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.

The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

A PVC plasticized membrane sensor for nickel ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.

A PVC Plasticized Membrane Sensor for Nickel Ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.

A PVC Plasticized Sensor for Ni(II) Ion Based on a Simple Ethylenediamine Derivative

new PVC membrane ion selective electrode which is highly selective towards Ni(II) ions was constructed using a Schiff base containing a binaphthyl moiety as the ionophore. The sensor exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range 1.0 × 10–1 – 5.0 × 10–6 M with a lower limit of detection of 1.3 × 10–6 M. It has a fast response time and can be used for a period of 4 months with a good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions in a wide pH range of 3.6 – 7.4 and works satisfactorily in the presence of 25% (v/v) methanol or ethanol. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a wide variety of cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for the direct determination of nickel content in real samples: effluent samples, chocolates and hydrogenated oils.

A new inexpensive method for the preparation of acicular precursors for magnetic recording media

Magnetic materials meant for audio/video recording applications necessitate that polycrystalline materials be in acicular shape. So preparation of acicular precursors for magnetic storage materials assumes significance. The employment of aqueous solutions do not produce needle shape crystallites. Glycerol is one of the complexing media used for the precipitation of ferrous oxalate dihydrate. An inexpensive method using starch for preparation of acicular particles is described. The influence of an additive namely Gd on acicularity is also investigated

