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).

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

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.

Continuum Double Exchange Model

We present a continuum model for doped manganites which consist of two species of quantum spin-1 / 2 fermions interacting with classical spin fields. The phase structure at zero temperature turns out to be considerably rich: antiferromagnetic insulator, antiferromagnetic two band conducting, canted two band conducting, canted one band conducting, and ferromagnetic one band conducting phases are identified, all of them being stable against phase separation. There are also regions in the phase diagram where phase separation occurs

Spanning avalanches in the three-dimensional Gaussian random-field Ising model with metastable dynamics: Field dependence and geometrical properties

Spanning avalanches in the 3D Gaussian Random Field Ising Model (3D-GRFIM) with metastable dynamics at T=0 have been studied. Statistical analysis of the field values for which avalanches occur has enabled a Finite-Size Scaling (FSS) study of the avalanche density to be performed. Furthermore, a direct measurement of the geometrical properties of the avalanches has confirmed an earlier hypothesis that several types of spanning avalanches with two different fractal dimensions coexist at the critical point. We finally compare the phase diagram of the 3D-GRFIM with metastable dynamics with the same model in equilibrium at T=0.

Precursor nanoscale modulations in ferromagnets: Modeling and thermodynamic characterization

Using a Ginzburg-Landau model for the magnetic degrees of freedom with coupling to disorder, we demonstrate through simulations the existence of stripelike magnetic precursors recently observed in Co-Ni-Al alloys above the Curie temperature. We characterize these magnetic modulations by means of the temperature dependence of local magnetization distribution, magnetized volume fraction, and magnetic susceptibility. We also obtain a temperature-disorder strength phase diagram in which a magnetic tweed phase exists in a small region between the paramagnetic and dipolar phases.

Diluted three-dimensional random field Ising model at zero temperature with metastable dynamics.

The influence of vacancy concentration on the behavior of the three-dimensional random field Ising model with metastable dynamics is studied. We have focused our analysis on the number of spanning avalanches which allows us a clear determination of the critical line where the hysteresis loops change from continuous to discontinuous. By a detailed finite-size scaling analysis we determine the phase diagram and numerically estimate the critical exponents along the whole critical line. Finally, we discuss the origin of the curvature of the critical line at high vacancy concentration.

Semiclassical theory of shot noise in ballistic n+in+ semiconductor structures: relevance of Pauli and long range Coulomb interactions

We work out a semiclassical theory of shot noise in ballistic n+-i-n+ semiconductor structures aiming at studying two fundamental physical correlations coming from Pauli exclusion principle and long-range Coulomb interaction. The theory provides a unifying scheme which, in addition to the current-voltage characteristics, describes the suppression of shot noise due to Pauli and Coulomb correlations in the whole range of system parameters and applied bias. The whole scenario is summarized by a phase diagram in the plane of two dimensionless variables related to the sample length and contact chemical potential. Here different regions of physical interest can be identified where only Coulomb or only Pauli correlations are active, or where both are present with different relevance. The predictions of the theory are proven to be fully corroborated by Monte Carlo simulations.

Elasticity and melting of vortex crystals in anisotropic superconductors: Beyond the continuum regime.

The elastic moduli of vortex crystals in anisotropic superconductors are frequently involved in the investigation of their phase diagram and transport properties. We provide a detailed analysis of the harmonic eigenvalues (normal modes) of the vortex lattice for general values of the magnetic field strength, going beyond the elastic continuum regime. The detailed behavior of these wave-vector-dependent eigenvalues within the Brillouin zone (BZ), is compared with several frequently used approximations that we also recalculate. Throughout the BZ, transverse modes are less costly than their longitudinal counterparts, and there is an angular dependence which becomes more marked close to the zone boundary. Based on these results, we propose an analytic correction to the nonlocal continuum formulas which fits quite well the numerical behavior of the eigenvalues in the London regime. We use this approximate expression to calculate thermal fluctuations and the full melting line (according to Lindeman's criterion) for various values of the anisotropy parameter.

Interactions of bovine serum albumin with ethylene oxide/butylene oxide copolymers in aqueous solution

The interactions of bovine serum albumin (BSA) with three ethylene oxide/butylene oxide (E/B) copolymers having different block lengths and varying molecular architectures is examined in this study in aqueous solutions. Dynamic light scattering (DLS) indicates the absence of BSA-polymer binding in micellar systems of copolymers with lengthy hydrophilic blocks. On the contrary, stable protein-polyrner aggregates were observed in the case of E18B10 block copolymer. Results from DLS and SAXS suggest the dissociation of E/B copolymer micelles in the presence of protein and the absorption of polymer chains to BSA surface. At high protein loadings, bound BSA adopts a more compact conformation in solution. The secondary structure of the protein remains essentially unaffected even at high polymer concentrations. Raman spectroscopy was used to give insight to the configurations of the bound molecules in concentrated solutions. In the vicinity of the critical gel concentration of E18B10 introduction of BSA can dramatically modify the phase diagram, inducing a gel-sol-gel transition. The overall picture of the interaction diagram of the E18B10-BSA reflects the shrinkage of the suspended particles due to destabilization of micelles induced by BSA and the gelator nature of the globular protein. SAXS and rheology were used to further characterize the structure and flow behavior of the polymer-protein hybrid gels and sols.

