Engineering polymeric micelles for solubilization of poorly-water soluble drugs : a novel approach for oral drug delivery

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

Newly-developed parameters to quantify texture : application to polymeric porous structures

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Engineering polymeric micelles for solubilization of poorly-water soluble drugs : a novel approach for oral drug delivery

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

Newly-developed parameters to quantify texture : application to polymeric porous structures

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Design of binary polymeric systems containing ɩ-carrageenan and hydroxypropylcellulose for use in cataract surgery.

This study describes the design and characterisation of the rheological and mechanical properties of binary polymeric systems composed of 2-Hydroxypropylcellulose and ɩ-carrageenan, designed as ophthalmic viscoelastic devices (OVDs). Platforms were characterised using dilute solution, flow and oscillatory rheometry and texture profile analysis. Rheological synergy between the two polymers was observed both in the dilute and gel states. All platforms exhibited pseudoplastic flow. Increasing polymer concentrations significantly decreased the loss tangent and rate index yet increased the storage and loss moduli, consistency, gel hardness, compressibility and adhesiveness, the latter being related to the in-vivo retention properties of the platforms. Binary polymeric platforms exhibited unique physicochemical properties, properties that could not be engineered using mono-polymeric platforms. Using characterisation methods that provide information relevant to their clinical performance, low-cost binary platforms (3% hydroxypropylcellulose and either 1% or 2% ɩ-carrageenan) were identified that exhibited rheological, textural and viscoelastic properties advantageous for use as OVDs.

The use of binary polymeric networks in stabilising polyethylene oxide solid dispersions

The objective of this study was to determine if a high Tg polymer (Eudragit® S100) could be used to stabilize amorphous domains of polyethylene oxide (PEO) and hence improve the stability of binary polymer systems containing celecoxib (CX). We propose a novel method of stabilizing the amorphous PEO solid dispersion through inclusion of a miscible, high Tg polymer, namely, that can form strong inter-polymer interactions. The effects of inter-polymer interactions and miscibility between PEO and Eudragit S100 are considered. Polymer blends were first manufactured via hot-melt extrusion at different PEO/S100 ratios (70/30, 50/50, and 30/70 wt/wt). Differential scanning calorimetry and dynamic mechanical thermal analysis data suggested a good miscibility between PEO and S100 polymer blends, particularly at the 50/50 ratio. To further evaluate the system, CX/PEO/S100 ternary mixtures were extruded. Immediately after hot-melt extrusion, a single Tg that increased with increasing S100 content (anti-plasticization) was observed in all ternary systems. The absence of powder X-ray diffractometry crystalline Bragg’s peaks also suggested amorphization of CX. Upon storage (40°C/75% relative humidity), the formulation containing PEO/S100 at a ratio of 50:50 was shown to be most stable. Fourier transform infrared studies confirmed the presence of hydrogen bonding between Eudragit S100 and PEO suggesting this was the principle reason for stabilization of the amorphous CX/PEO solid dispersion system.

Analysis of Ultrasonic Techniques for the Characterization of Microfiltration Polymeric Membranes

The use of polymeric membranes is extremely important in several industries such as nuclear, biotechnology, chemical and pharmaceutical. In the nuclear area, for instance, systems based on membrane separation technologies are currently being used in the treatment of radioactive liquid effluent, and new technologies using membranes are being developed at a great rate. The knowledge of the physical characteristics of these membranes, such as, pore size and the pore size distribution, is very important to the membranes separation processes. Only after these characteristics are known is it possible to determine the type and to choose a particular membrane for a specific application. In this work, two ultrasonic non destructive techniques were used to determine the porosity of membranes: pulse echo and transmission. A 25 MHz immersion transducer was used. Ultrasonic signals were acquired, for both techniques, after the ultrasonic waves passed through a microfiltration polymeric membrane of pore size of 0.45 μm and thickness of 180 μm. After the emitted ultrasonic signal crossed the membrane, the received signal brought several information on the influence of the membrane porosity in the standard signal of the ultrasonic wave. The ultrasonic signals were acquired in the time domain and changed to the frequency domain by application of the Fourier Fast Transform (FFT), thus generating the material frequency spectrum. For the pulse echo technique, the ultrasonic spectrum frequency changed after the ultrasonic wave crossed the membrane. With the transmission technique there was only a displacement of the ultrasonic signal at the time domain.

Multiscale morphology design of hybrid halide perovskites through a polymeric template

Hybrid halide perovskites have emerged as promising active constituents of next generation solution processable optoelectronic devices. During their assembling process, perovskite components undergo very complex dynamic equilibria starting in solution and progressing throughout film formation. Finding a methodology to control and affect these equilibria, responsible for the unique morphological diversity observed in perovskite films, constitutes a fundamental step towards a reproducible material processability. Here we propose the exploitation of polymer matrices as cooperative assembling components of novel perovskite CH3NH3PbI3 : polymer composites, in which the control of the chemical interactions in solution allows a predictable tuning of the final film morphology. We reveal that the nature of the interactions between perovskite precursors and polymer functional groups, probed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Dynamic Light Scattering (DLS) techniques, allows the control of aggregates in solution whose characteristics are strictly maintained in the solid film, and permits the formation of nanostructures that are inaccessible to conventional perovskite depositions. These results demonstrate how the fundamental chemistry of perovskite precursors in solution has a paramount influence on controlling and monitoring the final morphology of CH3NH3PbI3 (MAPbI3) thin films, foreseeing the possibility of designing perovskite : polymer composites targeting diverse optoelectronic applications.

Development of polymeric drug delivery vehicles for targeted cancer therapy

The aim of my Ph. D. thesis is to generalize a method for targeted anti-cancer drug delivery. Hydrophilic polymer-drug conjugates involve complicated synthesis; drug-encapsulated polymeric nanoparticles limit the loading capability of payloads. This thesis introduces the concept of nanoconjugates to overcome difficulties in synthesis and formulation. Drugs with hydroxyl group are able to initiate polyester synthesis in a regio- and chemo- selective way, with the mediation of ligand-tunable Zinc catalyst. Herein, three anti-cancer drugs are presented to demonstrate the high efficiency and selectivity in the method (Chapter 2-4). The obtained particles are stable in salt solution, releasing drugs over weeks in controlled manner. With the conjugation of aptamer, particles are capable to target prostate cancer cells in vitro. These results open the gateway to evaluate the in vivo efficacy of nanoconjugates for target cancer therapy (Chapter 5). Mechanism study of the polymerization leads to the discovery of chemosite selective synthesis of prodrugs with acrylate functional groups. Functional copolymer-drug conjugates will expand the scope of nanoconjugates (Chapter 6). Liposome-aptamer targeting drug delivery vehicle is well studied to achieve reversible cell-specific delivery of non-hydoxyl drugs e.g. cisplatin (Chapter 7). New monomers and polymerization mechanisms are explored for polyester in order to synthesize nanoconjugates with variety on properties (Chapter 8). Initial efforts to apply this type of prodrugs will be focused on the preparation of hydrogels for stem cell research (Chapter 9).