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.

Chitosan gel film bandages: correlating structure, composition, and antimicrobial properties

Chitosan gel films were successfully obtained by evaporation cast from chitosan solutions in aqueous acidic solutions of organic acids (lactic and acetic acid) as gel film bandages, with a range of additives that directly influence film morphology and porosity. We show that the structure and composition of a wide range of 128 thin gel films, is correlated to the antimicrobial properties, their biocompatibility and resistance to biodegradation. Infrared spectroscopy and solid-state 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy was used to correlate film molecular structure and composition to good antimicrobial properties against 10 of the most prevalent Gram positive and Gram negative bacteria. Chitosan gel films reduce the number of colonies after 24 h of incubation by factors of ∼105–107 CFU/mL, compared with controls. For each of these films, the structure and preparation condition has a direct relationship to antimicrobial activity and effectiveness. These gel film bandages also show excellent stability against biodegradation with lysozyme under physiological conditions (5% weight loss over a period of 1 month, 2% in the first week), allowing use during the entire healing process. These chitosan thin films and subsequent derivatives hold potential as low-cost, dissolvable bandages, or second skin, with antimicrobial properties that prohibit the most relevant intrahospital bacteria that infest burn injuries.

Study of the kinetics and mechanism of rapid self-assembly in block copolymer thin films during solvo-microwave annealing

Microwave annealing is an emerging technique for achieving ordered patterns of block copolymer films on substrates. Little is understood about the mechanisms of microphase separation during the microwave annealing process and how it promotes the microphase separation of the blocks. Here, we use controlled power microwave irradiation in the presence of tetrahydrofuran (THF) solvent, to achieve lateral microphase separation in high- lamellar-forming poly(styrene-b-lactic acid) PS-b-PLA. A highly ordered line pattern was formed within seconds on silicon, germanium and silicon on insulator (SOI) substrates. In-situ temperature measurement of the silicon substrate coupled to condition changes during "solvo-microwave" annealing allowed understanding of the processes to be attained. Our results suggest that the substrate has little effect on the ordering process and is essentially microwave transparent but rather, it is direct heating of the polar THF molecules that causes microphase separation. It is postulated that the rapid interaction of THF with microwaves and the resultant temperature increase to 55 degrees C within seconds causes an increase of the vapor pressure of the solvent from 19.8 to 70 kPa. This enriched vapor environment increases the plasticity of both PS and PLA chains and leads to the fast self-assembly kinetics. Comparing the patterns formed on silicon, germanium and silicon on insulator (SOI) and also an in situ temperature measurement of silicon in the oven confirms the significance of the solvent over the role of substrate heating during "solvo-microwave" annealing. Besides the short annealing time which has technological importance, the coherence length is on a micron scale and dewetting is not observed after annealing. The etched pattern (PLA was removed by an Ar/O-2 reactive ion etch) was transferred to the underlying silicon substrate fabricating sub-20 nm silicon nanowires over large areas demonstrating that the morphology is consistent both across and through the film.

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.

MEDIUM-CHAIN-LENGTH POLY(3-HYDROXYALKANOATE) NANOPARTICLE SUSPENSIONS

The main goal of this thesis was to prepare medium-chain-length poly-3-hydroxyalkanoate (mcl-PHA) nanoparticle suspensions at high solids content (≥ 10 % w/v). A two-stage emulsification-solvent evaporation process was employed to produce poly-3-hydroxydecanoate (PHD) suspensions. The formulation and processing conditions including ultrasonication time and amplitude, selection of solvent, and selection of surfactants and their concentrations were investigated to make concentrated suspensions (10 and 30 % (w/v)) of PHD with particles less than 300 nm. Among the ionic surfactants tested to stabilize the suspension, the anionic, sodium dodecyl sulphate (SDS), and the cationic, dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) surfactants produced the smallest particle sizes (~100 nm). However, more stabilized nanoparticles were obtained when the ionic surfactant, SDS, was combined with any of the non-ionic surfactants tested, with polyoxyethylene octyl phenyl ether (Triton X-100) or polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate (Tween 80) resulting in a slight increase in zeta potential over 30 days while the zeta potential with other non-ionic surfactants decreased. Mcl-PHA containing 11 and 18 % of carboxyl groups was synthesized via free radical addition reaction of 11-mercaptoundecanoic acid to the pendant double bonds of unsaturated poly-3-hydroxynonanoate (PHNU). Colloidal suspensions prepared by ultrasonication needed a surfactant to maintain stability, even at 0.4 % solids of mcl-PHA containing 11 % carboxylation (PHNC-1) unlike the stable suspensions prepared without surfactants by the titration method. Similar particle sizes (155.6 ± 8.4 to 163.4 ± 11.3 nm) and polydispersity indices (0.42 ± 0.03 to 0.49 ± 0.04) were obtained when several non-ionic surfactants were tested to minimize particle agglomeration, with the smallest particles obtained with Triton X-100. When Triton X-100 was combined with a variety of ionic surfactants, smaller nanoparticles (97.1 ± 1.1 to 121.7 ± 5.7 nm) with a narrower particle size distribution (0.21 ± 0.001 to 0.25 ± 0.003) were produced. The SDS and Triton X-100 combination was chosen to evaluate other mcl-PHAs at 10 % (w/v) solids content. Slightly smaller nanoparticles were formed with carboxylated mcl-PHAs compared to mcl-PHAs having aliphatic pendant side chains. Mcl-PHA consisting of 18 % carboxylation (PHNC-2) formed a much smaller nanoparticles and higher zeta potential.

