Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

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

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

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

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

Anodic formation and characterization of nanoporous InP in aqueous KOH electrolytes

The anodic behavior of highly doped (> 1018 cm-3) n-InP in aqueous KOH was investigated. Electrodes anodized in the absence of light in 2- 5 mol dm-3 KOH at a constant potential of 0.5- 0.75 V (SCE), or subjected to linear potential sweeps to potentials in this range, were shown to exhibit the formation of a nanoporous subsurface region. Both linear sweep voltammograms and current-time curves at constant potential showed a characteristic anodic peak, corresponding to formation of the nanoporous region. No porous region was formed during anodization in 1 mol dm-3 KOH. The nanoporous region was examined using transmission electron microscopy and found to have a thickness of some 1- 3 μm depending on the anodization conditions and to be located beneath a thin (typically ∼40 nm), dense, near-surface layer. The pores varied in width from 25 to 75 nm and both the pore width and porous region thickness were found to decrease with increasing KOH concentration. The porosity was approximately 35%. The porous layer structure is shown to form by the localized penetration of surface pits into the InP, and the dense, near-surface layer is consistent with the effect of electron depletion at the surface of the semiconductor.

Nanoporous InP: anodic formation and growth mechanism in aqueous electrolytes

Porous layers can be formed electrochemically on (100) oriented n-InP substrates in aqueous KOH. A nanoporous layer is obtained underneath a dense near-surface layer and the pores appear to propagate from holes through the near-surface layer. In the early stages of the anodization transmission electron microscopy (TEM) clearly shows individual porous domains that appear to have a square-based pyramidal shape. Each domain appears to develop from an individual surface pit which forms a channel through this near-surface layer. We suggest that the pyramidal structure arises as a result of preferential pore propagation along the <100> directions. AFM measurements show that the density of surface pits increases with time. Each of these pits acts as a source for a pyramidal porous domain. When the domains grow, the current density increases correspondingly. Eventually the domains meet, forming a continuous porous layer, the interface between the porous and bulk InP becomes relatively flat and its total effective surface area decreases resulting in a decrease in the current density. Current-time curves at constant potential exhibit a peak and porous layers are observed to form beneath the electrode surface. The density of pits formed on the surface increases with time and approaches a plateau value. Porous layers are also observed in highly doped InP but are not observed in wafers with doping densities below ~5 × 1017 cm-3. Numerical models of this process have been developed invoking a mechanism of directional selectivity of pore growth preferentially along the <100> lattice directions. Manipulation of the parameters controlling these curves shows that the fall-off in current is controlled by the rate of diffusion of electrolyte through the pore structure with the final decline in current being caused by the termination of growth at the pore tips through the formation of passivating films or some other irreversible modification of the pore tips.

Anodic oxidation of InP in KOH electrolytes

The anodic behavior of InP in 1 mol dm-3 KOH was investigated and compared with its behavior at higher concentrations of KOH. At concentrations of 2 mol dm-3 KOH or greater, selective etching of InP occurs leading to thick porous InP layers near the surface of the sustrate. In contrast, in 1 mol dm-3 KOH, no such porous layers are formed but a thin surface film is formed at potentials in the range 0.6 V to 1.3 V. The thickness of this film was determined by spectroscopic ellipsometry as a function of the upper potential and the measured film thickness corresponds to the charge passed up to a potential of 1.0 V. Anodization to potentials above 1.5 V in 1 mol dm- 3 KOH results in the growth of thick, porous oxide films (~ 1.2 µm). These films are observed to crack, ex-situ, due to shrinkage after drying in ambient air. Comparisons between the charge density and film thickness measurements indicate a porosity of approximately 77% for such films.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

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

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

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

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

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

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

Electrochemical Investigations into Blended Electrolytes Containing Ionic Liquids and a Glyme Solvent for Li-O­2 batteries

The Li-O2 battery may theoretically possess practical gravimetric energy densities several times greater than the current state-of-the-art Li-ion batteries.1 This magnitude of development is a requisite for true realization of electric vehicles capable of competing with the traditional combustion engine. However, significant challenges must be addressed before practical application may be considered. These include low efficiencies, low rate capabilities and the parasitic decomposition reactions of electrolyte/electrode materials resulting in very poor rechargeability.2-4 Ionic liquids, ILs, typically display several properties, extremely low vapor pressure and high electrochemical and thermal stability, which make them particularly interesting for Li-O2 battery electrolytes. However, the typically sluggish transport properties generally inhibit rate performance and cells suffer similar inefficiencies during cycling.5,6

In addition to the design of new ILs with tailored properties, formulating blended electrolytes using molecular solvents with ILs has been considered to improve their performance.7,8 In this work, we will discuss the physical properties vs. the electrochemical performance of a range of formulated electrolytes based on tetraglyme, a benchmark Li-O2 battery electrolyte solvent, and several ILs. The selected ILs are based on the bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}imide anion and alkyl/ether functionalized cyclic alkylammonium cations, which exhibit very good stability and moderate viscosity.9 O2 electrochemistry will be investigated in these media using macro and microdisk voltammetry and O2 solubility/diffusivity is quantified as a function of the electrolyte formulation. Furthermore, galvanostatic cycling of selected electrolytes in Li-O2 cells will be discussed to probe their practical electrochemical performance. Finally, the physical characterization of the blended electrolytes will be reported in parallel to further determine structure (or formulation) vs. property relationships and to, therefore, assess the importance of certain electrolyte properties (viscosity, O2supply capability, donor number) on their performance.

