5 nm) einer Schmiermittelbeschichtung (Perfluoropolyether) verringern sich sowohl die Hoehe als auch die Breite dieses Maximums. Es verschwindet mit vollstaendiger Belegung mit einer Monolage (ca. 2 nm). Dies wird durch einen intermittierenden Kontakt der beiden Oberflaechen erklaert. 2. Die Schwingquarzoberfläche wurde mit Polymerbuersten verschiedener Schichtdicken (12-230 nm) beschichtet. Der Loesungsmittelgehalt in diesen Filmen variiert mit dem Dampfdruck der umgebenden Toluolatmosphaere. Bei Trocknung durchlaufen die Filme einen loesungsmittelinduzierten Glasuebergang. Die Sorptionskurven (Loesungsmittelgehalt gegen Dampfdruck) zeigen eine Knick beim Glasuebergang, ihre Ableitungen dagegen eine Stufe. Fuer duenner werdende Schichten verschiebt sich diese Stufe zu niedrigerem Dampfdruck sowie geringerem Loesungsmittelgehalt. Außerdem wird sie breiter und ihre Hoehe nimmt ab.