Extruded colour-based plastic film for the measurement of dissolved CO2

Dissolved CO2 measurements are usually made using a Severinghaus electrode, which is bulky and can suffer from electrical interference. In contrast, optical sensors for gaseous CO2, whilst not suffering these problems, are mainly used for making gaseous (not dissolved) CO2 measurements, due to dye leaching and protonation, especially at high ionic strengths (>0.01 M) and acidity (<pH 4). This is usually prevented by coating the sensor with a gas-permeable, but ion-impermeable, membrane (GPM). Herein, we introduce a highly sensitive, colourimetric-based, plastic film sensor for the measurement of both gaseous and dissolved CO2, in which a pH-sensitive dye, thymol blue (TB) is coated onto particles of hydrophilic silica to create a CO2-sensitive, TB-based pigment, which is then extruded into low density polyethylene (LDPE) to create a GPM-free, i.e. naked, TB plastic sensor film for gaseous and dissolved CO2 measurements. When used for making dissolved CO2 measurements, the hydrophobic nature of the LDPE renders the film: (i) indifferent to ionic strength, (ii) highly resistant to acid attack and (iii) stable when stored under ambient (dark) conditions for >8 months, with no loss of colour or function. Here, the performance of the TB plastic film is primarily assessed as a dissolved CO2 sensor in highly saline (3.5 wt%) water. The TB film is blue in the absence of CO2 and yellow in its presence, exhibiting 50% transition in its colour at ca. 0.18% CO2. This new type of CO2 sensor has great potential in the monitoring of CO2 levels in the hydrosphere, as well as elsewhere, e.g. food packaging and possibly patient monitoring.

Synthesis and evaluation of temperature- and glucose-sensitive nanoparticles based on phenylboronic acid and N-vinylcaprolactam for insulin delivery

Poly N-vinylcaprolactam-co-acrylamidophenylboronic acid p(NVCL-co-AAPBA) was prepared from N-vinylcaprolactam (NVCL) and 3-acrylamidophenylboronic acid (AAPBA), using 2,2-azobisisobutyronitrile (AIBN) as initiator. The synthesis and structure of the polymer were examined by Fourier Transform infrared spectroscopy (FT-IR) and 1H-NMR. Dynamic light scattering (DLS), lower critical solution temperature (LCST) and transmission electron microscopy (TEM) were utilized to characterize the nanoparticles, CD spectroscopy was used to determine if there were any changes to the conformation of the insulin, and cell and animal toxicity were also investigated. The prepared nanoparticles were found to be monodisperse submicron particles and were glucose- and temperature-sensitive. In addition, the nanoparticles have good insulin-loading characteristics, do not affect the conformation of the insulin and show low-toxicity to cells and animals. These p(NVCL-co-AAPBA) nanoparticles may have some value for insulin or other hypoglycemic protein delivery.

Design of advanced reverse osmosis and nanofiltration membranes for water purification

Most commercially available reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes are based on the thin film composite (TFC) aromatic polyamide membranes. However, they have several disadvantages including low resistance to fouling, low chemical and thermal stabilities and limited chlorine tolerance. To address these problems, advanced RO/NF membranes are being developed from polyimides for water and wastewater treatments. The following three projects have resulted from my research. (1) Positively charged and solvent resistant NF membranes. The use of solvent resistant membranes to facilitate small molecule separations has been a long standing industry goal of the chemical and pharmaceutical industries. We developed a solvent resistant membrane by chemically cross-linking of polyimide membrane using polyethylenimine. This membrane showed excellent stability in almost all organic solvents. In addition, this membrane was positively charged due to the amine groups remaining on the surface. As a result, high efficiency (> 95%) and selectivity for multivalent heavy metal removal was achieved. (2) Fouling resistant NF membranes. Antifouling membranes are highly desired for “all” applications because fouling will lead to higher energy demand, increase of cleaning and corresponding down time and reduced life-time of the membrane elements. For fouling prevention, we designed a new membrane system using a coating technique to modify membrane surface properties to avoid adsorption of foulants like humic acid. A layer of water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinyl sulfate (PVS) or sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK), was adsorbed onto the surface of a positively charged membrane. The resultant membranes have a smooth and almost neutrally charged surface which showed better fouling resistance than both the positively charged NF membranes and commercially available negatively charged NTR-7450 membrane. In addition, these membranes showed high efficiency for removal of multivalent ions (> 95% for both cations and anions). Therefore, these antifouling surfaces can be potentially used for water softening, water desalination and wastewater treatment in a membrane bioreactor (MBR) process. (3) Thermally stable RO membranes. Commercial RO membranes cannot be used at temperature higher than 45°C due to the use of polysulfone substrate, which often limits their applications in industries. We successfully developed polyimides as the membrane substrate for thermally stable RO membranes due to their high thermal resistance. The polyimide-based composite polyamide membranes showed desalination performance comparable to the commercial TFC membrane. However, the key advantage of the polyimide-based membrane is its high thermal stability. As the feed temperature increased from 25oC to 95oC, the water flux increased 5 - 6 times while the salt rejection almost kept constant. This membrane appears to provide a unique solution for hot water desalination and also a feasible way to improve the water productivity by increasing the operating temperature without any drop in salt rejection.

Post consumer pet depolymerization by acid hydrolysis

The reaction of post-consumer poly(ethylene terephthalate) with aqueous solutions of sulfuric acid 7.5M was investigated in terms of temperature, time and particle size. The reaction extent reached 80% in four days at 100 degrees C and 90% in 5 hours at 135 degrees C. TPA obtained was purified and considered in the same level of quality of the commercial one after tests of elemental analysis, particle size and color. It was concluded that the hydrolysis occurred preferentially at the chain ends and superficially, having as controller mechanism the acid diffusion into the polymer structure. The shrinking-core model can explain the reaction kinetics.

Determinação eletroanalítica de ácido salicílico em produto dermatológico com eletrodos de nanotubos de carbono e nanopartículas de óxido de ferro

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2016.