Increases in renal ε-(γ-glutamyl)-lysine crosslinks result from compartment-specific changes in tissue transglutaminase in early experimental diabetic nephropathy:Pathologic implications

Diabetic nephropathy (DN) is characterized by an early, progressive expansion and sclerosis of the glomerular mesangium leading to glomerulosclerosis. This is associated with parallel fibrosis of the renal interstitium. In experimental renal scarring, the protein cross-linking enzyme, tissue transglutaminase (tTg), is up-regulated and externalized causing an increase in its crosslink product, e-(γ-glutamyl)-lysine, in the extracellular space. This potentially contributes to the extracellular matrix (ECM) accumulation central to tissue fibrosis by increasing deposition and inhibiting breakdown. We investigated if a similar mechanism may contribute to the ECM expansion characteristic of DN using the rat streptozotocin model over 120 days. Whole kidney e-(γ-glutamyl)-lysine (HPLC analysis) was significantly increased from Day 90 (+337%) and peaked at Day 120 (+650%) (p <0.05). Immunofluorescence showed this increase to be predominantly extracellular in the peritubular interstitial space, but also in individual glomeruli. Total kidney transglutaminase (Tg) was not elevated. However, using a Tg in situ activity assay, increased Tg was detected in both the extracellular interstitial space and glomeruli by Day 60, with a maximal 53% increase at Day 120 (p <0.05). Using a specific anti-tTg antibody, immunohistochemistry showed a similar increase in extracellular enzyme in the interstitium and glomeruli. To biochemically characterize glomerular changes, glomeruli were isolated by selective sieving. In line with whole kidney measurement, there was an increase in glomerular e-(γ-glutamyl) lysine (+ 361%); however, in the glomeruli this was associated with increases in Tg activity (+228%) and tTg antigen by Western blotting (+215%). Importantly, the ratio of glomerular e-(γ-glutamyl) lysine to hydroxyproline increased by 2.2-fold. In DN, changes in the kidney result in increased translocation of tTg to the extracellular environment where high Ca2+ and low GTP levels allow its activation. In the tubulointerstitium this is independent of increased tTg production, but dependent in the glomerulus. This leads to excessive ECM cross-linking, contributing to the renal fibrosis characteristic of progressive DN.

Importance of tissue transglutaminasenitrosylation in fibroblasts migration and MMPregulation

As an extracellular second messenger, nitric oxide (NO) mediates the modification of proteins through nitrosylation of cysteine andtyrosine residues. Tissue Transglutaminase (TG2) is a Ca2+ activated, sulfhydryl rich protein with 18 free cysteine residues, which catalyzes ε-(γ glutamyl)lysine crosslink between extracellular and intracellular proteins. NO can nitrosylate up to 15 of the cysteine residues in TG2, leading to the irreversible inactivation of the enzyme activity. The interplay between these two agents was revealed for the first time by our study showing that NO inhibited the TG2-induced transcriptional activation of TGFb1and extracellular matrix (ECM) protein synthesis by nitrosylating TG2 in an inactive confirmation with inert catalytic activity. However, nitrosylated TG2 was still able to serve as a novel cell adhesion protein. In the light of our previous findings, in this study we aim to elucidate the NO modified function of TG2 in cell migration using an in vitro model mimicking the tissue matrix remodeling phases of wound healing. Using transfected fibroblasts expressing TG2 under the control of the tetracycline-off promoter, we demonstrate that upregulation of TG2 expression and activity inhibited the cell migration through the activation of TGFβ1. Increased TG2 activity led to arise in the biosynthesis and activity of the gelatinases, MMP-2 andMMP-9, while decreasing the biosynthesis and activity of the col-lagenases MMP-1a and MMP-13. NO donor S-Nitroso-N-acetyl-penicillamine (SNAP) treatment relieved the TG2 obstructed-cellmigration by blocking the TG2 enzyme activity. In addition,decrease in TG2 activity due to nitrosylation led to an inhibition of TGFβ1, which in turn affected the pattern of MMP activation. Recent evidence suggests that, once in complex with fibronectin in the ECM, TG2 can interact with syndecan-4 or integrinβ-1and regulate the cell adhesion. In the other part of this study, the possible role of nitrosylated TG2 on the regulation of cell migration during wound healing was investigated with respect to its interactions with integrin β1 (ITGβ1) and syndecan-4 (SDC4). Treatment with TG2 inhibitor Z-DON resulted in a 50% decrease in the TG2 interaction with ITGB1 and SDC4, while increasing concentrations of SNAP firstly led to a substantial decrease and then completely abolished the TG2/ITGβ1 and TG2/SDC4 complex formation on the cell surface. Taken together, data obtained from this study suggests that nitrosylation of TG2 leads to a change not only in the binding partners of TG2 on cell surface but also in TGFβ1-dependent MMP activation, which give rise to an increase in the migration potential of fibroblasts.