Structure, rheology and shear alignment of Pluronic block copolymer mixtures

The structure and flow behaviour of binary mixtures of Pluronic block copolymers P85 and P123 is investigated by small-angle scattering, rheometry and mobility tests. Micelle dimensions are probed by dynamic light scattering. The micelle hydrodynamic radius for the 50/50 mixture is larger than that for either P85 or P123 alone, Clue to the formation of mixed micelles with a higher association number. The phase diagram for 50/50 mixtures contains regions Of Cubic and hexagonal phases similar to those for the parent homopolymers, however the region of stability of the cubic phase is enhanced at low temperature and concentrations above 40 wt%. This is ascribed to favourable packing of the mixed micelles containing core blocks with two different chain lengths, but similar corona chain lengths. The shear flow alignment of face-centred cubic and hexagonal phases is probed by in situ small-angle X-ray or neutron scattering with simultaneous rheology. The hexagonal phase can be aligned using steady shear in a Couette geometry, however the high modulus Cubic phase cannot be aligned well in this way. This requires the application of oscillatory shear or compression. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Block copolymers of ethylene oxide and phenyl glycidyl ether: micellization, gelation, and drug solubilization

Three triblock copolymers of ethylene oxide and phenyl glycidyl ether, type E(m)G(n)E(m), where G = OCH2-CH(CH2OC6H5) and E = OCH2CH2, were synthesized and characterized by gel-permeation chromatography, matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry, and NMR spectroscopy. Their association properties in aqueous solution were investigated by surface tensiometry and light scattering, yielding values of the critical micelle concentration (cmc), the hydrodynamic radius, and the association number. Gel boundaries in concentrated micellar solution were investigated by tube inversion, and for one copolymer, the temperature and frequency dependence of the dynamic moduli served to confirm and extend the phase diagram and to highlight gel properties. Small-angle X-ray scattering was used to investigate gel structure. The overall aim of the work was to define a block copolymer micellar system with better solubilization capacity for poorly soluble aromatic drugs than had been achieved so far by use of block copoly(oxyalkylene)s. Judged by the solubilization of griseofulvin in aqueous solutions of the E(m)G(n)E(m) copolymers, this aim was achieved.

Solid phases of cyclopentane: combined experimental and simulation study

The phase diagram of cyclopentane has been studied by powder neutron diffraction, providing diffraction patterns for phases I, II, and III, over a range of temperatures and pressures. The putative phase IV was not observed. The structure of the ordered phase III has been solved by single-crystal diffraction. Computational modeling reveals that there are many equienergetic ordered structures for cyclopentane within a small energy range. Molecular dynamics simulations reproduce the structures and diffraction patterns for phases I and III and also show an intermediate disordered phase, which is used to interpret phase II.

Melt brushes of diblock copolymer

Using self-consistent field theory (SCFT), we investigate the morphologies formed by a melt brush of AB diblock copolymers grafted to a flat substrate by their B ends. In addition to a laterally uniform morphology, SCFT predicts three ordered morphologies exhibiting different periodic patterns at the air surface: a hexagonal array of A-rich dots, an alternating sequence of A- and B-rich stripes, and a hexagonal pattern of B-rich dots. When the phase diagram of the tethered film is plotted as a function of A/B incompatibility, $\chi N$, and diblock composition, $f$, it resembles the bulk phase diagram with the periodic phases converging to a mean-field critical point at weak segregation. The periodic-phase region in the phase diagram shrinks with increasing grafting density and expands when the air surface acquires an affinity for the grafted B blocks.

Stochiometrically governed molecular interactions in drug: Poloxamer solid dispersions

This study probes the molecular interactions between model drugs and poloxamers that facilitate dissolution rate improvements using solid dispersions. Ibuprofen and ketoprofen solid dispersions were prepared at different mole ratios using poloxamers 407 and 188. The carbonyl stretching vibration of the ibuprofen dimer shifted to higher wavenumber in the infrared spectra of 2:1 drug:carrier mole ratio solid dispersions, indicating disruption of the ibuprofen dimer concomitant with hydrogen bond formation between the drug and carrier. Solid dispersions with mole ratios >2:1 drug:carrier (up to 29:1) showed both ibuprofen hydrogen-bonded to the poloxamer, and excess drug present as dimers. X-ray diffraction studies confirmed these findings with no evidence of crystalline drug in 2:1 mole ratio systems whereas higher drug loadings retained crystalline ibuprofen. Similar results were found with ketoprofen-poloxamer solid dispersions. Thermal analysis of ibuprofen-poloxamer 407 solid dispersions and their resultant phase diagram suggested solid solutions and a eutectic system were formed, depending on drug loading. Dissolution studies showed fastest release from the solid solutions; dissolution rates from solid solutions were 12-fold greater than the dissolution of ibuprofen powder whereas the eutectic system gave a 6-fold improvement over the powder. When designing solid dispersions to improve the delivery of poorly-water soluble drugs, the nature of drug:carrier interactions, which are governed by the stochiometry of the composition, can affect the dissolution rate improvement.