Biomimetic sensors of molecularly-imprinted polymers for chlorpromazine determination

A new man-tailored biomimetic sensor for Chlorpromazine host-guest interactions and potentiometric transduction is presented. The artificial host was imprinted within methacrylic acid, 2-vinyl pyridine and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid based polymers. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Slopes and detection limits ranged 51–67 mV/decade and 0.46–3.9 μg/mL, respectively, in steady state conditions. Sensors were independent fromthe pHof test solutionswithin 2.0–5.5.Good selectivitywas observed towards oxytetracycline, doxytetracycline, ciprofloxacin, enrofloxacin, nalidixic acid, sulfadiazine, trimethoprim, glycine, hydroxylamine, cysteine and creatinine. Analytical features in flowing media were evaluated on a double-channel manifold, with a carrier solution of 5.0×10−2 mol/L phosphate buffer. Near-Nernstian response was observed over the concentration range 1.0×10−4 to 1.0×10−2 mol/L. Average slopes were about 48 mV/decade. The sensors were successfully applied to field monitoring of CPZ in fish samples, offering the advantages of simplicity, accuracy, automation feasibility and applicability to complex samples.

Protein-responsive polymers for point-of-care detection of cardiac biomarker

This work describes a novel use for the polymeric film, poly(o-aminophenol) (PAP) that was made responsive to a specific protein. This was achieved through templated electropolymerization of aminophenol (AP) in the presence of protein. The procedure involved adsorbing protein on the electrode surface and thereafter electroploymerizing the aminophenol. Proteins embedded at the outer surface of the polymeric film were digested by proteinase K and then washed away thereby creating vacant sites. The capacity of the template film to specifically rebind protein was tested with myoglobin (Myo), a cardiac biomarker for ischemia. The films acted as biomimetic artificial antibodies and were produced on a gold (Au) screen printed electrode (SPE), as a step towards disposable sensors to enable point-of-care applications. Raman spectroscopy was used to follow the surface modification of the Au-SPE. The ability of the material to rebind Myo was measured by electrochemical techniques, namely electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square wave voltammetry (SWV). The devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 4.0 and 3.5 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.8 μg/mL. Good selectivity was observed in the presence of troponin T (TnT) and creatine kinase (CKMB) in SWV assays, and accurate results were obtained in applications to spiked serum. The sensor described in this work is a potential tool for screening Myo in point-of-care due to the simplicity of fabrication, disposability, short time response, low cost, good sensitivity and selectivity.

Label-free Detection of Microcystin-LR in Waters Using Real-Time Potentiometric Biosensors Based on Single-Walled Carbon Nanotubes Imprinted Polymers

Microcystin-LR (MC-LR) is a dangerous toxin found in environmental waters, quantified by high performance liquid chromatography and/or enzyme-linked immunosorbent assays. Quick, low cost and on-site analysis is thus required to ensure human safety and wide screening programs. This work proposes label-free potentiometric sensors made of solid-contact electrodes coated with a surface imprinted polymer on the surface of Multi-Walled Carbon NanoTubes (CNTs) incorporated in a polyvinyl chloride membrane. The imprinting effect was checked by using non-imprinted materials. The MC-LR sensitive sensors were evaluated, characterized and applied successfully in spiked environmental waters. The presented method offered the advantages of low cost, portability, easy operation and suitability for adaptation to flow methods.

