Development of biocompatible and “smart” porous structures using CO2-assisted processes

Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade Engenharia da Reacção Química, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Synthesis and characterization of sugar containing hydrophilic and hydrophobic polymers with potential application in medicine

Dissertation toobtaina Master of Science degree in Bioorganics

Crystallization and properties of poly(ethylene terephtalate) copolymers containing 5-tert-butyl isophtalic units

The influence of incorporating 5-tert-butyl isophthalic units (tBI) in the polymer chain of poly(ethylene terephthalate) (PET) on the crystallization behavior, crystal structure, and tensile and gas transport properties of this polyester was evaluated. Random poly(ethyleneterephthalate-co-5-tert-butyl isophthalate) copolyesters (PETtBI) containing between 5 and 40 mol% of tBI units were examined. Isothermal crystallization studies were performed on amorphous glassy films at 120 8C and on molten samples at 200 8C by means of differential scanning calorimetry. Furthermore, the non-isothermal crystallization behavior of the copolyesters was investigated. It was observed that both crystallinity and crystallization rate of the PETtBI copolyesters tend to decrease largely with the comonomeric content, except for the copolymer containing 5 mol% of tBI units, which crystallized faster than PET. Fiber X-ray diffraction patterns of the semicrystalline PETtBI copolyesters proved that they adopt the same triclinic crystal structure as PET with the comonomeric units being excluded from the crystalline phase. Although PETtBI copolyesters became brittle for higher contents in tBI, the tensile modulus and strength of PET were barely affected by copolymerization. The ncorporation of tBI units slightly increased the permeability of PET, but copolymers containing up to 20 mol% of the comonomeric units were still able to present barrier properties.

Poly(butylene terephthalate-co-5-tert-butyl isophthalate) Copolyesters: Synthesis, Characterization and Properties

A series of poly(butylene terephthalate) copolyesters containing 5-tert-butyl isophthalate units up to 50%-mole, as well as the homopolyester entirely made of these units, were prepared by polycondensation from the melt. The microstructure of the copolymers was determined by NMR to be at random for the whole range of compositions. The effect exerted by the 5-tert-butyl isophthalate units on thermal, tensile and gas transport properties was evaluated. Both Tm and crystallinity as well as the mechanical moduli were found to decrease steadily with copolymerization whereas Tg increased and the polyesters became more brittle. Permeability and solubility sligthly increased also with the content in substituted units whereas the diffusion coefficient remained practically constant. For the homopolyester poly(5-tert-butyl isophthalate), all these properties were found to deviate significantly from the general trend displayed by copolyesters suggesting that a different chain mode of packing in the amorphous phase is likely adopted in this case.

Emprego de catalisadores à base de níquel para homo- e copolimerização de estireno

This review deals with the homo- and copolymerization of styrene with nickel catalysts. The catalytic activity, polymer stereoregularity, polymer molecular weight and polydispersity are dependent upon nickel ligands and reaction parameters. Catalysts supported on silica, treated with methylaluminoxane (MAO), have shown higher stereospecificity and activity compared to homogeneous ones. The influence of these parameters is discussed focusing on the elucidation of some aspects of the polymerization mechanism.

Application of ftir in the determination of acrylate content in poly(sodium acrylate-co-acrylamide) superabsorbent hydrogels

Hydrogels have been prepared by free-radical solution copolymerization of acrylamide and sodium acrylate (NaAc), with molar ratio ranging from 25/75 to 80/20, respectively, using methylene bisacrylamide as the crosslinking agent. A FTIR spectroscopy procedure to determine the acrylate/acrylamide ratio in these hydrogels was proposed based on absorbance at 1410 cm-1 (nCOO-) and 2940 cm-1 (nCH and nCH2). A straight line with a good linear correlation coefficient (0.998) was obtained by plotting the acrylate content (Ac%) versus relative absorbance (Arel = A1410/A2940). Results were confirmed by the amount of sodium cation released in acid medium determined by atomic absorption spectrometry.

Síntese e caracterização de hidrogéis compósitos a partir de copolímeros acrilamida-acrilato e caulim: efeito da constituição de diferentes caulins do nordeste brasileiro

Superabsorbent hydrogels based on poly (acrylamide-co-acrylate) and different kaolins, were prepared by free-radical aqueous copolymerization. FTIR and WAXS techniques were employed for characterization of a series of hydrogels, obtained by varying the percentage of clay, crosslinking and constitution of kaolin. The water absorbency at equilibrium (Weq) decreased with increasing clay content and the amount of crosslinking agent. Superabsorbent hydrogel (Weq > 1084 g H2O/g gel) was obtained as 10 wt% of white kaolin and 0.05 mol% of crosslinking agent were used. The hydrogel proved sensitive to pH variation and the presence of salts.