Mechanismus der CR-Vernetzung mit Ethylenthio-harnstoff und Zinkoxid

Es wurde eine Untersuchung zum Mechanismus der Vernetzung von Polychloropren durch Ethylenthioharnstoff in Kombination mit Zinkoxid durchgeführt. Dies wurde mit einer Überprüfung der Vernetzungsmechanismen von Polychloroprenkautschuk mit Ethylenthioharnstoff und Zinkoxid getrennt bzw. gemeinsam erreicht. Dabei kamen spektroskopische und physikalische Charakterisierungsverfahren zum Einsatz, um die Vernetzungsmechanismen von  CR mit anderen Standardvulkanisationsbeschleunigern und Modellverbindungen – mit ETU-analogen Strukturen und Funktionalitäten – zu erforschen. Aus den Untersuchungen resultierte der Vorschlag zu einem neuen Mechanismus, nach dem ETU und ZnO Polychloropren synergistisch vernetzen. Zusätzlich wurden neue Hinweise gewonnen, die gleichzeitig bestehende Mechanismen, die schon zur Vernetzung von Polychloropren veröffentlicht wurden, untermauern. An investigation into the mechanism by which ethylene thiourea crosslinks polychloroprene in combination with zinc oxide was undertaken. This was achieved through an examination of the mechanisms of crosslinking polychloroprene rubber with ETU and ZnO separately and in unison. Spectroscopic and physical characterisation techniques were employed to probe the crosslinking mechanisms of CR using other standard rubber accelerators and model compounds with analogous structures and functionalities to ETU. These investigations have resulted in the proposal of a new mechanism by which ETU and ZnO can synergistically crosslink polychloroprene, in addition to providing new evidence to support concomitant mechanisms already published for crosslinking polychloroprene.

Mechanismen kleiner regulatorischer RNAs in Dictyostelium discoideum: Charakterisierung und Anwendung

Die RNA-Interferenz (RNAi) ist ein in Eukaryoten weit verbreiteter Mechanismus, der die transkriptionelle oder posttranskriptionelle Stilllegung von Genen beschreibt. Die Spezifität wird dabei durch die Sequenz einer kleinen, nicht-kodierenden RNA gewährleistet. Diese RNA leitet einen Effektorkomplex, dessen Zentrum immer von einem Argonautenprotein gebildet wird, üblicherweise zu einer komplementären mRNA. In der Folge kommt es zum Abbau des Transkripts oder zur Inhibierung der Translation. Aktuelle Veröffentlichungen konnten zudem das Aktivitätsprofil der Argonautenproteine beträchtlich erweitern: Im Zellkern vorkommende Argonautenproteine wurden beispielsweise mit Spleißvorgängen, der Promotorkontrolle von Genen und der DNA-Reparatur in Verbindung gebracht. In den letzten Jahren konnten weitreichende Kenntnisse bezüglich der Kontrolle einiger transposabler Elemente durch RNAi sowie der Biogenese kleiner regulatorischer RNAs in Dictyostelium discoideum und anderen Organismen gewonnen werden. Ein Fokus dieser Arbeit lag zunächst auf der Charakterisierung des Argonautenproteins AgnB und der Identifikation von Interaktionspartnern. Es konnte gezeigt werden, dass AgnB zumindest partiell im Zellkern der Amöbe lokalisiert und dort vermutlich regulatorische Aufgaben wahrnimmt. Gestützt wurde diese Annahme durch die massenspektrometrische und Western Blot basierte Detektion nukleärer Bindungspartner. Weiterführende Analysen konnten AgnB zudem als positiven Regulator für drei entwicklungsregulierte Gene beschreiben und so die Verbindung zum Prozess der RNA activation in der Amöbe herstellen. Identifizierte posttranslationale Modifikationen könnten diesbezüglich die Aktivität des Argonauten steuern. Mit Hilfe von Crosslink-RNA-Immunopräzipitation und anschließender Hochdurchsatz-sequenzierung oder der Northern Blot basierten Auswertung konnte eine Assoziation von AgnB und der Class I RNAs gezeigt werden. Diese Klasse umfasst nicht-kodierende RNAs mit einer Länge von etwa 42 bis 65 Nukleotiden und wurde bisher nicht als Substrat für die RNAi-Maschinerie in D. discoideum angesehen. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss von AgnA und AgnB auf die Promotorbereiche des D. discoideum Retrotransposons DIRS-1. Im Verlauf der Untersuchungen konnte beobachtet werden, dass die Anordnung entgegengesetzt operierender DIRS-1 Promotor-sequenzen für die Stilllegung eines Reportergens ausreichend war. Darauf aufbauend konnte ein DIRS-1 basiertes knockdown System etabliert werden. Mit Hilfe dieses Systems konnten die Proteinmengen ausgewählter Zielgene so effektiv reduziert werden, dass die entsprechenden Stämme den Phänotyp des korrespondierenden knockout Stammes zeigten. Darüber hinaus war es möglich die Proteinreduktion zu modulieren, um so beispielsweise dosisabhängige Effekte zu registrieren. Vorangegangene Arbeiten zur Biogenese von micro (mi)RNAs konnten das RNA-bindende Protein RbdB als eine Hauptkomponente für die Prozessierung maturer miRNAs identifizieren. Der miRNA defiziente RbdB- Stamm wurde in dieser Arbeit zur Identifikation putativer miRNA Ziele genutzt. Dazu wurde sowohl das Transkriptom des D. discoideum Wildtyps als auch des rbdB knockout Stammes in hohem Durchsatz sequenziert, um so differentiell exprimierte Gene zu detektieren. Vielversprechende Kandidaten wurden mittels qRT-PCR verifiziert. Dabei wurde unter anderem ein putativer Transkriptionsfaktor als miRNA target identifiziert, der eine Vielzahl weiterer Gene regulieren könnte. Abschließend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass RbdB ebenfalls für die Generierung von small interfering (si)RNAs aus strukturierten Loci von Bedeutung ist. Dies weist auf mindestens zwei unterschiedliche Mechanismen zur siRNA Prozessierung in D. discoideum hin.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Obtenção de um hidrogel proveniente de proteínas da corvina (micropogonias furnieri) e solubilização das proteínas fibrosas residuais

