Heparinized nanohydroxyapatite/collagen granules for controlled release of vancomycin

The purpose of this study was to develop a bone substitute material capable of preventing or treating osteomyelitis through a sustainable release of vancomycin and simultaneously inducing bone regeneration. Porous heparinized nanohydroxyapatite (nanoHA)/collagen granules were characterized using scanning electron microscopy, micro-computed tomography and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy. After vancomycin adsorption onto the granules, its releasing profile was studied by UV molecular absorption spectroscopy. The heparinized granules presented a more sustainable release over time, in comparison with nonheparinized nanoHA and nanoHA/collagen granules. Vancomycin was released for 360 h and proved to be bioactive until 216 h. Staphylococcus aureus adhesion was higher on granules containing collagen, guiding the bacteria to the material with antibiotic, improving their eradication. Moreover, cytotoxicity of the released vancomycin was assessed using osteoblast cultures, and after 14 days of culture in the presence of vancomycin, cells were able to remain viable, increasing their metabolic activity and colonizing the granules, as observed by scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy. These findings suggest that heparinized nanoHA/collagen granules are a promising material to improve the treatment of osteomyelitis, as they are capable of releasing vancomycin, eliminating the bacteria, and presented morphological and chemical characteristics to induce bone regeneration.

Desenvolvimento de um biossensor para Ácido Glutâmico

A presente dissertação tem com objetivo o desenvolvimento de um biossensor com base nos polímeros de impressão molecular para a deteção de uma molécula alvo, o ácido glutâmico que é convertido em glutamina pela glutamina sintetase, recorrendo à potenciometria. Nas células neoplásicas a glutamina não é sintetizada podendo-se considerar que o ácido glutâmico é um potencial agente anti-cancro. A técnica de impressão molécular utilizada foi a polimerização em bulk, combinando a acrilamida e a bis acrilamida com o ácido glutâmico. Para se verificar se a resposta potenciométrica obtida era de facto da molécula alvo foram preparados em paralelo com os sensores, materiais de controlo, ou seja, moléculas sem impressão molécular (NIP). Para se controlar a constituíção química dos vários sensores nomeadamente, do NIP e do polímero de impressão molecular (MIP) antes e após a remoção bem como a molécula foram realizados estudos de Espetroscopia de Infravermelhos de Transformada de Fourier (FTIR), Scanning electron microscope (SEM) e Espetroscopia de Raios X por dispersão em energia (EDS). Os materiais desenvolvidos foram aplicados em várias membranas que diferiam umas das outras, sendo seletivas ao ião. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na análise das curvas de calibração, conseguidas em meios com pHs diferentes, comparando os vários elétrodos. O pH 5 foi o que apresentou melhor resultado, associado a uma membrana que continha um aditivo, o p-tetra-octilphenol, e com o sensor com percentagem de 3%. Posto isto, testou-se em material biológico, urina, com as melhores características quer em termos de sensibilidade (18,32mV/década) quer em termos de linearidade (1,6x10-6 a 1,48x10-3 mol/L). Verificou-se ainda que aplicando iões interferentes na solução, estes não interferem nesta, podendo ser aplicados na amostra sem que haja alteração na resposta potenciométrica. O elétrodo é capaz de distinguir o ácido glutâmico dos restantes iões presentes na solução.

Development of composite particles for pulmonary delivery

In this work, biocompatible and biodegradable poly(D-L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microparticles with the potential for use as a controlled release system of vaccines and other drugs to the lung were manufactured using supercritical CO2, through the Supercritical Assisted Atomization (SAA) technique. After performing a controlled variance in production parameters (temperature, pressure, CO2/solution flow ratio) PLGA microparticles were characterized and later used to encapsulate active pharmaceutical ingredients (API). Bovine serum albumin (BSA) was chosen as model protein and vaccine, while sildenafil was the chosen drug to treat pulmonary artery hypertension and their effect on the particles characteristics was evaluated. All the produced formulations were characterized in relation to their morphology (Morphologi G3 and scanning electronic microscopy (SEM)), to their physical-chemical properties (X-ray diffraction (XRD, differential scanning calorimetry (DSC), Fourier transform infrared (FTIR)) and aerodynamic performance using an in vitro aerosolization study – Andersen cascade impactor (ACI) - to obtain data such as the fine particle fraction (FPF) and the mass median aerodynamic diameter (MMAD). Furthermore, pharmacokinetic, biodegradability and biocompatibility tests were performed in order to verify the particle suitability for inhalation. The resulting particles showed aerodynamic diameters between the 3 and 5 μm, yields up to 58% and FPF percentages rounding the 30%. Taken as a whole, the produced microparticles do present the necessary requests to make them appropriate for pulmonary delivery.

Identification of a novel determinant for membrane association in hepatitis C virus nonstructural protein 4B.

