Síntese e caracterização de hidrogéis de amido retrogradado e goma gelana utilizados como matriz em sistemas de liberação cólon específica de fármacos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Polysaccharides as safer release systems for agrochemicals

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

Rheological characterisation and effect of abiotic factors on the antimicrobial efficacy of chitosan-based hidrogels containing alpha-hydroxy acids

The aim of this study was to investigate the rheological properties and antibacterial efficacy of chitosan/ alpha-hydroxy acids (lactic acid and glycolic acid) and cellulose polymers, both in hydrogels, in order to produce a formulation with improved activity against Propionibacterium acnes and Staphylococcus aureus, which can potentially be used in the treatment of acne. The rheological characterisation of the hydrogels was examined using continuous shear and viscoelastic creep. The antibacterial activities of formulations were performed by the well diffusion and broth microdilution. The hydrogels formulated with only chitosan showed pseudoplastic behavior while the chitosan hydrogels with cellulose polymers presented viscoelastic properties. The antibacterial activity was proportional to AHA and chitosan concentration. It was enhanced at low pH values and with high molecular weight chitosan and did not change with the incorporation of two cellulose polymers. The antibacterial mechanism of chitosan has currently been hypothesized as being related to surface interference. The results show that chitosan - based hydrogels containing AHA and cellulose polymers are viscoelastic,indicating good applicability onto the skin, and they present bacterial activity under various experimental conditions.

Síntese e caracterização de matrizes híbridas para aplicação em sistemas de liberação controlada

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Síntese e caracterização de hidrogéis nanoestruturados contendo nanoargila e zeólita com potencialidade de aplicação em sistemas de liberação controlada de fármacos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Síntese, caracterização e aplicação de hidrogéis nanoestruturados contendo nanoargila para melhorar a germinação e qualidade de muda de hortaliça

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de hidrogéis nanoestruturados baseados em polissacarídeo e zeólita para aplicação em sistemas de liberação controlada

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Síntese e caracterização de nanocompósitos constituídos por nanoargila e hidrogel para uso agrícola

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Differenziamento macrofagico: gli effetti dei polimeri sintetici

Research for new biocompatible and easily implantable materials continuously proposes new molecules and new substances with biological, chemical and physical characteristics, that are more and more adapted to aesthetic and reconstructive surgery and to the development of biomedical devices such as cardiovascular prostheses. Two classes of polymeric biomaterials seem to meet better these requirements: “hydrogels��� , which includes polyalkylimide (PAI) and polyvinylalcohol (PVA) and “elastomers”, which includes polyurethanes (PUs). The first ones in the last decade have had a great application for soft tissue augmentation, due to their similarity to this tissue for their high water content, elasticity and oxygen permeability (Dini et al., 2005). The second ones, on the contrary, are widely used in cardiovascular applications (catheters, vascular grafts, ventricular assist devices, total artificial hearts) due to their good mechanical properties and hemocompatibility (Zdrahala R.J. and Zdrahala I.J., 1999). In the biocompatibility evaluation of these synthetic polymers, that is important for its potential use in clinical applications, a fundamental aspect is the knowledge of the polymers cytotoxicity and the effect of their interaction with cells, in particular with the cell populations involved in the inflammatory responses, i.e. monocyte/macrophages. In consideration of what above said, the aim of this study is the comprehension of the in vitro effect of PAI, PVA and PU on three cell lines that represent three different stages of macrophagic differentiation: U937 pro-monocytes, THP-1 monocytes and RAW 264.7 macrophages. Cytotoxicity was evaluated by measuring the rate of viability with MTT, Neutral Red and morphological analysis at light microscope in time-course dependent experiments. The influence of these polymers on monocyte/macrophage activation in terms of cells adhesion, monocyte differentiation in macrophages, antigens distribution, aspecific phagocytosis, fluid-phase endocitosis, pro-inflammatory cytokine (TNF-α, IL-1β, IL-6) and nitric oxide (NO) release was evaluated. In conclusion, our studies have indicated that the three different polymeric biomaterials are highly biocompatible, since they scarcely affected viability of U937, THP-1 and RAW 264.7 cells. Moreover, we have found that even though hydrogels and polyurethane influences monocyte/macrophage differentiation (depending on the particular type of cell and polymer), they are immunocompatible since they not induced significantly high cytokine release. For these reasons their clinical applications are strongly encouraged.

