Darstellung von fluorierten Amphiphilen zur Modifikation von Grenzflächeneigenschaften

Die vorliegende Arbeit behandelt die Darstellung von neuen fluorierten Amphiphilen in Hinblick auf deren spätere Anwendung zur Modifikation von flüssig-gasförmigen, flüssig-flüssigen und flüssig-festen Grenzflächen. Jedes der drei Themengebiete richtete sich an eine andere Grenzfläche. Die erste Aufgabe wurde mit der Darstellung und Charakterisierung von Fluortensiden kurzen Perfluoralkyl-Ketten erfüllt, welche als möglichen umweltfreundlichen Ersatz für die Derivate der langkettigen Perfluoroktancarbonsäure und Perfluoroktansulfonsäure Anwendung finden. Es wurden Fluortenside entwickelt, welche die Oberflächenspannung von Wasser auf bis zu 18 mN/m absenken können. Der zweite Fokus lag auf der Stabilisierung einer fluorierten Emulsion, die sich für die carbo-kationische Polymerisationen eignete. Im Rahmen der Arbeit wurde das neue Blockcopolymer Poly(isobutylen-b-pentafluorstyrol) dargestellt. Neben der Homopolymerisation von Isobutylen zur PIB-Partikelsynthese wurde die Eignung des Stabilisator-Emulsionssystems durch die Darstellung von hart-weichen PS-PIB-Hybridpartikeln erfolgreich verfolgt. Dazu wurde die Synthese von quervernetzten PS-Kernpartikeln und der anschließenden Umhüllung durch PIB in einem weiteren Schritt. Im dritten Teil wurde die Adsorption von amphiphilen Fluorpolymeren zur Solvophobierung von rauen anorganischen Oberflächen untersucht. Es konnten sowohl superhydrophobe als auch superoleophobe Eigenschaften erzielt werden.

Particles with tunable functionality by a nonaqueous emulsion polymerization approach

Diese Dissertation demonstriert die Synthese von funktionalen organischen Partikeln mit einem anwendungsspezifischen Fokus. Der Startpunkt dieser Partikel stellte stets die nicht-wässrige Emulsionspolymerisation dar. Diese Art der Emulsion besteht aus zwei nicht-mischbaren organischen Lösungsmitteln. Zur Stabilisierung der auftretenden Grenzflächenspannung zwischen den beiden organischen Phasen musste ein amphiphiles Blockcopolymer als Emulgator eingesetzt werden. Der Vorteil gegenüber der klassischen wässrigen Emulsionspolymerisation liegt im breiteren Portfolio an anwendbarer Polymerisationstechniken (z.B. Polykondensation) und zu verwendenden Komponenten (wassersensitive Chemikalien). rnrnSo wurde auf Basis einer wassersensitiven ringöffnenden Polymerisation von L-Lactid ein Wirkstoffträger synthetisiert, welcher eine selektive Freisetzung eines Zytostatikums in Tumorgewebe zeigte. Die Wirkstofffreisetzung war auf eine selektive Spaltung eines im Partikel befindlichen Peptids, welches von tumorassoziierenden Enzymen erkannt wird, zurückzuführen.rnrnDas nicht-wässrige Emulsionssystem wurde zudem zur Synthese von porösen Poly(Urethan)-Partikeln verwendet. Die Porosität wurde präzise durch eine definierte Wassermenge im System eingestellt. Die Ethylen-Polymerisation nach Katalysator-Beladung demonstrierte die Abhängigkeit der Aktivität und des Fragmentierungsverhaltens von der Partikelporosität.rnrnZuletzt wurde ein amphiphiles Blockcopolymer synthetisiert, welches Partikel in unpolaren Lösungsmitteln und in Wasser stabilisieren kann. Die Polarität des unpolaren, hydrophoben Polymerblocks konnte durch UV-Bestrahlung und einer resultierenden Abtrennung unpolarer Gruppen vom polaren Polymerrückgrat umgekehrt werden. So gelangen eine Hydrophilisierung der Partikeloberfläche und eine Stabilisierung der Partikel in wässrigem Medium, ohne Zusatz weiterer Tenside.

