New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Assessment of PEG on Polymeric Particles Surface, a Key Step in Drug Carrier Translation

Injectable drug nanocarriers have greatly benefited in their clinical development from the addition of a superficial hydrophilic corona to improve their cargo pharmacokinetics. The most studied and used polymer for this purpose is poly(ethylene glycol), PEG. However, in spite of its wide use for over two decades now, there is no general consensus on the optimum PEG chain coverage-density and size required to escape from the mononuclear phagocyte system and to extend the circulation time. Moreover, cellular uptake and active targeting may have conflicting requirements in terms of surface properties of the nanocarriers which complicates even more the optimization process. These persistent issues can be largely attributed to the lack of straightforward characterization techniques to assess the coverage-density, the conformation or the thickness of a PEG layer grafted or adsorbed on a particulate drug carrier and is certainly one of the main reasons why so few clinical applications involving PEG coated particle-based drug delivery systems are under clinical trial so far. The objective of this review is to provide the reader with a brief description of the most relevant techniques used to assess qualitatively or quantitatively PEG chain coverage-density, conformation and layer thickness on polymeric nanoparticles. Emphasis has been made on polymeric particle (solid core) either made of copolymers containing PEG chains or modified after particle formation. Advantages and limitations of each technique are presented as well as methods to calculate PEG coverage-density and to investigate PEG chains conformation on the NP surface.

Effect of Polymer Architecture on the Structural and Biophysical Properties of PEG-PLA Nanoparticles

Polymers made of poly(ethylene glycol) chains grafted to poly(lactic acid) chains (PEG-g-PLA) were used to produce stealth drug nanocarriers. A library of comb-like PEG-g-PLA polymers with different PEG grafting densities was prepared in order to obtain nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and quantitative NMR allowed quantifying the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. Resistance to protein adsorption was assessed by isothermal titration calorimetry (ITC) using lysozyme. The results indicate a correlation between PEG surface coverage and level of protein interactions. The results obtained lead us to propose such PEG-g-PLA polymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.

Effect of polymer architecture on Curcumin 1 encapsulation and release from PEGylated polymer nanoparticles: toward a drug delivery nano-platform to the CNS

We developed a nanoparticles (NPs) library from poly(ethylene glycol)–poly lactic acid comb-like polymers with variable amount of PEG. Curcumin was encapsulated in the NPs with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. We observed a sharp decrease in size between 15 and 20% w/w of PEG which corresponds to a transition from a large solid particle structure to a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure. Drug loading, loading efficacy and release kinetics were determined. The diffusion coefficients of curcumin in NPs were determined using a mathematical modeling. The higher diffusion was observed for solid particles compared to “polymer nano-aggregate” particles. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. Our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers.

Studies on Latex Stage Carbon Black Masterbatching of NR and its Blend with SBR

Carbon Black is incorporated In natural rubber latex in , the presence of polyethylene glycol. The dispersion of carbon blade in the vulcanizatea is analyzed using polaroid M.4 land camera The mechanical properties of the carbon black meeterbatched NR/SBR blend Is compared with that of conventional NR/SBR blend before and after ageing , The resilience, flex resistance and hardness are found to be superior for N-LCMISBR compounds. The compression set and abrasion resistance are comparable for both types of blends . The processebiity and die swell of these blends at different shear rates are also compared.

Effect of Urethane Based Bonding Agent on the Cure Characteristics and Mechanical Properties of Styrene Butadiene Rubber - Whole Tyre Reclaim - Short Nylon Fiber Composite

The cure characteristics and mechanical properties of short nylon fiber- styrene /whole tyre reclaim (SBR/WTR) composites with and without an interfacial bonding agent based on 4,4 diphenyl methane diisocyanate and polyethylene glycol (MDI/PEG) have been studied. An 80:40 blend of SBR/ WTR reinforced with 20 phr of short nylon fiber has been selected and the MDI/ PEG ratio has been changed from 0.67:1 to 2:1. The minimum and maximum torques increased with isocyanate concentration. The scorch time and cure time showed an initial reduction. The cure rate showed an initial improvement. Tensile strength, tear strength and abrasion resistance increased with MDI/PEG ratio, these values were higher in longitudinal direction. Resilience and compression set increased with isocyanate concentration.