Sviluppo di biosensori: modifiche di superfici elettrodiche e sistemi di immobilizzazione enzimatica

An amperometric glucose biosensor was developed using an anionic clay matrix (LDH) as enzyme support. The enzyme glucose oxidase (GOx) was immobilized on a layered double hydroxide Ni/Al-NO3 LDH during the electrosynthesis, which was followed by crosslinking with glutaraldehyde (GA) vapours or with GA and bovine serum albumin (GABSA) to avoid the enzyme release. The electrochemical reaction was carried out potentiostatically, at -0.9V vs. SCE, using a rotating disc Pt electrode to assure homogeneity of the electrodeposition suspension, containing GOx, Ni(NO3)2 and Al(NO3)3 in 0.3 M KNO3. The mechanism responsible of the LDH electrodeposition involves the precipitation of the LDH due to the increase of pH at the surface of the electrode, following the cathodic reduction of nitrates. The Pt surface modified with the Ni/Al-NO3 LDH shows a much reduced noise, giving rise to a better signal to noise ratio for the currents relative to H2O2 oxidation, and a linear range for H2O2 determination wider than the one observed for bare Pt electrodes. We pointed out the performances of the biosensor in terms of sensitivity to glucose, calculated from the slope of the linear part of the calibration curve for enzimatically produced H2O2; the sensitivity was dependent on parameters related to the electrodeposition in addition to working conditions. In order to optimise the glucose biosensor performances, with a reduced number of experimental runs, we applied an experimental design. A first screening was performed considering the following variables: deposition time (30 - 120 s), enzyme concentration (0.5 - 3.0 mg/mL), Ni/Al molar ratio (3:1 or 2:1) of the electrodeposition solution at a total metals concentration of 0.03 M and pH of the working buffer solution (5.5-7.0). On the basis of the results from this screening, a full factorial design was carried out, taking into account only enzyme concentration and Ni/Al molar ratio of the electrosynthesis solution. A full factorial design was performed to study linear interactions between factors and their quadratic effects and the optimal setup was evaluated by the isoresponse curves. The significant factors were: enzyme concentration (linear and quadratic terms) and the interaction between enzyme concentration and Ni/Al molar ratio. Since the major obstacle for application of amperometric glucose biosensors is the interference signal resulting from other electro-oxidizable species present in the real matrices, such as ascorbate (AA), the use of different permselective membranes on Pt-LDHGOx modified electrode was discussed with the aim of improving biosensor selectivity and stability. Conventional membranes obtained using Nafion, glutaraldehyde (GA) vapours, GA-BSA were tested together with more innovative materials like palladium hexacyanoferrate (PdHCF) and titania hydrogels. Particular attention has been devoted to hydrogels, because they possess some attractive features, which are generally considered to favour biosensor materials biocompatibility and, consequently, the functional enzyme stability. The Pt-LDH-GOx-PdHCF hydrogel biosensor presented an anti-interferant ability so that to be applied for an accurate glucose analysis in blood. To further improve the biosensor selectivity, protective membranes containing horseradish peroxidase (HRP) were also investigated with the aim of oxidising the interferants before they reach the electrode surface. In such a case glucose determination was also accomplished in real matrices with high AA content. Furthermore, the application of a LDH containing nickel in the oxidised state was performed not only as a support for the enzyme, but also as anti-interferant sistem. The result is very promising and it could be the starting point for further applications in the field of amperometric biosensors; the study could be extended to other oxidase enzymes.

