Self-Assembly of Hyperbranched Multiarmed PEG-PEI-PLys(Z) Copolymer into Micelles, Rings, and Vesicles

Self-assembling of synthesized novel biodegradable hyperbranched amphiphilic poly(ethylene glycol)-polyethylenimine-poly(epsilon-benzyloxycarbonyl-L-lysine) (PEG-PEI-PLys(Z)) in aqueous media is studied. In aqueous media. PLys(Z) is the hydrophobic segment, with PEG and PEI as the hydrophilic segments. It will self-assemble into spherical shape when the selected solvent water is dropped into the common solvent tetrahydrofuran (THF). And when PEG-PEI-PLYS in common solvent is dropped into mixed solvent water and THF, rings will come into King. The spherical and rings are observed by environmental scanning electron microscopy (ESEM) and transmission electron microscopy ITEM). It shows that the size of the sphere is about 100 nm, and the diameter of ring distributes from 400 nm to 10 mu m and bigger with the time roll around.

Tethered diblock copolymer chains on platelets prepared by semicrystalline ABC triblock copolymers in toluene with trace amounts of water

Lamellar platelets of triblock copolymers grown in dilute toluene solution with trace amounts of water can be used as templates for tethered diblock copolymer chain preparation and analysis. Polystyrene-bpoly(2-vinylpyridine)-b-poly(ethylene oxide) (PS-b-P2VP-b-PEO) with two different block fractions were used as model templates to generate tethered P2VP-b-PS chains on the platelet basal surfaces. In toluene solution the aggregation states of PS-b-P2VP-b-PEO were sensitive to the water content in the solution. For toluene with trace amount of water, spherical micelles were formed in the early stage and large square platelets would gradually grow from these spherical micelles. The hydrogen bonding between water and EO units was responsible for the formation of micelles and subsequent square platelets in the solution. Tethered P2VP-b-PS chains on basal surface of PEO platelets could be regarded as diblock copolymer brushes and the density (or: 0.086-0.36) and height (d: 3.5-14.3 nm) of these tethered chains could be easily modulated by changing the crystallization condition and/ or the molecular weight of each block. The tethered P2VP-b-PS chains were responsive to different solvent vapor.

Formation of ordered microphase-separated pattern during spin coating of ABC triblock copolymer

In this paper, the authors have systematically studied the microphase separation and crystallization during spin coating of an ABC triblock copolymer, polystyrene-b-poly(2-vinylpyridine)-b-poly(ethylene oxide) (PS-b-P2VP-b-PEO). The microphase separation of PS-b-P2VP-b-PEO and the crystallization of PEO blocks can be modulated by the types of the solvent and the substrate, the spinning speed, and the copolymer concentration. Ordered microphase-separated pattern, where PEO and P2VP blocks adsorbed to the substrate and PS blocks protrusions formed hexagonal dots above the P2VP domains, can only be obtained when PS-b-P2VP-b-PEO is dissolved in N,N-dimethylformamide and the films are spin coated onto the polar substrate, silicon wafers or mica. The mechanism of the formation of regular pattern by microphase separation is found to be mainly related to the inducement of the substrate (middle block P2VP wetting the polar substrate), the quick vanishment of the solvent during the early stage of the spin coating, and the slow evaporation of the remaining solvent during the subsequent stage. On the other hand, the probability of the crystallization of PEO blocks during spin coating decreases with the reduced film thickness. When the film thickness reaches a certain value (3.0 nm), the extensive crystallization of PEO is effectively prohibited and ordered microphase-separated pattern over large areas can be routinely prepared.

Solvent-induced crystallization of spherical micelles formed by copolymer blends

We have followed the morphological evolution and crystallization process of spherical micelles formed by the mixture of polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA) and polystyrene-b-poly(2-vinylpyridine)b-poly(ethylene oxide) (PS-b-P2VP-b-PEO) (the core of the spherical micelles was made of P2VP and PAA blocks through hydrogen bonding in neutral solvent N,N-dimethylformamide, DMF) via DMF vapor treatment. Different phenomena, such as rupture of the film, formation of cylinder aggregates and regular square lamellae, were observed when the micelle film was treated in DMF for different times. At the early stage of annealing in DMF vapor, the micelle film became unstable and ruptured. Cylinder aggregates, within which the PEO blocks achieved the association and primary chain folding, formed as the mesophases before the nucleation of the PEO single crystals at this stage. Further treatment in DMF vapor resulted in the nucleation of the PEO blocks at the corners of quasi-square lamellae. Then a quite regular "sandwich" lamellar structure, constructed by a PEO single-crystal layer covered by two tethered layers of other amorphous blocks on the top and bottom crystal basal surfaces, formed when the film of micelles was annealed in DMF vapor for sufficient times.

Simulation Study of Aggregate Morphologies Formed by ABC Linear Triblock Copolymers in a Selective Solvent Through the Self-Consistent Field Theory

The effect of the hydrophobic properties of blocks B and C on the aggregate morphologies formed by ABC linear triblock copolymers in selective solvent was studied through the self-consistent field theory. Five typical micelles, such as core-shell-corona, hamburger-like, segmented-wormlike, were obtained by changing the hydrophobic properties of blocks B and C. The simulation results indicate that the shape and size of micelle are basically controlled by the hydrophobic degree of the middle block B, whereas the type of micelle is mainly determined by the hydrophobic degree of the end block C.

