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.

Biodegradation of polyurethane derived from castor oil

The aim of this research was to study the biodegradation of a polymer derived from castor oil, which is a renewable, natural material that is a practical alternative for the replacement of traditional polyurethane foams. Due to its molecular structure, which contains polyester segments derived from vegetable oil, the polymeric surface is susceptible to microorganism attack. This study tested the biological degrading agent that was in contact with the microorganisms resulting from microbiological grease degrading agents, when foam was inoculated. Solid-media agar-plate tests were conducted for their potential to evaluate the biodegradation of polymeric particles by specific strains of microorganisms during 216 hours. The growth rate was defined. This technique provides a way of distinguishing the degradation abilities of microorganisms from the degradability of materials.

Development of thermoresponsive (polysulfone/polyacrylonitrile) - based membranes for bioseparation processes

Mestrado integrado em Engenharia Química e Bioquímica

On the Fabrication of Microparticles Using Electrohydrodynamic Atomization Method

A new approach for the control of the size of particles fabricated using the Electrohydrodynamic Atomization (EHDA) method is being developed. In short, the EHDA process produces solution droplets in a controlled manner, and as the solvent evaporates from the surface of the droplets, polymeric particles are formed. By varying the voltage applied, the size of the droplets can be changed, and consequently, the size of the particles can also be controlled. By using both a nozzle electrode and a ring electrode placed axisymmetrically and slightly above the nozzle electrode, we are able to produce a Single Taylor Cone Single Jet for a wide range of voltages, contrary to just using a single nozzle electrode where the range of permissible voltage for the creation of the Single Taylor Cone Single Jet is usually very small. Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) test results have shown that the droplet size increases with increasing voltage applied. This trend is predicted by the electrohydrodynamic theory of the Single Taylor Cone Single Jet based on a perfect dielectric fluid model. Particles fabricated using different voltages do not show much change in the particles size, and this may be attributed to the solvent evaporation process. Nevertheless, these preliminary results do show that this method has the potential of providing us with a way of fine controlling the particles size using relatively simple method with trends predictable by existing theories.

Encapsulação de nanopartículas de magnetita em matriz de poli(metacrilato de metilacoácido metacrílico) por processo de polimerização em miniemulsão

Magnetic particles are systems with potential use in drug delivery systems, ferrofluids, and effluent treatment. In many situations, such as in biomedical applications, it is necessary to cover magnetic particles with an organic material, as polymers. In this work, magnetic particles were obtained through covering magnetite particles with poly(methyl methacrylate‐comethacrylic acid) via miniemulsion polymerization process. The resultant materials were characterized X‐ray diffraction (XRD), Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), zeta potential (��) measurements and vibrating sample magnetometry (VSM). XRD results showed magnetite as the predominant cristalline phase in all samples and that cristallites had nanometric dimensions. Thermogravimetric analysis revealed an increase in polymer thermal stability as a result of magnetite encapsulation. TGA results showed also that the encapsulation efficiency was directly related to nanoparticles s hidrofobicity degree. VSM measurements showed that magnetic polymeric particles were superparamagnetic, so that they may be potentially used for magnetic (bio)separation

Biodegradation of polyurethane derived from castor oil

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Síntese e caracterização de partículas esféricas de poli(álcool vinílico) e poli(acetato vinílico) para utilização em embolização

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Pesquisa e desenvolvimento de microesferas de poli(vinil álcool) com alta cristalinidade para utilização em embolização e quimioembolização

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Phenol degradation in an anaerobic fluidized bed reactor packed with low density support materials

The objective of this research was to study phenol degradation in anaerobic fluidized bed reactors (AFBR) packed with polymeric particulate supports (polystyrene - PS, polyethylene terephthalate - PET, and polyvinyl chloride - PVC). The reactors were operated with a hydraulic retention time (HRT) of 24 h. The influent phenol concentration in the AFBR varied from 100 to 400 mg L-1, resulting in phenol removal efficiencies of similar to 100%. The formation of extracellular polymeric substances yielded better results with the PVC particles; however, deformations in these particles proved detrimental to reactor operation. PS was found to be the best support for biomass attachment in an AFBR for phenol removal. The AFBR loaded with PS was operated to analyze the performance and stability for phenol removal at feed concentrations ranging from 50 to 500 mg L-1. The phenol removal efficiency ranged from 90-100%.

