Avaliação do controle da diagênese na qualidade de reservatório siliciclástico do cenomaniano superior da formação Açu, sudoeste da bacia potiguar

The distribution of diagenetic alterations in Late Cenomanian siliciclastic reservoirs from Potiguar Basin was influenced by the stratigraphic framework and the depositional system. Seismic sections and geophysical logs of two wells drilled in the SW portion of the mentioned basin above register regional stratigraphic surfaces representing maximum floods related to a transgressive event. The sequential analysis of 80 m of drill core (~450 m deep) recognized nine depositional facies with an upwards granodecrescent standard piling that limits cycles with an erosional conglomeratic base (lag) overlain by intercalations of medium to very fine sandstones showing cross bedding (channel, planar and low angled) and horizontal bedding (plane-parallel , wave and flaser). The top of the cycles is marked by the deposition of pelites and the development of paleosoils and lagoons. The correlation of genetically related facies reveals associations of channel fillings, crevasse, and flood plains deposited in a transgressive system. Detailed descriptions of seventy nine thin sections aided by MEV-EBSD/EDS, DRX and stable isotope analyses in sandstones revealed an arcosian composition and complex textural arrays with abundant smectite fringes continuously covering primary components, mechanically infiltrated cuticles and moldic and intragrain pores. K-feldspar epitaxial overgrowth covers microcline and orthoclase grains before any other phase. Abundant pseudomatrix due to the compactation of mud intraclasts concentrate along the stratification planes, locally replaced by macrocristalline calcite and microcrystalline and framboidal pyrite. Kaolinite (booklets and vermicular), microcrystalline smectite, microcrystalline titanium minerals and pyrite replace the primary components. The intergrain porosity prevails over the moldic, intragrain and contraction porosities. The pores are poorly connected due to the presence of intergranular smectite, k-feldspar overgrowth, infiltrated mud and pseudomatrix. The sandstones were subjected to eodiagenetic conditions next to the surface and shallow burial mesodiagenetic conditions. The diagenetic alterations reduced the porosity and the permeability mainly due to the precipitation of smectite fringes, compactation of mud intraclasts onto the pseudomatrix and cementing by poikilotopic calcite characterizing different reservoir petrofacies. These diagenetic products acted as barriers and detours to the flow of fluids thus reducing the quality of the reservoir.

Micropartículas contendo nanopartículas de quitosana usando sulfato e genipina para liberação modificada da triancinolona: obtenção, caracterização e estudo em células tumorais

Chitosan is a polymer biocompatibility and biodegradability widely used in drug delivery systems. The co-crosslinking of chitosan with sodium sulfate and genipin, to form particulate systems is related of making them more resistant to acidic pH and to modulate the release kinetics for the oral route. Triamcinolone is a glucocorticoid with anti-inflammatory and immunosuppressive actions. The nanoparticles were prepared by co-crosslinking and characterized for particle size, PDI, zeta potential, crosslinking degree, encapsulation rate, morphology, infrared spectroscopy, thermal analysis, release kinetics and cells studies. The nanoparticles were prepared initially without genipin with sodium sulphate and the particles parameters were monitored in function of different ratio of drug / polymer, different concentrations of sodium sulfate and polysorbate 80 and the drip mode of crosslinkers on polymers. After optimizing conditions, the chosen system parameters without genipin included mean diameter of 312.20 ± 5.70 nm, PDI 0.342 ± 0.013 and zeta potential of 20.18 ± 2.28 mV. The genipin was introduced into the system analyzing different concentrations (0.5, 1.0 and 2.0 mM) and crosslinking times (3, 6, 12 and 24 h). Evaluating crosslinking time with genipin (0.5 mM) it was showed that varying the genipin reaction time the systems size ranged from 235.1 to 334.4 nm, the PDI from 0.321 to 0.392 and zeta potential 20.92 to 30.39 mV. The crosslinking degree that coud vary from 14 to 30 %. Nanoparticles without genipina, 6 h and 24 h crosslinking time were dried by spray-drying method. Analysis by scanning electron micrograph (SEM) revealed that the microparticles showed spherical morphology. The encapsulation rate was 75 ± 2.3 % using validated HPLC methodology. The infrared analysis showed chemical interactions between the components of the formulation. Thermal analysis showed that systems with a higher degree of crosslinking had a higher thermal stability. On release kinetics, increasing the degree of crosslinking was able to decrease the concentration and rate of release of triamcinolone. In studies with liver cancer cells (HepG2) and colon (HT-29), the microparticulate prepared with triamcinolone and 24 h of crosslinking with genipin showed a potential for antitumor activity in hepatic cell line HepG2. Therefore, a new delivery system for triamcinolone on polymeric nanoparticles of chitosan cocrosslinked with genipin and sodium sulfate was obtained with hepatic antitumor potential.

