Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Logic-Based Delivery of Site-Specifically-Modified Proteins from Gels through Engineered Biomacromolecular Architecture

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Obtenção de um hidrogel proveniente de proteínas da corvina (micropogonias furnieri) e solubilização das proteínas fibrosas residuais

Com o aumento na captura de pescado e da poluição do meio ambiente, esta-se à margem de exceder a estimativa do limite da sustentabilidade, e obviamente isto faz com se utilize os recursos marítimos com mais inteligência e precaução. Aplicando tecnologia enzimática ou química é possível recuperar as proteínas do processamento do pescado, produzindo hidrolisados e isolados protéicos. Uma grande quantidade de proteínas insolúveis está disponível em escamas, peles e ossos, subprodutos do processamento do pescado, que podem ser solubilizadas através de fungos e bactérias. Utilizando isolados protéicos é possível obter biopolímeros, estes têm chamado a atenção nos últimos anos, pois são biodegradáveis, não-tóxicos e geralmente biocompatíveis. Os hidrogéis protéicos são polímeros que podem absorver uma quantidade de água a partir de 10 até centenas de vezes o seu peso seco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um hidrogel protéico, com propriedades superabsorventes, a partir das proteínas solúveis e insolúveis da corvina (Micropogonias furnieri). Para a produção dos hidrolisados a partir das proteínas solúveis foi utilizado processo enzimático (Alcalase e Flavourzyme) e químico (solubilização ácida e alcalina). Nos processos de solubilização das proteínas insolúveis foram utilizados microrganismos (bactérias e fungos). Tanto as bactérias como os fungos avaliados apresentaram capacidade de solubilizar as proteínas insolúveis presentes nos resíduos (escamas, ossos, cartilagens e outros). A bactéria que atingiu a maior atividade proteolítica foi a Bacillus velesensis (47,56 U mL-1) e o fungo foi o Penicillium sp. (E20) (31,20 U mL-1). Para a produção dos hidrogéis, foram utilizados isolados protéicos provenientes de solubilização ácida ou alcalina, produzidos a partir de resíduos da industrialização de pescado, modificados quimicamente com dianidrido etilenodiamino tetraacético (EDTAD) e adicionados de agente de ligação cruzada (glutaraldeído). Algumas proteínas modificadas ainda foram submetidas a tratamento com etanol. Foram realizadas análise estrutural das proteínas modificadas e estudo da capacidade de retenção de água dos hidrogéis assim obtidos. Os hidrogéis produzidos apresentaram alta capacidade de retenção de água. A máxima absorção de água foi alcançada pelo hidrogel ácido sem o tratamento com etanol foi de 103,25 gágua/ggel seco, enquanto que a mesma amostra tratada com etanol alcançou 216,05 gágua/ggel seco. Os hidrogéis produzidos podem ser utilizados em diversas indústrias, tais como, farmacêutica, alimentícia, médica, agroindústria, entre outras, que necessitem de hidrogéis com alta capacidade de retenção de água.

Development of polymeric drug delivery vehicles for targeted cancer therapy

The aim of my Ph. D. thesis is to generalize a method for targeted anti-cancer drug delivery. Hydrophilic polymer-drug conjugates involve complicated synthesis; drug-encapsulated polymeric nanoparticles limit the loading capability of payloads. This thesis introduces the concept of nanoconjugates to overcome difficulties in synthesis and formulation. Drugs with hydroxyl group are able to initiate polyester synthesis in a regio- and chemo- selective way, with the mediation of ligand-tunable Zinc catalyst. Herein, three anti-cancer drugs are presented to demonstrate the high efficiency and selectivity in the method (Chapter 2-4). The obtained particles are stable in salt solution, releasing drugs over weeks in controlled manner. With the conjugation of aptamer, particles are capable to target prostate cancer cells in vitro. These results open the gateway to evaluate the in vivo efficacy of nanoconjugates for target cancer therapy (Chapter 5). Mechanism study of the polymerization leads to the discovery of chemosite selective synthesis of prodrugs with acrylate functional groups. Functional copolymer-drug conjugates will expand the scope of nanoconjugates (Chapter 6). Liposome-aptamer targeting drug delivery vehicle is well studied to achieve reversible cell-specific delivery of non-hydoxyl drugs e.g. cisplatin (Chapter 7). New monomers and polymerization mechanisms are explored for polyester in order to synthesize nanoconjugates with variety on properties (Chapter 8). Initial efforts to apply this type of prodrugs will be focused on the preparation of hydrogels for stem cell research (Chapter 9).

