Development of new biomaterials based on liquid crystalline phases of cellulose derivatives

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Presence of starch enhances in vitro biodegradation and biocompatibility of a gentamicin delivery formulation

The effect of α-amylase degradation on the release of gentamicin from starch-conjugated chitosan microparticles was investigated up to 60 days. Scanning electron microscopic observations showed an increase in the porosity and surface roughness of the microparticles as well as reduced diameters. This was confirmed by 67% weight loss of the microparticles in the presence of α-amylase. Over time, a highly porous matrix was obtained leading to increased permeability and increased water uptake with possible diffusion of gentamicin. Indeed, a faster release of gentamicin was observed with α-amylase. Starch-conjugated chitosan particles are non-toxic and highly biocompatible for an osteoblast (SaOs-2) and fibroblast (L929) cell line as well as adipose-derived stem cells. When differently produced starch-conjugated chitosan particles were tested, their cytotoxic effect on SaOs-2 cells was found to be dependent on the crosslinking agent and on the amount of starch used.

Application of ftir in the determination of acrylate content in poly(sodium acrylate-co-acrylamide) superabsorbent hydrogels

Hydrogels have been prepared by free-radical solution copolymerization of acrylamide and sodium acrylate (NaAc), with molar ratio ranging from 25/75 to 80/20, respectively, using methylene bisacrylamide as the crosslinking agent. A FTIR spectroscopy procedure to determine the acrylate/acrylamide ratio in these hydrogels was proposed based on absorbance at 1410 cm-1 (nCOO-) and 2940 cm-1 (nCH and nCH2). A straight line with a good linear correlation coefficient (0.998) was obtained by plotting the acrylate content (Ac%) versus relative absorbance (Arel = A1410/A2940). Results were confirmed by the amount of sodium cation released in acid medium determined by atomic absorption spectrometry.

Síntese e caracterização de hidrogéis compósitos a partir de copolímeros acrilamida-acrilato e caulim: efeito da constituição de diferentes caulins do nordeste brasileiro

Superabsorbent hydrogels based on poly (acrylamide-co-acrylate) and different kaolins, were prepared by free-radical aqueous copolymerization. FTIR and WAXS techniques were employed for characterization of a series of hydrogels, obtained by varying the percentage of clay, crosslinking and constitution of kaolin. The water absorbency at equilibrium (Weq) decreased with increasing clay content and the amount of crosslinking agent. Superabsorbent hydrogel (Weq > 1084 g H2O/g gel) was obtained as 10 wt% of white kaolin and 0.05 mol% of crosslinking agent were used. The hydrogel proved sensitive to pH variation and the presence of salts.

Hidrogeles microestructurados de acrilamida y determinación de su capacidad de absorber agua y etanol

This paper reports the synthesis of nanostructured hydrogels of acrylamide by a two-step polymerisation process. The first step is performed by inverse microemulsion polymerization (water-in-oil) of N-isopropylacrylamide (NIPA), with these particles then added to aqueous solutions of acrylamide (AM), adding a crosslinking agent. The polymerization reaction is then initiated, thereby producing nanostructured hydrogels. We determined the capacity to absorb water, water and / or ethanol when nanostructured hydrogels were immersed in aqueous solutions with different concentrations of ethanol. It was found that the hydrogels were selective in absorbing water in all cases increasing with the ethanol concentration of the solutions.