Obtenção e caracterização de sistemas particulados de quitosana para liberação gástrica de amoxicilina

The infection caused by Helicobacter pylori (H. pylori) is associated with gastroduodenal inflammation can lead to the development of gastritis, gastric or duodenal ulcer and gastric cancer (type 1 carcinogen for stomach cancer). Amoxicillin is used as first-line therapy in the treatment of H. pylori associated to metronidazole or clarithromycin, and a proton pump inhibitor. However, the scheme is not fully effective due to inadequate accumulation of antibiotics in gastric tissue, inadequate efficacy of ecological niche of H. pylori, and other factors. In this context, this study aimed to obtaining and characterization of particulate systems gastrorretentivos chitosan - amoxicillin aiming its use for treatment of H. pylori infections. The particles were obtained by the coacervation method / precipitation using sodium sulfate as precipitating agent and crosslinking and two techniques: addition of amoxicillin during preparation in a single step and the sorption particles prior to amoxycillin prepared by coacervation / precipitation and spray drying. The physicochemical characterization of the particles was performed by SEM, FTIR, DSC, TG and XRD. The in vitro release profile of amoxycillin free and incorporated in the particles was obtained in 0.1 N HCl (pH = 1.2). The particles have higher encapsulation efficiency to 80% spherical shape with interconnected particles or adhered to each other, the nanometric diameter to the systems obtained by coacervation / precipitation and fine for the particles obtained by spray drying. The characterization by FTIR, DSC and XRD showed that the drug was incorporated into the nanoparticles dispersed in the polymeric matrix. Thermal analysis (TG and DSC) indicated that encapsulation provides greater heat stability to the drug. Amoxicillin encapsulated in nanoparticles had slower release compared to free drug. The particles showed release profile with a faster initial stage (burst effect) reaching a maximum at 30 minutes 35% of amoxicillin for the system in 1: 1 ratio relative to the polymer and 80% for the system in the ratio 2: 1. Although simple and provide high encapsulation efficiency of amoxicillin, the process of coacervation, precipitation in one step using sodium sulfate as precipitant / cross-linker must be optimized in order to adjust the release kinetics according to the intended application.

