Simulação computacional de materiais bidimensionais: funcionalização de defeitos extensos no grafeno e retenção de contaminantes por argilominerais

In this work are considered two bidimensional systems, with distints chacacteristcs and applicabilitys. Is studied the adsorption of transition metals (MT) Fe, Co, Mn and Ru in extended defects, formed by graphene grain boundaries. First in pristine graphene The hollow site of carbon hexagon, in pristine graphene, are the most stable for MT adsorption. The Dirac cone in eletronic structure of graphene was manteined with the presence of MT. For the considered grain boundaries the MT has a greater stability for absorption in the grain boundaries sites in comparison with pristine graphene. Through the energy barrier values, are observed diffusion chanels for MT localized on the grain boundaries. This diffusion chanels indicate a possible formation of nanolines of MT in graphene. For the first stage of the nanolines, ate observed a better stability for the system with greater MT concentration, due to MT-MT interactions. Also, due to the magnetic moment of the MT, the nanolines show a magnetization. For the most stable configurations the system are metallics, particularly for Fe the band structure indicates an anisotropic spin current. In a second study, are considereted the retention capacity for metallic contaminants Cd and Hg in clayminerals, kaolinite (KAO) and montmorillonite (MMT). Through the adsorption energies of contaminantes in the clayminerals, was observed a increase in stability with the increase of contaminants concentration, due to the interaction Cd-Cd and Hg-Hg. Also, was observed that KAO has a strong interaction beteween monolayers than MMT. In this sence, for the adsoption process of contaminantes in the natural form of KAO and MMT, the latter has a better retention capacity, due to the small net work for contaminant intercalation. However, when the modification of clayminerals, with molecules that increase the spacing between monolayers, exist a optimal condition, which the contaminant absorption are more stable in KAO system than in MMT. In the Langmuir adsorption model for the clayminerals in the optimal monolayer spacing, the retention capacity for Cd and Hg in KAO system are 21% greater than in MMT system. Also, for the X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (XANES) for the K edge of Cd and Hg, are found a positive shift of absorption edge with the decreasing of monolayer spacing. This result indicates a possible way to determine the concentration of adsorbed contaminats in relation to unabsorbed ones, from the decomposition of experimental XANES in the obteined spectras.

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.

The administration route is decisive for the ability of the vaccine adjuvant CAF09 to induce antigen-specific CD8+ T-cell responses:the immunological consequences of the biodistribution profile

A prerequisite for vaccine-mediated induction of CD8+ T-cell responses is the targeting of dendritic cell (DC) subsets specifically capable of cross-presenting antigen epitopes to CD8+ T cells. Administration of a number of cationic adjuvants via the intraperitoneal (i.p.) route has been shown to result in strong CD8+ T-cell responses, whereas immunization via e.g. the intramuscular (i.m.) or subcutaneous (s.c.) routes often stimulate weak CD8+ T-cell responses. The hypothesis for this is that self-drainage of the adjuvant/antigen to the lymphoid organs, which takes place upon i.p. immunization, is required for the subsequent activation of cross-presenting lymphoid organ-resident CD8α+ DCs. In contrast, s.c. or i.m. immunization usually results in the formation of a depot at the site of injection (SOI), which hinders the self-drainage and targeting of the vaccine to cross-presenting CD8α+ DCs. We investigated this hypothesis by correlating the biodistribution pattern and the adjuvanticity of the strong CD8+ T-cell inducing liposomal cationic adjuvant formulation 09 (CAF09), which is composed of dimethyldioctadecylammonium bromide/monomycoloyl glycerol liposomes with polyinosinic:polycytidylic acid electrostatically adsorbed to the surface. Biodistribution studies with radiolabeled CAF09 and a surface-adsorbed model antigen [ovalbumin (OVA)] showed that a significantly larger fraction of the vaccine dose localized in the draining lymph nodes (dLNs) and the spleen 6 h after i.p. immunization, as compared to after i.m. immunization. Studies with fluorescently labelled OVA + CAF09 demonstrated a preferential association of OVA + CAF09 to DCs/monocytes, as compared to macrophages and B cells, following i.p. immunization. Administration of OVA + CAF09 via the i.p. route did also result in DC activation, whereas no DC activation could be measured within the same period with unadjuvanted OVA and OVA + CAF09 administered via the s.c. or i.m. routes. In the dLNs, the highest level of activated, cross-presenting CD8α+ DCs was detected at 24 h post immunization, whereas an influx of activated, migrating and cross-presenting CD103+ DCs to the dLNs could be measured after 48 h. This suggests that the CD8α+ DCs are activated by self-draining OVA + CAF09 in the lymphoid organs, whereas the CD103+ DCs are stimulated by the OVA + CAF09 at the SOI. These results support the hypothesis that the self-drainage of OVA + CAF09 to the draining LNs is required for the activation of CD8α+ DCs, while the migratory CD103+ DCs may play a role in sustaining the subsequent induction of strong CD8+ T-cell responses.