Synthesis, Characterization and Applications of Modified TiO2 Systems

This thesis is divided in to 9 chapters and deals with the modification of TiO2 for various applications include photocatalysis, thermal reaction, photovoltaics and non-linear optics. Chapter 1 involves a brief introduction of the topic of study. An introduction to the applications of modified titania systems in various fields are discussed concisely. Scope and objectives of the present work are also discussed in this chapter. Chapter 2 explains the strategy adopted for the synthesis of metal, nonmetal co-doped TiO2 systems. Hydrothermal technique was employed for the preparation of the co-doped TiO2 system, where Ti[OCH(CH3)2]4, urea and metal nitrates were used as the sources for TiO2, N and metals respectively. In all the co-doped systems, urea to Ti[OCH(CH3)2]4 was taken in a 1:1 molar ratio and varied the concentration of metals. Five different co-doped catalytic systems and for each catalysts, three versions were prepared by varying the concentration of metals. A brief explanation of physico-chemical techniques used for the characterization of the material was also presented in this chapter. This includes X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, FTIR analysis, Thermo Gravimetric Analysis, Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), Scanning Electron Microscopy(SEM), UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET Surface Area Measurements and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Chapter 3 contains the results and discussion of characterization techniques used for analyzing the prepared systems. Characterization is an inevitable part of materials research. Determination of physico-chemical properties of the prepared materials using suitable characterization techniques is very crucial to find its exact field of application. It is clear from the XRD pattern that photocatalytically active anatase phase dominates in the calcined samples with peaks at 2θ values around 25.4°, 38°, 48.1°, 55.2° and 62.7° corresponding to (101), (004), (200), (211) and (204) crystal planes (JCPDS 21-1272) respectively. But in the case of Pr-N-Ti sample, a new peak was observed at 2θ = 30.8° corresponding to the (121) plane of the polymorph brookite. There are no visible peaks corresponding to dopants, which may be due to their low concentration or it is an indication of the better dispersion of impurities in the TiO2. Crystallite size of the sample was calculated from Scherrer equation byusing full width at half maximum (FWHM) of the (101) peak of the anatase phase. Crystallite size of all the co-doped TiO2 was found to be lower than that of bare TiO2 which indicates that the doping of metal ions having higher ionic radius into the lattice of TiO2 causes some lattice distortion which suppress the growth of TiO2 nanoparticles. The structural identity of the prepared system obtained from XRD pattern is further confirmed by Raman spectra measurements. Anatase has six Raman active modes. Band gap of the co-doped system was calculated using Kubelka-Munk equation and that was found to be lower than pure TiO2. Stability of the prepared systems was understood from thermo gravimetric analysis. FT-IR was performed to understand the functional groups as well as to study the surface changes occurred during modification. EDX was used to determine the impurities present in the system. The EDX spectra of all the co-doped samples show signals directly related to the dopants. Spectra of all the co-doped systems contain O and Ti as the main components with low concentrations of doped elements. Morphologies of the prepared systems were obtained from SEM and TEM analysis. Average particle size of the systems was drawn from histogram data. Electronic structures of the samples were identified perfectly from XPS measurements. Chapter 4 describes the photocatalytic degradation of herbicides Atrazine and Metolachlor using metal, non-metal co-doped titania systems. The percentage of degradation was analyzed by HPLC technique. Parameters such as effect of different catalysts, effect of time, effect of catalysts amount and reusability studies were discussed. Chapter 5 deals with the photo-oxidation of some anthracene derivatives by co-doped catalytic systems. These anthracene derivatives come underthe category of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Due to the presence of stable benzene rings, most of the PAH show strong inhibition towards biological degradation and the common methods employed for their removal. According to environmental protection agency, most of the PAH are highly toxic in nature. TiO2 photochemistry has been extensively investigated as a method for the catalytic conversion of such organic compounds, highlighting the potential of thereof in the green chemistry. There are actually two methods for the removal of pollutants from the ecosystem. Complete mineralization is the one way to remove pollutants. Conversion of toxic compounds to another compound having toxicity less than the initial starting compound is the second way. Here in this chapter, we are concentrating on the second aspect. The catalysts used were Gd(1wt%)-N-Ti, Pd(1wt%)-N-Ti and Ag(1wt%)-N-Ti. Here we were very successfully converted all the PAH to anthraquinone, a compound having diverse applications in industrial as well as medical fields. Substitution of 10th position of desired PAH by phenyl ring reduces the feasibility of photo reaction and produced 9-hydroxy 9-phenyl anthrone (9H9PA) as an intermediate species. The products were separated and purified by column chromatography using 70:30 hexane/DCM mixtures as the mobile phase and the resultant products were characterized thoroughly by 1H NMR, IR spectroscopy and GCMS analysis. Chapter 6 elucidates the heterogeneous Suzuki coupling reaction by Cu/Pd bimetallic supported on TiO2. Sol-Gel followed by impregnation method was adopted for the synthesis of Cu/Pd-TiO2. The prepared system was characterized by XRD, TG-DTG, SEM, EDX, BET Surface area and XPS. The product was separated and purified by column chromatography using hexane as the mobile phase. Maximum isolated yield of biphenyl of around72% was obtained in DMF using Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti as the catalyst. In this reaction, effective solvent, base and catalyst were found to be DMF, K2CO3 and Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti respectively. Chapter 7 gives an idea about the photovoltaic (PV) applications of TiO2 based thin films. Due to energy crisis, the whole world is looking for a new sustainable energy source. Harnessing solar energy is one of the most promising ways to tackle this issue. The present dominant photovoltaic (PV) technologies are based on inorganic materials. But the high material, low power conversion efficiency and manufacturing cost limits its popularization. A lot of research has been conducted towards the development of low-cost PV technologies, of which organic photovoltaic (OPV) devices are one of the promising. Here two TiO2 thin films having different thickness were prepared by spin coating technique. The prepared films were characterized by XRD, AFM and conductivity measurements. The thickness of the films was measured by Stylus Profiler. This chapter mainly concentrated on the fabrication of an inverted hetero junction solar cell using conducting polymer MEH-PPV as photo active layer. Here TiO2 was used as the electron transport layer. Thin films of MEH-PPV were also prepared using spin coating technique. Two fullerene derivatives such as PCBM and ICBA were introduced into the device in order to improve the power conversion efficiency. Effective charge transfer between the conducting polymer and ICBA were understood from fluorescence quenching studies. The fabricated Inverted hetero junction exhibited maximum power conversion efficiency of 0.22% with ICBA as the acceptor molecule. Chapter 8 narrates the third order order nonlinear optical properties of bare and noble metal modified TiO2 thin films. Thin films were fabricatedby spray pyrolysis technique. Sol-Gel derived Ti[OCH(CH3)2]4 in CH3CH2OH/CH3COOH was used as the precursor for TiO2. The precursors used for Au, Ag and Pd were the aqueous solutions of HAuCl4, AgNO3 and Pd(NO3)2 respectively. The prepared films were characterized by XRD, SEM and EDX. The nonlinear optical properties of the prepared materials were investigated by Z-Scan technique comprising of Nd-YAG laser (532 nm,7 ns and10 Hz). The non-linear coefficients were obtained by fitting the experimental Z-Scan plot with the theoretical plots. Nonlinear absorption is a phenomenon defined as a nonlinear change (increase or decrease) in absorption with increasing of intensity. This can be mainly divided into two types: saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA). Depending on the pump intensity and on the absorption cross- section at the excitation wavelength, most molecules show non- linear absorption. With increasing intensity, if the excited states show saturation owing to their long lifetimes, the transmission will show SA characteristics. Here absorption decreases with increase of intensity. If, however, the excited state has strong absorption compared with that of the ground state, the transmission will show RSA characteristics. Here in our work most of the materials show SA behavior and some materials exhibited RSA behavior. Both these properties purely depend on the nature of the materials and alignment of energy states within them. Both these SA and RSA have got immense applications in electronic devices. The important results obtained from various studies are presented in chapter 9.