Usos de membranas de quitosana na remoção de cobre em águas residuais

In this work a chitosan (CS) ionically crosslinked were manufactured by treatment with sulfuric acid solution for application in the treatment of wastewater from oil industry. Two crosslinking process were developed: homogeneous and heterogeneous. In the homogeneous process the ratio molar of SO42-/ NH3+ (1:6 and 1:4) were the variable analyzed, denominated CS16 and CS14 respectively. In the heterogeneous process the soaking time of the membranes in sulfuric acid solution were the variable studied, being used times of 5 (CS5) and 30 (CS30) minutes. FTIR-ATR results indicated no changes in the characteristics of chitosan after homogeneous crosslinking process, while heterogeneous crosslinking showed formation of ionic bonds between protonated groups from chitosan and the crosslinking agent sulfate ions. TG/DTG and XRD analysis confirmed the formation of these interactions, as also shown the new structure on the surface region of CS5 and CS30 membranes compared to CS, CS16 e CS14. Swelling test in aqueous medium have shown that crosslinking process reduced the membrane sorption capacity. Swelling test in acid medium demonstrated that CS16 and CS14 membranes increasing the adsorption capacity up to a maximum percentage of 140% approximately, whereas the CS5 e CS30 reached a maximum of 60%. The mechanical properties indicated the stiff and ductile behavior of crosslinked membrane. Adsorption experiments of CuCl2 results that CS16 membranes reached the efficiency maximum with 73% of copper removal at pH 5.0 and 87% at pH 4.0. The experiments with CuSO4 also obtained efficiency maximum to the CS16 membrane and 80% to the removal of Cu2+ ions. Also was verified that the increase of concentration and temperature cause a decrease in the adsorption capacity for all membranes. Kinetics study indicated that pseudo-second-order obtained characterized better the membranes. Equilibrium studies demonstrated that the CS, CS16 and CS14 follow the Langmuir model, whereas CS5 and CS30 follows Freundlich model. Filtration experiments results with rejection maximum to the CS16 and CS5 membranes, reaching 92 and 98% respectively.

Usos de membranas de quitosana na remoção de cobre em águas residuais

In this work a chitosan (CS) ionically crosslinked were manufactured by treatment with sulfuric acid solution for application in the treatment of wastewater from oil industry. Two crosslinking process were developed: homogeneous and heterogeneous. In the homogeneous process the ratio molar of SO42-/ NH3+ (1:6 and 1:4) were the variable analyzed, denominated CS16 and CS14 respectively. In the heterogeneous process the soaking time of the membranes in sulfuric acid solution were the variable studied, being used times of 5 (CS5) and 30 (CS30) minutes. FTIR-ATR results indicated no changes in the characteristics of chitosan after homogeneous crosslinking process, while heterogeneous crosslinking showed formation of ionic bonds between protonated groups from chitosan and the crosslinking agent sulfate ions. TG/DTG and XRD analysis confirmed the formation of these interactions, as also shown the new structure on the surface region of CS5 and CS30 membranes compared to CS, CS16 e CS14. Swelling test in aqueous medium have shown that crosslinking process reduced the membrane sorption capacity. Swelling test in acid medium demonstrated that CS16 and CS14 membranes increasing the adsorption capacity up to a maximum percentage of 140% approximately, whereas the CS5 e CS30 reached a maximum of 60%. The mechanical properties indicated the stiff and ductile behavior of crosslinked membrane. Adsorption experiments of CuCl2 results that CS16 membranes reached the efficiency maximum with 73% of copper removal at pH 5.0 and 87% at pH 4.0. The experiments with CuSO4 also obtained efficiency maximum to the CS16 membrane and 80% to the removal of Cu2+ ions. Also was verified that the increase of concentration and temperature cause a decrease in the adsorption capacity for all membranes. Kinetics study indicated that pseudo-second-order obtained characterized better the membranes. Equilibrium studies demonstrated that the CS, CS16 and CS14 follow the Langmuir model, whereas CS5 and CS30 follows Freundlich model. Filtration experiments results with rejection maximum to the CS16 and CS5 membranes, reaching 92 and 98% respectively.

Preparação e caracterização de biomateriais poliméricos para avaliação da viabilidade de uso como phantom biológico