Microparticle surface layering through dry coating:impact of moisture content and process parameters on the properties of orally disintegrating tablets

OBJECTIVES: The aim of this study was to investigate the influence of process parameters during dry coating on particle and dosage form properties upon varying the surface adsorbed moisture of microcrystalline cellulose (MCC), a model filler/binder for orally disintegrating tablets (ODTs). METHODS: The moisture content of MCC was optimised using the spray water method and analysed using thermogravimetric analysis. Microproperty/macroproperty assessment was investigated using atomic force microscopy, nano-indentation, scanning electron microscopy, tablet hardness and disintegration testing. KEY FINDINGS: The results showed that MCC demonstrated its best flowability at a moisture content of 11.2% w/w when compared to control, comprising of 3.9% w/w moisture. The use of the composite powder coating process (without air) resulted in up to 80% increase in tablet hardness, when compared to the control. The study also demonstrated that surface adsorbed moisture can be displaced upon addition of excipients during dry processing circumventing the need for particle drying before tabletting. CONCLUSIONS: It was concluded that MCC with a moisture content of 11% w/w provides a good balance between powder flowability and favourable ODT characteristics.

Loading effect in copper(II) oxide cluster-surface-modified titanium(IV) oxide on visible- and UV-light activities

Cu(acac)2 is chemisorbed on TiO2 particles [P-25 (anatase/rutile = 4/1 w/w), Degussa] via coordination by surface Ti–OH groups without elimination of the acac ligand. Post-heating of the Cu(acac)2-adsorbed TiO2 at 773 K yields molecular scale copper(II) oxide clusters on the surface (CuO/TiO2). The copper loading amount (Γ/Cu ions nm–2) is controlled in a wide range by the Cu(acac)2 concentration and the chemisorption–calcination cycle number. Valence band (VB) X-ray photoelectron and photoluminescence spectroscopy indicated that the VB maximum of TiO2 rises up with increasing Γ, while vacant midgap levels are generated. The surface modification gives rise to visible-light activity and concomitant significant increase in UV-light activity for the degradation of 2-naphthol and p-cresol. Prolonging irradiation time leads to the decomposition to CO2, which increases in proportion to irradiation time. The photocatalytic activity strongly depends on the loading, Γ, with an optimum value of Γ for the photocatalytic activity. Electrochemical measurements suggest that the surface CuO clusters promote the reduction of adsorbed O2. First principles density functional theory simulations clearly show that, at Γ < 1, unoccupied Cu 3d levels are generated in the midgap region, and at Γ > 1, the VB maximum rises and the unoccupied Cu 3d levels move to the conduction band minimum of TiO2. These results suggest that visible-light excitation of CuO/TiO2 causes the bulk-to-surface interfacial electron transfer at low coverage and the surface-to-bulk interfacial electron transfer at high coverage. We conclude that the surface CuO clusters enhance the separation of photogenerated charge carriers by the interfacial electron transfer and the subsequent reduction of adsorbed O2 to achieve the compatibility of high levels of visible and UV-light activities.