Multifunctional magnetically loaded polyorganosiloxane nanocomposites for biomedical applications

For the last few decades, the interest in functional nanomaterials is steadily increasing. Especially, in biomedicine the range of possible applications of multifunctional nanoparticles including dye-labeled makers and drug loaded carrier systems is extraordinary large. The incorporation of magnetic nanoparticles allows for an additional magnetic detection and manipulation. One promising system on the way to multifunctional nanomaterials is the polyorganosiloxane system. Via polycondensation of silan monomers in aqueous dispersion polyorganosiloxane nanoparticles with particle diameter between 10 and 150 nm can be synthesized. The versatile silane chemistry allows for the design of multifunctional network structures. In this work, hydrophilic iron oxide nanoparticles could be encapsulated into the polymeric particles in a highly efficient process whereat the superparamagnetic nature of the inorganic particles was restrained. The influence of different sized particles as well as the amount of the incorporated material was investigated. Using a core-shell architecture, controlled core and surface modifications could be achieved. An effective fluorescent labeling was performed via incorporation of dye-labeled monomers. Additionally, a hydrophilic surface modification was carried out via a grafting onto process of poly(ethylene glycol). Individual core and surface functionalization was achieved and the influence of the modification on the efficiency of the magnetic loading was tested. The applicability of the multifunctional particles in biological systems was proved via cellular uptake and toxicity testings. Furthermore, biofunctionalized particles were synthesized by EDC coupling using biotin and insulin.rnrn

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Oral uptake and distribution of microspheres

There is a growing body of experimental evidence suggesting that the gastrointestinal tract (GIT) may be penetrated by sub-micron sized polymeric particles which have the capacity to deliver therapeutic compounds. We investigated this, initially with Fluoresbrite™ carboxylate latex microspheres (0.87 m diameter) which were administered orally to rats. Microsphere numbers within blood samples were then quantified using fluorescence microscopy or FACS technology. These studies were prone to quantitative error, but indicated that increased microsphere translocation occurred if particles were administered in conjunction with large volumes of hypotonic liquid, and that uptake was very rapid. Test particles were detected in blood, only a few minutes after dosing. To improve quantification, GPC technology was adopted. 0.22 m latex particles were found to accumulate in greatest numbers within the Mononuclear phagocyte system tissues after gavage. Again translocation was rapid. The ability of test particles to leave the intestinal lumen and access systemic compartments was found to be highly dependent on their size and hydrophobicity, determined by hydrophobic interaction chromatography. Considerably lower numbers of 0.97 m diameter latex microspheres were detectable within extra-intestinal tissue locations after gavage. Histological studies showed that Fluoresbrite™ microspheres accumulate within the liver, spleen, Mesenteric lymph node and vasculature of rats after oral administration. Fluorescent particles were observed in both the Peyer's patches (PPs), and non lymphoid regions of rat intestinal mucosa after gavage, conductive to the acceptance that more than one mechanism of particle absorption may operate.

Characterization and voltammetric behavior of Pt(y)Mo(z)O(x)/C electrodes prepared by the thermal decomposition of polymeric precursors

Carbon-supported catalysts containing platinum and molybdenum oxide are prepared by thermal decomposition of polymeric precursors. The Pt(y)Mo(z)O(x)/C materials are characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction. The catalysts present a well-controlled stoichiometry and nanometric particles. Molybdenum is present mainly as the MoO(3) orthorhombic structure, and no Pt alloys are detected. The voltammetric behavior of the electrodes is investigated; a correlation with literature results for PtMo/C catalysts prepared by other methods is established. The formation of soluble species and the aging effect are discussed. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.