The theoretical and experimental developments in the biomaterials area have been directly applied to different fields of Medicine (odontology, regenerative medicine and radiotherapy). These advances have focused both for diagnosing diseases such as for quantifying degrees of progression. From the perspective of these studies, biomaterials are being designed and manufactured for application in various areas of science, provided advances in diagnostic radiology, radiotherapy dosimetry and calibration of radiotherapy equipment. Develop a phantom from a biomaterial has become a great ally of medicine in the treat patients with oncological diseases, allowing better performance of the equipment in order to reduce damage to healthy tissue due to excessive exposure to radiation. This work used polymers: chitosan and gelatin, for making the polymeric structures and controlled for different types of production and processing, characterizing and evaluating the biopolymer by physical techniques (STL, SEM and DEI) and therefore analyze applicability as phantom mouse lung. It was possible to evaluate the morphology of biomaterials quantitatively by scanning electron microscopy associated with imaging technique. The relevance of this work focuses on developing a phantom from polymeric biomaterials that can act as phantom providing high image contrast when subjected to analysis. Thus, the choice of DEI technique is satisfactory since it is an imaging technique of X-ray high resolution. The images obtained by DEI have shown the details of the internal microstructure of the biomaterial produced which have ≈ 10 μm dimension. The phantoms had made density ranging from 0.08 a 0.13 g/cm3.

Quitooligosacáridos bifuncionales: relación entre características químico-físicas y propiedades biológicas

As the degraded products of chitosan, chitooligosaccharides (COS) have recently been produced by several methods, such as enzymatic an acidic hydrolysis. Chitosans are a family of biocompatible and biodegradable biopolymers obtained by N-deacetylation of chitin, the most abundant natural polymer after cellulose, consisting of two monomeric units, N-acetyl-2- amino-2-deoxi-D-glucose (A units) and 2-amino-2-deoxi-D-glucose (D units) linked by β (1→4) links. The degraded products COS, have a smaller molecular weight and therefore have better solubility and lower viscosity under physiological conditions because of shorter chain lengths and free amino groups in D-glucosamine units. The study of COS has been increasing not only because they come from a natural source, but also because of their biological compatibility and effectiveness. There are numerous reports on the biological activities of COS and their potential applications in food industry, pharmacy, agricultural or biomedicine. Nevertheless, in these studies it is difficult to find well defined COS in terms of physicochemical parametres, because these samples are usually poorly characterized. This makes it difficult to compare the results and to understand their mecanism of action. Degradation of the O-glycosidic linkages of chitosan by different methods, results in COS with different numbers and sequences of A and D units as well as different degrees of polymerisation (DP). Over the past few years, several technological approaches have been taken in preparing COS, including acid hydrolysis or enzymatic methods, among others. Therefore, in order to obtain COS with different physicochemical properties, different preparation methods of COS have been developed in this work. Then, the study of the relationship between physicochemical properties of these COS and their biological activities such as natural antioxidants, antibacterial agents, mucoadhesive and anti-inflammatory effects have been studied...

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

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.

Microparticle surface layering through dry coating:impact of moisture content and process parameters on the properties of orally disintegrating tablets

OBJECTIVES: The aim of this study was to investigate the influence of process parameters during dry coating on particle and dosage form properties upon varying the surface adsorbed moisture of microcrystalline cellulose (MCC), a model filler/binder for orally disintegrating tablets (ODTs). METHODS: The moisture content of MCC was optimised using the spray water method and analysed using thermogravimetric analysis. Microproperty/macroproperty assessment was investigated using atomic force microscopy, nano-indentation, scanning electron microscopy, tablet hardness and disintegration testing. KEY FINDINGS: The results showed that MCC demonstrated its best flowability at a moisture content of 11.2% w/w when compared to control, comprising of 3.9% w/w moisture. The use of the composite powder coating process (without air) resulted in up to 80% increase in tablet hardness, when compared to the control. The study also demonstrated that surface adsorbed moisture can be displaced upon addition of excipients during dry processing circumventing the need for particle drying before tabletting. CONCLUSIONS: It was concluded that MCC with a moisture content of 11% w/w provides a good balance between powder flowability and favourable ODT characteristics.

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.