Nonstructural protein 4B (NS4B) plays an essential role in the formation of the hepatitis C virus (HCV) replication complex. It is a relatively poorly characterized integral membrane protein predicted to comprise four transmembrane segments in its central portion. Here, we describe a novel determinant for membrane association represented by amino acids (aa) 40 to 69 in the N-terminal portion of NS4B. This segment was sufficient to target and tightly anchor the green fluorescent protein to cellular membranes, as assessed by fluorescence microscopy as well as membrane extraction and flotation analyses. Circular dichroism and nuclear magnetic resonance structural analyses showed that this segment comprises an amphipathic alpha-helix extending from aa 42 to 66. Attenuated total reflection infrared spectroscopy and glycosylation acceptor site tagging revealed that this amphipathic alpha-helix has the potential to traverse the phospholipid bilayer as a transmembrane segment, likely upon oligomerization. Alanine substitution of the fully conserved aromatic residues on the hydrophobic helix side abrogated membrane association of the segment comprising aa 40 to 69 and disrupted the formation of a functional replication complex. These results provide the first atomic resolution structure of an essential membrane-associated determinant of HCV NS4B.

Étude des propriétés de transport dans les hydrogels de curdlan

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.

Investigation of femtosecond laser technology for the fabrication of drug nanocrystals in suspension

La technique du laser femtoseconde (fs) a été précédemment utilisée pour la production de nanoparticules d'or dans un environnement aqueux biologiquement compatible. Au cours de ce travail de maîtrise, cette méthode a été investiguée en vue d'une application pour la fabrication de nanocristaux de médicament en utilisant le paclitaxel comme modèle. Deux procédés distincts de cette technologie à savoir l'ablation et la fragmentation ont été étudiés. L'influence de la puissance du laser, de point de focalisation, et de la durée du traitement sur la distribution de taille des particules obtenues ainsi que leur intégrité chimique a été évaluée. Les paramètres ont ainsi été optimisés pour la fabrication des nanoparticules. L’évaluation morphologique et chimique a été réalisée par microscopie électronique et spectroscopie infrarouge respectivement. L'état cristallin des nanoparticules de paclitaxel a été caractérisé par calorimétrie differentielle et diffraction des rayons X. L'optimisation du procédé de production de nanoparticules par laser fs a permis d'obtenir des nanocristaux de taille moyenne (400 nm, polydispersité ≤ 0,3). Cependant une dégradation non négligeable a été observée. La cristallinité du médicament a été maintenue durant la procédure de réduction de taille, mais le paclitaxel anhydre a été transformé en une forme hydratée. Les résultats de cette étude suggèrent que le laser fs peut générer des nanocristaux de principe actif. Cependant cette technique peut se révéler problématique pour des médicaments sensibles à la dégradation. Grâce à sa facilité d'utilisation et la possibilité de travailler avec des quantités restreintes de produit, le laser fs pourrait représenter une alternative valable pour la production de nanoparticules de médicaments peu solubles lors des phases initiales de développement préclinique. Mots-clés: paclitaxel, nanocristaux, laser femtoseconde, ablation, fragmentation

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Polystyrene Anchored Vanillin Schiff Base—Complexation and Ion Removal Studies

A set of six new polystyrene anchored metal complexes have been synthesized by the reaction of the metal salt with the polystyrene anchored Schiff base of vanillin. These complexes were characterized by elemental analyses, Fourier transform infrared spectroscopy, diffuse reflectance studies, thermal studies, and magnetic susceptibility measurements. The elemental analyses suggest a metal : ligand ratio of 1 : 2. The ligand is unidentate and coordinates through the azomethine nitrogen. The Mn(II), Fe(III), Co(II), Ni(II), and Cu(II) complexes are all paramagnetic while Zn(II) is diamagnetic. The Cu(II) complex is assigned a square planar structure, while Zn(II) is assigned a tetrahedral structure and Mn(II), Fe(III), Co(II), and Ni(II) are all assigned octahedral geometry. The thermal analyses were done on the ligand and its complexes to reveal their stability. Further, the application of the Schiff base as a chelating resin in ion removal studies was investigated. The polystyrene anchored Schiff base gave 96% efficiency in the removal of Ni(II) from a 20-ppm solution in 15 min, without any interference from ions such as Mn(II), Co(II), Fe(III), Cu(II), Zn(II), U(VI), Na , K , NH4 , Ca2 , Cl , Br , NO3 , NO2 ,and CH3CO2 . The major advantage is that the removal is achieved without altering the pH.

