Polymeric nanoparticles : from microporosity and drug release kinetics to cellular interactions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Développement de nouvelles formulations d’antifongiques et évaluation de l’activité sur Candida spp. et Aspergillus spp.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat avaient pour but de mettre au point des nouvelles formulations d’antifongiques sous forme de nanoparticules polymériques (NP) en vue d’améliorer l’efficacité et la spécificité des traitements antifongiques sur des souches sensibles ou résistantes de Candida spp, d’Aspergillus spp et des souches de Candida albicans formant du biofilm. Dans la première partie de ce travail, nous avons synthétisé et caractérisé un polymère à base de polyester-co-polyéther branché avec du poly(éthylène glycol) (PEG-g-PLA). En plus d’être original et innovant, ce co-polymère a l’avantage d’être non-toxique et de posséder des caractéristiques de libération prolongée. Trois antifongiques couramment utilisés en clinique et présentant une biodisponibilité non optimale ont été choisis, soient deux azolés, le voriconazole (VRZ) et l’itraconazole (ITZ) et un polyène, l’amphotéricine B (AMB). Ces principes actifs (PA), en plus des problèmes d’administration, présentent aussi d’importants problèmes de toxicité. Des NP polymériques encapsulant ces PA ont été préparées par une technique d’émulsion huile-dans-l’eau (H/E) suivie d’évaporation de solvant. Une fois fabriquées, les NP ont été caractérisées et des particules de d’environ 200 nm de diamètre ont été obtenues. Les NP ont été conçues pour avoir une structure coeur/couronne avec un coeur constitué de polymère hydrophobe (PLA) et une couronne hydrophile de PEG. Une faible efficacité de chargement (1,3% m/m) a été obtenue pour la formulation VRZ encapsulé dans des NP (NP/VRZ). Toutefois, la formulation AMB encapsulée dans des NP (NP/AMB) a montré des taux de chargement satisfaisants (25,3% m/m). En effet, le caractère hydrophobe du PLA a assuré une bonne affinité avec les PA hydrophobes, particulièrement l’AMB qui est le plus hydrophobe des agents sélectionnés. Les études de libération contrôlée ont montré un relargage des PA sur plusieurs jours. La formulation NP/AMB a été testée sur un impacteur en cascade, un modèle in vitro de poumon et a permis de démontrer le potentiel de cette formulation à être administrée efficacement par voie pulmonaire. En effet, les résultats sur l’impacteur en cascade ont montré que la majorité de la formulation s’est retrouvée à l’étage de collecte correspondant au niveau bronchique, endroit où se situent majoritairement les infections fongiques pulmonaires. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous avons testé les nouvelles formulations d’antifongiques sur des souches planctoniques de Candida spp., d’Aspergillus spp. et des souches de Candida albicans formant du biofilm selon les procédures standardisées du National Committee for Clinical Laboratory Standards (NCCLS). Les souches choisies ont démontré des résistances aux azolés et aux polyènes. Les études d’efficacité in vitro ont permis de prouver hors de tout doute que les nouvelles formulations offrent une efficacité nettement améliorée comparée à l’agent antifongique libre. Pour mettre en lumière si l’amélioration de l’efficacité antifongique était due à une internalisation des NP, nous avons évalué le comportement des NP avec les cellules de champignons. Nous avons procédé à des études qualitatives de microscopie de fluorescence sur des NP marquées avec de la rhodamine (Rh). Tel qu’attendu, les NP ont montré une localisation intracellulaire. Pour exclure la possibilité d’une simple adhésion des NP à la surface des levures, nous avons aussi confirmé leur internalisation en microscopie confocale de fluorescence. Il est important de noter que peu d’études à ce jour ont mis l’accent sur l’élaboration de nouvelles formulations d’antifongiques à base de polymères non toxiques destinées aux traitements des mycoses, donnant ainsi une grande valeur et originalité aux travaux effectués dans cette thèse. Les résultats probants obtenus ouvrent la voie vers une nouvelle approche pour contourner les problèmes de résistances fongiques, un problème de plus en plus important dans le domaine de l’infectiologie.

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

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

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

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

Design, Fabrication and Characterization of Passive and Active Polymer Photonic Devices

The rapid developments in fields such as fibre optic communication engineering and integrated optical electronics have expanded the interest and have increased the expectations about guided wave optics, in which optical waveguides and optical fibres play a central role. The technology of guided wave photonics now plays a role in generating information (guided-wave sensors) and processing information (spectral analysis, analog-to-digital conversion and other optical communication schemes) in addition to its original application of transmitting information (fibre optic communication). Passive and active polymer devices have generated much research interest recently because of the versatility of the fabrication techniques and the potential applications in two important areas – short distant communication network and special functionality optical devices such as amplifiers, switches and sensors. Polymer optical waveguides and fibres are often designed to have large cores with 10-1000 micrometer diameter to facilitate easy connection and splicing. Large diameter polymer optical fibres being less fragile and vastly easier to work with than glass fibres, are attractive in sensing applications. Sensors using commercial plastic optical fibres are based on ideas already used in silica glass sensors, but exploiting the flexible and cost effective nature of the plastic optical fibre for harsh environments and throw-away sensors. In the field of Photonics, considerable attention is centering on the use of polymer waveguides and fibres, as they have a great potential to create all-optical devices. By attaching organic dyes to the polymer system we can incorporate a variety of optical functions. Organic dye doped polymer waveguides and fibres are potential candidates for solid state gain media. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer waveguide amplifier is possible due to extremely large emission cross sections of dyes. Also, an extensive choice of organic dye dopants is possible resulting in amplification covering a wide range in the visible region.