Biomimetic sensors of molecularly-imprinted polymers for chlorpromazine determination

A new man-tailored biomimetic sensor for Chlorpromazine host-guest interactions and potentiometric transduction is presented. The artificial host was imprinted within methacrylic acid, 2-vinyl pyridine and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid based polymers. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Slopes and detection limits ranged 51–67 mV/decade and 0.46–3.9 μg/mL, respectively, in steady state conditions. Sensors were independent from the pH of test solutions within 2.0–5.5. Good selectivity was observed towards oxytetracycline, doxytetracycline, ciprofloxacin, enrofloxacin, nalidixic acid, sulfadiazine, trimethoprim, glycine, hydroxylamine, cysteine and creatinine. Analytical features in flowing media were evaluated on a double-channel manifold, with a carrier solution of 5.0 × 10−2 mol/L phosphate buffer. Near-Nernstian response was observed over the concentration range 1.0 × 10−4 to 1.0 × 10−2 mol/L. Average slopes were about 48 mV/decade. The sensors were successfully applied to field monitoring of CPZ in fish samples, offering the advantages of simplicity, accuracy, automation feasibility and applicability to complex samples.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01 × 10− 7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the selective recognition of Chlortetracycline

As a result of the stressful conditions in aquaculture facilities there is a high risk of bacterial infections among cultured fish. Chlortetracycline (CTC) is one of the antimicrobials used to solve this problem. It is a broad spectrum antibacterial active against a wide range of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Numerous analytical methods for screening, identifying, and quantifying CTC in animal products have been developed over the years. An alternative and advantageous method should rely on expeditious and efficient procedures providing highly specific and sensitive measurements in food samples. Ion-selective electrodes (ISEs) could meet these criteria. The only ISE reported in literature for this purpose used traditional electro-active materials. A selectivity enhancement could however be achieved after improving the analyte recognition by molecularly imprinted polymers (MIPs). Several MIP particles were synthesized and used as electro-active materials. ISEs based in methacrylic acid monomers showed the best analytical performance according to slope (62.5 and 68.6 mV/decade) and detection limit (4.1 × 10−5 and 5.5 × 10−5 mol L−1). The electrodes displayed good selectivity. The ISEs are not affected by pH changes ranging from 2.5 to 13. The sensors were successfully applied to the analysis of serum, urine and fish samples.

Full-scale biological phosphorus removal: quantification of storage polymers, microbial performance and metabolic modelling

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Engineering bio-based polymers using alternative solvents and processes

The work presented in this thesis explores novel routes for the processing of bio-based polymers, developing a sustainable approach based on the use of alternative solvents such as supercritical carbon dioxide (scCO2), ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DES). The feasibility to produce polymeric foams via supercritical fluid (SCF) foaming, combined with these solvents was assessed, in order to replace conventional foaming techniques that use toxic and harmful solvents. A polymer processing methodology is presented, based on SCF foaming and using scCO2 as a foaming agent. The SCF foaming of different starch based polymeric blends was performed, namely starch/poly(lactic acid) (SPLA) and starch/poly(ε-caprolactone) (SPCL). The foaming process is based on the fact that CO2 molecules can dissolve in the polymer, changing their mechanical properties and after suitable depressurization, are able to create a foamed (porous) material. In these polymer blends, CO2 presents limited solubility and in order to enhance the foaming effect, two different imidazolium based ILs (IBILs) were combined with this process, by doping the blends with IL. The use of ILs proved useful and improved the foaming effect in these starch-based polymer blends. Infrared spectroscopy (FTIR-ATR) proved the existence of interactions between the polymer blend SPLA and ILs, which in turn diminish the forces that hold the polymeric structure. This is directly related with the ability of ILs to dissolve more CO2. This is also clear from the sorption experiments results, where the obtained apparent sorption coefficients in presence of IL are higher compared to the ones of the blend SPLA without IL. The doping of SPCL with ILs was also performed. The foaming of the blend was achieved and resulted in porous materials with conductivity values close to the ones of pure ILs. This can open doors to applications as self-supported conductive materials. A different type of solvents were also used in the previously presented processing method. If different applications of the bio-based polymers are envisaged, replacing ILs must be considered, especially due to the poor sustainability of some ILs and the fact that there is not a well-established toxicity profile. In this work natural DES – NADES – were the solvents of choice. They present some advantages relatively to ILs since they are easy to produce, cheaper, biodegradable and often biocompatible, mainly due to the fact that they are composed of primary metabolites such as sugars, carboxylic acids and amino-acids. NADES were prepared and their physicochemical properties were assessed, namely the thermal behavior, conductivity, density, viscosity and polarity. With this study, it became clear that these properties can vary with the composition of NADES, as well as with their initial water content. The use of NADES in the SCF foaming of SPCL, acting as foaming agent, was also performed and proved successful. The SPCL structure obtained after SCF foaming presented enhanced characteristics (such as porosity) when compared with the ones obtained using ILs as foaming enhancers. DES constituted by therapeutic compounds (THEDES) were also prepared. The combination of choline chloride-mandelic acid, and menthol-ibuprofen, resulted in THEDES with thermal behavior very distinct from the one of their components. The foaming of SPCL with THEDES was successful, and the impregnation of THEDES in SPCL matrices via SCF foaming was successful, and a controlled release system was obtained in the case of menthol-ibuprofen THEDES.

