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.

Nanotechnology in the food industry I: applications

Nanotechnology is a multidisciplinary science that is having a boom today, providing new products with attractive physicochemical properties for many applications. In agri/feed/food sector, nanotechnology offers great opportunities for obtaining products and innovative applications for agriculture and livestock, water treatment and the production, processing, storage and packaging of food. To this end, a wide variety of nanomaterials, ranging from metals and inorganic metal oxides to organic nanomaterials carrying bioactive ingredients are applied. This review shows an overview of current and future applications of nanotechnology in the food industry. Food additives and materials in contact with food are now the main applications, while it is expected that in the future are in the field of nano-encapsulated and nanocomposites in applications as novel foods, additives, biocides, pesticides and materials food contact.

D6.6 – Summary, Analysis, Road-mapping and Production of Training materials

This deliverable summarizes, validates and explains the purpose and concept behind the RAGE knowledge and innovation management platform as a self-sustainable Ecosystem, supporting innovation processes in the Applied Gaming (AG) industry. The Ecosystem portal will be developed with particular consideration of the demand and requirements of small and medium sized game developing companies, education providers and related stakeholders like AG researchers and AG end-users. The innovation potential of the new platform underlies the following factors: a huge, mostly entire collection of community specific knowledge (e.g., content like media objects, software components and best practices), a structured approach of knowledge access, search and browse, collaboration tools as well as social network analysis tools to foster efficient knowledge creation and transformation processes into marketable technology assets. The deliverable provides an overview of the current status and the remaining work to come, preceding the final version in month 48 of the RAGE project.

Intrinsically flexible electronic materials for smart device applications

A novel method to fabricate chemically linked conducting polymer–biopolymer composites that are intrinsically flexible and conducting for functional electrode applications is presented. Polypyrrole was synthesised in situ during the cellulose regeneration process using the 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ionic liquid as a solvent medium. The obtained polypyrrole–cellulose composite was chemically blended and showed flexible polymer properties while retaining the electronic properties of a conducting polymer. Addition of an ionic liquid such as trihexyl(tetradecyl)phosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, enhanced the flexibility of the composite. The functional application of these materials in the electrochemically controlled release of a model drug has been demonstrated. This strategy opens up a new design for a wide spectrum of materials for smart electronic device applications wherein the functionality of doping and de-doping of conducting polymers is retained and their processability issue is addressed by exploiting an ionic liquid route.

Design of binary polymeric systems containing ɩ-carrageenan and hydroxypropylcellulose for use in cataract surgery.

This study describes the design and characterisation of the rheological and mechanical properties of binary polymeric systems composed of 2-Hydroxypropylcellulose and ɩ-carrageenan, designed as ophthalmic viscoelastic devices (OVDs). Platforms were characterised using dilute solution, flow and oscillatory rheometry and texture profile analysis. Rheological synergy between the two polymers was observed both in the dilute and gel states. All platforms exhibited pseudoplastic flow. Increasing polymer concentrations significantly decreased the loss tangent and rate index yet increased the storage and loss moduli, consistency, gel hardness, compressibility and adhesiveness, the latter being related to the in-vivo retention properties of the platforms. Binary polymeric platforms exhibited unique physicochemical properties, properties that could not be engineered using mono-polymeric platforms. Using characterisation methods that provide information relevant to their clinical performance, low-cost binary platforms (3% hydroxypropylcellulose and either 1% or 2% ɩ-carrageenan) were identified that exhibited rheological, textural and viscoelastic properties advantageous for use as OVDs.

Crack propagation in non-homogenous materials: Evaluation of mixed-mode SIFs, T-stress and kinking angle using a variant EFG method

A new variant of the Element-Free Galerkin (EFG) method, that combines the diffraction method, to characterize the crack tip solution, and the Heaviside enrichment function for representing discontinuity due to a crack, has been used to model crack propagation through non-homogenous materials. In the case of interface crack propagation, the kink angle is predicted by applying the maximum tangential principal stress (MTPS) criterion in conjunction with consideration of the energy release rate (ERR). The MTPS criterion is applied to the crack tip stress field described by both the stress intensity factor (SIF) and the T-stress, which are extracted using the interaction integral method. The proposed EFG method has been developed and applied for 2D case studies involving a crack in an orthotropic material, crack along an interface and a crack terminating at a bi-material interface, under mechanical or thermal loading; this is done to demonstrate the advantages and efficiency of the proposed methodology. The computed SIFs, T-stress and the predicted interface crack kink angles are compared with existing results in the literature and are found to be in good agreement. An example of crack growth through a particle-reinforced composite materials, which may involve crack meandering around the particle, is reported.