High pressure surface plasmon spectroscopy

Der Einfluß von Druck auf die Eigenschaften dünner dielektrischer Filme wurde mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Spektroskopie untersucht. Die Arbeit kann aus der Perspektive der Materialcharakterisierung und aus apparativer Sicht betrachtet werden, da z.B. eine neue Hochdruckzelle konstruiert wurde, die kombinierte Oberflächenplasmonen-Elektrochemie Messungen erlaubt. SiO2-Solgel Filme wurden optimiert und auf ihre Widerstandsfähigkeit in Bufferlösungen und ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht. Eine Anwendung lag in der Charakterisierung von thermoresponsiven Acrylsäureisopropylamid Hydrogelen, die einen Volumenphasenübergang aufwiesen, dessen Eigenschaften durch Druck und die Beschränktheit des Films auf die Oberfläche beeinflußt wurden.Die Charakterisierung von DNA Hybridisierungsreaktionen an Oberflächen wurde mit einer Fluoreszenz-erweiterten Hochdruckapparatur durchgeführt. Zunächst wurde die Stabilität der zugrundeliegenden Bindematrix sichergestellt. Bei DNA Einzelsträngen führten Temperatur und Druck zu jeweils verringertem bzw. erhöhtem Signal. Entropie und Änderungen der Lösungsmitteleigenschaften wurden für die Signaländerungen verantwortlich gemacht. Die Eigenschaften der Doppelhelix wurden im Langmuir-Bild beschrieben. Der Brechungsindex von Kohlendioxid wurde bis zu 200 MPa gemessen und mit vorhandenen Gleichungen verglichen. Weiterhin wurde das Schwellverhalten von PMMA in scCO2/MMA-Mischungen untersucht. Mit Druck und MMA-Konzentration nimmt das Polymer vermehrt Kohlendioxid auf. Dadurch schwillt es an und sein Brechungsindex nimmt ab. Berechnungen unter Annahme einer idealen Mixtur ergaben gute qualitative Übereinstimmung mit den Meßwerten.Abschließend wurde eine neue Elektrochemie-Hochdruckzelle vorgestellt, die an Kaliumhexacyanoferrat(III)-(II) getestet wurde. Die Elektropolymerisation von Thiophen optisch untersucht.

The swelling behaviour of polyelectrolyte networks

Being basic ingredients of numerous daily-life products with significant industrial importance as well as basic building blocks for biomaterials, charged hydrogels continue to pose a series of unanswered challenges for scientists even after decades of practical applications and intensive research efforts. Despite a rather simple internal structure it is mainly the unique combination of short- and long-range forces which render scientific investigations of their characteristic properties to be quite difficult. Hence early on computer simulations were used to link analytical theory and empirical experiments, bridging the gap between the simplifying assumptions of the models and the complexity of real world measurements. Due to the immense numerical effort, even for high performance supercomputers, system sizes and time scales were rather restricted until recently, whereas it only now has become possible to also simulate a network of charged macromolecules. This is the topic of the presented thesis which investigates one of the fundamental and at the same time highly fascinating phenomenon of polymer research: The swelling behaviour of polyelectrolyte networks. For this an extensible simulation package for the research on soft matter systems, ESPResSo for short, was created which puts a particular emphasis on mesoscopic bead-spring-models of complex systems. Highly efficient algorithms and a consistent parallelization reduced the necessary computation time for solving equations of motion even in case of long-ranged electrostatics and large number of particles, allowing to tackle even expensive calculations and applications. Nevertheless, the program has a modular and simple structure, enabling a continuous process of adding new potentials, interactions, degrees of freedom, ensembles, and integrators, while staying easily accessible for newcomers due to a Tcl-script steering level controlling the C-implemented simulation core. Numerous analysis routines provide means to investigate system properties and observables on-the-fly. Even though analytical theories agreed on the modeling of networks in the past years, our numerical MD-simulations show that even in case of simple model systems fundamental theoretical assumptions no longer apply except for a small parameter regime, prohibiting correct predictions of observables. Applying a "microscopic" analysis of the isolated contributions of individual system components, one of the particular strengths of computer simulations, it was then possible to describe the behaviour of charged polymer networks at swelling equilibrium in good solvent and close to the Theta-point by introducing appropriate model modifications. This became possible by enhancing known simple scaling arguments with components deemed crucial in our detailed study, through which a generalized model could be constructed. Herewith an agreement of the final system volume of swollen polyelectrolyte gels with results of computer simulations could be shown successfully over the entire investigated range of parameters, for different network sizes, charge fractions, and interaction strengths. In addition, the "cell under tension" was presented as a self-regulating approach for predicting the amount of swelling based on the used system parameters only. Without the need for measured observables as input, minimizing the free energy alone already allows to determine the the equilibrium behaviour. In poor solvent the shape of the network chains changes considerably, as now their hydrophobicity counteracts the repulsion of like-wise charged monomers and pursues collapsing the polyelectrolytes. Depending on the chosen parameters a fragile balance emerges, giving rise to fascinating geometrical structures such as the so-called pear-necklaces. This behaviour, known from single chain polyelectrolytes under similar environmental conditions and also theoretically predicted, could be detected for the first time for networks as well. An analysis of the total structure factors confirmed first evidences for the existence of such structures found in experimental results.

Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix für die Multianalyt-Sensorik

Gegenstand und Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix, welche für die Herstellung eines vielseitig verwendbaren Sensors, der mehrere Analyten (Proteine, DNA etc.) in hoher Verdünnung (c0 < 50 fM) aus kleinsten Probenmengen (Volumina <20 nl) schnell (t < 1 min) und parallel nachweisen kann, Verwendung finden soll. Der Fokus der Arbeit lag dabei in der Synthese und Charakterisierung von Copolymeren als Hydrogelmatrix, welche geeignetes temperaturabhängiges Verhalten zeigen. Die Copolymere wurden in eine dreidimensionale Netzwerkstruktur überführt und auf einer Goldoberfläche kovalent angebunden, um Delamination zu vermeiden und die Untersuchung mittels Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischer Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) zu erlauben. Weiterhin wurde das temperaturabhängige Verhalten der Polymernetzwerke in Wasser mittels optischen Messungen (SPR/OWS) untersucht, um Erkenntnisse über die Quell- und Kollabiereigenschaften des Hydrogels zu gewinnen. Um temperaturschaltbare Hydrogele herzustellen, wurden auf N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) basierende Polymere synthetisiert. Es wurde sowohl die für Hydrogele übliche Methode der freien radikalischen Vernetzungspolymerisation in Wasser, wie eine neue, auf Benzophenoneinheiten basierende Syntheseroute, welche die freie radikalische Polymerisation in organischem Medium nutzt, verwendet. Die synthetisierten Polymere sind Copolymere aus N‑Isopropylacrylamid (NIPAAm) und 4-Methacryloyloxybenzophenon (MABP). NIPAAm ist dabei für das temperaturschaltbare Verhalten der Gele verantwortlich und MABP dient als Photovernetzer. Weitere Copolymere, die neben den genannten Monomeren noch andere Funktionen, wie z.B. ionische Gruppen oder Aktivesterfunktionen enthalten, wurden ebenfalls synthetisiert. Das temperaturabhängige Quellverhalten in Bezug auf die chemische Zusammensetzung wurde mit der Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischen Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) untersucht. Es zeigte sich, dass die Anwesenheit von Salz im Hydrogel (Natriumacrylat als Monomer, P4S) Inhomogenität, in Form eines Brechungsindexgradienten senkrecht zur Substratoberfläche, hervorruft. Dies ist nicht der Fall, wenn statt des Salzes die Säure (Methacrylsäure als Monomer, P4A) verwendet wird. Durch die Inhomogenität lassen sich die Filme mit dem Natriummethacrylat nicht mehr mit dem, üblicherweise zur Auswertung genutzten, Kastenmodell beschreiben. Die Anwendung der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung (WKB) auf die Messdaten führt hingegen zu dem gewünschten Ergebnis. Man findet ein kastenähnliches Brechungsindexprofil für das Hydrogel mit der Säure (P4A) und ein Gradientenprofil für das Gel mit dem Salz (P4S). Letzteres ist nicht nur hydrophiler und insgesamt stärker gequollen, sondern ragt auch weiter in die überstehende Wasserphase hinein. Anhand eines säurehaltigen Hydrogels (P8A) konnte der quellungshemmende Einfluss von hohen Salzkonzentrationen gezeigt werden. Weiterhin wurde während des Quellvorgangs eine gewisse Anisotropie gefunden, die aber im vollständig gequollenen und vollständig kollabierten Zustand nicht mehr vorliegt. Anhand eines Hydrogels ohne ionisierbare Gruppen (P9) wurde die Reversibilität des Quell- und Kollabiervorgangs gezeigt. Bei einem Vergleich zwischen einem säurehaltigen Hydrogel (P8A, Quellgrad von 7,3) und einem ohne ionisierbare Gruppen (P9, Quellgrad von 6,1), hat die Anwesenheit der 8 mol% Säuregruppen eine leichte Verstärkung der Quellung um den Faktor 1,2 bewirkt. Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen (AFM) an diesen beiden Hydrogelen im getrockneten Zustand, haben gezeigt, dass nach dem Quellen, Kollabieren und Trocknen bei beiden Gelen Porenstrukturen sehr unterschiedlicher Ausmaße vorliegen.

