Topochemical polymerization in self-assembled rodlike micelles of bisurea bolaamphiphiles

Rod-like micelles, formed from bolaamphiphiles with oligo(ethylene oxide) hydrophilic outer segments and a hydrophobic segment with diacetylene flanked by two urea moieties, were covalently fixated by topochemical photopolymerization to high degrees of polymerization by optimizing the hydrophobic core and the hydrophilic periphery of the bolaamphiphiles. Analysis of the polymerized product with dynamic light scattering in chloroform showed degrees of polymerization of approximately 250. Cryo-TEM of bolaamphiphiles before and after UV irradiation showed that the morphology of the rods was conserved upon topochemical polymerization. © 2014 The Royal Society of Chemistry.

Ultrashort Cationic Naphthalene-Derived Self-Assembled Peptides as Antimicrobial Nanomaterials

Self-assembling dipeptides conjugated to naphthalene show considerable promise as nanomaterial structures, biomaterials, and drug delivery devices. Biomaterial infections are responsible for high rates of patient mortality and morbidity. The presence of biofilm bacteria, which thrive on implant surfaces, are a huge burden on healthcare budgets, as they are highly resistant to current therapeutic strategies. Ultrashort cationic self-assembled peptides represent a highly innovative and cost-effective strategy to form antibacterial nanomaterials. Lysine conjugated variants display the greatest potency with 2% w/v NapFFKK hydrogels significantly reducing the viable Staphylococcus epidermidis biofilm by 94%. Reducing the size of the R-group methylene chain on cationic moieties resulted in reduction of antibiofilm activity. The primary amine of the protruding R-group tail may not be as readily available to interact with negatively charged bacterial membranes. Cryo-SEM, FTIR, CD spectroscopy, and oscillatory rheology provided evidence of supramolecular hydrogel formation at physiological pH (pH 7.4). Cytotoxicity assays against murine fibroblast (NCTC 929) cell lines confirmed the gels possessed reduced cytotoxicity relative to bacterial cells, with limited hemolysis upon exposure to equine erythrocytes. The results presented in this paper highlight the significant potential of ultrashort cationic naphthalene peptides as future biomaterials.

Evolution of Antimicrobial Peptides to Self-Assembled Peptides for Biomaterial Applications

Biomaterial-related infections are a persistent burden on patient health, recovery, mortality and healthcare budgets. Self-assembled antimicrobial peptides have evolved from the area of antimicrobial peptides. Peptides serve as important weapons in nature, and increasingly medicine, for combating microbial infection and biofilms. Self-assembled peptides harness a “bottom-up” approach, whereby the primary peptide sequence may be modified with natural and unnatural amino acids to produce an inherently antimicrobial hydrogel. Gelation may be tailored to occur in the presence of physiological and infective indicators (e.g. pH, enzymes) and therefore allow local, targeted antimicrobial therapy at the site of infection. Peptides demonstrate inherent biocompatibility, antimicrobial activity, biodegradability and numerous functional groups. They are therefore prime candidates for the production of polymeric molecules that have the potential to be conjugated to biomaterials with precision. Non-native chemistries and functional groups are easily incorporated into the peptide backbone allowing peptide hydrogels to be tailored to specific functional requirements. This article reviews an area of increasing interest, namely self-assembled peptides and their potential therapeutic applications as innovative hydrogels and biomaterials in the prevention of biofilm-related infection.

Self-Assembled Supramolecular Gels of Reverse Poloxamers and Cyclodextrins

A series of supramolecular aggregates were prepared using a poly(propylene oxide) poly(ethylene oxide) poly(propylene oxide) (PPO-PEO-PPO) block copolymer and beta- or alpha-cyclodextrins (CD). The combination of beta-CD and the copolymer yields inclusion complexes (IC) with polypseudorotaxane structures. These are formed by complexation of the PPO blocks with beta-CD molecules producing a powder precipitate with a certain crystallinity degree that can be evaluated by X-ray diffraction (XRD). In contrast, when combining alpha-CD with the block copolymer, the observed effect is an increase in the viscosity of the mixtures, yielding fluid gels. Two cooperative effects come into play: the complexation of PEO blocks with alpha-CD and the hydrophobic interactions between PPO blocks in aqueous media. These two combined interactions lead to the formation of a macromoleculaf network. The resulting fluid gels were characterized using different techniques such as differential scanning calorimetry (DSC), viscometry, and XRD measurements.

Properties of self-assembled diluted magnetic semiconductor nanostructures

Este trabalho centra-se na investigação da possibilidade de se conseguir um semicondutor magnético diluído (SMD) baseado em ZnO. Foi levado a cabo um estudo detalhado das propriedades magnéticas e estruturais de estruturas de ZnO, nomeadamente nanofios (NFs), nanocristais (NCs) e filmes finos, dopadas com metais de transição (MTs). Foram usadas várias técnicas experimentais para caracterizar estas estruturas, designadamente difracção de raios-X, microscopia electrónica de varrimento, ressonância magnética, SQUID, e medidas de transporte. Foram incorporados substitucionalmente nos sítios do Zn iões de Mn2+ e Co2+ em ambos os NFs e NCs de ZnO. Revelou-se para ambos os iões dopantes, que a incorporação é heterogénea, uma vez que parte do sinal de ressonância paramagnética electrónica (RPE) vem de iões de MTs em ambientes distorcidos ou enriquecidos com MTs. A partir das intensidades relativas dos espectros de RPE e de modificações da superfície, demonstra-se ainda que os NCs exibem uma estrutura core-shell. Os resultados, evidenciam que, com o aumento da concentração de MTs, a dimensão dos NCs diminui e aumentam as distorções da rede. Finalmente, no caso dos NCs dopados com Mn, obteve-se o resultado singular de que a espessura da shell é da ordem de 0.3 nm e de que existe uma acumulação de Mn na mesma. Com o objectivo de esclarecer o papel dos portadores de carga na medição das interacções ferromagnéticas, foram co-dopados filmes de ZnO com Mn e Al ou com Co e Al. Os filmes dopados com Mn, revelaram-se simplesmente paramagnéticos, com os iões de Mn substitucionais nos sítios do Zn. Por outro lado, os filmes dopados com Co exibem ferromagnetismo fraco não intrínseco, provavelmente devido a decomposição spinodal. Foram ainda efectuados estudos comparativos com filmes de ligas de Zn1-xFexO. Como era de esperar, detectaram-se segundas fases de espinela e de óxido de ferro nestas ligas; todas as amostras exibiam curvas de histerese a 300 K. Estes resultados suportam a hipótese de que as segundas fases são responsáveis pelo comportamento magnético observado em muitos sistemas baseados em ZnO. Não se observou nenhuma evidência de ferromagnetismo mediado por portadores de carga. As experiências mostram que a análise de RPE permite demonstrar directamente se e onde estão incorporados os iões de MTs e evidenciam a importância dos efeitos de superfície para dimensões menores que ~15 nm, para as quais se formam estruturas core-shell. As investigações realizadas no âmbito desta tese demonstram que nenhuma das amostras de ZnO estudadas exibiram propriedades de um SMD intrínseco e que, no futuro, são necessários estudos teóricos e experimentais detalhados das interacções de troca entre os iões de MTs e os átomos do ZnO para determinar a origem das propriedades magnéticas observadas.

Estudo da aplicabilidade de biossensores piezoelécticos para a detecção de lipopolissacáridos bacterianos

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).