Statistical evaluation of texture analysis from the biocrystallization method

The consumers are becoming more concerned about food quality, especially regarding how, when and where the foods are produced (Haglund et al., 1999; Kahl et al., 2004; Alföldi, et al., 2006). Therefore, during recent years there has been a growing interest in the methods for food quality assessment, especially in the picture-development methods as a complement to traditional chemical analysis of single compounds (Kahl et al., 2006). The biocrystallization as one of the picture-developing method is based on the crystallographic phenomenon that when crystallizing aqueous solutions of dihydrate CuCl2 with adding of organic solutions, originating, e.g., from crop samples, biocrystallograms are generated with reproducible crystal patterns (Kleber & Steinike-Hartung, 1959). Its output is a crystal pattern on glass plates from which different variables (numbers) can be calculated by using image analysis. However, there is a lack of a standardized evaluation method to quantify the morphological features of the biocrystallogram image. Therefore, the main sakes of this research are (1) to optimize an existing statistical model in order to describe all the effects that contribute to the experiment, (2) to investigate the effect of image parameters on the texture analysis of the biocrystallogram images, i.e., region of interest (ROI), color transformation and histogram matching on samples from the project 020E170/F financed by the Federal Ministry of Food, Agriculture and Consumer Protection(BMELV).The samples are wheat and carrots from controlled field and farm trials, (3) to consider the strongest effect of texture parameter with the visual evaluation criteria that have been developed by a group of researcher (University of Kassel, Germany; Louis Bolk Institute (LBI), Netherlands and Biodynamic Research Association Denmark (BRAD), Denmark) in order to clarify how the relation of the texture parameter and visual characteristics on an image is. The refined statistical model was accomplished by using a lme model with repeated measurements via crossed effects, programmed in R (version 2.1.0). The validity of the F and P values is checked against the SAS program. While getting from the ANOVA the same F values, the P values are bigger in R because of the more conservative approach. The refined model is calculating more significant P values. The optimization of the image analysis is dealing with the following parameters: ROI(Region of Interest which is the area around the geometrical center), color transformation (calculation of the 1 dimensional gray level value out of the three dimensional color information of the scanned picture, which is necessary for the texture analysis), histogram matching (normalization of the histogram of the picture to enhance the contrast and to minimize the errors from lighting conditions). The samples were wheat from DOC trial with 4 field replicates for the years 2003 and 2005, “market samples”(organic and conventional neighbors with the same variety) for 2004 and 2005, carrot where the samples were obtained from the University of Kassel (2 varieties, 2 nitrogen treatments) for the years 2004, 2005, 2006 and “market samples” of carrot for the years 2004 and 2005. The criterion for the optimization was repeatability of the differentiation of the samples over the different harvest(years). For different samples different ROIs were found, which reflect the different pictures. The best color transformation that shows efficiently differentiation is relied on gray scale, i.e., equal color transformation. The second dimension of the color transformation only appeared in some years for the effect of color wavelength(hue) for carrot treated with different nitrate fertilizer levels. The best histogram matching is the Gaussian distribution. The approach was to find a connection between the variables from textural image analysis with the different visual criteria. The relation between the texture parameters and visual evaluation criteria was limited to the carrot samples, especially, as it could be well differentiated by the texture analysis. It was possible to connect groups of variables of the texture analysis with groups of criteria from the visual evaluation. These selected variables were able to differentiate the samples but not able to classify the samples according to the treatment. Contrarily, in case of visual criteria which describe the picture as a whole there is a classification in 80% of the sample cases possible. Herewith, it clearly can find the limits of the single variable approach of the image analysis (texture analysis).