Submicron dispersions of hexosomes based on novel glycerate surfactants

Glycerate-based surfactants are a new class of swelling amphiphiles which swell to a finite degree with water. Among this class of surfactants, oleyl (cis-octadec-9-enyl) glycerate is very similar in structure to a well characterized mesophase-forming lipid, glyceryl monooleate (GMO). Despite the similar structural characteristics, a subtle change in connectivity of the ester bond substantially alters the binary surfactant-water phase behaviour. Whereas the phase behaviour of GMO is diverse and dominated by cubic phases, the phase behaviour of oleyl glycerate and a terpenoid analogue phytanyl (3,7,11,15-tetramethyl-hexadecane) glycerate is much simplified. Both exhibit an inverse hexagonal phase (H-II), which is stable to dilution with excess water, and an inverse micellar phase (L-II) at ambient temperatures. The inverse hexagonal phases formed by oleyl glycerate and phytanyl glycerate have been characterized using SAXS. Analogous to GMO cubosomes, the inverse hexagonal phase of phytanyl glycerate has been dispersed to form hexagonally facetted particles, termed hexosomes, whose structure has been verified using cryo-TEM.

Conformational Evaluation of Indol-3-yl-N-alkyl-glyoxalylamides and Indol-3-yl-N,N-dialkyl-glyoxalylamides

Restricted rotation in indol-3-yl-N-alkyl- and indol-3-yl-N,N-dialkyl-glyoxalylamides can in principle give the syn-periplanar and anti-periplanar rotamers. In asymmetrically disubstituted glyoxalylamides, steric effects lead to the occurrence of both rotamers, as observed by NMR spectroscopy. The predominant peak corresponds with the anti rotamer, in which the bulkier alkyl group is orientated trans to the amide carbonyl group. In monoalkylated glyoxalylamides, only one set of peaks is observed, consistent with the presence of only one rotamer. Crystal structures of 5-methoxyindole-3-yl-N-tert-butylglyoxalylamide, indole-3-yl-N-tert-butylglyoxalylamide, and indole-3-yl-N-isopropylglyoxalylamide reported here reveal a syn conformation held by an intramolecular N-HO hydrogen bond.

Nanotechnology and microfluidics:formulation design and on-chip manufacture of nanoparticles

Nanoparticles offer an ideal platform for the delivery of small molecule drugs, subunit vaccines and genetic constructs. Besides the necessity of a homogenous size distribution, defined loading efficiencies and reasonable production and development costs, one of the major bottlenecks in translating nanoparticles into clinical application is the need for rapid, robust and reproducible development techniques. Within this thesis, microfluidic methods were investigated for the manufacturing, drug or protein loading and purification of pharmaceutically relevant nanoparticles. Initially, methods to prepare small liposomes were evaluated and compared to a microfluidics-directed nanoprecipitation method. To support the implementation of statistical process control, design of experiment models aided the process robustness and validation for the methods investigated and gave an initial overview of the size ranges obtainable in each method whilst evaluating advantages and disadvantages of each method. The lab-on-a-chip system resulted in a high-throughput vesicle manufacturing, enabling a rapid process and a high degree of process control. To further investigate this method, cationic low transition temperature lipids, cationic bola-amphiphiles with delocalized charge centers, neutral lipids and polymers were used in the microfluidics-directed nanoprecipitation method to formulate vesicles. Whereas the total flow rate (TFR) and the ratio of solvent to aqueous stream (flow rate ratio, FRR) was shown to be influential for controlling the vesicle size in high transition temperature lipids, the factor FRR was found the most influential factor controlling the size of vesicles consisting of low transition temperature lipids and polymer-based nanoparticles. The biological activity of the resulting constructs was confirmed by an invitro transfection of pDNA constructs using cationic nanoprecipitated vesicles. Design of experiments and multivariate data analysis revealed the mathematical relationship and significance of the factors TFR and FRR in the microfluidics process to the liposome size, polydispersity and transfection efficiency. Multivariate tools were used to cluster and predict specific in-vivo immune responses dependent on key liposome adjuvant characteristics upon delivery a tuberculosis antigen in a vaccine candidate. The addition of a low solubility model drug (propofol) in the nanoprecipitation method resulted in a significantly higher solubilisation of the drug within the liposomal bilayer, compared to the control method. The microfluidics method underwent scale-up work by increasing the channel diameter and parallelisation of the mixers in a planar way, resulting in an overall 40-fold increase in throughput. Furthermore, microfluidic tools were developed based on a microfluidics-directed tangential flow filtration, which allowed for a continuous manufacturing, purification and concentration of liposomal drug products.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Greffage d’un film mince de nano-TiO2 sur les fibres naturelles cellulosiques pour le renforcement de biocomposites polymériques