Etude des propriétés physicochimiques des vecteurs nanoparticulaires

Cette thèse rapporte l’étude des propriétés physicochimiques des nanoparticles polymériques et leur impact sur l’interaction avec les cellules vivantes. Nous nous sommes tout spécialement attachés à étudier l’effet des propriétés adhésives et mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration de la membrane cellulaire. Pour ce faire, nous avons tout d’abord utilisé des nanoparticules d’acide polylactique (PLA) fonctionnalisées en surface avec un ligand des sélectines E et P. Le greffage du ligand sur la particule s’est fait par une nouvelle méthode expérimentale garantissant la présence du ligand à la surface de la particule durant toute sa durée de vie. Cette méthode consiste à mélanger un polymère fonctionnalisé avec le ligand avec un autre polymère non fonctionnalisé. La présence du ligand à la surface des nanoparticules formées à partir de ce mélange de polymères a été confirmée par analyse ToF SIMS. Nous avons pu prouver que les particules possédant le ligand greffé à leur surface démontraient une capacité adhésive supérieure à leurs homologues non fonctionnalisés sur des cellules endothéliales HUVEC activées par différentes drogues. De plus, le captage des particules par les cellules HUVEC est modulé par le niveau d’expression des récepteurs selectine E et P et aussi par la quantité de ligand libre. Ces résultats montrent clairement que le greffage du ligand confère aux particules des propriétés adhésives accrues et spécifiques ce qui permet leur usage postérieure comme vecteur pharmaceutique capable de cibler un récepteur particulier à la surface d’une cellule. Nous avons aussi démontré que l’interaction entre les nanoparticules et la membrane cellulaire peut aussi être contrôlée aussi bien par les propriétés mécaniques de la cellule que de la nanoparticule. Dans une première étape, nous avons mesuré à l’aide de l’appareil de forces de surface l’élasticité de cellules macrophagiques déposées sur différents substrats. En contrôlant l’interaction entre la cellule et le substrat sur lequel elle repose nous avons montré qu’il était possible de modifier à ii volonté les propriétés mécaniques cellulaire. Une augmentation de l’élasticité cellulaire s’accompagne d’une augmentation systématique de l’internalisation de nanoparticules de PLA non fonctionnalisées. Ceci suggère un rôle prépondérant des propriétés mécaniques du cortex cellulaire dans le captage des nanoparticules de PLA. Dans une seconde étape, nous avons étudié l’effet des propriétés mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration cellulaire. Pour ce faire, nous avons synthétisé des particules d’hydrogel dont l’élasticité était contrôlée par le degré d’agent réticulant inclus dans leur formulation. Le contrôle des propriétés mécaniques des nanoparticules a été confirmé par la mesure du module de Young des particules par microscopie de force atomique. L’impact des propriétés mécaniques de ces particules sur leur capacité de pénétration dans les cellules vivantes a été étudié sur des cellules macrophagiques de souris. Les résultats ont montré que la cinétique d’internalisation, la quantité de particules internalisées et le mécanisme d’internalisation dépendent tous du module de Young des nanoparticules. Aucune différence dans le trajet intracellulaire des particules n’a pu être observée malgré le fait que différentes voies d’internalisation aient été observées. Ce dernier résultat peut s’expliquer par le fait que les nanoparticules sont internalisées par plusieurs voie simultanément ce qui facilite leur accumulation dans les organelles digestives intracellulaires. Un modèle simple permettant d’expliquer ces résultats a été proposé et discuté.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Rheological and thermal behaviour of poly(N-isopropylacrylamide)/alginate smart polymeric networks

Interpenetrating polymeric networks based on sodium alginate and poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) covalently crosslinked with N,N′-methylenebisacrylamide have been investigated using rheology, thermogravimetry, differential scanning calorimetry, X-ray diffraction measurements and scanning electron microscopy (SEM). An improved elastic response of the samples with a higher PNIPAAm content and increased amount of crosslinking agent was found. The temperature-responsive behaviour of the hydrogel samples was evidenced by viscoelastic measurements performed at various temperatures. It is shown that the properties of these gels can be tuned according to composition, amount of crosslinking agent and temperature changes. X-ray scattering analysis revealed that the hydrophobic groups are locally segregated even in the swollen state whilst cryo-SEM showed the highly heterogeneous nature of the gels.

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.

Síntese e caracterização de látices acrílicos reticulados com (1,6-diacrilato propoxilato hexanodiol) via polimerização em emulsão

Latices based on acrylic acid and ethyl methacrylate, crosslinked with 1,6‐propoxylate‐hexanodiol diacrylate were synthesized via emulsion polymerization with different monomeric compositions. The resultant latices were thickened with different NaOH/(acrylic acid) molar ratios and were characterized by titrimetry, zeta potential measurements, turbidimetry, and capillary viscometry. Intrinsic viscosity was determined for an uncrosslinked copolymer, using toluene as solvent. All the latices were coagulated with NaCl and washed with water at 60°C analyzed by FTIR spectrophotometry, in order to characterize functional groups from the copolymer and crosslinking agent.

Obtenção e caracterização de nanopartículas de quitosana

Chitosan nanoparticles have been used in several systems for the controlled release of drugs. The aim of this study was to obtain and characterize chitosan nanoparticles prepared by the method of coacervation / precipitation using sodium sulfate at different concentrations as the crosslinking agent. The characterization was done using zeta potential and small angle Xray scattering, SAXS. The dispersions of chitosan were obtained at pH 1 and pH = 3. The results of zeta potential at pH = 1 ranged from +64.8 to +29.27 mV and for pH = 3 they varied from +72.4 to +23.48 mV, indicating that the chain of chitosan is positively charged in acidic pH and the behavior of nanoparticles in terms of surface charge was independent of pH. However, the results indicated a dependence of particle size in relation to pH. This difference in behavior was explained by the influence of enthalpic and entropic components