Theoretical study of the physicochemical properties of the light transactinides

A theoretical study of the physicochemical properties of elements 104, 105, and 106 and their compounds in the gas phase and aqueous solutions has been undertaken using relativistic atomic and molecular codes. Trends in properties such as bonding, ionization potentials, electron affinities, energies of electronic transitions, stabilities of oxidation states etc. have been defined within the corresponding chemical groups and within the transactinides. These trends are shown to be determined by increasing relativistic effects within the groups. The behaviour of some gas phase compounds and complexes in solutions is predicted for the gas chromatography and solvent extraction experiments. Redox potentials in aqueous solutions of these elements are estimated.

Association Behavior of Biotinylated and Non-Biotinylated PolyEthylene Oxide-b-Poly(2-(Diethylamino)Ethyl Methacrylate)

Biotinylated and non-biotinylated copolymers of ethylene oxide (EO) and 2-(diethylamino)ethyl methacrylate (DEAEMA) were synthesized by the atom transfer radical polymerization technique (ATRP). The chemical compositions of the copolymers as determined by NMR are represented by PEO₁₁₃PDEAEMA₇₀ and biotin-PEO₁₀₄PDEAEMA₉₃ respectively. The aggregation behavior of these polymers in aqueous solutions at different pHs and ionic strengths was studied using a combination of potentiometric titration, dynamic light scattering (DLS), static light scattering (SLS), and transmission electron microscopy (TEM). Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers form micelles at high pH with hydrodynamic radii (Rh) of about 19 and 23 nm, respectively. At low pH, the copolymers are dispersed as unimers in solution with Rh of about 6-7 nm. However, at a physiological salt concentration (cs) of about 0.16M NaCl and a pH of 7-8, the copolymers form large loosely packed Guassian chains, which were not present at the low cs of 0.001M NaCl. The critical micelle concentrations (CMC) and the cytotoxicity of the copolymers were investigated to determine a suitable polymer concentration range for future biological applications. Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers possess identical CMC values of about 0.0023 mg/g, while the cytotoxicity test indicated that the copolymers are not toxic up to 0.05mg/g (> 83% cell survival at this concentration).

Responsive Azobenzene-Containing Polymers and Gels

The photoviscosity effect in aqueous solutions of novel poly(4-methacryloyloxyazobenzene-co-N,N-dimethyl acrylamide) (MOAB-DMA) was demonstrated. The observed significant reduction in the zero-shear viscosity upon UV-irradiation of MOAB-DMA aqueous solutions was due to the dissociation of the interchain azobenzene aggregates. Such phenomena can be advantageously used in photoswitchable fluidic devices and in protein separation. Introduction of enzymatically degradable azo cross-links into Pluronic-PAA microgels allowed for control of swelling due to degradation of the cross-links by azoreductases from the rat intestinal cecum. Dynamic changes in the cross-link density of stimuli-responsive microgels enable novel opportunities for the control of gel swelling, of importance for drug delivery and microgel sensoric applications.

