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.

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.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Studies on the Toughening of Epoxy Resins

This thesis aims to develop new toughened systems for epoxy resin via physical and chemical modifications. Initially the synthesis of DGEBA was carried out and the properties compared with that of the commercial sample. Subsequently the modifier resins to be employed were synthesized. The synthesized resin were characterized by spectroscopic method (FTIR and H NMR), epoxide equivalent and gel permeation chromatography. Chemical modification involves the incorporation of thermoset resins such a phenolics, epoxy novolacs, cardanol epoxides and unsaturated polyester into the epoxy resin by reactive belnding. The mechanical and thermal properties of the blends were studied. In the physical modification route, elastomers, maleated elastomers and functional elastomers were dispersed as micro-sized rubber phase into the continuous epoxy phase by a solution blending technique as against the conventional mechanical blending technique. The effect of matrix toughening on the properties of glass reinforced composites and the effect of fillers on the properties of commercial epoxy resin were also investigated. The blends were characterized by thermo gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, scanning electron microscopy and mechanical property measurements. Among the thermoset blends, substantial toughening was observed in the case of epoxy phenolic novolacs especially epoxy para cresol novolac (ECN). In the case of elastomer blending , the toughest blends were obtained in the case of maleic anhydride grafted NBR. Among functional elastomers the best results were obtained with CTBN. Studies on filled and glass reinforced composites employing modified epoxy as matrix revealed an overall improvement in mechanical properties

Carbon nanotubes induced crystallization of poly(ethylene terephthalate)

We have investigated the crystallization characteristics of melt compounded nanocomposites of poly(ethylene terephthalate) (PET) and single walled carbon nanotubes (SWNTs). Differential scanning calorimetry studies showed that SWNTs at weight fractions as low as 0.03 wt% enhance the rate of crystallization in PET, as the cooling nanocomposite melt crystallizes at a temperature 10 °C higher as compared to neat PET. Isothermal crystallization studies also revealed that SWNTs significantly accelerate the crystallization process. WAXD showed oriented crystallization of PET induced by oriented SWNTs in a randomized PET melt, indicating the role of SWNTs as nucleating sites.

PET-SWNT nanocomposites through ultrasound assisted dissolution-evaporation

Poly(ethylene terephthalate) (PET) based nanocomposites have been prepared with single walled carbon nanotubes (SWNTs) through an ultrasound assisted dissolution-evaporation method. Differential scanning calorimetry studies showed that SWNTs nucleate crystallization in PET at weight fractions as low as 0.3%, as the nanocomposite melt crystallized during cooling at temperature 24 °C higher than neat PET of identical molecular weight. Isothermal crystallization studies also revealed that SWNTs significantly accelerate the crystallization process. Mechanical properties of the PETSWNT nanocomposites improved as compared to neat PET indicating the effective reinforcement provided by nanotubes in the polymer matrix. Electrical conductivity measurements on the nanocomposite films showed that SWNTs at concentrations exceeding 1 wt% in the PET matrix result in electrical percolation. Comparison of crystallization, conductivity and transmission electron microscopy studies revealed that ultrasound assisted dissolution-evaporation method enables more effective dispersion of SWNTs in the PET matrix as compared to the melt compounding method

Dielectric Behavior of Natural Rubber Composites in Microwave Fields

In this article, we report the preparation of conducting natural rubber (NR) with polyaniline (Pani). NR was made into a conductive material by the compounding of NR with Pani in powder form. NR latex was made into a conductive material by the in situ polymerization of aniline in the presence of NR latex. Different compositions of Pani- NR semi-interpenetrating networks were prepared, and the dielectric properties of all of the samples were determined in microwave frequencies. The cavity perturbation techpique was used for this study. A HP8510 vector network analyzer with a rectangular cavity resonator was used for this study. S bands 2-4 GHz in frequency were used. Thermal studies were also carried out with thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry.

Dielectric Behavior of Natural Rubber Composites in Microwave Fields

In this article, we report the preparation of conducting natural rubber (NR) with polyaniline (Pani). NR was made into a conductive material by the compounding of NR with Pani in powder form. NR latex was made into a conductive material by the in situ polymerization of aniline in the presence of NR latex. Different compositions of Pani- NR semi-interpenetrating networks were prepared, and the dielectric properties of all of the samples were determined in microwave frequencies. The cavity perturbation techpique was used for this study. A HP8510 vector network analyzer with a rectangular cavity resonator was used for this study. S bands 2-4 GHz in frequency were used. Thermal studies were also carried out with thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry.

Thermal degradation of short kevlar fibre thermoplastic polyurethane composite

The thermal degradation of short kevlar fibre-thermoplastic polyurethane (TPU) composites has been studied by Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). TGA showed that the thermal degradation of TPU takes place in two steps with peak maxima (T1max and T2ma,) at 383°C and 448°C, respectively. In the presence of 10-40 phr of short kevlar fibres, T1_ and T2max were shifted to lower temperatures. The temperature of onset of degradation was increased from 245 to 255°C at 40 parts per hundred rubber (phr) fibre loading. Kinetic studies showed that the degradation of TPU and kevlar-TPU composite follows first-order reaction kinetics. The DSC study showed that there is an improvement in thermal stability of TPU in the presence of 20 phr of short kevlar fibres.

