Nothing New (Ethically) Under the Sun: Policy & Clinical Implications of Nanomedicine

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Assessing the Social Acceptability of New Technologies: Gaps and Tensions Between Science and Regulation

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Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Physicochemical and Biochemical Characterization of Enzymes Immobilized on lnorganic Matrices

Biotechnology is currently considered as a useful altemative to conventional process technology in industrial and catalytic fields. The increasing awareness of the need to create green and sustainable production processes in all fields of chemistry has stimulated materials scientists to search for innovative catalysts supports. lmmobilization of enzymes in inorganic matrices is very useful in practical applications due to the preserved stability and catalytic activity of the immobilized enzymes under extreme conditions. Nanostructured inorganic, organic or hybrid organic-inorganic nanocomposites present paramount advantages to facilitate integration and miniaturization of the devices (nanotechnologies), thus affording a direct connection between the inorganic, organic and biological worlds. These properties, combined with good chemical stability, make them competent candidates for designed biocatalysts, protein-separation devices, drug delivery systems, and biosensors Aluininosilicate clays and layered double hydroxides, displaying, respectively, cation and anion exchange properties, were found to be attractive materials for immobilization because of their hydrophilic, swelling and porosity properties, as well as their mechanical and thermal stability.The aim of this study is the replacement of inorganic catalysts by immobilized lipases to obtain purer and healthier products.Mesocellular silica foams were synthesized by oil-in-water microemulsion templating route and were functionalized with silane and glutaraldehyde. " The experimental results from IR spectroscopy and elemental analysis demonstrated the presence of immobilized lipase and also functionalisation with silane and glutaraldehyde on the supports.The present work is a comprehensive study on enzymatic synthesis of butyl isobutyrate through esterification reaction using lipase immobilized onto mesocellular siliceous foams and montmorillonite K-10 via adsorption and covalent binding. Moreover, the irnrnobil-ization does not modify the nature of the kinetic mechanism proposed which is of the Bi-Bi Ping—Pong type with inhibition by n-butanol. The immobilized biocatalyst can be commercially exploited for the synthesis of other short chain flavor esters. Mesocellular silica foams (MCF) were synthesized by microemusion templating method via two different routes (hydrothermal and room temperature). and were functionalized with silane and glutaraldehyde. Candida rugosa lipase was adsorbed onto MCF silica and clay using heptane as the coupling medium for reactions in non-aqueous media. I From XRD results, a slight broadening and lowering of d spacing values after immobilization and modification was observed in the case of MCF 160 and MCF35 but there was no change in the d-spacing in the case of K-10 which showed that the enzymes are adsorbed only on the external surface. This was further confirmed from the nitrogen adsorption measurements

Le Chercheur dans l'institution scolaire: l'analyse de l'enseignement des nanobiotechnologies dans une classe de terminale scientifique

Nous présentons dans cette communication une expérimentation innovante basée sur l'enseignement des nanotechnologies. Débutée en 2006, elle s’inscrit sur une durée de 3 ans. Les élèves participant à ce projet pourront observer et mener des expériences à l’échelle moléculaire, comprendre les propriétés nouvelles de la matière liées à cette dimension de réduction dans le but d’application spécifiques, impliquant les outils mathématiques, physiques et chimie ainsi que la biologie. L’interdisciplinarité est un des fondements de ce projet qui a mobilisé la collaboration d'enseignants de diverses disciplines

