Water-soluble, unimolecular containers based on amphiphilic multiarm star block copolymers

A new class of water-soluble, amphiphilic star block copolymers with a large number of arms was prepared by sequential atom transfer radical polymerization (ATRP) of n-butyl methacrylate (BMA) and poly( ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA). As the macroinitiator for the ATRP, a 2-bromoisobutyric acid functionalized fourth-generation hyperbranched polyester (Boltorn H40) was used, which allowed the preparation of star polymers that contained on average 20 diblock copolymer arms. The synthetic concept was validated by AFM experiments, which allowed direct visualization of single molecules of the multiarm star block copolymers. DSC and SAXS experiments on bulk samples suggested a microphase-separated structure, in agreement with the core-shell architecture of the polymers. SAXS experiments on aqueous solutions indicated that the star block copolymers can be regarded as unimolecular micelles composed of a PBMA core and a diffuse PPEGMA corona. The ability of the polymers to encapsulate and release hydrophobic guests was evaluated using H-1 NMR spectroscopy. In dilute aqueous solution, these polymers act as unimolecular containers that can be loaded with up to 27 wt % hydrophobic guest molecules.

Electrostatic supramolecular assembly of charged dendritic polymers and their biological application

The aim of this study was the development of functional multilayer films through electrostatic layer by layer (LbL) assembly of dendritic macromolecules, the investigation of the fundamental properties of these multilalyered films and the study of their biological applications. rnThe synthesis of the anionic hyperbranched polyglycerols (hbPG) and the preparation of multilayers made of hbPG/phosphorus dendrimer as well as the influences of deposition conditions on multilayers were reported. The thicknesses of multilayer films increase with a decrease of molecular weight of anionic hbPGs. The multilayer films fabricated by low molecular weight hbPGs grow less regularly due to the less charged carboxylic acid groups providing the relative weaker electrostatic forces for the deposition. The thicknesses of multilayer films are reduced with increasing pH values and decreasing the concentration of NaCl. The observed changes of multilayer thickness and surface morphology could be interpreted with the aid of theories regarding the charge density and conformation of the anionic hbPG chains in solution. rnBesides the study of fundamental properties of hbPG/phosphorus multilayer films, antifouling thin films derived from hbPG layers were developed. The antifouling properties of hbPG layers were found to correlate with factors of the molecular weight of anionic hbPG and the film thickness. It was demonstrated that anionic hbPG single layer with highest molecular weight can reduce non specific protein adsorption more efficiently than single layer with lower molecular weight and all the hbPG bilayers possessed excellent property of antifouling. rnPhosphorus dendrimer multilayers were successfully prepared as the platforms to detect DNA immobilization and hybridization. The effect of NaCl concentration on the multilayer film thickness was evaluated to obtain the optimized film thickness. Making use of the multilayer deposited at the optimized condition as a substrate, a high loading of DNA probes was achieved through covalent coupling of probe DNA with the as-formed multilayer films. The hybridization of target DNA with immobilized probe DNA was then carried out and studied by SPFS. The limit of detection upon hybridization was estimated on various dendrimer multilayer platforms. The minimum detection concentration for DNA hybridization is in the same order of magnitude compared with other neutral phosphorus dendrimer systems. Furthermore, the LbL deposition of phosphorus dendrimer multilayers provided a mild and simple way to prepare platforms as DNA microarrays. rnBased on the phosphorus dendrimer multilayer systems, dendritic star polymers were employed which have more reactive groups than that phosphorus dendrimers. The as-assembled dendritic star polymer multilayer films exhibited such distinct morphology characteristics that they underwent extensive structural reorganization upon post-treatment under different pH conditions. Kinetic binding of probe DNA molecules on the outermost negatively charged dendritic surface was studied by SPR as well. The binding capacities of probe DNA on the multilayer surfaces fabricated from the first-generation and the second-generation of dendritic star polymers were compared. The improved binding capacity was achieved from the second-generation of dendritic star polymer multilayer films due to their more reactive groups. DNA hybridization reaction on dendritic multilayer films was investigated by SPFS. The similar hybridization behaviors were found on both multilayer surfaces. Meanwhile, the hybridization kinetic affinities were compared with that of phosphorus dendrimer multilayer surfaces and showed improved detection sensitivity than phosphorus dendrimer multilayer films.rn

Solution properties of star and linear poly(N-isopropylacrylamide)