Aprofitament de residus vegetals per a la concentració i separació d'ions metàl·lics de solucions aquoses

La adsorció sobre carbó actiu és un tractament habitual para a l'eliminació de metalls contaminants d'afluents aquosos. Amb la finalitat de reduir el cost dels tractament actuals s'està estudiant la utilització d'adsorbents de baix cost com a substituts dels sorbents convencionals que s'utilitzen usualment en els tractaments d'aigües. En aquesta tesi s'ha avaluat la possibilitat d'aprofitar diversos residus vegetals procedents de processos agrícoles o residus industrials, com a sorbents per a l'eliminació de metalls de solucions aquoses. En concret, el treball s'ha centrat en assolir dos grans objectius, primer de tot, conèixer la possibilitat d'utilitzar el pinyol d'oliva com a adsorbent de metalls divalents de solucions aquoses, com són el Cd(II), Cu(II), Ni(II) i Pb(II), i en segon lloc, avaluar la utilització de quatre residus vegetals (escorça de yohimbe, rapa de raïm, suro i pinyol d'oliva) per a l'extracció de Cr(VI) de solucions aquoses i utilitzar el residu vegetal més apropiat com a base per tal d'obtenir un nou sorbent, amb més bona morfologia per ser utilitzat en sistemes d'eliminació de Cr(VI) en continu. Les dades cinètiques d'adsorció es van tractar amb el model cinètic de pseudo-segon ordre, amb el que es van determinar la velocitat inicial d'adsorció dels metalls. Els models d'isotermes d'equilibri de Langmuir i Freundlich es van utilitzar per descriure els equilibris d'adsorció i calcular els paràmetres de les isotermes. En els assajos amb mescles binàries de metalls, els resultats es van tractar amb el model ampliat de Langmuir. En aquest treball s'ha determinat, primerament, que el pinyol d'oliva és un bon sorbent dels metalls divalents estudiats. S'ha determinat que l'adsorció dels metalls varia amb el pH de la solució i que la presència de sals en la solució provoca una davallada en l'adsorció. També es va determinar la competència en l'adsorció entre els metalls al realitzar assajos en mescles binàries. Amb els estudis d'extracció de Cr(VI) amb els quatre materials s'ha determinat que aquests vegetals poden adsorbir el Cr(VI) en solució, tot i que la rapa i la yohimbe són els materials que presenten unes capacitats d'adsorció més elevades. Les anàlisis amb espectroscòpia electrònica de Raig-X realitzats en la rapa de raïm i la yohimbe en contacte amb Cr(VI) varen demostrar la presència del metall en els dos estats d'oxidació, Cr(VI) i Cr(III), evidenciant la participació del mecanisme de reducció de Cr(VI) en l'adsorció del metall sobre els materials. Amb l'encapsulació de la rapa de raïm es va incrementar significativament la capacitat d'adsorció del metall respecta a la seva utilització en la forma original. Les dades experimentals es van tractar amb un model de difusió i es va determinar el coeficient de difusió en l'adsorció en el sorbent amb diferent percentatge de rapa en l'interior. Finalment s'han realitzat estudis preliminars d'adsorció de crom hexavalent en continu utilitzant columnes de petites dimensions farcides amb el sorbent format per boles de rapa encapsulada en alginat càlcic. En aquests assajos s'ha determinat l'efecte en l'adsorció de metall de diversos paràmetres d'operació, com la concentració inicial de metall, el cabal i l'alçada de llit. El model de transferència de matèria i difusió en columna emprat pel tractament de les dades experimentals va mostrar l'efecte de la concentració inicial i del cabal en els coeficients de difusió i transferència de matèria. El model BDST no va predir correctament el temps de servei en els diferents paràmetres d'operació experimentats a causa de la complexitat del procés d'adsorció. Amb aquests assajos preliminars s'han establert les bases de l'adsorció de Cr(VI) amb el nou sorbent en sistemes en continu amb la finalitat de realitzar estudis posteriors d'eliminació del metall en columnes de majors dimensions.

