New bacterial cellulose nanocomposites prepared by in situ radical polymerization of methacrylate monomers

Bacterial cellulose/polymethacrylate nanocomposites have received attention in numerous areas of study and in a variety of applications. The attractive properties of methacrylate polymers and bacterial cellulose, BC, allow the synthesis of new nanocomposites with distinct characteristics. In this study, BC/poly(glycidylmethacrylate) (BC/PGMA) and BC/poly(ethyleneglycol)methacrylate (BC/PPEGMA) nanocomposites were prepared through in situ free radical polymerization of GMA and PEGMA, respectively. Ammonium persulphate (APS) was used as an initiator and N,N’methylenebisacrilamide (MBA) was used as a crosslinker in BC/PGMA. Chemical composition, morphology, thermal stability, water absorption, mechanic and surface properties were determined through specific characterization techniques. The optimal polymerization was obtained at (1:2) for BC/PGMA, (1:2:0.2) ratio for BC/GMA/MBA and (1:20) for BC/PPEGMA, with 0.5% of initiator at 60 ºC during 6 h. A maximum of 67% and 87% of incorporation percentage was obtained, respectively, for the nanocomposites BC/PGMA/MBA and BC/PPEGMA. BC/PGMA nanocomposites exhibited an increase of roughness and compactation of the three-dimensional structure, an improvement in the thermal and mechanical properties, and a decrease in their swelling ability and crystallinity. On the other hand, BC/PPEGMA showed a decrease of stiffness of three-dimensional structure, improvement in thermal and mechanical properties, an increase in their swelling ability and a decrease the crystallinity. Both BC/polymethacrylate nanocomposites exhibited a basic surface character. The acid treatment showed to be a suitable strategy to modifiy BC/PGMA nanocomposites through epoxide ring-opening reaction mechanism. Nanocomposites became more compact, smooth and with more water retention ability. A decrease in the thermal and mechanical proprieties was observed. The new nanocomposites acquired properties useful to biomedical applications or/and removal of heavy metals due to the presence of functional groups.

5-substituted triazolinyls as novel counter radicals in controlled radical polymerization

The work is devoted to synthesis of new triazolinyl stable radical derivatives with different substituents at the 5-position of the triazolinyl ring. Obtained results showed great influence of these substituents on the stability of the radical. Electron-rich aromatic substituents at this position stabilize the radical while electron-poor aromatics decrease the stability of the triazolinyl. The triazolinyl radicals synthesized were used as additives for kinetic investigations of controlled radical polymerization of styrene and methylmethacrylate (MMA). The studies performed showed that the more stable radicals provide better control for the polymerization of styrene. In the same time certain instability of the radical is required for realization of controlled polymerization of methylmethacrylate. Based on the kinetic investigations controlled radical polymerization of a variety of monomers including 4-vinylpyridine (4-VP), ethylmethacrylate (EMA), 2,2,2-trifluoroethylmethacrylate (FEMA) and n-butylmethacrylate (BMA)was successfully carried out. Polystyrene and polymethylmethacrylate macroinitiators prepared by triazolinyl mediated controlled radical polymerization were efficiently reinitiated in the presence of a variety of monomers leading to the formation of block copolymers. Using this method PS-b-P-4-VP, PMMA-b-PS, PMMA-b-PBMA, PMMA-b-PFEMA, and PMMA-b-Poly-tert-butylacrylate were successfully synthesized. The results obtained during this work showed the efficiency and flexibility of the method allowing preparation of a range of advanced macromolecular structures.

Synthesis and characterization of polymeric ionic liquid through free radical polymerization of acryloyl imidazolium-based ionic liquid monomer

This thesis investigates the synthesis of polymeric ionic liquid [(poly-acryloyloxy)6C6C1im][NTf2], by free radical polymerization of acryloyl imidazolium-base ionic liquid monomer [(acryloyloxy)6C6C1im][NTf2]. Moreover, the smartest synthetic route to obtain this monomer was investigated. Two different synthesis were compared. The first one started from the preparation of the monomer 6-chlorohexyl acrylate followed by substitution and metathesis to reach ionic liquid monomer. The second one started from synthesis of the ionic liquid [(HO)6C6C1im]Cl followed by metathesis and esterification in order to get ionic liquid monomer [(acryloyloxy)6C6C1im][NTf2].