Delivery and Scavenging of Nucleic Acids by Polycationic Polymers

Electrostatic interaction is a strong force that attracts positively and negatively charged molecules to each other. Such an interaction is formed between positively charged polycationic polymers and negatively charged nucleic acids. In this dissertation, the electrostatic attraction between polycationic polymers and nucleic acids is exploited for applications in oral gene delivery and nucleic acid scavenging. An enhanced nanoparticle for oral gene delivery of a human Factor IX (hFIX) plasmid is developed using the polycationic polysaccharide, chitosan (Ch), in combination with protamine sulfate (PS) to treat hemophilia B. For nucleic acid scavenging purposes, the development of an effective nucleic acid scavenging nanofiber platform is described for dampening hyper-inflammation and reducing the formation of biofilms.

Non-viral gene therapy may be an attractive alternative to chronic protein replacement therapy. Orally administered non-viral gene vectors have been investigated for more than one decade with little progress made beyond the initial studies. Oral administration has many benefits over intravenous injection including patient compliance and overall cost; however, effective oral gene delivery systems remain elusive. To date, only chitosan carriers have demonstrated successful oral gene delivery due to chitosan’s stability via the oral route. In this study, we increase the transfection efficiency of the chitosan gene carrier by adding protamine sulfate to the nanoparticle formulation. The addition of protamine sulfate to the chitosan nanoparticles results in up to 42x higher in vitro transfection efficiency than chitosan nanoparticles without protamine sulfate. Therapeutic levels of hFIX protein are detected after oral delivery of Ch/PS/phFIX nanoparticles in 5/12 mice in vivo, ranging from 3 -132 ng/mL, as compared to levels below 4 ng/mL in 1/12 mice given Ch/phFIX nanoparticles. These results indicate the protamine sulfate enhances the transfection efficiency of chitosan and should be considered as an effective ternary component for applications in oral gene delivery.

Dying cells release nucleic acids (NA) and NA-complexes that activate the inflammatory pathways of immune cells. Sustained activation of these pathways contributes to chronic inflammation related to autoimmune diseases including systemic lupus erythematosus, rheumatoid arthritis, and inflammatory bowel disease. Studies have shown that certain soluble, cationic polymers can scavenge extracellular nucleic acids and inhibit RNA-and DNA-mediated activation of Toll-like receptors (TLRs) and inflammation. In this study, the cationic polymers are incorporated onto insoluble nanofibers, enabling local scavenging of negatively charged pro-inflammatory species such as damage-associated molecular pattern (DAMP) molecules in the extracellular space, reducing cytotoxicity related to unwanted internalization of soluble cationic polymers. In vitro data show that electrospun nanofibers grafted with cationic polymers, termed nucleic acid scavenging nanofibers (NASFs), can scavenge nucleic acid-based agonists of TLR 3 and TLR 9 directly from serum and prevent the production of NF-ĸB, an immune system activating transcription factor while also demonstrating low cytotoxicity. NASFs formed from poly (styrene-alt-maleic anhydride) conjugated with 1.8 kDa branched polyethylenimine (bPEI) resulted in randomly aligned fibers with diameters of 486±9 nm. NASFs effectively eliminate the immune stimulating response of NA based agonists CpG (TLR 9) and poly (I:C) (TLR 3) while not affecting the activation caused by the non-nucleic acid TLR agonist pam3CSK4. Results in a more biologically relevant context of doxorubicin-induced cell death in RAW cells demonstrates that NASFs block ~25-40% of NF-ĸβ response in Ramos-Blue cells treated with RAW extracellular debris, ie DAMPs, following doxorubicin treatment. Together, these data demonstrate that the formation of cationic NASFs by a simple, replicable, modular technique is effective and that such NASFs are capable of modulating localized inflammatory responses.