The use of binary polymeric networks in stabilising polyethylene oxide solid dispersions

The objective of this study was to determine if a high Tg polymer (Eudragit® S100) could be used to stabilize amorphous domains of polyethylene oxide (PEO) and hence improve the stability of binary polymer systems containing celecoxib (CX). We propose a novel method of stabilizing the amorphous PEO solid dispersion through inclusion of a miscible, high Tg polymer, namely, that can form strong inter-polymer interactions. The effects of inter-polymer interactions and miscibility between PEO and Eudragit S100 are considered. Polymer blends were first manufactured via hot-melt extrusion at different PEO/S100 ratios (70/30, 50/50, and 30/70 wt/wt). Differential scanning calorimetry and dynamic mechanical thermal analysis data suggested a good miscibility between PEO and S100 polymer blends, particularly at the 50/50 ratio. To further evaluate the system, CX/PEO/S100 ternary mixtures were extruded. Immediately after hot-melt extrusion, a single Tg that increased with increasing S100 content (anti-plasticization) was observed in all ternary systems. The absence of powder X-ray diffractometry crystalline Bragg’s peaks also suggested amorphization of CX. Upon storage (40°C/75% relative humidity), the formulation containing PEO/S100 at a ratio of 50:50 was shown to be most stable. Fourier transform infrared studies confirmed the presence of hydrogen bonding between Eudragit S100 and PEO suggesting this was the principle reason for stabilization of the amorphous CX/PEO solid dispersion system.

Multiscale Analysis for Field-Effect Penetration through Two-Dimensional Materials

Gate-tunable two-dimensional (2D) materials-based quantum capacitors (QCs) and van der Waals heterostructures involve tuning transport or optoelectronic characteristics by the field effect. Recent studies have attributed the observed gate-tunable characteristics to the change of the Fermi level in the first 2D layer adjacent to the dielectrics, whereas the penetration of the field effect through the one-molecule-thick material is often ignored or oversimplified. Here, we present a multiscale theoretical approach that combines first-principles electronic structure calculations and the Poisson–Boltzmann equation methods to model penetration of the field effect through graphene in a metal–oxide–graphene–semiconductor (MOGS) QC, including quantifying the degree of “transparency” for graphene two-dimensional electron gas (2DEG) to an electric displacement field. We find that the space charge density in the semiconductor layer can be modulated by gating in a nonlinear manner, forming an accumulation or inversion layer at the semiconductor/graphene interface. The degree of transparency is determined by the combined effect of graphene quantum capacitance and the semiconductor capacitance, which allows us to predict the ranking for a variety of monolayer 2D materials according to their transparency to an electric displacement field as follows: graphene > silicene > germanene > WS2 > WTe2 > WSe2 > MoS2 > phosphorene > MoSe2 > MoTe2, when the majority carrier is electron. Our findings reveal a general picture of operation modes and design rules for the 2D-materials-based QCs.

Electric Field Effects on Graphene Materials

Understanding the effect of electric fields on the physical and chemical properties of two-dimensional (2D) nanostructures is instrumental in the design of novel electronic and optoelectronic devices. Several of those properties are characterized in terms of the dielectric constant which play an important role on capacitance, conductivity, screening, dielectric losses and refractive index. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations including van der Waals interactions on two types of layered materials of similar two-dimensional molecular geometry but remarkably different electronic structures, that is, graphene and molybdenum disulphide (MoS2). We focus on such two-dimensional crystals because of they complementary physical and chemical properties, and the appealing interest to incorporate them in the next generation of electronic and optoelectronic devices. We predict that the effective dielectric constant (ε) of few-layer graphene and MoS2 is tunable by external electric fields (E ext). We show that at low fields (E ext < 0.01 V/Å) ε assumes a nearly constant value ∼4 for both materials, but increases at higher fields to values that depend on the layer thickness. The thicker the structure the stronger is the modulation of ε with the electric field. Increasing of the external field perpendicular to the layer surface above a critical value can drive the systems to an unstable state where the layers are weakly coupled and can be easily separated. The observed dependence of ε on the external field is due to charge polarization driven by the bias, which show several similar characteristics despite of the layer considered. All these results provide key information about control and understanding of the screening properties in two-dimensional crystals beyond graphene and MoS2