Carnitine tailored Sensors on Surface Molecular Imprinting based on Graphene layers

III Jornadas de Electroquímica e Inovação (Electroquímica e Nanomateriais), na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real, 16 a 17 de Setembro de 2013

Host-Tailored Sensors for Carnitine Potentiometric Measurements based on Surface Molecular Imprinting

Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting 2013, na Queen’s University, Belfast, United Kingdom, 15 a 17 de Agosto de 2013

Enzymatic hydrophobic modification of jute fibers via grafting to reinforce composites

Horseradish peroxidase (HRP)/H2O2 system catalyzes the free-radical polymerization of aromatic compounds such as lignins and gallate esters. In this work, dodecyl gallate (DG) was grafted onto the surfaces of lignin-rich jute fabrics by HRP-mediated oxidative polymerization with an aim to enhance the hydrophobicity of the fibers. The DG-grafted jute fibers and reaction products of their model compounds were characterized by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-TOF MS), attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). The results clearly indicated the grafting of DG to the jute fiber by HRP. Furthermore, the hydrophobicity of jute fabrics was determined by measuring the wetting time and static contact angle. Compared to the control sample, the wetting time and static contact angle of the grated fabrics changed from ~1 s to 1 h and from ~0° to 123.68°, respectively. This clearly proved that the hydrophobicity of jute fabrics improved considerably. Conditions of the HRP-catalyzed DG-grafting reactions were optimized in terms of the DG content of modified jute fabrics. Moreover, the results of breaking strength and elongation of DG-grafted jute/ polypropylene (PP) composites demonstrated improved reinforcement of the composite due to enzymatic hydrophobic modification of jute fibers.

Fotoiniciação de polimerização vinílica

The initiation step of the light-induced polymerization kinetics of vinyl monomers using dye-sensitized photoinitiators to generate active radicals is discussed. The photoredox processes of basic dyes with amines and sulfinates are described as photochemical systems capable of starting free-radical polymerization of vinyl monomers in homogeneous and microheterogeneous media. Photophysical techniques like laser flash photolysis and time-correlated single photon counting are used to investigate the excited-state kinetics of the dyes.

Une nouvelle stratégie de traitement de la maladie cœliaque basée sur les polymères séquestrants

La maladie cœliaque ou sprue cœliaque est une intolérance au gluten. Il s’agit d’une maladie inflammatoire de l’intestin liée à l’ingestion de gluten chez des personnes génétiquement susceptibles. Ce désordre présente une forte prévalence puisqu’il touche 1 % de la population mondiale. En l’état actuel des choses, il n’existe aucun outil pharmacologique pour traiter ou pallier à cette maladie. Cependant, grâce aux avancées dans la compréhension de sa pathogenèse, de nouvelles cibles thérapeutiques ont été identifiées. À l’heure actuelle, le seul traitement efficace consiste à suspendre la consommation de l’agent pathogène, à savoir le gluten. Le gluten est un ensemble de protéines de stockage des céréales contenu dans le blé, l’orge et le seigle. Le gluten du blé se subdivise en gluténines et gliadines. Ce sont ces dernières qui semblent les plus impliquées dans la maladie cœliaque. Les gliadines et ses protéines apparentées (i.e. sécalines et hordéines, respectivement dans le seigle et l’orge) sont riches en prolines et en glutamines, les rendant résistantes à la dégradation par les enzymes digestives et celles de la bordure en brosse. Les peptides résultant de cette digestion incomplète peuvent induire des réponses immunitaires acquises et innées. L’objectif principal de cette thèse était de tester un nouveau traitement d’appoint de la maladie cœliaque utile lors de voyages ou d’évènements ponctuels. Dans les années 80, une observation italienne montra l’inhibition de certains effets induits par des gliadines digérées sur des cultures cellulaires grâce à la co-incubation en présence de mannane: un polyoside naturel composé de mannoses. Malheureusement, ce traitement n’était pas applicable in vivo à cause de la dégradation par les enzymes du tractus gastro-intestinales du polymère, de par sa nature osidique. Les polymères de synthèse, grâce à la diversité et au contrôle de leurs propriétés physico-chimiques, se révèlent être une alternative attrayante à ce polymère naturel. L’objectif de cette recherche était d’obtenir un polymère liant la gliadine, capable d’interférer dans la genèse de la maladie au niveau du tube digestif, afin d’abolir les effets délétères induits par la protéine. Tout d’abord, des copolymères de type poly (hydroxyéthylméthacrylate)-co-(styrène sulfonate) (P(HEMA-co-SS)) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert d’atome (ATRP). Une petite bibliothèque de polymères a été préparée en faisant varier la masse molaire, ainsi que les proportions de chacun des monomères. Ces polymères ont ensuite été testés quant à leur capacité de complexer la gliadine aux pH stomacal et intestinal et les meilleurs candidats ont été retenus pour des essais cellulaires. Les travaux ont permis de montrer que le copolymère P(HEMA-co-SS) (45:55 mol%, 40 kDa) permettait une séquestration sélective de la gliadine et qu’il abolissait les effets induits par la gliadine sur différents types cellulaires. De plus, ce composé interférait avec la digestion de la gliadine, suggérant une diminution de peptides immunogènes impliqués dans la maladie. Ce candidat a été testé in vivo, sur un modèle murin sensible au gluten, quant à son efficacité vis-à-vis de la gliadine pure et d’un mélange contenant du gluten avec d’autres composants alimentaires. Le P(HEMA-co-SS) a permis de diminuer les effets sur les paramètres de perméabilité et d’inflammation, ainsi que de moduler la réponse immunitaire engendrée par l’administration de gliadine et celle du gluten. Des études de toxicité et de biodistribution en administration aigüe et chronique ont été réalisées afin de démontrer que ce dernier était bien toléré et peu absorbé suite à son administration par la voie orale. Enfin des études sur des échantillons de tissus de patients souffrants de maladie cœliaque ont montré un bénéfice therapeutique du polymère. L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse a permis de mettre en évidence le potentiel thérapeutique du P(HEMA-co-SS) pour prévenir les désordres reliés à l’ingestion de gluten, indiquant que ce type de polymère pourrait être exploité dans un avenir proche.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Mise au point de micelles polyioniques pour l'administration de biomacromolécules thérapeutiques : synthèse de polymères et études physicochimiques

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

Micelles polymères unimoléculaires ou inverses pour l'administration orale d'agent thérapeutiques

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

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

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.

Association Behavior of Biotinylated and Non-Biotinylated PolyEthylene Oxide-b-Poly(2-(Diethylamino)Ethyl Methacrylate)

Biotinylated and non-biotinylated copolymers of ethylene oxide (EO) and 2-(diethylamino)ethyl methacrylate (DEAEMA) were synthesized by the atom transfer radical polymerization technique (ATRP). The chemical compositions of the copolymers as determined by NMR are represented by PEO₁₁₃PDEAEMA₇₀ and biotin-PEO₁₀₄PDEAEMA₉₃ respectively. The aggregation behavior of these polymers in aqueous solutions at different pHs and ionic strengths was studied using a combination of potentiometric titration, dynamic light scattering (DLS), static light scattering (SLS), and transmission electron microscopy (TEM). Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers form micelles at high pH with hydrodynamic radii (Rh) of about 19 and 23 nm, respectively. At low pH, the copolymers are dispersed as unimers in solution with Rh of about 6-7 nm. However, at a physiological salt concentration (cs) of about 0.16M NaCl and a pH of 7-8, the copolymers form large loosely packed Guassian chains, which were not present at the low cs of 0.001M NaCl. The critical micelle concentrations (CMC) and the cytotoxicity of the copolymers were investigated to determine a suitable polymer concentration range for future biological applications. Both PEO-b-PDEAEMA and biotin-PEO-b-PDEAEMA diblock copolymers possess identical CMC values of about 0.0023 mg/g, while the cytotoxicity test indicated that the copolymers are not toxic up to 0.05mg/g (> 83% cell survival at this concentration).

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Surface Functionalization of Monodisperse Magnetic Nanoparticles

We present a systematic methodology to functionalize magnetic nanoparticles through surface-initiated atom-transfer radical polymerization (ATRP). The magnetite nanoparticles are prepared according to the method proposed by Sun et al. (2004), which leads to a monodisperse population of ~ 6 nm particles stabilized by oleic acid. The functionalization of the nanoparticles has been performed by transforming particles into macro-initiators for the ATRP, and to achieve this two different routes have been explored. The first one is the ligand-exchange method, which consists of replacing some oleic acid molecules adsorbed on the particle surface with molecules that act as an initiator for ATRP. The second method consists in using the addition reaction of bromine to the oleic acid double bond, which turns the oleic acid itself into an initiator for the ATRP. We have then grown polymer brushes of a variety of acrylic polymers on the particles, including polyisopropylacrylamide and polyacrylic acid. The nanoparticles so functionalized are water soluble and show responsive behavior: either temperature responsive behavior when polyisopropylacrylamide is grown from the surface or PH responsive in the case of polyacrylic acid. This methodology has potential applications in the control of clustering of magnetic nanoparticles.

Synthesis and Aggregation Behavior of Pluronic F87/Poly(acrylic acid) Block Copolymer with Doxorubicin

Poly(acrylic acid) (PAA) was grafted onto both termini of Pluronic F87 (PEO₆₇-PPO₃₉-PEO₆₇) via atom transfer radical polymerization to produce a novel muco-adhesive block copolymer PAA₈₀-b-F₈₇-b-PAA₈₀. It was observed that PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ forms stable complexes with weakly basic anti-cancer drug, Doxorubicin. Thermodynamic changes due to the drug binding to the copolymer were assessed at different pH by isothermal titration calorimetry (ITC). The formation of the polymer/drug complexes was studied by turbidimetric titration and dynamic light scattering. Doxorubicin and PAA-b-F87-b-PAA block copolymer are found to interact strongly in aqueous solution via non-covalent interactions over a wide pH range. At pH>4.35, drug binding is due to electrostatic interactions. Hydrogen-bond also plays a role in the stabilization of the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀/DOX complex. At pH 7.4 (α=0.8), the size and stability of polymer/drug complex depend strongly on the doxorubicin concentration. When CDOX <0.13mM, the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ copolymer forms stable inter-chain complexes with DOX (110 ~ 150 nm). When CDOX >0.13mM, as suggested by the light scattering result, the reorganization of the polymer/drug complex is believed to occur. With further addition of DOX (CDOX >0.34mM), sharp increase in the turbidity indicates the formation of large aggregates, followed by phase separation. The onset of a sharp enthalpy increase corresponds to the formation of a stoichiometric complex.

Ordering on multiple lengthscales in a series of side group liquid crystal block copolymers containing a cholesteryl-based mesogen

Hierarchical ordering in a side group liquid crystal block copolymer is investigated by differential scanning calorimetry, polarized optical microscopy, small-angle X-ray and neutron scattering (SAXS and SANS) and transmission electron microscopy (TEM). A series of block copolymers with a range of compositions was prepared by atom transfer radical polymerization, comprising a polystyrene block and a poly(methyl methacrylate) block bearing chiral cholesteryl mesogens. Smectic ordering is observed as well as microphase separation of the block copolymer. Lamellar structures were observed for far larger volume fractions than for coil-coil copolymers (up to a volume fraction of liquid crystal block, f(LC) = 0.8). A sample with f(LC) = 0.86 exhibited a hexagonal-packed cylinder morphology, as confirmed by SAXS and TEM. The matrix comprised the liquid crystal block, with the mesogens forming smectic layers. For the liquid crystal homopolymer and samples with high f(LC), a smectic-smectic phase transition was observed below the clearing point. At low temperature, the smectic phase comprises coexisting domains with monolayer S-A,S-1 coexisting with interdigitated S-A,S-d domains. At high temperature a SA,1 phase is observed. This is the only structure observed for samples with lower f(LC). These unprecedented results point to the influence of block copolymer microphase separation on the smectic ordering.