Uma nova proposta de fluidos de perfuração aquosos à base de polímeros vinílicos e bentonita para poços de alta temperatura e pressão

The advance of drilling in deeper wells has required more thermostable materials. The use of synthetic fluids, which usually have a good chemical stability, faces the environmental constraints, besides it usually generate more discharge and require a costly disposal treatment of drilled cuttings, which are often not efficient and require mechanical components that hinder the operation. The adoption of aqueous fluids generally involves the use of chrome lignosulfonate, used as dispersant, which provides stability on rheological properties and fluid loss under high temperatures and pressures (HTHP). However, due to the environmental impact associated with the use of chrome compounds, the drilling industry needs alternatives that maintain the integrity of the property and ensure success of the operation in view of the strong influence of temperature on the viscosity of aqueous fluids and polymers used in these type fluids, often polysaccharides, passives of hydrolysis and biological degradation. Therefore, vinyl polymers were selected for this study because they have predominantly carbon chain and, in particular, polyvinylpyrrolidone (PVP) for resisting higher temperatures and partially hydrolyzed polyacrylamide (PHPA) and clay by increasing the system's viscosity. Moreover, the absence of acetal bonds reduces the sensitivity to attacks by bacteria. In order to develop an aqueous drilling fluid system for HTHP applications using PVP, HPAM and clay, as main constituents, fluid formulations were prepared and determined its rheological properties using rotary viscometer of the Fann, and volume filtrate obtained by filtration HTHP following the standard API 13B-2. The new fluid system using polyvinylpyrrolidone (PVP) with high molar weight had higher viscosities, gels and yield strength, due to the effect of flocculating clay. On the other hand, the low molecular weight PVP contributed to the formation of disperse systems with lower values in the rheological properties and fluid loss. Both systems are characterized by thermal stability gain up to around 120 ° C, keeping stable rheological parameters. The results were further corroborated through linear clay swelling tests.

Uma nova proposta de fluidos de perfuração aquosos à base de polímeros vinílicos e bentonita para poços de alta temperatura e pressão

The advance of drilling in deeper wells has required more thermostable materials. The use of synthetic fluids, which usually have a good chemical stability, faces the environmental constraints, besides it usually generate more discharge and require a costly disposal treatment of drilled cuttings, which are often not efficient and require mechanical components that hinder the operation. The adoption of aqueous fluids generally involves the use of chrome lignosulfonate, used as dispersant, which provides stability on rheological properties and fluid loss under high temperatures and pressures (HTHP). However, due to the environmental impact associated with the use of chrome compounds, the drilling industry needs alternatives that maintain the integrity of the property and ensure success of the operation in view of the strong influence of temperature on the viscosity of aqueous fluids and polymers used in these type fluids, often polysaccharides, passives of hydrolysis and biological degradation. Therefore, vinyl polymers were selected for this study because they have predominantly carbon chain and, in particular, polyvinylpyrrolidone (PVP) for resisting higher temperatures and partially hydrolyzed polyacrylamide (PHPA) and clay by increasing the system's viscosity. Moreover, the absence of acetal bonds reduces the sensitivity to attacks by bacteria. In order to develop an aqueous drilling fluid system for HTHP applications using PVP, HPAM and clay, as main constituents, fluid formulations were prepared and determined its rheological properties using rotary viscometer of the Fann, and volume filtrate obtained by filtration HTHP following the standard API 13B-2. The new fluid system using polyvinylpyrrolidone (PVP) with high molar weight had higher viscosities, gels and yield strength, due to the effect of flocculating clay. On the other hand, the low molecular weight PVP contributed to the formation of disperse systems with lower values in the rheological properties and fluid loss. Both systems are characterized by thermal stability gain up to around 120 ° C, keeping stable rheological parameters. The results were further corroborated through linear clay swelling tests.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Formulations thermosensibles à base de chitosan pour la libération prolongée de médicaments

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nanostructured copper oxides and phosphates from a new solid-state route

