Optimisation of singlet oxygen production from photosensitiser-incorporated, medically-relevant hydrogels

Photodynamic therapy and photodynamic antimicrobial chemotherapy are widely used, but despite this, the relationships between fluence, wavelength of irradiation and singlet oxygen (1O2) production are poorly understood. To establish the relationships between these factors in medically-relevant materials, the effect of fluence on 1O2 production from a tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin (TMPyP)-incorporated 2-hydroxyethyl methacrylate: methyl methacrylate: methacrylic acid (HEMA:MMA:MAA) copolymer, a total energy of 50.48 J/cm², was applied at varying illumination power, and times. 1O2 production was characterised using anthracene-9,10-dipropionic acid, disodium salt (ADPA) using a recently described method. Using two light sources, a white LED array and a white halogen source, the LED array was found to produce less 1O2 than the halogen source when the same power (over 500-600 nm) and time conditions were applied. Importantly, it showed that the longest wavelength Q band (590 nm) is primarily responsible for 1O2 generation, and that a linear relationship exists between increasing power and time and the production of singlet oxygen.

Optimization of singlet oxygen production from photosensitizer-incorporated, medically relevant hydrogels

Photodynamic therapy and photodynamic antimicrobial chemotherapy are widely used, but despite this, the relationships between fluence, wavelength of irradiation and singlet oxygen ((1) O2 ) production are poorly understood. To establish the relationships between these factors in medically relevant materials, the effect of fluence on (1) O2 production from a tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin (TMPyP)-incorporated 2-hydroxyethyl methacrylate: methyl methacrylate: methacrylic acid (HEMA: MMA:MAA) copolymer, a total energy of 50.48 J/cm(2) , was applied at varying illumination power, and times. (1) O2 production was characterized using anthracene-9,10-dipropionic acid, disodium salt (ADPA) using a recently described method. Using two light sources, a white LED array and a white halogen source, the LED array was found to produce less (1) O2 than the halogen source when the same power (over 500 - 600 nm) and time conditions were applied. Importantly, it showed that the longest wavelength Q band (590 nm) is primarily responsible for (1) O2 generation, and that a linear relationship exists between increasing power and time and the production of singlet oxygen. 

Development of 2-oxazoline-based hydrogels and porous polyester microparticles in scCO2

Thesis submitted to Faculdade de Ciências e Tecnologia from Universidade Nova de Lisboa in partial fulfillment of the requirements for the obtention of the degree of Master of Science in Biotechnology

Étude des propriétés de transport dans les hydrogels de curdlan

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Étude de la diffusion dans les hydrogels polymères par spectroscopie et imagerie RMN

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

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

A basic guide to hydrogels

Hydrogels are defined as three-dimensionally cross-linked networks of hydrophilic polymers capable of imbibing large amounts of water or biological fluids.They can be prepared from any water-soluble polymer or monomer, encompassing a wide range of chemical compositions and bulk physical properties. In the swollen state hydrogels are soft, wet and elastic materials that resemble natural living tissue, which makes them candidates for developing various biomaterials and dosage forms. This article provides a brief introduction to hydrogels, methods of their synthesis and properties

Designing Temperature-Responsive Biocompatible Copolymers and Hydrogels Based on 2-Hydroxyethyl(meth)acrylates

Free-radical copolymerization of 2-hydroxyethyl methacrylate with 2-hydroxyethyl acrylate can be successively utilized for the synthesis of water-soluble polymers and hydrogels with excellent physicochemical properties, thus showing promise for pharmaceutical and biomedical applications. In the work presented it has been demonstrated that water-soluble copolymers based on 2-hydroxyethyl methacrylate and 2-hydroxyethyl acrylate exhibit lower critical solution temperature in aqueous solutions, whereas the corresponding high molecular weight homopolymers do not have this unique property. The temperature-induced transitions observed upon heating the aqueous solutions of these copolymers proceed via liquid−liquid phase separation. The hydrogels were also synthesized by copolymerizing 2-hydroxyethyl methacrylate and 2-hydroxyethyl acrylate in the absence of a bifunctional cross-linker. The cross-linking of these copolymers during copolymerization is believed to be due to the presence of bifunctional admixtures or transesterification reactions. Transparency, swelling behavior, mechanical properties, and porosity of the hydrogels are dependent upon the monomer ratio in the copolymers. Hydrogel samples containing more 2-hydroxyethyl methacrylate are less transparent, have lower swelling capacity, higher elastic moduli, and pores of smaller size. The assessment of the biocompatibility of the copolymers using the slug mucosal irritation test revealed that they are also less irritant than poly(acrylic acid).

Development of smart variable stiffness actuators using polymer hydrogels

In this work, compliant actuators are developed by coupling braided structures and polymer gels, able to produce work by controlled gel swelling in the presence of water. A number of aspects related to the engineering of gel actuators were studied, including gel selection, modelling and experimentation of constant force and constant displacement behaviour, and response time. The actuator was intended for use as vibration neutralizer: with this aim, generation of a force of 10 N in a time not exceeding a second was needed. Results were promising in terms of force generation, although response time was still longer than required. In addition, the easiest way to obtain the reversibility of the effect is still under discussion: possible routes for improvement are suggested and will be the object of future work.

Synthesis of cationic water-soluble copolymers and hydrogels based on [2-(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium cloride and 2-hydroxyethylacrylate and their complex formation with poly(acrylic acid)

Water-soluble cationic copolymers and hydrogels were synthesized by radical copolymerization of [2-(methacryloyloxy)ethyl]trimetilylammonium chloride (MADQUAT) and 2-hydroxyethylacrylate (HEA). The kinetics of copolymerization has been studied and the reactivity ratios were determined. It was found that MADQUAT exhibits higher reactivity in copolymerization. The complexation between linear MADQUAT-HEA and linear poly(acrylic acid) (PAA) has been studied in aqueous solutions at different pH. It results in the formation of insoluble polyelectrolyte complexes, whose composition and stability to aggregate depends on MADQUAT content in copolymers and pH. The hydrogels were synthesized by three-dimensional radical copolymerization of MADQUAT and HEA in the presence of a crosslinker. The effects of the feed mixture composition on yield and swelling properties of the hydrogels were studied. The interactions of these hydrogels with linear PAA result in formation of gel-polyelectrolyte complexes and contraction of the samples. It was found that the contraction depends on copolymer composition, PAA molecular weight, and solution pH. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

pH-mediated interactions between poly(acrylic acid) and methylcellulose in the formation of ultrathin multilayered hydrogels and spherical nanoparticles

Poly(acrylic acid) forms insoluble hydrogen-bonded interpolymer complexes with methylcellulose in aqueous solutions under acidic conditions. In this work the reaction heats and binding constants were determined for the complexation between poly(acrylic acid) and methylcellulose by isothermal titration calorimetry at different pH and findings are correlated with the aggregation processes occurring in this system. The principal contribution to the complexation heat results from primary polycomplex particle aggregation. Transmission electron microscopy of nanoparticles produced at pH 1.4 and 2.4 demonstrated that they are spherical and dense structures. The nanoparticles ranged from 80 to 200 nm, whereas particles formed at pH 3.2 were 20-30 nm and were stabilized against aggregation by a network of uncomplexed macromolecules. For the first time, multilayered materials were developed on the basis of hydrogen-bonded complexes of poly(acrylic acid) and methylcellulose using layer-by-layer deposition on a glass surface. The thickness of these films was a linear function of the number of deposition cycles. The materials were subsequently cross-linked by thermal treatment, resulting in ultrathin hydrogels which detached from the glass substrate upon swelling. The swelling capacity of ultrathin hydrogels differed from the swelling of the thicker films of a similar chemical composition.

Developing synthetic mucosa-mimetic hydrogels to replace animal experimentation in characterisation of mucoadhesive drug delivery systems

Mucosa-mimetic polymeric hydrogels have been developed to replace the use of animal tissues as substrates for characterising mucoadhesive properties of drug delivery systems.

Multi-responsive hydrogels based on N-isopropylacrylamide and sodium alginate

Hydrogels consisting of sodium alginate and N-isopropylacrylamide covalently crosslinked with N,N′-methylenebisacrylamide were prepared. The mixed-interpenetrated networks obtained were characterized using elemental analysis, Fourier transform infrared and Raman spectroscopy, swelling measurements and environmental scanning electron microscopy. The thermo- and pH-responsive properties of these hydrogels were evidenced by their swelling behaviour, which depended also on the amount of crosslinking agent and hydrogel composition.

Towards the use of hydrogels in the treatment of limbal stem cell deficiency

Corneal blindness caused by limbal stem cell deficiency (LSCD) is a prevailing disorder worldwide. Clinical outcomes for LSCD therapy using amniotic membrane (AM) are unpredictable. Hydrogels can eliminate limitations of standard therapy for LSCD, because they present all the advantages of AM (i.e. biocompatibility, inertness and a biodegradable structure) but unlike AM, they are structurally uniform and can be easily manipulated to alter mechanical and physical properties. Hydrogels can be delivered with minimum trauma to the ocular surface and do not require extensive serological screening before clinical application. The hydrogel structure is also amenable to modifications which direct stem cell fate. In this focussed review we highlight hydrogels as biomaterial substrates which may replace and/or complement AM in the treatment of LSCD.