Integració 3D de detectors de píxels híbrids

La miniaturització de la industria microelectrònica és un fet del tot inqüestionables i la tecnologia CMOS no n'és una excepció. En conseqüència la comunitat científica s'ha plantejat dos grans reptes: En primer lloc portar la tecnologia CMOS el més lluny possible ('Beyond CMOS') tot desenvolupant sistemes d'altes prestacions com microprocessadors, micro - nanosistemes o bé sistemes de píxels. I en segon lloc encetar una nova generació electrònica basada en tecnologies totalment diferents dins l'àmbit de les Nanotecnologies. Tots aquests avanços exigeixen una recerca i innovació constant en la resta d'àrees complementaries com són les d'encapsulat. L'encapsulat ha de satisfer bàsicament tres funcions: Interfície elèctrica del sistema amb l'exterior, Proporcionar un suport mecànic al sistema i Proporcionar un camí de dissipació de calor. Per tant, si tenim en compte que la majoria d'aquests dispositius d'altes prestacions demanden un alt nombre d'entrades i sortides, els mòduls multixip (MCMs) i la tecnologia flip chip es presenten com una solució molt interessant per aquests tipus de dispositiu. L'objectiu d'aquesta tesi és la de desenvolupar una tecnologia de mòduls multixip basada en interconnexions flip chip per a la integració de detectors de píxels híbrids, que inclou: 1) El desenvolupament d'una tecnologia de bumping basada en bumps de soldadura Sn/Ag eutèctics dipositats per electrodeposició amb un pitch de 50µm, i 2) El desenvolupament d'una tecnologia de vies d'or en silici que permet interconnectar i apilar xips verticalment (3D packaging) amb un pitch de 100µm. Finalment aquesta alta capacitat d'interconnexió dels encapsulats flip chip ha permès que sistemes de píxels tradicionalment monolítics puguin evolucionar cap a sistemes híbrids més compactes i complexes, i que en aquesta tesi s'ha vist reflectit transferint la tecnologia desenvolupada al camp de la física d'altes energies, en concret implantant el sistema de bump bonding d'un mamògraf digital. Addicionalment s'ha implantat també un dispositiu detector híbrid modular per a la reconstrucció d'imatges 3D en temps real, que ha donat lloc a una patent.

Management of cardiovascular diseases with micro systems and nanotechnology

Cardiovascular diseases are the leading cause of death and morbidity in industrialized nations and are becoming an urgent health problem for all nations due to the unstoppable trend of an ageing and obese population. Due to the rapid development of micro total analysis systems (μTAS) and nanotechnology in recent years, they will play an important role in the diagnosis, management, and therapy of cardiovascular diseases. It is envisaged that the micro and nanotechnologies developed for treating other diseases shall be explored for cardiovascular applications to reduce the research effort required for commercializing the devices and drugs to meet the increasing demand of the cardiovascular patients.

Applications of nanomedicine in antibacterial medical therapeutics and diagnostics

The need for new and effective/efficient antibacterial therapeutics and diagnostics is necessary if we want to be able to maintain and improve the protection against pathogenic bacteria. Bacteria are becoming increasingly resistant to traditionally used antibiotics and as a result are a major health concern. The number of deaths and hospitalizations due to bacteria is increasing. Current methods of bacterial diagnostics are inefficient as they lack speed and ultra sensitivity and cannot be performed on site. This is where nanomedicine is playing a vital role. The discovery of new and innovative materials through the improvement in fabrication techniques has seen the establishment of an influx of novel antibacterial therapeutics and diagnostics. The goal of this review is to highlight the research that has been done through the implementation of nanomaterials and nanotechnologies for antibacterial medical therapeutic and diagnostic.

Aptamer-targeted oligonucleotide theranostics: a smarter approach for brain delivery and the treatment of neurological diseases

Aptamers represent the novel class of oligonucleotides holding multiple applications in the area of biomedicine. The advancements introduced with the Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX) approach further eased the scope of producing modified aptamers within a short span yet retaining the properties of stability and applicability. In the recent times, aptamers were identified to have the potential for penetrating into the deep human crevices and thus can be utilized in addressing the issues of complex neurological disorders. Considering the specificity and stability enhancement by chemical modifications, aptamer-based nanotechnologies may have great potential for future therapeutics and diagnostics (theranostics). The research community has already witnessed success with the approval of macugen (an anti-vascular endothelial growth factor aptamer) for treating degenerating eye disease, and hopefully those that are in the clinical trials will soon be translated for human application. Herein, we have summarized the aptamer chemistry, aptamer-nanoconjugates and their applications against neurological diseases.