An understandable way to clinically apply the NASF is as a wound bandage. Chronic wounds are a serious clinical problem that is attributed to an extended period of inflammation as well as the presence of biofilms. An NASF bandage can potentially have two benefits in the treatment of chronic wounds by reducing the inflammation and preventing biofilm formation. NASF can prevent biofilm formation by reducing the NA present in the wound bed, therefore removing large components of what the bacteria use to develop their biofilm matrix, the extracellular polymeric substance, without which the biofilm cannot develop. The NASF described above is used to show the effect of the nucleic acid scavenging technology on in vitro and in vivo biofilm formation of P. aeruginosa, S. aureus, and S. epidermidis biofilms. The in vitro studies demonstrated that the NASFs were able to significantly reduce the biofilm formation in all three bacterial strains. In vivo studies of the NASF on mouse wounds infected with biofilm show that the NASF retain their functionality and are able to scavenge DNA, RNA, and protein from the wound bed. The NASF remove DNA that are maintaining the inflammatory state of the open wound and contributing to the extracellular polymeric substance (EPS), such as mtDNA, and also removing proteins that are required for bacteria/biofilm formation and maintenance such as chaperonin, ribosomal proteins, succinyl CoA-ligase, and polymerases. However, the NASF are not successful at decreasing the wound healing time because their repeated application and removal disrupts the wound bed and removes proteins required for wound healing such as fibronectin, vibronectin, keratin, and plasminogen. Further optimization of NASF treatment duration and potential combination treatments should be tested to reduce the unwanted side effects of increased wound healing time.

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.

Development of nanostructured hydrogel for spatial and temporal controlled release of active compounds

L’utilisation de nanovecteurs pour la livraison contrôlée de principes actifs est un concept commun de nous jours. Les systèmes de livraison actuels présentent encore cependant des limites au niveau du taux de relargage des principes actifs ainsi que de la stabilité des transporteurs. Les systèmes composés à la fois de nanovecteurs (liposomes, microgels et nanogels) et d’hydrogels peuvent cependant permettre de résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons développé un système de livraison contrôlé se basant sur l’incorporation d’un nanovecteur dans une matrice hydrogel dans le but de combler les lacunes des systèmes se basant sur un vecteur uniquement. Une telle combinaison pourrait permettre un contrôle accru du relargage par stabilisation réciproque. Plus spécifiquement, nous avons développé un hydrogel structuré intégrant des liposomes, microgels et nanogels séparément chargés en principes actifs modèles potentiellement relargués de manière contrôlé. Ce contrôle a été obtenu par la modification de différents paramètres tels que la température ainsi que la composition et la concentration en nanovecteurs. Nous avons comparé la capacité de chargement et la cinétique de relargage de la sulforhodamine B et de la rhodamine 6G en utilisant des liposomes de DOPC et DPPC à différents ratios, des nanogels de chitosan/acide hyaluronique et des microgels de N-isopropylacrylamide (NIPAM) à différents ratios d’acide méthacrylique, incorporés dans un hydrogel modèle d’acrylamide. Les liposomes présentaient des capacités de chargement modérés avec un relargage prolongé sur plus de dix jours alors que les nanogels présentaient des capacités de chargement plus élevées mais une cinétique de relargage plus rapide avec un épuisement de la cargaison en deux jours. Comparativement, les microgels relarguaient complétement leur contenu en un jour. Malgré une cinétique de relargage plus rapide, les microgels ont démontré la possibilité de contrôler finement le chargement en principe actif. Ce contrôle peut être atteint par la modification des propriétés structurelles ou en changeant le milieu d’incubation, comme l’a montré la corrélation avec les isothermes de Langmuir. Chaque système développé a démontré un potentiel contrôle du taux de relargage, ce qui en fait des candidats pour des investigations futures.