ANALYSIS, MODIFICATION, AND EVALUATION OF THE COLD FLOW PROPERTIES OF VEGETABLE OILS AS BASE OIL FOR INDUSTRIAL LUBRICANTS

Poor cold flow properties of vegetable oils are a major problem preventing the usage of many abundantly available vegetable oils as base stocks for industrial lubricants. The major objective of this research is to improve the cold flow properties of vegetable oils by various techniques like additive addition and different chemical modification processes. Conventional procedure for determining pour point is ASTM D97 method. ASTM D97 method is time consuming and reproducibility of pour point temperatures is poor between laboratories. Differential Scanning Calorimetry (DSC) is a fast, accurate and reproducible method to analyze the thermal activities during cooling/heating of oil. In this work coconut oil has been chosen as representative vegetable oil for the analysis and improvement cold flow properties since it is abundantly available in the tropics and has a very high pour point of 24 °C. DSC is used for the analysis of unmodified and modified vegetable oil. The modified oils (with acceptable pour points) were then subjected to different tests for the valuation of important lubricant properties such as viscometric, tribological (friction and wear properties), oxidative and corrosion properties.A commercial polymethacrylate based PPD was added in different percentages and the pour points were determined in each case. Styrenated phenol(SP) was added in different concentration to coconut oil and each solution was subjected to ASTM D97 test and analysis by DSC. Refined coconut oil and other oils like castor oil, sunflower oil and keranja oil were mixed in different proportions and interesterification procedure was carried out. Interesterification of coconut oil with other vegetable oils was not found to be effective in lowering the pour point of coconut oil as the reduction attained was only to the extent of 2 to 3 °C.Chemical modification by acid catalysed condensation reaction with coconut oil castor oil mixture resulted in significant reduction of pour point (from 24 ºC to -3 ºC). Instead of using triacylglycerols, when their fatty acid derivatives (lauric acid- the major fatty acid content of coconut oil and oleic acid- the major fatty acid constituents of monoand poly- unsaturated vegetable oils like olive oil, sunflower oil etc.) were used for the synthesis , the pour point could be brought down to -42 ºC. FTIR and NMR spectroscopy confirmed the ester structure of the product which is fundamental to the biodegradability of vegetable oils. The tribological performance of the synthesised product with a suitable AW/EP additive was comparable to the commercial SAE20W30 oil. The viscometric properties (viscosity and viscosity index) were also (with out additives) comparable to commercial lubricants. The TGA experiment confirmed the better oxidative performance of the product compared to vegetable oils. The sample passed corrosion test as per ASTM D130 method.

Investigations on the preparation of composite polysaccharide films and micro / nanoparticles for novel applications

chemical Sciences and Technology Division, National Institute for Interdisciplinary Science and Technology, CSIR

Diblock and Triblock Copolymers of Styrene and Acetoxymethylstyrene by One-Pot ATRP

We describe the synthesis of diblock and triblock copolymers by sequential atom transfer radical polymerization of styrene and acetoxymethylstyrene. Contrary to the usual block copolymerization involving isolation of the macroinitiator, a convenient one-pot procedure is developed. This is possible because of the preferential polymerization of acetoxymethylstyrene, even in the presence of residual styrene, as inferred from characterization of the intermediate polystyrenes and the block copolymers by size exclusion chromatography, 1H NMR, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and GPEC techniques. The latent acetoxy functionalities in these block copolymers are shown to be easily unmasked to OOH and OBr functionalities, with the potential for block ionomers and dense graft architectures.

Modification of Polypropylene/Glass Fiber Composites with Nanosilica

Poly(propylene) (PP) reinforced with short glass fiber was modified with precipitated nanosilica (pnS) by melt mixing. The weight of the glass fiber was varied by keeping the pnS at optimum level. The properties of the composites were studied using universal testing machine, dynamic mechanic analyser (DMA), differential Scanning calorimetry (DSC) and thermo gravimetric analyser (TGA). The amount of the glass fiber required for a particular modulus could be reduced by the addition of nanosilica.

Compatibility Studies on Sulphur Cured EPDM/CIIR Blends

The principal objective of this study was to explore the compatibility of a blend of two synthetic elastomers viz., ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) and chlorobutyl rubber (CIIR). Various commercial grades of EPDM were blended with a specific grade of CIIR at different proportions. The mechanical properties such as tensile strength, tear strength, ageing resistance, etc. were studied. On the basis of the observed physical properties, two particular grades of EPDM were found to be compatible with CIIR. Differential scanning calorimetry and scanning electron microscopy confirmed the results. Chlorosulphonated polyethylene was added as a compatibilizing agent to overcome the phase separation of the other two incompatible grades of EPDM in blending with CIIR. The results revealed that the addition of compatibilizer greatly improves the compatibility and thereby the properties of the blends.

Thermal transport across incommensurate phases in potassium selenate: photo-pyroelectric and calorimetric measurements

The thermal transport properties—thermal diffusivity, thermal conductivity and specific heat capacity—of potassium selenate crystal have been measured through the successive phase transitions, following the photo-pyroelectric thermal wave technique. The variation of thermal conductivity with temperature through the incommensurate (IC) phase of this crystal is measured. The enhancement in thermal conductivity in the IC phase is explained in terms of heat conduction by phase modes, and the maxima in thermal conductivity during transitions is due to enhancement in the phonon mean free path and the corresponding reduction in phonon scattering. The anisotropy in thermal conductivity and its variation with temperature are reported. The variation of the specific heat with temperature through the high temperature structural transition at 745 K is measured, following the differential scanning calorimetric method. By combining the results of photo-pyroelectric thermal wave methods and differential scanning calorimetry, the variation of the specific heat capacity with temperature through all the four phases of K2SeO4 is reported. The results are discussed in terms of phonon mode softening during transitions and phonon scattering by phase modes in the IC phase.