This work was funded by the EPSRC (EP/L505262/1) and Innovate UK for the Practical Lithium-Air Batteries project (project number: 101577).

1. P. G. Bruce, S. A. Freunberger, L. J. Hardwick and J.-M. Tarascon, Nat. Mater., 11, 19 (2012).

2. S. A. Freunberger, Y. Chen, N. E. Drewett, L. J. Hardwick, F. Barde and P. G. Bruce, Angew. Chem., Int. Ed., 50, 8609 (2011).

3. B. D. McCloskey, A. Speidel, R. Scheffler, D. C. Miller, V. Viswanathan, J. S. Hummelshøj, J. K. Nørskov and A. C. Luntz, J. Phys. Chem. Lett., 3, 997 (2012).

4. D. G. Kwabi, T. P. Batcho, C. V. Amanchukwu, N. Ortiz-Vitoriano, P. Hammond, C. V. Thompson and Y. Shao-Horn, J. Phys. Chem. Lett., 5, 2850 (2014).

5. Z. H. Cui, W. G. Fan and X. X. Guo, J. Power Sources, 235, 251 (2013).

6. F. Soavi, S. Monaco and M. Mastragostino, J. Power Sources, 224, 115 (2013).

7. L. Cecchetto, M. Salomon, B. Scrosati and F. Croce, J. Power Sources, 213, 233 (2012).

8. A. Khan and C. Zhao, Electrochem. Commun., 49, 1 (2014).

9. Z. J. Chen, T. Xue and J.-M. Lee, RSC Adv., 2, 10564 (2012).

Gas Solubility and Vapor Pressure of Electrolytes Based on Alkylcarbonates Containing Litfsi, Lifap, and LiPF6 Lithium Salt: Measurement and Prediction

Most liquid electrolytes used in commercial lithium-ion batteries are composed by alkylcarbonate mixture containing lithium salt. The decomposition of these solvents by oxidation or reduction during cycling of the cell, induce generation of gases (CO2, CH4, C2H4, CO …) increasing of pressure in the sealed cell, which causes a safety problem [1]. The prior understanding of parameters, such as structure and nature of salt, temperature pressure, concentration, salting effects and solvation parameters, which influence gas solubility and vapor pressure of electrolytes is required to formulate safer and suitable electrolytes especially at high temperature.

We present in this work the CO2, CH4, C2H4, CO solubility in different pure alkyl-carbonate solvents (PC, DMC, EMC, DEC) and their binary or ternary mixtures as well as the effect of temperature and lithium salt LiX (X = LiPF6, LiTFSI or LiFAP) structure and concentration on these properties. Furthermore, in order to understand parameters that influence the choice of the structure of the solvents and their ability to dissolve gas through the addition of a salt, we firstly analyzed experimentally the transport properties (Self diffusion coefficient (D), fluidity (h-1), and conductivity (s) and lithium transport number (tLi) using the Stock-Einstein, and extended Jones-Dole equations [2]. Furthermore, measured data for the of CO2, C2H4, CH4 and CO solubility in pure alkylcarbonates and their mixtures containing LiPF6; LiFAP; LiTFSI salt, are reported as a function of temperature and concentration in salt. Based on experimental solubility data, the Henry’s law constant of gases in these solvents and electrolytes was then deduced and compared with values predicted by using COSMO-RS methodology within COSMOthermX software. From these results, the molar thermodynamic functions of dissolution such as the standard Gibbs energy, the enthalpy, and the entropy, as well as the mixing enthalpy of the solvents and electrolytes with the gases in its hypothetical liquid state were calculated and discussed [3]. Finally, the analysis of the CO2 solubility variations with the salt addition was then evaluated by determining specific ion parameters Hi by using the Setchenov coefficients in solution. This study showed that the gas solubility is entropy driven and can been influenced by the shape, charge density, and size of the anions in lithium salt.

References

[1] S.A. Freunberger, Y. Chen, Z. Peng, J.M. Griffin, L.J. Hardwick, F. Bardé, P. Novák, P.G. Bruce, Journal of the American Chemical Society 133 (2011) 8040-8047.

[2] P. Porion, Y.R. Dougassa, C. Tessier, L. El Ouatani, J. Jacquemin, M. Anouti, Electrochimica Acta 114 (2013) 95-104.

[3] Y.R. Dougassa, C. Tessier, L. El Ouatani, M. Anouti, J. Jacquemin, The Journal of Chemical Thermodynamics 61 (2013) 32-44.