Abstract : Natural materials have received a full attention in many applications because they are degradable and derived directly from earth. In addition to these benefits, natural materials can be obtained from renewable resources such as plants (i.e. cellulosic fibers like flax, hemp, jute, and etc). Being cheap and light in weight, the cellulosic natural fiber is a good candidate for reinforcing bio-based polymer composites. However, the hydrophilic nature -resulted from the presence of hydroxyl groups in the structure of these fibers- restricts the application of these fibers in the polymeric matrices. This is because of weak interfacial adhesion, and difficulties in mixing due to poor wettability of the fibers within the matrices. Many attempts have been done to modify surface properties of natural fibers including physical, chemical, and physico-chemical treatments but on the one hand, these treatments are unable to cure the intrinsic defects of the surface of the fibers and on the other hand they cannot improve moisture, and alkali resistance of the fibers. However, the creation of a thin film on the fibers would achieve the mentioned objectives. This study aims firstly to functionalize the flax fibers by using selective oxidation of hydroxyl groups existed in cellulose structure to pave the way for better adhesion of subsequent amphiphilic TiO[subscript 2] thin films created by Sol-Gel technique. This method is capable of creating a very thin layer of metallic oxide on a substrate. In the next step, the effect of oxidation on the interfacial adhesion between the TiO[subscript 2] film and the fiber and thus on the physical and mechanical properties of the fiber was characterized. Eventually, the TiO[subscript 2] grafted fibers with and without oxidation were used to reinforce poly lactic acid (PLA). Tensile, impact, and short beam shear tests were performed to characterize the mechanical properties while Thermogravimetric analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic mechanical analysis (DMA), and moisture absorption were used to show the physical properties of the composites. Results showed a significant increase in physical and mechanical properties of flax fibers when the fibers were oxidized prior to TiO[subscript 2] grafting. Moreover, the TiO[subscript 2] grafted oxidized fiber caused significant changes when they were used as reinforcements in PLA. A higher interfacial strength and less amount of water absorption were obtained in comparison with the reference samples.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Physicochemical complexity in complex chemical systems

Self-replication and compartmentalization are two central properties thought to be essential for minimal life, and understanding how such processes interact in the emergence of complex reaction networks is crucial to exploring the development of complexity in chemistry and biology. Autocatalysis can emerge from multiple different mechanisms such as formation of an initiator, template self-replication and physical autocatalysis (where micelles formed from the reaction product solubilize the reactants, leading to higher local concentrations and therefore higher rates). Amphiphiles are also used in artificial life studies to create protocell models such as micelles, vesicles and oil-in-water droplets, and can increase reaction rates by encapsulation of reactants. So far, no template self-replicator exists which is capable of compartmentalization, or transferring this molecular scale phenomenon to micro or macro-scale assemblies. Here a system is demonstrated where an amphiphilic imine catalyses its own formation by joining a non-polar alkyl tail group with a polar carboxylic acid head group to form a template, which was shown to form reverse micelles by Dynamic Light Scattering (DLS). The kinetics of this system were investigated by 1H NMR spectroscopy, showing clearly that a template self-replication mechanism operates, though there was no evidence that the reverse micelles participated in physical autocatalysis. Active oil droplets, composed from a mixture of insoluble organic compounds in an aqueous sub-phase, can undergo processes such as division, self-propulsion and chemotaxis, and are studied as models for minimal cells, or protocells. Although in most cases the Marangoni effect is responsible for the forces on the droplet, the behaviour of the droplet depends heavily on the exact composition. Though theoretical models are able to calculate the forces on a droplet, to model a mixture of oils on an aqueous surface where compounds from the oil phase are dissolving and diffusing through the aqueous phase is beyond current computational capability. The behaviour of a droplet in an aqueous phase can only be discovered through experiment, though it is determined by the droplet's composition. By using an evolutionary algorithm and a liquid handling robot to conduct droplet experiments and decide which compositions to test next, entirely autonomously, the composition of the droplet becomes a chemical genome capable of evolution. The selection is carried out according to a fitness function, which ranks the formulation based on how well it conforms to the chosen fitness criteria (e.g. movement or division). Over successive generations, significant increases in fitness are achieved, and this increase is higher with more components (i.e. greater complexity). Other chemical processes such as chemiluminescence and gelation were investigated in active oil droplets, demonstrating the possibility of controlling chemical reactions by selective droplet fusion. Potential future applications for this might include combinatorial chemistry, or additional fitness goals for the genetic algorithm. Combining the self-replication and the droplet protocells research, it was demonstrated that the presence of the amphiphilic replicator lowers the interfacial tension between droplets of a reaction mixture in organic solution and the alkaline aqueous phase, causing them to divide. Periodic sampling by a liquid handling robot revealed that the extent of droplet fission increased as the reaction progressed, producing more individual protocells with increased self-replication. This demonstrates coupling of the molecular scale phenomenon of template self-replication to a macroscale physicochemical effect.