Studies on the curing of short polyester fiber-polyurethane elastomer composite with different interfacial bonding agents

The cure characteristics of short fiber-polyurethane elastomer were studied with respect to different fiber-matrix bonding agents. A hexamethylenetetramine- resorcinol -hydrated silica based bonding agent was found to affect the stability of the composite. A new bonding agent, TP resin, based on polymeric toluenediisocyanate and polypropylene glycol has been developed. Cure characteristics of the composite with and without TP resin at different fiber loadings were also compared. Minimum torque, scorch time and optimum cure time increased with fiber content. Maximum torque was consistently higher with TP resin at all fiber loadings.

Solvent Effect on Absolute Fluorescence Quantum Yield of Rhodamine 6G Determined Using Transient Thermal Lens Technique

Dual beam thermal lens tecbnique is successfully employed for the determination of absolute Fluorescence quantum yield of rhodamine 6G lnser dye in different solvents. A 532 nm radiation from a Q-switched Nd:YAG laser was used for the excitation purpose. The fluorescence quantum yield values are found to be strongly influenced by environmental effects. It has been observed that fluorescence yield is greater for rhodamine 6G in ethylene glycol system than in water or in methanol. Our results also indicate that parameters like concentration of the dye solution, aggregate formation and excited state absorption affect the absolute values of fluorescence yield significantly.

Design of Cyclophanes: Synthesis and Study of Photophysical and Biomolecular Recognition Properties

Development of organic molecules that exhibit selective interactions with different biomolecules has immense significance in biochemical and medicinal applications. In this context, our main objective has been to design a few novel functionaIized molecules that can selectively bind and recognize nucleotides and DNA in the aqueous medium through non-covalent interactions. Our strategy was to design novel cycIophane receptor systems based on the anthracene chromophore linked through different bridging moieties and spacer groups. It was proposed that such systems would have a rigid structure with well defined cavity, wherein the aromatic chromophore can undergo pi-stacking interactions with the guest molecules. The viologen and imidazolium moieties have been chosen as bridging units, since such groups, can in principle, could enhance the solubility of these derivatives in the aqueous medium as well as stabilize the inclusion complexes through electrostatic interactions.We synthesized a series of water soluble novel functionalized cyclophanes and have investigated their interactions with nucleotides, DNA and oligonucIeotides through photophysical. chiroptical, electrochemical and NMR techniques. Results indicate that these systems have favorable photophysical properties and exhibit selective interactions with ATP, GTP and DNA involving electrostatic. hydrophobic and pi-stacking interactions inside the cavity and hence can have potential use as probes in biology.

Nonlinear Optical Properties of Organic and Polymer Systems

Present thesis has discussed the design and synthesis of polymers suitable for nonlinear optics. Most of the molecules that were studied have shown good nonlinear optical activity. The second order nonlinear optical activity of the polymers was measured experimentally by Kurtz and Perry powder technique. The thesis comprises of eight chapters.The theory of NLO phenomenon and a review about the various nonlinear optical polymers has been discussed in chapter 1. The review has provided a survey of NLO active polymeric materials with a general introduction, which included the principles and the origin of nonlinear optics, and has given emphasis to polymeric materials for nonlinear optics, including guest-host systems, side chain polymers, main chain polymers, crosslinked polymers, chiral polymers etc.Chapter 2 has discussed the stability of the metal incorporated tetrapyrrole molecules, porphyrin, chlorin and bacteriochlorin.Chapter 3 has provided the NLO properties of certain organic molecules by computational tools. The chapter is divided into four parts. The first part has described the nonlinear optical properties of chromophore (D-n-A) and bichromophore (D-n-A-A-n-D) systems, which were separated by methylene spacer, by making use of DPT and semiempirical calculations.Chapter 4: A series of polyurethanes was prepared from cardanol, a renewable resource and a waste of the cashew industry by previously designed bifunctional and multifunctional polymers using quantum theoretical approach.Chapter 5: A series of chiral polyurethanes with main chain bis azo diol groups in the polymer backbone was designed and NLO activity was predicted by ZlNDO/ CV methods.In Chapter 7, polyurethanes were first designed by computational methods and the NLO properties were predicted by correction vector method. The designed bifunctional and multifunctional polyurethanes were synthesized by varying the chiral-achiral diol compositions