Com o aumento na captura de pescado e da poluição do meio ambiente, esta-se à margem de exceder a estimativa do limite da sustentabilidade, e obviamente isto faz com se utilize os recursos marítimos com mais inteligência e precaução. Aplicando tecnologia enzimática ou química é possível recuperar as proteínas do processamento do pescado, produzindo hidrolisados e isolados protéicos. Uma grande quantidade de proteínas insolúveis está disponível em escamas, peles e ossos, subprodutos do processamento do pescado, que podem ser solubilizadas através de fungos e bactérias. Utilizando isolados protéicos é possível obter biopolímeros, estes têm chamado a atenção nos últimos anos, pois são biodegradáveis, não-tóxicos e geralmente biocompatíveis. Os hidrogéis protéicos são polímeros que podem absorver uma quantidade de água a partir de 10 até centenas de vezes o seu peso seco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um hidrogel protéico, com propriedades superabsorventes, a partir das proteínas solúveis e insolúveis da corvina (Micropogonias furnieri). Para a produção dos hidrolisados a partir das proteínas solúveis foi utilizado processo enzimático (Alcalase e Flavourzyme) e químico (solubilização ácida e alcalina). Nos processos de solubilização das proteínas insolúveis foram utilizados microrganismos (bactérias e fungos). Tanto as bactérias como os fungos avaliados apresentaram capacidade de solubilizar as proteínas insolúveis presentes nos resíduos (escamas, ossos, cartilagens e outros). A bactéria que atingiu a maior atividade proteolítica foi a Bacillus velesensis (47,56 U mL-1) e o fungo foi o Penicillium sp. (E20) (31,20 U mL-1). Para a produção dos hidrogéis, foram utilizados isolados protéicos provenientes de solubilização ácida ou alcalina, produzidos a partir de resíduos da industrialização de pescado, modificados quimicamente com dianidrido etilenodiamino tetraacético (EDTAD) e adicionados de agente de ligação cruzada (glutaraldeído). Algumas proteínas modificadas ainda foram submetidas a tratamento com etanol. Foram realizadas análise estrutural das proteínas modificadas e estudo da capacidade de retenção de água dos hidrogéis assim obtidos. Os hidrogéis produzidos apresentaram alta capacidade de retenção de água. A máxima absorção de água foi alcançada pelo hidrogel ácido sem o tratamento com etanol foi de 103,25 gágua/ggel seco, enquanto que a mesma amostra tratada com etanol alcançou 216,05 gágua/ggel seco. Os hidrogéis produzidos podem ser utilizados em diversas indústrias, tais como, farmacêutica, alimentícia, médica, agroindústria, entre outras, que necessitem de hidrogéis com alta capacidade de retenção de água.