Partículas inteligentes de poli (nisopropilacrilamida), quitosana e poli (ácido acrílico): efeito da temperatura e do pH sobre suas propriedades em suspensões aquosas

The present study describes the stability and rheological behavior of suspensions of poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly (N-isopropylacrylamide)-chitosan (PNIPAMCS), and poly (N-isopropylacrylamide)-chitosan-poly (acrylic acid) (PNIPAM-CS-PAA) crosslinked particles sensitive to pH and temperature. These dual-sensitive materials were simply obtained by one-pot method, via free-radical precipitation copolymerization with potassium persulfate, using N,N -methylenebisacrylamide (MBA) as a crosslinking agent. Incorporation of the precursor materials into the chemical networks was confirmed by elementary analysis and infrared spectroscopy. The influence of external stimuli such as pH and temperature, or both, on particle behavior was investigated through rheological measurements, visual stability tests and analytical centrifugation. The PNIPAM-CS particles showed higher stability in acid and neutral media, whereas PNIPAM-CS-PAA particles were more stable in neutral and alkaline media, both below and above the LCST of poly (Nisopropylacrylamide) (stability data). This is due to different interparticle interactions, as well as those between the particles and the medium (also evidenced by rheological data), which were also influenced by the pH and temperature of the medium. Based on the results obtained, we found that the introduction of pH-sensitive polymers to crosslinked poly (Nisopropylacrylamide) particles not only produced dual-sensitive materials, but allowed particle stability to be adjusted, making phase separation faster or slower, depending on the desired application. Thus, it is possible to adapt the material to different media

Síntese e caracterização de hidrogéis nanoestruturados contendo nanoargila e zeólita com potencialidade de aplicação em sistemas de liberação controlada de fármacos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Biodegradable systems for the development of functional materials

This PhD work was aimed to design, develop, and characterize gelatin-based scaffolds, for the repair of defects in the muscle-skeletal system. Gelatin is a biopolymer widely used for pharmaceutical and medical applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. It is obtained from collagen via thermal denaturation or chemical-physical degradation. Despite its high potential as biomaterial, gelatin exhibits poor mechanical properties and a low resistance in aqueous environment. Crosslinking treatment and enrichment with reinforcement materials are thus required for biomedical applications. In this work, gelatin based scaffolds were prepared following three different strategies: films were prepared through the solvent casting method, electrospinning technique was applied for the preparation of porous mats, and 3D porous scaffolds were prepared through freeze-drying. The results obtained on films put into evidence the influence of pH, crosslinking and reinforcement with montmorillonite (MMT), on the structure, stability and mechanical properties of gelatin and MMT/gelatin composites. The information acquired on the effect of crosslinking in different conditions was utilized to optimize the preparation procedure of electrospun and freeze-dried scaffolds. A successful method was developed to prepare gelatin nanofibrous scaffolds electrospun from acetic acid/water solution and stabilized with a non-toxic crosslinking agent, genipin, able to preserve their original morphology after exposure to water. Moreover, the co-electrospinning technique was used to prepare nanofibrous scaffolds at variable content of gelatin and polylactic acid. Preliminary in vitro tests indicated that the scaffolds are suitable for cartilage tissue engineering, and that their potential applications can be extended to cartilage-bone interface tissue engineering. Finally, 3D porous gelatin scaffolds, enriched with calcium phosphate, were prepared with the freeze-drying method. The results indicated that the crystallinity of the inorganic phase influences porosity, interconnectivity and mechanical properties. Preliminary in vitro tests show good osteoblast response in terms of proliferation and adhesion on all the scaffolds.

Consequences of placing an intramolecular crosslink in myosin S1

This paper describes the placement of a crosslinking agent (dibromobimane) between two thiols (Cys-522 and Cys-707) of a fragment, “S1,” of the motor protein, myosin. It turns out that fastening the first anchor of the crosslinker is easy and rapid, but fastening the second anchor (Cys-522) is very temperature dependent, taking 30 min at room temperature but about a week on ice. Moreover, crystallography taken at 4°C would seem to predict that the linkage is impossible, because the span of the crosslinking agent is much less than the interthiol distance. The simplest resolution of this seeming paradox is that structural fluctuations of the protein render the linkage increasingly likely as the temperature increases. Also, measurements of the affinity of MgADP for the protein, as well as the magnetic resonance of the P-atoms of the ADP once emplaced, suggest that binding the first reagent anchor to Cys-707 initiates an influence that travels to the rather distant ADP-binding site, and it is speculated what this “path of influence” might be.