Dissociative adsorption of methane on the Cu and Zn doped (111) surface of CeO2

The development of economical heterogeneous catalysts for the activation of methane is a major challenge for the chemical industry. Screening potential candidates becomes more feasible using rational catalyst design to understand the activity of potential catalysts for CH4 activation. The focus of the present paper is the use of density functional theory to examine and elucidate the properties of doped CeO2. We dope with Cu and Zn transition metals having variable oxidation state (Cu), and a single oxidation state (Zn), and study the activation of methane. Zn is a divalent dopant and Cu can have a +1 or +2 oxidation state. Both Cu and Zn dopants have an oxidation state of +2 after incorporation into the CeO2 (111) surface; however a Hubbard +U correction (+U = 7) on the Cu 3d states is required to maintain this oxidation state when the surface interacts with adsorbed species. Dissociation of methane is found to occur locally at the dopant cations, and is thermodynamically and kinetically more favorable on Zn-doped CeO2 than Cu-doped CeO2. The origins of this lie with the Zn(II) dopant moving towards a square pyramidal geometry in the sub surface layer which facilitates the formation of two-coordinated surface oxygen atoms, that are more beneficial for methane activation on a reducible oxide surface. These findings can aid in rational experimental catalyst design for further exploration in methane activation processes.

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.

(Table 1) Organic carbon, hydrogen and oxygen index and hydrocarbons at DSDP Hole 93-603B

C2-C8 hydrocarbon concentrations (about 35 compounds identified, including saturated, aromatic, and olefinic compounds) from 27 shipboard-sealed, deep-frozen core samples of DSDP Hole 603B off the east coast of North America were determined by a gas-stripping/thermovaporization method. Total yields representing the hydrocarbons dissolved in the pore water and adsorbed on the mineral surfaces of the sediments vary from 22 to 2400 ng/g of dryweight sediment. Highest yields are measured in the two black shale samples of Core 603B-34 (hydrogen index of 360 and 320 mg/g Corg, respectively). In organic-carbon-normalized units these samples have hydrocarbon contents of 12,700 and 21,500 ng/g Corg, respectively, indicating the immaturity of their kerogens. Unusually high organic-carbonnormalized yields are associated with samples that are extremely lean in organic carbon. It is most likely that they are enriched by small amounts of migrated light hydrocarbons. This applies even to those samples with high organic-carbon contents (1.3-2.2%) of Sections 603B-28-4, 603B-29-1, 603B-49-2, and 603B-49-3, because they have an extremely low hydrocarbon potential (hydrogen index between 40 and 60 mg/g Corg). Nearly all samples were found to be contaminated by varying amounts of acetone that is used routinely in large quantities on board ship during core-cutting procedures. Therefore, 48 samples from the original set of 75 collected had to be excluded from the present study.

(Table 1) Low molecular weight hydrocarbon concentrations and organic carbon contents at DSDP Hole 71-511

C2-C8 hydrocarbons (36 compounds identified) from 56 shipboard sealed, deep-frozen core samples of DSDP Leg 71, Site 511, Falkland Plateau, South Atlantic, were analyzed by a combined hydrogen stripping-thermovaporization method. Concentrations, which represent hydrocarbons dissolved in the pore water and adsorbed to the mineral surfaces of the sediment, vary from 24 ng/g of dry weight sediment in Lithologic Unit 4 to 17,400 ng/g in Lithologic Unit 6 ("black shale" unit). Likewise, the organic carbon normalized C2-C8 hydrocarbon concentrations range from 104 to 3.5 x 105 ng/g Corg. The latter value is more than one order of magnitude lower than expected for petroleum source beds in the main phase of oil generation. The low maturity at 600 meters depth is further supported by light hydrocarbon concentration ratios. The change of the kerogen type from Lithologic Unit 5 (Type III) to 6 (Type II) is evidenced by changes in the C6 and C7 hydrocarbon composition. Redistribution phenomena are observed close to the Tertiary-Cretaceous unconformity and at the contact between the "black shale" unit and the overlying Cretaceous chalks and claystones. Otherwise, the low molecular weight hydrocarbons in Hole 511 are formed in situ and remain at their place of formation. The core samples turned out to be contaminated by large quantities of acetone, which is routinely used as a solvent during sampling procedures onboard Glomar Challenger.