Descriptions of 104 gravity and piston sediment cores from POLARSTERN expedition ARK-VIII/3 to the Arctic Ocean

Sediment descriptions and lithostratigraphy (chapter 6.4) NANSEN BASIN The upperrnost 20-50 cm of sedirnents in the Nansen Basin norrnally cornprise soft dark brown, brown-grayish and brown clay. Except for the toprnost clay, the four piston cores retrieved, contained quite different lithologies: a rnuddy diarnicton with outsized clasts (PS2157-6), sandy-silt beds alternating with clay beds (PS2159-6), and silty clay beds of brownish and grayish colours (PS2161-3). Core PS2208-3 was retrieved frorn a plateau on a searnount. The plateau was serni-encircled by hills. The upper 250 cm of this core cornprise brown and olive brown clays. Below these are several sandlayers and a 74 cm thick unit of a sandy mud with rnud-clasts up to 20 cm in diameter. GAKKEL RIDGE The uppermost 20-50 cm of sediments on the Gakkel Ridge comprise soft dark brown, brown, grayish brown clay. In most of the cores there are two horizons of brown clay separated by olive brown clay. The upper horizon is darker. The older stratigraphy is rather varied. Core PS2165-1 contains several thin gray sandlsilt layers, probably distal turbidites. The sarne is found in Core PS2167-1. This core also has a thick (approx. 2 rn) coarse grained turbidite containing large rnud clasts and basaltic rock fragrnents. The color of the turbiditic layers is dark gray. There are several horizons of hernipelagic sandylsilty clays with quite a variety in colours; black, gray, olive, brown, yellowish brown and reddish. The colour variation rnay be due to hydrotherrnal activity or provenance or a shift in redox potential. Cores PS2168-2 and PS2169-1 have typical sequences of very dark gray sandy mud with sharp lower boundaries grading upwards into olive brown clay. Below the lower boundary is often a thin (1-2 cm) gray clay layer. AMUNDSEN BASIN The giant box cores (GKG) provided in most cases excellently preserved sedirnent surfaces which consisted in the entire Amundsen Basin of dark brown to dark grayish brown silty clay with few dropstones and common calcareous microfossils (foraminifers and calcareous nannofossils). The brown and grayish brown color of the sediment surface is a result of the oxidizing conditions at the seafloor due to the rapid renewal of the bottom water rnasses. Planktic forarninifers and calcareous nannofossils are relatively frequent and well preserved despite the rernote location of the basin and its water depths of >4000 rn. Srnear slide descriptions have shown that the surface sedirnents consist dorninantly of clays to silty rnuds with clay rninerals and quartz as the rnost important constituents. The coarse fractions contained besides planktic and benthic forarninifers and coarse clastic rnaterials, rare bivalves, dropstones and mud clasts. The Station PS2190 at the North Pole is a particular good exarnple of the type of sedirnents deposited at the sea floor surface of the Arnundsen Basin, with hornogenous dark brown soft clay covering a sedirnent sequence of highly variable cornposition. Nurnerous giant box cores also provide insight into the detailed lithostratigraphy of the upperrnost sedirnent layers. Twelve box cores have been collected frorn the Arnundsen Basin. Below the youngest unit of 5-20 crn thick silty clays deposits of variable stratigraphies have been found, rnostly consisting of clays or silty clays. In a few instances turbidites have been observed. Benthic forarninifers have not been found in the surface sedirnents. Other fossils were extrernely rare. Bioturbation is weakly developed on all stations. Benthic anirnals seern to live only in and on the upperrnost 2 cm of the uppermost sediment layer. They cornprise amphipods (on all stations) and holothurians, bryozoans, polychaetes, and porifers at one station each. LOMONOSOV RIDGE Sediments from the Lomonosov Ridge show a variety of colors and textures. Following smear slide analyses they are composed mostly of clay minerals and quartz with mica and feldspars, especially in the siltier and sandier parts. Volcanic glass, microcrystalline carbonate, opaque minerals and green amphibole are occasional accessories. The sediments from the Lomonosov Ridge show a noticeable difference from sediments collected from the surrounding basins. Lomonosov Ridge sediments are richer in silt and sand than basin sediments. Occasional turbidites occur in ridge sediments but these must be of entirely local origin. The ridge sediments include frequent layers of "cottage cheese" texture made up of what appear to be small, angular mud clasts of a variety of colors.