Dielectric properties of thermosetting material nanocomposites

The dieletric relaxation properties of thermosetting material nanocomposites based on spherosilicate nanoplatforms were studied from room temperature to 170 degrees C, varying the frequency from 10 to 1000 KHz. Permittivity (epsilon'), dielectric loss (epsilon ''), and activation energy (E-a) were calculated. The results of dielectric relaxation were confirmed by those of the final properties. The dielectric loss amplitude decreases with increasing ODPG content until about 70-73 wt % and slightly increases at higher ODPG content. This means that the increasing of the ODPG content in the composite samples decreases the number of pendants groups and/or increases crosslink densitv, causing decreased motion of organic tethers, and subsequently decreasing of the dipolar mobility. The results of apparent activation energy, fracture toughness and tensile modulus mechanical properties show the same profile with respect to ODPG content, in the sense that they exhibit maxima around 70 wt % ODPG. For the ODPG/MDA composites, this formulation of 70 wt % ODPG containing excess of amine is not composition where the highest crosslinked density is reached. This implies that the best mechanical properties and E-a are provided by some degree of chain flexibility. (c) 2007 Wiley Periodicals, Inc.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Designing Hydrogels that Transform their Shape in Response to Molecular Cues

There has been considerable interest in developing shape-changing soft materials for potential applications in drug delivery, microfluidics and biosensing. These shape- changing materials are inspired by the morphological changes exhibited by plants in nature, such as the Venus flytrap. One specific class of shape-change is that from a flat sheet to a folded structure (e.g., a tube). Such “self-folding” materials are usually composed of polymer hydrogels, and these typically fold in response to external stimuli such as pH and temperature. In order to develop these hydrogels for the previously described applications, it is necessary to expand the range of triggers. The focus of this dissertation is the advancement of shape-changing polymer hydrogels that are sensitive to uncommon cues such as specific biomolecules (enzymes), the substrates for such enzymes, or specific multivalent cations. First, we describe a hybrid gel that responds to the presence of low concentrations of a class of enzymes known as matrix metalloproteinases (MMPs). The hybrid gel was created by utilizing photolithographic techniques to combine two or more gels with distinct chemical composition into the same material. Certain portions of the hybrid gel are composed of a biopolymer derivative with crosslinkable groups. The hybrid gel is flat in water; however, in the presence of MMPs, the regions containing the biopolymer are degraded and the flat sheet folds to form a 3D structure. We demonstrate that hydrogels with different patterns can transform into different 3D structures such as tubes, helices and pancakes. Furthermore, this shape change can be made to occur at physiological concentrations of enzymes. Next, we report a gel with two layers that undergoes a shape change in the presence of glucose. The enzyme glucose oxidase (GOx) is immobilized in one of the layers. GOx catalyzes the conversion of glucose to gluconic acid. The production of gluconic acid decreases the local pH. The decrease in local pH causes one of the layers to swell. As a result, the flat sheet folds to form a tube. The tube unfolds to form a flat sheet when it is transferred to a solution with no glucose present. Therefore, this biomolecule- triggered shape transformation is reversible, meaning the glucose sensing gel is reusable. Furthermore, this shape change only occurs in the presence of glucose and it does not occur in the presence of other small sugars such as fructose. In our final study, we report the shape change of a gel with two layers in the presence of multivalent ions such as Ca2+ and Sr2+. The gel consists of a passive layer and an active layer. The passive layer is composed of dimethylyacrylamide (DMAA), which does not interact with multivalent ions. The active layer consists of DMAA and the biopolymer alginate. In the presence of Ca2+ ions, the alginate chains crosslink and the active layer shrinks. As a result, the gel converts from a flat sheet to a folded tube. What is particularly unusual is the direction of folding. In most cases, when flat rectangular gels fold, they do so about their short-side. However, our gels typically fold about their long-side. We hypothesize that non-homogeneous swelling determines the folding axis.