The LCST transitions of novel N-isopropylacrylamide ( NIPAM) star polymers, prepared using the four-armed RAFT agent pentaerythritoltetrakis(3-(S-benzyltrithiocarbonyl) propionate) (PTBTP) and their hydrolyzed linear arms were studied using H-1 NMR, PFG-NMR, and DLS. The aim was to determine the effect of polymer architecture and the presence of end groups derived from RAFT agents on the LCST. The LCST transitions of star PNIPAM were significantly depressed by the presence of the hydrophobic star core and possibly the benzyl end groups. The effect was molecular weight dependent and diminished once the number of repeating units per arm >= 70. The linear PNIPAM exhibited an LCST of 35 degrees C, regardless of molecular weight; the presence of both hydrophilic and hydrophobic end groups after hydrolysis from the star core was suggested to cancel effects on the LCST. A significant decrease in R-H was observed below the LCST for star and linear PNIPAM and was attributed to the formation of n-clusters. Application of a scaling law to the linear PNIPAM data indicated the cluster size n = 6. Tethering to the hydrophobic star core appeared to inhibit n-cluster formation in the lowest molecular weight stars; this may be due to enhanced stretching of the polymer chains, or the presence of larger numbers of n-clusters at temperatures below those measured.

Carbodiimide-mediated synthesis of poly(L-lactide)-based networks

Poly(L-lactide-co-succinic anhydride) networks were synthesised via the carbodiimide-mediated coupling of poly(L-lactide) (PLLA) star polymers. When 4-(dimethylamino)pyridine (DMAP) alone was used as the catalyst gelation did not occur. However, when 4-(dimethylamino)pyridinium p-toluenesulfonate (DPTS), the salt of DMAP and p-toluenesulfonic acid (PTSA), was the catalyst, the networks obtained had gel fractions comparable to those which were reported for networks synthesised by conventional methods. Greater gel fractions and conversion of the prepolymer terminal hydroxyl groups were observed when the hydroxyl-terminated star prepolymers reacted with succinic anhydride in a one-pot procedure than when the hydroxyl-terminated star prepolymers reacted with presynthesised succinic-terminated star prepolymers. The thermal properties of the networks, glass transition temperature (Tg), melting temperature (Tm) and crystallinity (Xc) were all strongly influenced by the average molecular weights between the crosslinks ((M_c). The network with the smallest (M_c )(1400 g/mol) was amorphous and had a Tg of 59 °C while the network with the largest (M_c ) (7800 g/mol) was 15 % crystalline and had a Tg of 56 °C.

Kinetic analysis of nitroxide radical coupling reactions mediated by CuBr

In a previous paper, we described the room temperature rapid, selective, reversible, and near quantitative Cu-activated nitroxide radical coupling (NRC) technique to prepare 3-arm polystyrene stars. In this work, we evaluated the Cu-activation mechanism, either conventional atom transfer or single electron transfer (SET), through kinetic simulations. Simulation data showed that one can describe the system by either activation mechanism. We also found through simulations that bimolecular radical termination, regardless of activation mechanism, was extremely low and could be considered negligible in an NRC reaction. Experiments were carried out to form 2- and 3-arm PSTY stars using two ligands, PMDETA and Me6TREN, in a range of solvent conditions by varying the ratio of DMSO to toluene, and over a wide temperature range. The rate of 2- or 3-arm star formation was governed by the choice of solvent and ligand. The combination of Me6TREN and toluene/DMSO showed a relatively temperature independent rate, and remarkably reached near quantitative yields for 2-arm star formation after only 1 min at 25 °C.

Anomalous phase transitions in soft colloid-polymer binary mixtures

We have shown earlier [1] that these PGNPs resemble star polymers or spherical brushes in terms of their morphology in the melt. However, these particles show dynamics in melt which is quite different from other soft colloidal particles. Since most of the work on soft colloidal particles have been performed in solutions we have now explored the phase behavior of the PGNPs in good solvent using microscopic structural and dynamical measurements on binary mixtures of homopolymers and soft colloids consisting of polymer grafted nanoparticles. We observe anomalous structural and dynamical phase transitions of these binary mixtures, including appearance of spontaneous orientational alignment and logarithmic structural relaxations, as a function of added homopolymers of different molecular weights. Our experiments points to the possibility of exploiting the phase space in density and homopolymer size, of such hybrid systems, to create new materials with unique properties.

Branched polystyrene with abundant pendant vinyl functional groups from asymmetric divinyl monomer

Branched polystyrenes with abundant pendant vinyl functional groups were prepared via radical polymerization of an asymmetric divinyl monomer, which possesses a higher reactive styryl and a lower reactive butenyl. Employing a fast reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) equilibrium, the concentration of active propagation chains remained at a low value and thus crosslinking did not occur until a high level of monomer conversion. The combination of a higher reaction temperature (120 degrees C) and RAFT agent cumyl dithiobenzoate was demonstrated to be optimal for providing both a more highly branched architecture and a higher polymer yield.