Synthesis Of Triblock Copolymers By Radical Trap Assisted-Atom Transfer Radical Coupling

Monobrominated diblock copolymers composed of poly(styrene) (PSt), poly(methylacrylate) (PMA), or poly(methyl methacrylate) (PMMA) were synthesized by consecutive atom transfer radical polymerizations (ATRP). The brominated diblocks were utilized in atom transfer radical coupling (ATRC) and radical trap-assisted ATRC (RTA-ATRC) reactions to form ABA type triblock copolymers. Once PMMA-PStBr and PSt-PMABrBr were produced by ATRP, the synthes of PSt-PMA-PSt and PMMA-PSt- PMMA by ATRC and also by RTA-ATRC were attempted. The coupling methods were compared and it was found that RTA-ATRC succeeded in synthesizing PSt-PMA-PSt where ATRC could not, and that RTA-ATRC improved coupling over ATRC for PMMAPSt- PMMA. Incorporation of the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP) midchain allowed for simple thermal cleavage of the triblock to confirm the RTA-ATRC pathway occurred in preference over the head to head radical coupling pathway of ATRC. Triblocks made by ATRC did not cleave under our conditions, as no MNP was present and thus no labile C-O bond was incorporated. The RTA-ATRC pathway allowed for lower catalyst amounts (2 molar equivalents of copper(I)bromide and 2 molar equivalents of copper metal) and a high degree of coupling at lower temperatures (40°C). The RTA-ATRC improved upon ATRC because of its ability to generate a persistent radical and proceed by first order kinetics with respect to the chain end radical.

Polymerization of Styrene and Cyclization to Macrocyclic Polystyrene in a One-Pot, Two-Step Sequence

Dibrominated polystyrene (BrPStBr) was produced by atom transfer radical polymerization (ATRP) at 80 degrees C, using the bifunctional initiator benzal bromide to afford the telechelic precursor. The ATRP reaction was stopped around 40% monomer conversion and directly converted into an radical trap-assisted atom transfer radical coupling (RTA-ATRC) reaction by lowering the temperature to 50 degrees C, and adding the radical trap 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP) along with additional catalyst, reducing agent, and ligand to match ATRC-type reaction conditions. In an attempt to induce intramolecular coupling, rather than solely intermolecular coupling and elongation, the total reaction volume was increased by the addition of varying amounts of THF. Cyclization, along with intermolecular coupling and elongation, occurred in all cases, with the extent of ring closure a function of the total reaction volume. The cyclic portion of the coupled product was found to have a (G) value around 0.8 by GPC analysis, consistent with the reduction in hydrodynamic volume of a cyclic polymer compared to its linear analog. Analysis of the sequence by H-1 NMR confirmed that propagation was suppressed nearly completely during the RTA-ATRC phase, with percent monomer conversion remaining constant after the ATRP phase. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant

We report the successful RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant (Brij98), the highly reactive 1-phenylethyl phenyldithioacetate (PEPDTA) RAFT agent, and water-soluble initiator ammonium persulfate (APS). The molar ratio of RAFT agent to APS was identical in all experiments. Most of the monomer was contained within the micelles, analogous to microemulsion or miniemulsion systems but without the need of shear, sonication, cosurfactant, or a hydrophobe. The number-average molecular weight increased with conversion and the polydispersity index was below 1.2. This ideal 'living' behavior was only found when molecular weights of 9000 and below were targeted. It was postulated that the rapid transportation of RAFT agent from the monomer swollen micelles to the growing particles was fast on the polymerization timescale, and most if not all the RAFT agent is consumed within the first 10% conversion. In addition, it was postulated that the high nucleation rate from the high rate of exit ( of the R radical from the RAFT agent) and high entry rate from water-phase radicals ( high APS concentration) reduced the effects of 'superswelling' and therefore a similar molar ratio of RAFT agent to monomer was maintained in all growing particles. The high polydispersity indexes found when targeting molecular weights greater than 9000 were postulated to be due to the lower nucleation rate from the lower weight fractions of both APS and RAFT agent. In these cases, 'superswelling' played a dominant role leading to a heterogeneous distribution of RAFT to monomer ratios among the particles nucleated at different times.

Atom transfer radical polymerisation - towards the synthesis of a fully-functional photorefractive polymer

Atom transfer radical polymerisation (ATRP) of styrene in xylene solution initiated with 1-phenylethyl bromide and mediated by CuBr/N-propyl-2- pyridinemethanimine catalyst complex was studied. The polymerisation was ill-controlled, yielding polymers with broad molecular weight distributions and values of number average molecular weight considerably higher than the theoretical values calculated from 100% initiator efficiency. The degree of control afforded over the polymerisation was enhanced by use of a more soluble catalyst complex, CuBr/N-octyl-2-pyridinemethanimine. Furthermore, the use of a more polar solvent, diglyme, generated a homogeneous catalyst complex that facilitated the production of polymers having narrow molecular weight distributions (1.10 < PDi < 1.20). The kinetics of the atom transfer radical polymerisation of methyl methacrylate at 90°C in diglyme solution initiated with ethyl-2-bromoisobutyrate and mediated by CuBr/N-octyl-2-pyridinemethanimine was studied and the orders of the reaction were established. The effect on the rate of polymerisation of the ratio of CuBr:N-octyl-2-pyridinemethanimine was also determined. The temperature dependencies of the rate of polymerisation of methyl methacrylate in diglyme solution and xylene solution were studied, and were found to be non-linear and dependent upon the polarity of the solvent. The use of highly polar aprotic solvents, such as N,N-dimethylformamide and dimethylsulphoxide, was found to be detrimental to the degree of control afforded over the polymerisation of methyl methacrylate. This was circumvented by use of a 5-fold excess, over that conventionally used, of catalyst complex. The atom transfer radical polymerisation of (4-nitrophenyl)-[3-[N-[2- (methacryloyloxy)ethyl]carbazolyl]]diazene in dimethyl sulphoxide solution was studied. Although homopolymerisation yielded only oligomers, copolymerisation of this monomer with methyl methacrylate was found to be readily achievable. Keywords: ATRP, Styrene; Methyl methacrylate; Polar solvents; Fully-functional photorefractive polymer. 2

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.