Copper(II) complexes of embelin and 2-aminobenzimidazole encapsulated in zeolite Y-potential as catalysts

Copper(II) complexes of two biologically important ligands, viz., embelin (2,5-dihydroxy-3-undecyl-2,5-cyclohexadien 1,4-dione) and 2-aminobenzimidazole were entrapped in the cages of zeolite Y by the flexible ligand method. The capability of these compounds in catalyzing the reduction of oxygen (industrially known as deoxo reaction) was explored and the results indicate an enhancement of the catalytic properties from that of the simple copper ion exchanged zeolite. These point to the ability of the ligands in enhancing the oxygen binding capability of the metal ion. Elemental analyses, Fourier transform infrared (FTIR), diffuse reflectance and EPR spectral studies, magnetic susceptibility measurements, TG, surface area analyses and powder X-ray diffraction studies were used in understanding the presence, composition and structure of the complexes inside the cages. The study also reveals the increased thermal and mechanical stability of the complexes as a result of encapsulation.

Cobalt (II), Nickel (II), and Copper (II) Complexes of Polystyrene-Supported Schiff Bases

Two novel polystyrene-supported Schiff bases, PSOPD and PSHQAD, were synthesized. A polymerbound aldehyde was condensed with o-phenylenediamine to prepare the Schiff base PSOPD, and a polymer-bound amine was condensed with 3-hydroxyquinoxaline-2-carboxaldehyde to prepare the Schiff base PSHQAD. This article addresses the study of cobalt (II), nickel (II), and copper (II) complexes of these polymer-bound Schiff bases. All the complexes were characterized, and the probable geometry was suggested using elemental analysis, diffuse reflectance ultraviolet, Fourier transform infrared spectroscopy, thermal studies, surface area studies, and magnetic measurements.

Diblock and Triblock Copolymers of Styrene and Acetoxymethylstyrene by One-Pot ATRP

We describe the synthesis of diblock and triblock copolymers by sequential atom transfer radical polymerization of styrene and acetoxymethylstyrene. Contrary to the usual block copolymerization involving isolation of the macroinitiator, a convenient one-pot procedure is developed. This is possible because of the preferential polymerization of acetoxymethylstyrene, even in the presence of residual styrene, as inferred from characterization of the intermediate polystyrenes and the block copolymers by size exclusion chromatography, 1H NMR, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and GPEC techniques. The latent acetoxy functionalities in these block copolymers are shown to be easily unmasked to OOH and OBr functionalities, with the potential for block ionomers and dense graft architectures.

Preparation of Low-Protein Natural Rubber Latex: Effect of Polyethylene Glycol

Low-protein content natural rubber latex was produced by using a nonionic surfactant-polyethylene glycol (PEG). Extractable protein content of natural rubber latex was found to decrease with PEG treatment and reduction increased with increase in the molecular weight of PEG. The low-protein latex samples were characterized by tensile testing, Fourier transform infrared and thermogravimetric analysis. The results have shown 35% reduction in the extractable protein content, without any compromise on the mechanical properties of the latex; however, thermal stability of low-protein latex was found to be reduced marginally with PEG treatment.

Synthesis, characterization and catalytic activity of Nd203 supported V205 catalysts

A series of rare-earth neodymia supported vanadium oxide catalysts with various V205 loadings ranging from 3 to 15 wt.% were prepared by the wet impregnation method using ammonium metavanadate as the vanadium precursor. The nature of vanadia species formed on the support surface is characterized hy a series of different physicochemical techniques like X-ray diffraction (XRD). Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). BET surface area, diffuse reflectance UV-vis spectroscopy (DR UV-vis), thermal analysis (TG-DTG/DTA) and SEM. The acidity of the prepared systems were verified by the stepwise temperature programmed desorprion of ammonia (NH3-TPD) and found that the total acidity gets increased with the percentage of vanadia loading. XRD and FT1R results shows the presence of surface dispersed vanadyl species at lower loadings and the formation of higher vanadate species as the percentage composition of vanadia is increased above 9 wt.%. The low surface area of the support. calcination temperature and the percentage of vanadia loading are found to influence the formation of higher vanadia species. The catalytic activity of the V205-Nd203 catalysts was probed in the liquid phase hydroxylation of phenol and the result show that the present catalysts are active at lower vanadia concentrations.

Design and Development of Instrumentation Systems to determine the Dry Rubber Content in Natural Rubber Latex

Hevea latex is a natural biological liquid of very complex composition .Besides rubber hydrocarbons,it contains many proteinous and resinous substances,carbohydrates,inorganic matter,water,and others.The Dry Rubber Content (DRC) of latex varies according to season, tapping system,weather,soil conditions ,clone,age of the tree etc. The true DRC of the latex must be determined to ensure fair prices for the latex during commercial exchange.The DRC of Hevea latex is a very familiar term to all in the rubber industry.It has been the basis for incentive payments to tappers who bring in more than the daily agreed poundage of latex.It is an important parameter for rubber and latex processing industries for automation and verious decesion making processes.This thesis embodies the efforts made by me to determine the DRC of rubber latex following different analytical tools such as MIR absorption,thermal analysis.dielectric spectroscopy and NIR reflectance.The rubber industry is still Looking for a compact instrument that is accurate economical,easy to use and environment friendly.I hope the results presented in this thesis will help to realise this goal in the near future.