Studies on the Production, Properties and Processability of Low Protein Latex

Latex protein allergy is a serious problem faced by users of natural rubber latex products. This is severe in health care workers, who are constantly using latex products like examination gloves, surgical gloves etc. Out of the total proteins only a small fraction is extractable and only these proteins cause allergic reactions in sensitized people. Enzymic deproteinisation of latex and leaching and chlorination of latex products are the common methods used to reduce the severity of the problem.Enzyme deproteinisation is a cubersome process involving high cost and process loss.Physical properties of such films are poor. Leaching is a lengthy process and in leached latex products presence of extractable proteins is observed on further storing. Chlorination causes yellowing of latex products and reduction in tensile properties.In this context a more simple process of removal of extractable proteins from latex itself was investigated. This thesis reports the application of poly propylene glycol (PPG) to displace extractable proteins from natural latex. PPG is added to 60 % centrifuged natural latex to the extent of 0.2 % m/rn, subssequently diluted to 30 % dry rubber content and again concentrated to obtain a low protein latex.Dilution of concentrated latex and subsequent concentration lead to a total reduction in non - rubber solids in the concentrate, especially proteins and reduction in the ionic concentration in the aqueous phase of the latex. It has been reported that proteins in natural rubber / latex affect its behaviour in the vulcanisation process. Ionic concentration in the aqueous phase of latex influence the stability, viscosity and flow behaviour of natural latex. Hence, a detailed technological evaluation was carried out on this low protein latex. In this study, low protein latex was compared with single centrifuged latex ( the raw material to almost every latex product), double centrifuged latex ( because dilution and second concentration of latex is accompanied by protein removal to some extent and reduction in the ionic concentration of the aqueous phase of latex.). Studies were conducted on Sulphur cure in conventional and EV systems under conditions of post ~ cure and prevulcanisation of latex. Studies were conducted on radiation cure in latex stage. Extractable protein content in vulcanised low protein latex films are observed to be very low. lt is observed that this low protein latex is some what slower curing than single centrifuged latex, but faster than double centrifuged latex. Modulus of low protein latex films were slightly low. In general physical properties of vulcanised low protein latex films are only siightly lower than single centrifuged latex. Ageing properties of the low protein latex films were satisfactory. Viscosity and flow behaviour of low protein latex is much better than double centrifuged latex and almost comparable to single centrifuged latex. On observing that the physical properties and flow behaviour of low protein latex was satisfactory, it was used for the preparation of examination gloves and the gloves were evaluated. It is observed that the properties are conforming to the Indian Standard Specifications. It is thus observed that PPG treatment of natural latex is a simple process of preparing low protein latex. Extractable protein content in these films are very low.The physical properties of the films are comparable to ordinary centrifuged latex and better than conventionally deprotenized latex films. This latex can be used for the production of examination gloves.

Studies on Latex Compounding

The main objective of the present study was to explore ways of making latex products more cost effective and versatile. Polyethylene glycol was identified as a surface active agent in latex compounds which improves the filler-polymer interaction and also distributes the filler more uniformly. The use of such surface active agents can develop filled latex products with improved mechanical properties at a lower cost. In this study dispersions of carbon black and silica were successfully added to NR latex under high speed stirring without destabilizing latex.

”Nonlinear optical properties of polymers containing azomesogens and chiral molecules: theoretical and experimental evaluations."

The present work emphasizes the use of chirality as an efficient tool to synthesize new types of second order nonlinear materials. Second harmonic generation efficiency (SHG) is used as a measure of second order nonlinear response. Nonlinear optical properties of polymers have been studied theoretically and experimentally. Polymers were designed theoretically by ab initio and semiempirical calculations. All the polymeric systems have been synthesized by condensation polymerization. Second harmonic generation efficiency of the synthesized systems has been measured experimentally by Kurtz and Perry powder method