Cure Characteristics of Short Polyester Fiber-PolyurethaneElastomer Composite with Interfacial Bonding Agents Based on Polymeric 4,4'-Diphenylmethanediisocyanate

Cure characteristics of short polyester fiber-polyurethane composites with respect to different bonding agents (MD resins) based on 4, 4' diphenylmethanediisocyanate (MDI) and various diols like propyleneglycol (PG), polypropyleneglycol (PPG) and glycerol (GL) were studied. Tmax. - Tmin. of composites having MD resin were found to be higher than the composite without MD resin. Minimum torque and Tmax. - Tmin., scorch time and optimum cure time were increased with the increase of MDI equivalence. Optimum ratio of MDI / -of in the resin was found to be within the range of 1-1.5. It was observed from the cure characteristics that for getting better adhesion between short polyester fiber and the polyurethane matrix the best choice of MD resin was one based on MDI and 1:1 equivalent mixture of polypropyleneglycol and glycerol.

Studies on Soft Bycatch Reduction Devices for Selective Trawling

Trawling, though an efficient method of fishing, is known to be one of the most non-selective methods of fish capture. The bulk of the wild caught penaeid shrimps landed in India are caught by trawling.In addition to shrimps, the trawler fleet also catches considerable amount of non-shrimp resources. The term bycatch means that portion of the catch other than target species caught while fishing, which are either retained or discarded. Bycatch discards is a serious problem leading to the depletion of the resources and negative impacts on biodiversity. In order to minimize this problem, trawling has to be made more selective by incorporating Bycatch Reduction Devices (BRDs). There are several advantages in using BRDs in shrimp trawling. BRDs reduce the negative impacts of shrimp trawling on marine community. Fishers could benefit economically from higher catch value due to improved catch quality, shorter sorting time, lower fuel costs, and longer tow duration. Adoption of BRDs by fishers would forestall criticism by conservation groups against trawling.

A Chloride Ion-Selective Potentiometric Sensor Based on a Polymeric Schiff Base Complex

This paper describes the fabrication of an ion-selective electrode in which a polymeric Schiff base complex of cobalt(II) is used as the ionophore.The main advantage of the electrode is that it is mechanically stable upto 3 months..The electrode shows a linear response in the range of 2.5 × 10-5-0.5 × 10-1 mol dm-3. The response time of the electrode is 30 s.The pH range at which the electrode works is 3.8 to 6.8. The electrode was found to be selective towards chloride ion in the presence of ions like Na+, Ca2+, Mn2+, ,Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, CH3COO-, NO3-, SO42- ,Br- and NO2-.

Investigations on Hard Bycatch Reduction Devices for Selective Trawling

In the context of Indian fisheries there is a paucity of information on bycatch, in general, and bycatch reduction technologies, in particular. In this study, a detailed investigation on trawl bycatch and bycatch reduction measures is attempted with a view to evolve optimized BRDs for improving selectivity of commercial shrimp trawls. The objectives of the study included design and development of hard bycatch reduction devices (BRDs), comparative evaluation of hard bycatch reduction devices, for selective trawling, bycatch characterisation of the trawl landings, off Central Kerala; and investigations on status of the existing trawling systems operated off Central Kerala.

Low-voltage driven ZnS:Mn MIS and MISIM thin film electroluminescent devices with Eu2O3 insulator layer

AC thin film electroluminescent devices of MIS and MISIM have been fabricated with a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The threshold voltage for light emission is found to depend strongly on the frequency of excitation source in these devices. These devices are fabricated with an active layer of ZnS:Mn and a novel dielectric layer of Eu2O3 as an insulator. The observed frequency dependence of brightness-voltage characteristics has been explained on the basis of the loss characteristic of the insulator layer. Changes in the threshold voltage and brightness with variation in emitting or insulating film thickness have been investigated in metal-insulator-semiconductor (MIS) structures. It has been found that the decrease in brightness occurring with decreasing ZnS layer thickness can be compensated by an increase in brightness obtained by reducing the insulator thickness. The optimal condition for low threshold voltage and higher stability has been shown to occur when the active layer to insulator thickness ratio lies between one and two.

Synthesis and Characterisation of Zinc Gallate Based Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

HRTEM assessment of Wurtzite and Zinc-Blende phases in GaAs nanowires for optoelectronic devices

Màster en Nanociència i Nanotecnologia. Curs 2007-2008. Directors: Francesca Peiró i Martínez and Jordi Arbiol i Cobos

A study on the Immobilizaton of Enzymes on Polymeric Supports

This work was focused to study the immobilization of enzymes on polymers. A large range of polymer matrices have been employed as supports for enzyme immobilization. Here polyaniline (PAN!) and poly(0~toluidine) (POT) were used as supports. PANI and POT provides an excellent support for enzyme immobilization by virtue of its facile synthesis, superior chemical and physical stabilities, and large retention capacity. We selected industrially important starch hydrolyzing enzymes a-amylase and glucoamylase for the study. In this work the selected enzymes were immobilized via adsorption and covalent bonding methods.To optimize the catalytic efficiency and stability of the resulting biocatalysts, the attempt was made to understand the immobilization effects on enzymatic properties. The effect of pH of the immobilization medium, time of immobilization on the immobilization efficiency was observed. The starch hydrolyzing activity of free 0:-amylase and glucoamylase were compared with immobilized forms. Immobilization on solid supports changes the microenvironment of the enzyme there by influences the pH and temperature relationship on the enzymatic activity. Hence these parameters also optimized. The reusability and storage stability of immobilized enzymes an important aspect from an application standpoint, especially in industrial applications. Taking in to consideration of this, the reusability and the long tenn storage stability of the immobilized enzyme investigated.