Dynamic Coculture of a Prevascularized Engineered Bone Construct

The generation of functional, vascularized tissues is a key challenge for the field of tissue engineering. Before clinical implantations of tissue engineered bone constructs can succeed, in vitro fabrication needs to address limitations in large-scale tissue development, including controlled osteogenesis and an inadequate vasculature network to prevent necrosis of large constructs. The tubular perfusion system (TPS) bioreactor is an effective culturing method to augment osteogenic differentiation and maintain viability of human mesenchymal stem cell (hMSC)-seeded scaffolds while they are developed in vitro. To further enhance this process, we developed a novel osteogenic growth factors delivery system for dynamically cultured hMSCs using microparticles encapsulated in three-dimensional alginate scaffolds. In light of this increased differentiation, we characterized the endogenous cytokine distribution throughout the TPS bioreactor. An advantageous effect in the ‘outlet’ portion of the uniaxial growth chamber was discovered due to the system’s downstream circulation and the unique modular aspect of the scaffolds. This unique trait allowed us to carefully tune the differentiation behavior of specific cell populations. We applied the knowledge gained from the growth profile of the TPS bioreactor to culture a high-volume bone composite in a 3D-printed femur mold. This resulted in a tissue engineered bone construct with a volume of 200cm3, a 20-fold increase over previously reported sizes. We demonstrated high viability of the cultured cells throughout the culture period as well as early signs of osteogenic differentiation. Taking one step closer toward a viable implant and minimize tissue necrosis after implantation, we designed a composite construct by coculturing endothelial cells (ECs) and differentiating hMSCs, encouraging prevascularization and anastomosis of the graft with the host vasculature. We discovered the necessity of cell to cell proximity between the two cell types as well as preference for the natural cell binding capabilities of hydrogels like collagen. Notably, the results suggested increased osteogenic and angiogenic potential of the encapsulated cells when dynamically cultured in the TPS bioreactor, suggesting a synergistic effect between coculture and applied shear stress. This work highlights the feasibility of fabricating a high-volume, prevascularized tissue engineered bone construct for the regeneration of a critical size defect.

Hidrógeis de Poli(N-Vinil 2-Pirrolidona) com nano argilas laponite RD sinterizados por irradiação gama

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

Wood-derived biomaterials for biomedical applications

Driven by the global trend in the sustainable economy development and environmental concerns, the exploring of plant-derived biomaterials or biocomposites for potential biomedical and/or pharmaceutical applications has received tremendous attention. Therefore, the work of this thesis is dedicated to high-value and high-efficiency utilization of plant-derived materials, with the focus on cellulose and hemicelluloses in the field of biomedical applications in a novel biorefinery concept. The residual cellulose of wood processing waste, sawdust, was converted into cellulose nanofibrils (CNFs) with tunable surface charge density and geometric size through 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO)-mediated oxidation and mechanical defibrillation. The sawdust-based CNFs and its resultant free-standing films showed comparable or even better mechanical properties than those from a commercial bleached kraft pulp at the same condition, demonstrating the feasibility of producing CNFs and films thereof with outstanding mechanical properties from birch sawdust by a process incorporated into a novel biorefinery platform recovering also polymeric hemicelluloses for other applications. Thus, it is providing an efficient route to upgrade sawdust waste to valuable products. The surface charge density and geometric size of the CNFs were found to play key roles in the stability of the CNF suspension, as well as the gelling properties, swelling behavior, mechanical stiffness, morphology and microscopic structural properties, and biocompatibility of CNF-based materials (i.e. films, hydrogels, and aerogels). The CNFs with tunable surface chemistry and geometric size was found promising applications as transparent and tough barrier materials or as reinforcing additive for production of biocomposites. The CNFs was also applied as structural matrices for the preparation of biocomposites possessing electrical conductivity and antimicrobial activity by in situ polymerization and coating of polypyrrole, and incorporation of silver nanoparticles, which make the material possible for potential wound healing application. The CNF-based matrices (films, hydrogels, and aerogels) with tunable structural and mechanical properties and biocompatibility were further prepared towards an application as 3D scaffolds in tissue engineering. The structural and mechanical strength of the CNF matrices could be tuned by controlling the charge density of the nanocellulose, as well as the pH and temperature values of the hydrogel formation conditions. Biological tests revealed that the CNF scaffolds could promote the survival and proliferation of tumor cells, and enhance the transfection of exogenous DNA into the cells, suggesting the usefulness of the CNF-based 3D matrices in supporting crucial cellular processes during cell growth and proliferation. The CNFs was applied as host materials to incorporate biomolecules for further biomedical application. For example, to investigate how the biocompatibility of a scaffold is influenced by its mechanical and structural properties, these properties of CNF-based composite matrices were controlled by incorporation of different hemicelluloses (O-acetyl galactoglucomanan (GGM), xyloglucan (XG), and xylan) into CNF hydrogel networks in different ratios and using two different approaches. The charge density of the CNFs, the incorporated hemicellulose type and amount, and the swelling time of the hydrogels were found to affect the pore structure, the mechanical strength, and thus the cells growth in the composite hydrogel scaffolds. The mechanical properties of the composite hydrogels were found to have an influence on the cell viability during the wound healing relevant 3T3 fibroblast cell culture. The thusprepared CNF composite hydrogels may work as promising scaffolds in wound healing application to provide supporting networks and to promote cells adhesion, growth, and proliferation.

Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.