N-Vinylamidderivate zur Synthese neuartiger Kern-Schale-Partikel und Hydrogele

N-Vinylamidderivate sind eine toxikologische unbedenkliche Monomerklasse. Mit diesen Monomeren wurden verschiedene technische Anwendungsgebiete im Bereich der Kern-Schale-Partikel und der fließfähigen und vernetzten Hydrogele untersucht. Kern-Schale-Partikel Für die Synthese von Kern-Schale-Partikeln wurden die N-Vinylamidderivate als Schalenpolymere auf kommerziellen Poly(styrol-stat.-butadien)-Kernpartikeln aufpolymerisiert. Mit Hilfe verschiedener Untersuchungsmethoden (DLS, SEM, FFF, Ultrazentrifuge) wurde die Kern-Schale-Strukturbildung und die Effizienz der Pfropfungsreaktion untersucht und eine erfolgreiche Synthese der Kern-Schale-Partikel belegt. Durch die gezielte Modifizierung des Schalenpolymers wurde ein kationisches, organisches Mikropartikelsystem entwickelt, charakterisiert und auf die Eignung als „Duales Flockungsmittel“ untersucht. Diese Versuche belegten die Eignung der modifizierten Kern-Schale-Partikel als „Duales Flockungsmittel“ und bieten eine Alternative zu kommerziell verwendeten Retentionsmitteln. Außerdem wurden die filmbildenden Eigenschaften der Poly(N﷓vinylformamid)-Kern-Schale-Dispersionen untersucht. Nach der Verfilmung der Dispersionen wurden transparente und harte Filme erhalten. Die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Filme wurden durch die Variation verschiedener Parameter eingehend studiert. Auf der Basis dieser Partikel wurden selbstvernetzende Dispersionssysteme entwickelt. Das P﷓(VFA)-Schalenpolymer wurde teilweise hydrolysiert und die generierten freien Aminogruppen des Poly(N-vinylamins) durch eine Michael-Addition mit einem divinylfunktionalisierten Acrylat (Tetraethylenglykoldiacrylat) vernetzt. Untersuchungen zur mechanischen Beständigkeit der Filme zeigten bei geringen Vernetzungsgraden eine deutliche Optimierung der maximalen Zugbelastungen. Die Untersuchungen belegten, dass die Verwendung des selbstvernetzenden Dispersionssystems als Dispersion für eine Polymerbeschichtung möglich ist. Hydrogele Die Synthese von fließfähigen und quervernetzten Hydrogelen erfolgte auf der Basis verschiedener N﷓Vinylamide. Mit Hilfe geeigneter Vernetzer wurden feste Hydrogelplatten synthetisiert und für die Auftrennung von DNA-Sequenzen mit Hilfe der Gelelektrophorese verwendet. Scharfe und gute Auftrennung der verschiedenen „DNA-Ladder Standards“ wurden durch die Variation des Vernetzeranteils, der Polymerzusammensetzung, der angelegten Spannung und der Verweilzeit in der Gelelektrophoresekammer mit P﷓(MNVA)-Hydrogelplatten erreicht. Fließfähige und quervernetzte Elektrolytgele auf Poly-(N-vinylamid)-Basis wurden in wartungsfreien pH﷓Elektroden eingesetzt. Die Eignung dieser Hydrogele wurden in Bezug auf die Anwendung eingehend charakterisiert. Elektroden befüllt mit Poly(N-vinylamid)-Gelen wurden in Dauerbelastungsexperimenten, direkt mit kommerziellen pH﷓Elektroden verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die fließfähigen und quervernetzten Poly-(N-vinylamid)-Elektrolytgele in ihren Messeigenschaften gleichwertige bzw. bessere Potentialstabilitäten aufweisen als kommerzielle Referenzelektroden. Die Hydrogele auf Basis von Poly(N-vinylamidderivaten) boten für die beiden getesteten Anwendungen eine toxikologisch unbedenkliche Alternative zu Poly(acrylamid)-Gelen. In dieser Arbeit konnten die durchgeführten Untersuchungen belegen, dass N﷓Vinylamide eine attraktive Monomerklasse ist, die erfolgreich in vielen technischen Anwendungen einsetzbar ist.

Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy

In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule.