Polymeric films for buccal drug delivery

The aim of this research project is to evaluate whether or not pullulan films are suitable to buccal drug delivery of a phosphodiesterase5 (PDE5) inhibitor yonkenafil, which was discovered in our research group and currently is under phase II clinical trial for treatment of erectile dysfunction. Variable formulations of pullulan films were designed and the films were prepared. Mechanical properties of the films, in vitro drug release and polymer dissolution, in vitro drug penetration through porcine esophageal mucosa were investigated. The plasticization effects of solvents, polyols and acids to the films were studied by tensile test, and differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, fourier transform-infrared, scanning electron microscopy, optical microscopy was applied to analyse the structure and chemical-bonding between pullulan and the additives within the films. Release mathematics models were used in the study of the mechanism of drug releases and polymer dissolutions. Ethanol, menthol, fatty acids, and sodium dodecyl sulphate were employed as penetration enhancers to pretreat the tissue. Various plasticizers and acids were applied into the films and the result showed polyethylene glycol 400 and 600 had the excellent plasticization effect on the drug-free pullulan films, while lactic acid was the best plasticizer for the drug-loaded films. Both PEG400 and lactic acid had a great effect on the drug release from the films in vitro, and all the results indicated that the hydroxyl and carboxyl groups of pullulan and the additives influenced the mechanical properties of the films significantly, and also altered drug release mechanisms. Ethanol shows the greatest enhancing ability on the drug permeation through the porcine esophageal mucosa. A possible mechanism for this is that ethanol interferes with the structure of the lipids in the mucosa, resulting in increased partitioning of the drug into the membrane.

Fabrication of magnetic drug-loaded polymeric composite nanofibres and their drug release characteristics

Magnetic polymer nanofibres intended for drug delivery have been designed and fabricated by electrospinning. Magnetite (Fe3O4) nanoparticles were successfully incorporated into electrospun nanofibre composites of two cellulose derivatives, dehydroxypropyl methyl cellulose phthalate (HPMCP) and cellulose acetate (CA), while indomethacin (IDN) and aspirin have been used as model drugs. The morphology of the neat and magnetic drug-loaded electrospun fibres and the release characteristics of the drugs in artificial intestinal juice were investigated. It was found that both types of electrospun composite nanofibres containing magnetite nanoparticles showed superparamagnetism at room temperature, and their saturation magnetisation and morphology depend on the Fe3O4 nanoparticle content. Furthermore, the presence of the magnetite nanoparticles did not affect the drug release profiles of the nanofibrous devices. The feasibility of controlled drug release to a target area of treatment under the guidance of an external magnetic field has also been demonstrated, showing the viability of the concept of magnetic drug-loaded polymeric composite nanofibres for magneto-chemotherapy.

Thiol-containing microspheres as polymeric ligands for the immobilisation of quantum dots

The first demonstration "polymeric ligands" for the immobilisation of quantum dots (QDs) is presented. Specifically, thiol-containing polystyrene microspheres were synthesised and used to incorporate QDs via a swelling/doping strategy. The resultant composite materials were shown to be highly stable against QD leaching in both apolar and polar solvents and retained an identical QD emission profile to non-immobilised QDs. This straightforward approach also allows easy access to controllable and reproducible multiple-QDcontaining microspheres.

A new 3-D polymeric spin transition compound: [tris(1,4-bis-(tetrazol-1-yl) butane-N1,N1′)iron(II)] bis(perchlorate)

A series of novel polymeric compounds of formula [M(btzb)3][ClO4]2 (Mll = Fe, Ni or Cu) with btzb = 1,4-bis-(tetrazol-1-yl)butane have been prepared and their physical properties investigated. The btzb ligand has been prepared and its crystal structure determined, together with a tentative crystal structure of the 3-D compound [Fe(btzb)3][ClO4]2. The model of the latter shows two symmetry-related, interpenetrating Fe-btzb networks in which the iron(II) ions approach each other as close as 8.3 and 9.1 Å. This supramolecular catenane undergoes a sharp thermal spin transition around 160 K with hysteresis (20 K) along with a pronounced thermochromic effect. The spin crossover behaviour has been followed by magnetic, DSC, optical spectroscopy and 57Fe Mössbauer spectroscopy measurements. Irradiation with green light at low temperature leads to population of the metastable high-spin state for the thermally active iron(ll) ions. The nature of the spin crossover behaviour has been discussed in detail.

Polymeric microspheres as protein transduction reagents

Discovering the function of an unknown protein, particularly one with neither structural nor functional correlates, is a daunting task. Interaction analyses determine binding partners, whereas DNA transfection, either transient or stable, leads to intracellular expression, though not necessarily at physiologically relevant levels. In theory, direct intracellular protein delivery (protein transduction) provides a conceptually simpler alternative, but in practice the approach is problematic. Domains such as HIV TAT protein are valuable, but their effectiveness is protein specific. Similarly, the delivery of intact proteins via endocytic pathways (e.g. using liposomes) is problematic for functional analysis because of the potential for protein degradation in the endosomes/lysosomes. Consequently, recent reports that microspheres can deliver bio-cargoes into cells via a non-endocytic, energy-independent pathway offer an exciting and promising alternative for in vitro delivery of functional protein. In order for such promise to be fully exploited, microspheres are required that (i) are stably linked to proteins, (ii) can deliver those proteins with good efficiency, (iii) release functional protein once inside the cells, and (iv) permit concomitant tracking. Herein, we report the application of microspheres to successfully address all of these criteria simultaneously, for the first time. After cellular uptake, protein release was autocatalyzed by the reducing cytoplasmic environment. Outside of cells, the covalent microsphere-protein linkage was stable for ≥90 h at 37°C. Using conservative methods of estimation, 74.3% ± 5.6% of cells were shown to take up these microspheres after 24 h of incubation, with the whole process of delivery and intracellular protein release occurring within 36 h. Intended for in vitro functional protein research, this approach will enable study of the consequences of protein delivery at physiologically relevant levels, without recourse to nucleic acids, and offers a useful alternative to commercial protein transfection reagents such as Chariot™. We also provide clear immunostaining evidence to resolve residual controversy surrounding FACS-based assessment of microsphere uptake. © 2014 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology Inc.

Self-assembly of cross-linked β-cyclodextrin nanocapsules

Stirring of perthiolated β-cyclodextrin in water yields cross-linked hollow capsules ca. 50 nm in diameter, which can be used for encapsulation and controlled release of large molecules as shown using Reichardt's dye. © 2009 The Royal Society of Chemistry.

In vivo biocompatibility evaluation of composite polymeric materials for use in a novel artificial heart valve

A novel trileaflet polymer valve is a composite design of a biostable polymer poly(styrene-isobutylene-styrene) (SIBS) with a reinforcement polyethylene terephthalate (PET) fabric. Surface roughness and hydrophilicity vary with fabrication methods and influence leaflet biocompatibility. The purpose of this study was to investigate the biocompatibility of this composite material using both small animal (nonfunctional mode) and large animal (functional mode) models. Composite samples were manufactured using dip coating and solvent casting with different coating thickness (251μm and 50μm). Sample's surface was characterized through qualitative SEM observation and quantitative surface roughness analysis. A novel rat abdominal aorta model was developed to test the composite samples in a similar pulsatile flow condition as its intended use. The sample's tissue response was characterized by histological examination. Among the samples tested, the 25μm solvent-cast sample exhibited the smoothest surface and best biocompatibility in terms of tissue capsulation thickness, and was chosen as the method for fabrication of the SIBS valve. Phosphocholine was used to create a hydrophilic surface on selected composite samples, which resulted in improved blood compatibility. Four SIBS valves (two with phosphocholine modification) were implanted into sheep. Echocardiography, blood chemistry, and system pathology were conducted to evaluate the valve's performance and biocompatibility. No adverse response was identified following implantation. The average survival time was 76 days, and one sheep with the phosphocholine modified valve passed the FDA minimum requirement of 140 days with approximately 20 million cycles of valve activity. The explanted valves were observed under the aid of a dissection microscope, and evaluated via histology, SEM and X-ray. Surface cracks and calcified tissue deposition were found on the leaflets. In conclusion, we demonstrated the applicability of using a new rat abdominal aorta model for biocompatibility assessment of polymeric materials. A smooth and complete coating surface is essential for the biocompatibility of PET/SIBS composite, and surface modification using phosphocholine improves blood compatibility. Extrinsic calcification was identified on the leaflets and was associated with regions of surface cracks.

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.

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.