Estudio de copolimerización injerto del acrilato de butilo sobre almidón empleando sistema iniciador redox

The mixture of synthetic and natural materials yields a material with improved physical-chemical properties. One way of obtaining this kind of material is through graft copolymerization. Some natural materials have been used in graft copolymerization with synthetic monomers. In this work, graft copolymerization of butyl acrylate (BA) onto starch using a redox initiator system was carried out. The graft yield was evaluated for different reaction conditions. The graft copolymer was characterized by infrared spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy (SEM).

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

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

Diblock and Triblock Copolymers of Styrene and Acetoxymethylstyrene by One-Pot ATRP

We describe the synthesis of diblock and triblock copolymers by sequential atom transfer radical polymerization of styrene and acetoxymethylstyrene. Contrary to the usual block copolymerization involving isolation of the macroinitiator, a convenient one-pot procedure is developed. This is possible because of the preferential polymerization of acetoxymethylstyrene, even in the presence of residual styrene, as inferred from characterization of the intermediate polystyrenes and the block copolymers by size exclusion chromatography, 1H NMR, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and GPEC techniques. The latent acetoxy functionalities in these block copolymers are shown to be easily unmasked to OOH and OBr functionalities, with the potential for block ionomers and dense graft architectures.

Novel Approaches to Biodegradable Polymers: Synthesis and Biodegradation Studies

Biodegradable polymers have opened an emerging area of great interest because they are the ultimate solution for the disposal problems of synthetic polymers used for short time applications in the environmental and biomedical field. The biodegradable polymers available until recently have a number of limitations in terms of strength and dimensional stability. Most of them have processing problems and are also very expensive. Recent developments in biodegradable polymers show that monomers and polymers obtained from renewable resources are important owing to their inherent biodegradability, biocompatibility and easy availability. The present study is, therefore, mostly concemed with the utilization of renewable resources by effecting chemical modification/copolymerization on existing synthetic polymers/natural polymers for introducing better biodegradability and material properties.The thesis describes multiple approaches in the design of new biodegradable polymers: (1) Chemical modification of an existing nonbiodegradable polymer, polyethylene, by anchoring monosaccharides after functionalization to introduce biodegradability. (2) Copolymerization of an existing biodegradable polymer, polylactide, with suitable monomers and/or polymers to tailor their properties to suit the emerging requirements such as (2a) graft copolymerization of lactide onto chitosan to get controlled solvation and biodegradability and (2b) copolymerization of polylactide with cycloaliphatic amide segments to improve upon the thermal properties and processability.

Block Copolymers of Unsaturated Polyesters and Functional Elastomers

Block copolymers of unsaturated polyester were prepared by condensation polymerization of hydroxyl or carboxyl terminated liquid rubbers with maleic anhydride, phthalic anhydride, and propylene glycol. The condensate obtained was mixed with styrene monomer to get an unsaturated polyester resin formulation. In this study, copolymers of unsaturated polyesters with hydroxy terminated polybutadiene, carboxy terminated nitrile rubber, and hydroxy terminated natural rubber were prepared. Mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus, elongation at break, toughness, impact strength, surface hardness, abrasion resistance, and water absorption were evaluated after the resin was cured in appropriate molds for comparison with the control resin. The fracture toughness and impact resistance of CTBN-modified unsaturated polyester show substantial improvement by this copolymerization without seriously affecting any other property

Designing Temperature-Responsive Biocompatible Copolymers and Hydrogels Based on 2-Hydroxyethyl(meth)acrylates

Free-radical copolymerization of 2-hydroxyethyl methacrylate with 2-hydroxyethyl acrylate can be successively utilized for the synthesis of water-soluble polymers and hydrogels with excellent physicochemical properties, thus showing promise for pharmaceutical and biomedical applications. In the work presented it has been demonstrated that water-soluble copolymers based on 2-hydroxyethyl methacrylate and 2-hydroxyethyl acrylate exhibit lower critical solution temperature in aqueous solutions, whereas the corresponding high molecular weight homopolymers do not have this unique property. The temperature-induced transitions observed upon heating the aqueous solutions of these copolymers proceed via liquid−liquid phase separation. The hydrogels were also synthesized by copolymerizing 2-hydroxyethyl methacrylate and 2-hydroxyethyl acrylate in the absence of a bifunctional cross-linker. The cross-linking of these copolymers during copolymerization is believed to be due to the presence of bifunctional admixtures or transesterification reactions. Transparency, swelling behavior, mechanical properties, and porosity of the hydrogels are dependent upon the monomer ratio in the copolymers. Hydrogel samples containing more 2-hydroxyethyl methacrylate are less transparent, have lower swelling capacity, higher elastic moduli, and pores of smaller size. The assessment of the biocompatibility of the copolymers using the slug mucosal irritation test revealed that they are also less irritant than poly(acrylic acid).