Nanostructured copper containing materials of CuO, Cu3(PO4)3 and Cu2P2O7 have been prepared by solid-state pyrolysis of molecular CuCl2·NC5H4OH (I), CuCl2·CNCH2C6H4OH (II), oligomeric [Cu(PPh3)Cl]4 (III), N3P3[OC6H4CH2CN·CuCl]6[PF6] (IV), N3P3[OC6H5]5[OC5H4N·Cu][PF6] (V), polymeric chitosan·(CuCl2)n (VI) and polystyrene-co-4-vinylpyridine PS-b-4-PVP·(CuCl2) (VII) precursors. The products strongly depend on the precursor used. The pyrolytic products from phosphorus-containing precursors (III), (IV) and (V) are Cu phosphates or pyrophosphates, while non-phosphorous-containing precursors (VI) and (VII), result in mainly CuO. The use of chitosan as a solid-state template/stabilizer induces the formation of CuO and Cu2O nanoparticles. Copper pyrophosphate (Cu2P2O7) deposited on Si using (IV) as the precursor exhibits single-crystal dots of average diameter 100 nm and heights equivalent to twice the unit cell b-axis (1.5–1.7 nm) and an areal density of 5.1–7.7 Gigadots/in.2. Cu2P2O7 deposited from precursor (VI) exhibits unique labyrinthine high surface area deposits. The morphology of CuO deposited on Si from pyrolysis of (VI) depends on the polymer/Cu meta ratio. Magnetic measurements performed using SQUID on CuO nanoparticle networks suggest superparamagnetic behavior. The results give insights into compositional, shape and morphological control of the as-formed nanostructures through the structure of the precursors.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Formulations thermosensibles à base de chitosan pour la libération prolongée de médicaments

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

An Infection-Responsive Approach to Reduce Bacterial Adhesion in Urinary Biomaterials

Infection is an inevitable consequence of chronic urinary catheterisation, with associated problems of recurrent catheter encrustation and blockage experienced by approximately 50% of all long-term catheterised patients. In this work we have exploited, for the first time, the reported pathogen-induced elevation of urine pH as a trigger for ‘intelligent’ antimicrobial release from novel hydrogel drug delivery systems of 2-hydroxyethyl methacrylate and vinyl-functionalised nalidixic acid derivatives, developed as candidate infection-resistant urinary catheter coatings. Demonstrating up to 20-fold faster rates of drug release at pH 10, representing infected urine pH, than at pH 7, and achieving reductions of up to 96.5% in in vitro bacterial adherence, our paradigm of pH-responsive drug delivery, which requires no external manipulation, therefore represents a promising development towards the prevention of catheter-associated urinary tract infections (CAUTIs) in vivo.

Microwave-Assisted Process For The Preparation of Microneedle Arrays.

A microwave (MW)-assisted crosslinking process to prepare hydrogel-forming microneedle (MN) arrays was evaluated. The effects of the crosslinking process on the MN arrays characteristics was evaluated. The results suggest that MN arrays prepared using the MW assisted process had equivalent properties to those prepared conventionally, but can be produced 30 times faster.

Stimuli-Responsive Microneedle Arrays For On-Demand Drug Delivery

Pulsatile, or “on-demand”, delivery systems have the capability to deliver a therapeutic molecule at the right time/site of action and in the right amount (1). Pulsatile delivery systems present multiple benefits over conventional dosage forms and provide higher patient compliance. The combination of stimuli-responsive materials with the drug delivery capabilities of hydrogel-forming MN arrays (2) opens an interesting area of research. In the present work we describe, a stimuli-responsive hydrogel-forming microneedle (MN) array that enable delivery of a clinically-relevant model drug (ibuprofen) upon application of UV radiation (Figure 1A). MN arrays were prepared using a micromolding technique using a polymer prepared from 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) (Figure 1B). The arrays were loaded with up to 5% (w/w) ibuprofen included in a light-responsible conjugate (3,5-dimethoxybenzoin conjugate) (2). The presence of the conjugate inside the MN arrays was confirmed by Raman spectroscopy measurements. MN arrays were tested in vitro showing that they were able to deliver up to three doses of 50 mg of ibuprofen after application of an optical trigger (wavelength of 365 nm) over a long period of time (up to 160 hours) (Figure 1C and 1D). The work presented here is a probe of concept and a modified version of the system should be used as UV radiation is shown to be the major etiologic agent in the development of skin cancers. Consequently, for future applications of this technology an alternative design should be developed. Based on the previous research dealing with hydrogel forming MN arrays a suitable strategy will be to use hydrogel-forming MN arrays containing a backing layer made with the material described in this work as the drug reservoir (2). Finally, a porous layer of a material that blocks UV radiation should be included between the MN array and the drug reservoir. Therefore radiation can be applied to the system without reaching the skin surface. Therefore after modification, the system described here interesting properties as “on-demand” release system for prolonged periods of time. This technology has potential for use in “on-demand” delivery of a wide range of drugs in a variety of applications relevant to enhanced patient care.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Logic-Based Delivery of Site-Specifically-Modified Proteins from Gels through Engineered Biomacromolecular Architecture

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08