Desenvolvimento e caraterização de hidrogéis físicos e químicos a partir de polissacarídeos naturais

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016

MOLECULAR MODELING OF EPON 862-DETDA / CARBON COMPOSITES

The thermoset epoxy resin EPON 862, coupled with the DETDA hardening agent, are utilized as the polymer matrix component in many graphite (carbon fiber) composites. Because it is difficult to experimentally characterize the interfacial region, computational molecular modeling is a necessary tool for understanding the influence of the interfacial molecular structure on bulk-level material properties. The purpose of this research is to investigate the many possible variables that may influence the interfacial structure and the effect they will have on the mechanical behavior of the bulk level composite. Molecular models are established for EPON 862-DETDA polymer in the presence of a graphite surface. Material characteristics such as polymer mass-density, residual stresses, and molecular potential energy are investigated near the polymer/fiber interface. Because the exact degree of crosslinking in these thermoset systems is not known, many different crosslink densities (degrees of curing) are investigated. It is determined that a region exists near the carbon fiber surface in which the polymer mass density is different than that of the bulk mass density. These surface effects extend ~10 Å into the polymer from the center of the outermost graphite layer. Early simulations predict polymer residual stress levels to be higher near the graphite surface. It is also seen that the molecular potential energy in polymer atoms decreases with increasing crosslink density. New models are then established in order to investigate the interface between EPON 862-DETDA polymer and graphene nanoplatelets (GNPs) of various atomic thicknesses. Mechanical properties are extracted from the models using Molecular Dynamics techniques. These properties are then implemented into micromechanics software that utilizes the generalized method of cells to create representations of macro-scale composites. Micromechanics models are created representing GNP doped epoxy with varying number of graphene layers and interfacial polymer crosslink densities. The initial micromechanics results for the GNP doped epoxy are then taken to represent the matrix component and are re-run through the micromechanics software with the addition of a carbon fiber to simulate a GNP doped epoxy/carbon fiber composite. Micromechanics results agree well with experimental data, and indicate GNPs of 1 to 2 atomic layers to be highly favorable. The effect of oxygen bonded to the surface of the GNPs is lastly investigated. Molecular Models are created for systems with varying graphene atomic thickness, along with different amounts of oxygen species attached to them. Models are created for graphene containing hydroxyl groups only, epoxide groups only, and a combination of epoxide and hydroxyl groups. Results show models of oxidized graphene to decrease in both tensile and shear modulus. Attaching only epoxide groups gives the best results for mechanical properties, though pristine graphene is still favored.

PROTEIN-TRIGGERED SUSTAINED DRUG RELEASE CONTROLLED BY APTAMERS BOUND TO OLIGOMER-CROSSLINKED ALGINATE

Sustained drug release systems provide many advantages over traditional delivery methods such as extending the time in which the drug is found to be within an effective concentration within the therapeutic window, which decreases the frequency of administration of the drug, and increases patient compliance. Research using polyacrylamide crosslinked by oligomers containing an aptamer sequence, has demonstrated a pulsatile release over 50 minutes triggered by a 2 mM target adenosine concentration. This thesis aims to build off this concept by designing a system that delivers in a sustained manner when triggered by micromolar target concentrations reflective of disease in vivo, using macromolecular targets. For example, the disease wet age related macular degeneration (wet AMD) is associated with increased concentrations of the protein vascular endothelial growth factor (VEGF-A) – a macromolecule. Patients with wet AMD would benefit from the implantation of devices or microspheres that release drugs in a sustained manner in response to local VEGF concentrations. In this thesis, we hypothesize that the protein lysozyme, used to demonstrate proof-of-concept, could trigger the increased release of drugs from oligomer-crosslinked alginate. The objectives are to (i) demonstrate sustained release from alginate, (ii) design oligomer crosslinked alginate that degrades in response to lysozyme, and then (iii) use these systems to control the release of FITC-dextran with and without lysozyme. A series of control experiments and analyses were used to optimize the crosslinking of alginate by annealed oligomers. The cumulative release of FITC-dextran (MW 20,000) from oligomer crosslinked alginate increased by 3.4 μg when lysozyme (3 μM) was introduced at 48 hours, as opposed to controls which released only 0.2 μg. FITC-loaded alginate microspheres coated by oligomer-crosslinked alginate released 15% more FITC-dextran over 120 hours when placed into 3 μM of lysozyme than without lysozyme. Controls of alginate crosslinked with PEG or control oligomers (without a lysozyme aptamer sequence) had no changes in release with lysozyme. The incorporation of a lysozyme aptamer onto oligomers used to crosslink alginate disks or alginate coatings on microspheres resulted in different diffusion and release of FITC-dextran into PBS with or without lysozyme. This approach could be adapted for the delivery of drugs to diseases with specific protein profiles such as wet AMD.