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Desenvolupament de mètodes de preconcentració emprant membranes líquides suportades i extracció en fase sòlida per a la determinació de l'herbicida glifosat i el seu metabòlit AMPA en aigües naturals

El glifosat, N-(fosfonometil) glicina, és un dels herbicides més utilitzats arreu del món a causa de la seva baixa toxicitat i al seu ampli espectre d'aplicació. A conseqüència del gran ús que se'n fa, és necessari monitoritzar aquest compost i el seu principal metabòlit, l'àcid aminometilfosfònic (AMPA), en el medi ambient. S'han descrit diversos mètodes instrumentals basats en cromatografia de gasos (GC) i de líquids (HPLC), sent aquesta darrera l'opció més favorable a causa del caràcter polar dels anàlits. Per assolir nivells de concentració baixos cal, però, la preconcentració dels anàlits. En aquest treball s'estudien diferents alternatives amb aquest objectiu. S'ha avaluat la tècnica de membrana líquida suportada (SLM) on la membrana consisteix en una dissolució orgànica, que conté un transportador (en el nostre cas, un bescanviador d'anions comercial, Aliquat 336), que impregna un suport polimèric microporós que se situa entre dues solucions aquoses: la de càrrega, que conté els anàlits inicialment, i la receptora, on es retenen els anàlits després del seu transport a través de la membrana. Les condicions d'extracció més adequades s'obtenen treballant en medi bàsic amb NaOH on els anàlits estan en forma aniònica i les majors recuperacions s'obtenen amb HCl 0,1 M o NaCl 0,5 M, la qual cosa indica que l'ió clorur és la força impulsora del transport. Un cop dissenyat el sistema, es duen a terme experiments de preconcentració amb dues geometries diferents: un sistema de membrana laminar (LSLM) on recircula la fase receptora i un sistema de fibra buida (HFSLM). Els millors resultats s'obtenen amb el mòdul de fibra buida, amb factors de concentració de 25 i 3 per a glifosat i AMPA, respectivament, fent recircular durant 24 hores 100 ml de solució de càrrega i 4 ml de solució receptora. També s'aplica una tècnica més selectiva, la cromatografia d'afinitat amb ió metàl·lic immobilitzat (IMAC), basada en la interacció entre els anàlits i un metall immobilitzat en una resina a través d'un grup funcional d'aquesta. En aquest estudi s'immobilitza pal·ladi al grup funcional 8-hidroxiquinoleïna de la resina amb matriu acrílica Spheron Oxine 1000 i s'avalua per a l'extracció i preconcentració de glifosat i AMPA. Per a ambdós anàlits l'adsorció és del 100 % i les recuperacions són superiors al 80 % i al 60 % per a glifosat i AMPA, respectivament, utilitzant HCl 0,1 M + NaCl 1 M com a eluent. Aquests resultats es comparen amb els obtinguts amb dues resines més, també carregades amb pal·ladi: Iontosorb Oxin 100, que té el mateix grup funcional però matriu de cel·lulosa, i Spheron Thiol 1000, on el grup funcional és un tiol i la matriu també és acrílica. Per al glifosat els resultats són similars amb totes les resines, però per a l'AMPA la resina Spheron Thiol és la única que proporciona recuperacions superiors al 93 %. Finalment, una altra opció estudiada és l'acoblament de dues columnes de cromatografia líquida (LC-LC). En l'estudi l'objectiu és millorar el mètode existent per a glifosat i AMPA en aigües naturals on el LOD era de 0,25 ug/l. El mètode consisteix en la derivatització precolumna amb el reactiu fluorescent FMOC i l'anàlisi amb l'acoblament LC-LC-fluorescència. Variant lleugerament les condicions de derivatització s'aconsegueix quantificar 0,1 ug/l de glifosat i AMPA. Es fortifiquen aigües naturals amb 0,1, 1 i 10 ug/l dels anàlits per validar el mètode. S'obtenen recuperacions d'entre el 85 % i el 100 %, amb desviacions estàndard relatives inferiors al 8 %. Aplicant una tècnica de preconcentració prèvia a la derivatització i anàlisi utilitzant una resina de bescanvi aniònic, Amberlite IRA-900, es millora la sensibilitat del mètode i s'assoleix un LOD per al glifosat de 0,02 ug/l.