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.

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.

Une nouvelle stratégie de traitement de la maladie cœliaque basée sur les polymères séquestrants

La maladie cœliaque ou sprue cœliaque est une intolérance au gluten. Il s’agit d’une maladie inflammatoire de l’intestin liée à l’ingestion de gluten chez des personnes génétiquement susceptibles. Ce désordre présente une forte prévalence puisqu’il touche 1 % de la population mondiale. En l’état actuel des choses, il n’existe aucun outil pharmacologique pour traiter ou pallier à cette maladie. Cependant, grâce aux avancées dans la compréhension de sa pathogenèse, de nouvelles cibles thérapeutiques ont été identifiées. À l’heure actuelle, le seul traitement efficace consiste à suspendre la consommation de l’agent pathogène, à savoir le gluten. Le gluten est un ensemble de protéines de stockage des céréales contenu dans le blé, l’orge et le seigle. Le gluten du blé se subdivise en gluténines et gliadines. Ce sont ces dernières qui semblent les plus impliquées dans la maladie cœliaque. Les gliadines et ses protéines apparentées (i.e. sécalines et hordéines, respectivement dans le seigle et l’orge) sont riches en prolines et en glutamines, les rendant résistantes à la dégradation par les enzymes digestives et celles de la bordure en brosse. Les peptides résultant de cette digestion incomplète peuvent induire des réponses immunitaires acquises et innées. L’objectif principal de cette thèse était de tester un nouveau traitement d’appoint de la maladie cœliaque utile lors de voyages ou d’évènements ponctuels. Dans les années 80, une observation italienne montra l’inhibition de certains effets induits par des gliadines digérées sur des cultures cellulaires grâce à la co-incubation en présence de mannane: un polyoside naturel composé de mannoses. Malheureusement, ce traitement n’était pas applicable in vivo à cause de la dégradation par les enzymes du tractus gastro-intestinales du polymère, de par sa nature osidique. Les polymères de synthèse, grâce à la diversité et au contrôle de leurs propriétés physico-chimiques, se révèlent être une alternative attrayante à ce polymère naturel. L’objectif de cette recherche était d’obtenir un polymère liant la gliadine, capable d’interférer dans la genèse de la maladie au niveau du tube digestif, afin d’abolir les effets délétères induits par la protéine. Tout d’abord, des copolymères de type poly (hydroxyéthylméthacrylate)-co-(styrène sulfonate) (P(HEMA-co-SS)) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP). Une petite bibliothèque de polymères a été préparée en faisant varier la masse molaire, ainsi que les proportions de chacun des monomères. Ces polymères ont ensuite été testés quant à leur capacité de complexer la gliadine aux pH stomacal et intestinal et les meilleurs candidats ont été retenus pour des essais cellulaires. Les travaux ont permis de montrer que le copolymère P(HEMA-co-SS) (45:55 mol%, 40 kDa) permettait une séquestration sélective de la gliadine et qu’il abolissait les effets induits par la gliadine sur différents types cellulaires. De plus, ce composé interférait avec la digestion de la gliadine, suggérant une diminution de peptides immunogènes impliqués dans la maladie. Ce candidat a été testé in vivo, sur un modèle murin sensible au gluten, quant à son efficacité vis-à-vis de la gliadine pure et d’un mélange contenant du gluten avec d’autres composants alimentaires. Le P(HEMA-co-SS) a permis de diminuer les effets sur les paramètres de perméabilité et d’inflammation, ainsi que de moduler la réponse immunitaire engendrée par l’administration de gliadine et celle du gluten. Des études de toxicité et de biodistribution en administration aigüe et chronique ont été réalisées afin de démontrer que ce dernier était bien toléré et peu absorbé suite à son administration par la voie orale. Enfin des études sur des échantillons de tissus de patients souffrants de maladie cœliaque ont montré un bénéfice therapeutique du polymère. L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse a permis de mettre en évidence le potentiel thérapeutique du P(HEMA-co-SS) pour prévenir les désordres reliés à l’ingestion de gluten, indiquant que ce type de polymère pourrait être exploité dans un avenir proche.

Mise au point de micelles polyioniques pour l'administration de biomacromolécules thérapeutiques : synthèse de polymères et études physicochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Micelles polymères unimoléculaires ou inverses pour l'administration orale d'agent thérapeutiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal