Effect of controlled co-delivery of synergistic neurotrophic factors on early nerve regeneration in rats.

Present interventions to repair severed peripheral nerves provide slow and poor early axonal regeneration, which may cause unsatisfactory functional reinnervation. To improve early axonal regeneration in a 10 mm rat sciatic nerve gap model, we developed collagen nerve conduits loaded with the synergistically acting glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and nerve growth factor (NGF). For controlling the concomitant GDNF and NGF release, the collagen tubes were cross-linked by a dehydro-thermal treatment (110 degrees C; 20 mbar; 5 days) prior to impregnating the tubes with GDNF and NGF and by coating drug-loaded tubes with layers of poly(lactide-co-glycolide). The conduits made of cross-linked collagen released low initial amounts of GDNF and NGF (2% of both during first 3 days) and enhanced significantly the early (2 weeks) nerve regeneration in terms of axonal outgrowth and Schwann cell migration in a 10 mm rat sciatic nerve gap model, as compared to the conduits made of non-cross-linked collagen releasing higher initial amounts of GDNF and NGF (12-16% within 3 days), or those releasing GDNF alone. The enhancement of early axonal regeneration using controlled co-delivery of multiple synergistic neurotrophic factors is an important requisite for eventually establishing functional connections with the target organ.

Differences in pressure and temperature transitions of proteins and polymer gels

Pressure-driven and temperature-driven transitions of two thermoresponsive polymers, poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) and poly(N-vinylisobutyramide) (pNVIBA)), in both a soluble linear polymer form and a cross-linked hydro-gel form, were examined by a dynamic light-scattering method and direct microscopic observation, respectively. Their behavior was compared with that of protein systems. Changes in some characteristic parameters in the time-intensity correlation functions of dynamic light-scattering measurement of aqueous solutions of pNIPAM at various pressures and temperatures showed no essential differences during temperature and pressure scanning and, as a whole, the motions of polymers in aqueous solutions were similar in two types of transitions until chain shrinkage occurred. The gels (cross-linked polymer gels) prepared from the thermoresponsive polymers also showed similar volume transitions responding to the pressure and temperature increase. In temperature transitions, however, gels showed drastic volume shrinkage with loss of transparency, while pressure-induced transition showed a slow recovery of transparency while keeping the size, after first transient drastic volume shrinkage with loss of transparency. At a temperature slightly higher than the transition under atmospheric temperature, so-called reentry of the volume change and recovery of the transparency were observed during the pressure-increasing process, which implies much smaller aggregation or non-aggregated collapsed polymer chains in the gel at higher pressures, indicating a certain mechanistic difference of the dehydration processes induced by temperature and pressure.

Biocompatibilité des microcapsules d'alginate : purification d'alginate, réaction immunitaire de l'hôte et protection du receveur

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon.

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.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Synthesis of pendant epoxy functional polydimethyl siloxane for modification of Diglycidyl Ether of Bis-phenol A

In this study, pendant epoxy functional poly dimethyl siloxanes were synthesized by the hydrosilylation reaction of pendant silyl hydride functional polydimethyl siloxane with allyl glycidyl ether. The hydrosilylation reaction was characterized by spectroscopic techniques. Samples of pendant epoxy functional poly dimethyl siloxanes and pendant silyl hydride functional polydimethyl siloxane were blended with commercial epoxy resin, diglycidyl ether of bis-phenol A, at various ratios using a polyamine as curing agent. The results show that the addition of functionalised poly dimethyl siloxanes increases the flexibility of the cross linked network and also the thermal stability and water resistance

Photochemical cross-linking of plastically compressed collagen gel produces an optimal scaffold for corneal tissue engineering

The experiments were designed to use photochemically cross-linked plastically compressed collagen (PCPCC) gel to support corneal epithelial cells. A plastically compressed collagen (PCC) scaffold was photo cross-linked by UVA in the presence of riboflavin to form a biomaterial with optimal mechanical properties. The breaking force, rheology, surgical suture strength, transparency, ultrastructure, and cell-based biocompatibility were compared between PCPCC and PCC gels. The breaking force increased proportionally with an increased concentration of riboflavin. The stress required to reach breaking point of the PCPCC scaffolds was over two times higher compared to the stress necessary to break PCC scaffolds in the presence of 0.1% riboflavin. Rheology results indicated that the structural properties of PCC remain unaltered after UVA cross-linking. The PCC gels were more easily broken than PCPCC gels when sutured on to bovine corneas. The optical density values of PCPCC and PCC showed no significant differences (p > 0.05). SEM analyses showed that the collagen fibres within the PCPCC gels were similar in morphology to PCC gels. No difference in cell-based biocompatibility was seen between the PCPCC and PCC scaffolds in terms of their ability to support the ex vivo expansion of corneal epithelial cells or their subsequent differentiation evidenced by similar levels of cytokeratin 14. In conclusion, PCPCC scaffold is an optimal biomaterial for use in therapeutic tissue engineering of the cornea.

Stabilization of the i-motif structure by the intra-strand cross-link formation

The i-motif structures are formed by oligonucleotides containing cytosine tracts under acidic conditions. The folding of the i-motif under physiological conditions is of great interest because of its biological role. In this study, we investigated the effect of the intra-strand cross-link on the stability of the i-motif structure. The 4-vinyl-substituted analog of thymidine (T-vinyl) was incorporated into the 5′-end of the human telomere complementary strand, which formed the intra-strand cross-link with the internal adenine. The intra-strand cross-linked i-motif displayed CD spectra similar to that of the natural i-motif at acidic pH, which was transformed into a random coil with the increasing pH. The pH midpoint for the transition from the i-motif to random coil increased from pH 6.1 for the natural one to pH 6.8 for the cross-linked one. The thermodynamic parameters were obtained by measuring the thermal melting behaviors by CD and UV, and it was determined that the intra-strand cross-linked i-motif is stabilized due to a favorable entropy effect. Thus, this study has clearly indicated the validity of the intra-strand cross-linking for stabilization of the i-motif structure.

A ditryptophan cross-link is responsible for the covalent dimerization of human superoxide dismutase 1 during its bicarbonate-dependent peroxidase activity

Unlike intermolecular disulfide bonds, other protein cross-links arising from oxidative modifications cannot be reversed and are presumably more toxic to cells because they may accumulate and induce protein aggregation. However, most of these irreversible protein cross-links remain poorly characterized. For instance, the antioxidant enzyme human superoxide dismutase 1 (hSod1) has been reported to undergo non-disulfide covalent dimerization and further oligomerization during its bicarbonate-dependent peroxidase activity. The dimerization was shown to be dependent on the oxidation of the single, solvent-exposed TrP(32) residue of hSod1, but the covalent dimer was not isolated nor was its structure determined. In this work, the hSod1 covalent dimer was isolated, digested with trypsin in H(2)O and H(2)(18)O, and analyzed by UV-Vis spectroscopy and mass spectrometry (MS). The results demonstrate that the covalent dimer consists of two hSod1 subunits cross-linked by a ditryptophan, which contains a bond between C3 and N1 of the respective Trp(32) residues. We further demonstrate that the cross-link cleaves under usual MS/MS conditions leading to apparently unmodified Trp(32), partially hinders proteolysis, and provides a mechanism to explain the formation of hSod1 covalent trimers and tetramers. This characterization of the covalent hSod1 dimer identifies a novel oxidative modification of protein Trp residues and provides clues for studying its occurrence in vivo. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Controlled Drug Release from Ureasil-Polyether Hybrid Materials

Flexible, transparent, and insoluble urea-cross-linked polyether-siloxane hybrids presenting a tunable drug delivery pattern were prepared using the sol-gel method from PEO (poly(ethylene oxide)) and PPO (poly(propylene oxide)) functionalized at both chain ends with triethoxysilane. Different polyether chain lengths were used to control the urea/siloxane (named ureasil) node density, flexibility, and swellability of the hybrid network. We herein demonstrate that the drug release from swellable hydrophilic ureasil-PEO hybrids can be sustained for some days, whereas that from the unswellable ureasil-PPO hybrids can be sustained for some weeks. This outstanding feature conjugated with the biomedically safe formulation of the ureasil cross-linked polyether-siloxane hybrid widens their scope of application to include the domain of soft and implantable drug delivery devices.

Multi-spectroscopic monitoring of cisplatin-derived species delivery from ureasil polyether hybrid matrix

Driven by the challenges involved in the development of new advanced materials with unusual drug delivery profiles capable of improving the therapeutic and toxicological properties of existing cancer chemotherapy, the one-pot sol-gel synthesis of flexible, transparent and insoluble urea-cross-linked polyether-siloxane hybrids has been recently developed. In this one-pot synthesis, the strong interaction between the antitumor cisplatin (CisPt) molecules and the ureasil-poly(propylene oxide) (PPO) hybrid matrix gives rise to the incorporation and release of an unknown CisPt-derived species, hindering the quantitative determination of the drug release pattern from the conventional UV-Vis absorption technique. In this article, we report the use of an original synchrotron radiation calibration method based on the combination of XAS and UV-Vis for the quantitative determination of the amount of Pt-based molecules released in water. Thanks to the combination of UV-Vis, XAS and Raman techniques, we demonstrated that both the CisPt molecules and the CisPt-derived species are loaded into an ureasil-PPO/ureasil-poly(ethylene oxide) (PEO) hybrid blend matrix. The experimentally determined molar extinction coefficient of the CisPt-derived species loaded into ureasil-PPO hybrid matrix enabled the simultaneous time-resolved monitoring of each Pt species released from this hybrid blend matrix.

Biocompatibility studies of anionic collagen membranes with different degree of glutaraldehyde cross-linking

The work describes the biocompatibility and biodegradation studies of anionic collagen membranes casted form collagen gels collagen, that were selective hydrolyzed at the carboxyamide groups, as a function of the degree of cross-links induced by glutaraldehyde. Independently from the degree of cross-links, all membranes studied were characterized by a similar inflammatory response, inversely dependent on glutaraldehyde reaction time, that decreased from the time of the implant. Cell alterations, mineralization or contact necrosis were not observed in any of the membranes studied. Rates for membrane tissue biodegradation were directly related to glutaraldehyde reaction time, and ranged from 30 to periods longer than 60 days, associated with good biocompatibility. Although other properties must be considered, their use in the treatment of periodontal diseases, the biological behavior observed with the 8 h GA cross-linked membrane suggests that, anionic collagen membrane described in this work may be of potential use, not only in association with guided tissue regeneration technique for periodontal tissue reconstruction, but also in other collagen biomaterial applications where controlled biodegradability is required. (C) 1998 Published by Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Multi-scale structural description of siloxane-PPO hybrid ionic conductors doped by sodium salts

Alkaline metal doped organic - inorganic hybrids have potential applications in the field of portable energy sources. Attractive sol - gel derived urea cross-linked polyether, siloxane - PPO ( poly( propylene oxide)) hybrids doped with sodium salts ( NaClO4 and NaBF4) were examined by multi-spectroscopic approach that includes complex impedance, X-ray powder diffraction (XRPD), small angle X-ray scattering (SAXS), Si-29 and Na-23 magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (NMR/MAS), Na K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) and Raman spectroscopies. The goals of this work were to determine which cation coordinating site of the host matrix ( ether oxygen atoms or carbonyl oxygen atoms) is active in each of the materials analyzed, its influence on the nanostructure of the samples and its relation with the thermal and electrical properties. The main conclusion derived from this study is that the NaBF4 salt has a much lower solubility in the hybrid matrix than the NaClO4 salt. Furthermore, the addition of a large amount of salt plays a major role in the hybrid nanostructure and electrical properties, modifying the PPO chain conformation, weakening or breaking the hydrogen bond of the polyether - urea associations and changing the polycondensation and aggregation processes involving the siloxane species.

Fine-tuning of a nanostructure, swelling, and drug delivery profile by blending ureasil-PEO and ureasil-PPO hybrids

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Ureasil-polyether hybrid blend with tuneable hydrophilic/hydrophobic features based on U-PEO1900 and U-PPO400 mixtures

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)