Study of morphology and phase diagram of the H-shaped (AC)B(CA) ternary block copolymers using self-consistent field theory

By using a combinatorial screening method based on the self-consistent field theory (SCFT) for polymer systems, the micro-phase morphologies of the H-shaped (AC)B(CA) ternary block copolymer system are studied in three-dimensional (3D) space. By systematically varying the volume fractions of the components A, B, and C, six triangle phase diagrams of this H-shaped (AC)B(CA) ternary block copolymer system with equal interaction energies among the three components are constructed from the weaker segregation regime to the strong segregation regime, In this study, thirteen 3D micro-phase morphologies for this H-shaped ternary block copolymer system are identified to be stable and seven 3D microphase morphologies are found to be metastable.

Influence of molecular topology on the static and dynamic properties of single polymer chain in solution

The influence of molecular topology on the structural and dynamic properties of polymer chain in solution with ring structure, three-arm branched structure, and linear structure are studied by molecular dynamics simulation. At the same degree of polymerization (N), the ring-shaped chain possesses the smallest size and largest diffusion coefficient. With increasing N, the difference of the radii of gyration between the three types of polymer chains increases, whereas the difference of the diffusion coefficients among them decreases. However, the influence of the molecular topology on the static and the dynamic scaling exponents is small. The static scaling exponents decrease slightly, and the dynamic scaling exponents increase slightly, when the topology of the polymer chain is changed from linear to ring-shaped or three-arm branched architecture. The dynamics of these three types of polymer chain in solution is Zimm-like according to the dynamic scaling exponents and the dynamic structure factors.

Three different types of quasi-model networks: synthesis by group transfer polymerization and characterization

Group transfer polymerization (GTP) chemistry was employed for the preparation of polymethacrylate networks of controlled structure (quasi-model networks) of three different types: (a) regular quasi-model networks, in which all polymer chains were linked at their ends, leaving, in principle, no free chain ends, (b) crosslinked star polymer quasi-model networks, in which star polymers were interlinked via half of their chains, letting the other half free (dangling), and (c) shell-crosslinked polymer quasi-model networks, in which the outer part of the network contained polymer arms (dangling chains). Combination of hydrophilic and hydrophobic monomers led to amphiphilic networks whose aqueous swelling behavior was characterized gravimetrically.

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Développement de tensioactifs à base d’acides biliaires pegylés pour des applications pharmaceutiques

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands).

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Synthese und Charakterisierung von Poly(tert-butylacrylat)- und Polyacrylsäure-Sternpolymeren

Sternpolymere aus Poly(tert.-butylacrylat)-Armen und einem Mikrogel-Core aus Ethylenglykoldimethacrylat wurden nach der arm-first Strategie hergestellt. Diese weisen eine enge Armzahlverteilung auf. Mit sinkender Precursorlänge, mit steigendem Verhältnis [bifunktionelles Monomer]/[Initiator], sowie mit zunehmender Reaktionszeit und Gesamtkonzentration nimmt die mittlere Armzahl fn zu. Die Sternbildung verläuft ähnlich einer Polykondensation. Die Molekulargewichte wurden mittels GPC gekoppelt mit einem online-Viskosimeter und einem online-Vielwinkellichtstreudetektor (MALLS) bestimmt.Die intrinsischen Viskositäten der Sternpolymere sind sehr niedrig. Für Armzahlen f ca. 8 erhält man ein Maximum in der doppellogarithmischen Auftragung der intrinsischen Viskosität und des Molekulargewichts. Die Trägheitsradien nehmen nur wenig mit dem Molekulargewicht zu. Die erhaltenen Koeffizienten liegen im von Daoud und Cotton vorhergesagten Bereich. Die Schrumpfungsfaktoren sinken auf g ca. 0,2 bzw. g' ca. 0,25. Aus den Poly(tert.-butylacrylat)-Sternpolymeren wurden durch Verseifung mit HBr in Methanol Polyacrylsäure-Sternpolymere hergestellt, welche ebenfalls mittels GPC-Viskosimetrie und GPC-MALLS charakterisiert wurden. Für die ionischen Sternpolymere findet man deutlich höhere Schrumpfungsfaktoren, kein Maximum in der intrinsischen Viskosität und höhere Exponenten als von Daoud und Cotton vorhergesagt. Erklärt wurde dies mit der hohen Segmentdichte in Sternpolymeren, die bei den ionischen Sternpolymeren zu einer hohen Ladungsdichte führt. Dadurch müssen sich die Arme stärker strecken als bei nicht-ionischen Sternen und es resultieren größere Moleküldimensionen.