SYNTHESIS OF CYCLIC AZOBENZENE ANALOGUES FOR INCORPORATION INTO OLIGONUCLEOTIDES, PEPTIDES AND POLYMERS

(A) In recent years, considerable amount of effort has contributed towards enhancing our understanding of the new photoswitch, cyclic azobenzene, particularly from the theoretical point of view. However, the challenging part with this system was poor efficiency of its synthesis from 2,2’- dinitrodibenzyl and lack of effective methods for further modification which would be useful to incorporate this system into biomolecules as a photoswitch. We report the synthesis of cyclic azobenzene and analogues from 2,2’-dinitrodibenzyl, which would allow for further incorporation of this cyclic azobenzene into biomolecules. Reaction of 2,2’-dinitrodibenzyl with zinc metal powder in the presence of triethylammonium formate buffer (pH-9.5) gave a cyclic azoxybenzene, 11,12-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine-5-oxide. The latter compound was converted into cyclic azobenzene analogues (bromo-, chloro-, cyano-, and carboxyl) through subsequent transformations. The carboxylic acid analogue was reacted with D-threoninol to give the corresponding amide, which readily undergoes photo-isomerization upon illumination with light. Upon illumination with light at 400 nm, approximately 70% of cis- isomer of amide was isomerized to trans- isomer. It was observed that cis- to trans- isomerization reached the maximum steady state of light transmission after approximately 40 min, whereas the trans- to cis- isomerization approximately acquired in 2 h to regain full recovery of light transmission. Cyclic azobenzene phosphoramidite was synthesized from DMT-protected D-threoninol linked cyclic azobenzene. (B) In recent years, there has been considerable interest invested towards the synthesis of azobenzene analogues for incorporation into proteins. Among the many azobenzene analogues, the synthesis of bi-functional cyclic azobenzene analogues for the incorporation into proteins is relatively new. In this thesis, we report the synthesis of a cyclic azobenzene biscarboxylic acid from 4-(bromomethyl)benzonitrile. (C) Azobenzene has been widely used in the field of polymer science to study the surface morphology and surface properties of polymers. In this thesis, we report the incorporation of cyclic azobenzene into a commercial polymer 2- (hydroxyethyl)methacrylate. Samples collected after 24 h from the reaction solution showed approximately 9% of incorporation of cyclic azobenzene into polymer compared to samples collected after 10 h, which showed approximately 6% incorporation.

Lipase-Mediated Enzymatic Catalysis For The Synthesis of New Chiral Polymers

Immobilized lipase B from Candida antarctica (N435) was investigated as a potential biocatalyst to generate silicone-based chiral polymers from monomers derived from the enzymatic dihydroxylation of bromobenzene. Several conditions and parameters have been investigated for this purpose and lipase transesterification preference to each of the free secondary alcohols in the chiral monomers was documented. The N435 was challenged with a series of substrates where the free alcohol moieties were systematically protected in order to study the substrate preference(s) for the transesterification reactions.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Phosphorylcholine based amphiphilic polymers for the solubilization of integral membrane proteins

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

From coordination complexes to coordination polymers

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.