Biodegradable amphiphilic polymer-drug conjugate micelles

The coupling of drugs to macromolecular carriers received an important impetus from Ringsdorf's notion of polymer-drug conjugates. Several water-soluble polymers, poly(ethylene glycol), poly[N-(2-hydroxypropyl) methacrylamidel, poly(L-glutamic acid) and dextran, are studied intensively and have been utilized successfully in clinical research. The promising results arising from clinical trials with polymer-drug conjugates (e.g., paclitaxel, doxorubicin, camptothecins) have provided a firm foundation for other synthetic polymers, especially biodegradable polymers, used as drug delivery vehicles. This review discusses biodegradable polymeric micelles as an alternative drug-conjugate system. Particular focus is on A-B or B-A-B type biodegradable amphiphilic block copolymer such as polylactide, morpholine-2,5-dione derivatives and cyclic carbonates, which can form a core-shell micellar structure, with the hydrophobic drug-binding segment forming the hydrophobic core and the hydrophilic segment as a hydrated outer shell. Polymeric micelles can be designed to avoid uptake by cells of reticuloendothelial system and thus enhance their blood lifetime via the enhanced permeability and retention effect.

Formation of reversible shell cross-linked micelles from the biodegradable amphiphilic diblock copolymer poly(L-cysteine)-block-poly(L-lactide)

A novel biodegradable diblock copolymer, poly(L-cysteine)-b-Poly(L-lactide) (PLC-b-PLLA), was synthesized by ring-opening polymerization (ROP) of N-carboxyanhydride of beta-benzyloxycarbonyl-L-Cysteine (ZLC-NCA) with amino-terminated Poly(L-lactide) (NH2-PLLA) as a macroinitiator in a convenient way. The diblock copolymer and its precursor were characterized by H-1 NMR, Fourier transform infrared (FT-IR), gel permeation chromatography (GPC), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements. The length of each block polymer could be tailored by molecular design and the ratios of feeding monomers.

Amphiphilic Core-Shell Nanocarriers Based On Hyperbranched Poly(ester amide)-star-PCL: Synthesis, Characterization, and Potential as Efficient Phase Transfer Agent

Amphiphilic biodegradable star-shaped polymer was conveniently prepared by the Sn(Oct)(2)-catalyzed ring opening polymerization of c-caprolactone (CL) with hyperbranched poly(ester amide) (PEA) as a macroinitiator. Various monomer/initiator ratios were employed to vary the length of the PCL arms. H-1 NMR and FTIR characterizations showed the successful synthesis of star polymer with high initiation efficiency. SEC analysis using triple detectors, RI, light scattering, and viscosity confirmed the controlled manner of polymerization and the star architecture.

Core Crosslinking of Biodegradable Block Copolymer Micelles Based on Poly(ester carbonate)

A biodegradable amphiphilic block copolymer, PEG-b-P(LA-co-MAC), was used to prepare spherical micelles consisting of a hydrophobic P(LA-co-MAC) core and a hydrophilic PEG shell. To improve their stability, the micelles were crosslinked by radical polymerization of the double bonds in the hydrophobic blocks. The crosslinked micelles had similar sizes and a narrow size distribution compared to their uncrosslinked precursor. The improved stability of the crosslinked micelles was confirmed by measurements of the CMC and a thermodynamic investigation. These micelles can internalize into Hela cells in vitro as demonstrated by inverted fluorescence microscopy and CLSM. These stabilized nanoscale micelles have potential use in biomedical applications such as drug delivery and disease diagnosis.

Hemoglobin conjugated micelles based on triblock biodegradable polymers as artificial oxygen carriers

An artificial oxygen carrier is constructed by conjugating hemoglobin molecules to biodegradable micelles. Firstly a series of triblock copolymers (PEG-PMPC-PLA) in which the middle block contains pendant propargyl groups were synthesized and characterized. After the amphiphilic copolymer was self-assembled into core-shell micelles in aqueous solution, azidized hemoglobin molecules protected by carbon monoxide (CO) were conjugated to the micelles via click reaction between the propargyl and azido groups. The conjugation causes an increase of the micelle's mean diameter. Maximum conjugation ratio is 250 wt% in the hemoglobin-conjugated micelles (HCMs). Oxygen-binding ability of the HCMs was demonstrated by converting the CO-binding state of the HCMs into O-2-binding state.

Crystallization of micelles and matrix in dilute diblock copolymer/homopolymer solutions

The crystallization, morphology, and crystalline structure of dilute solid solutions of tetrahydrofuran-methyl methacrylate diblock copolymer (PTHF-b-PMMA) in poly(ethylene oxide) (PEO) and PTHF have been studied with differential scanning calorimetry (DSC), X-ray, and optical microscopy. This study provides a new insight into the crystallization behavior of block copolymers. For the dilute PTHF-b-PMMA/PEO system containing only 2 to 7 wt % of PTHF content, crystallization of the PTHF micellar core was detected both on cooling and on heating. Compared the crystallization of the PTHF in the dilute solutions with that in the pure copolymer, it was found that the crystallizability of the PTHF micellar core in the solution is much greater than that of the dispersed PTHF microdomain in the pure copolymer. The stronger crystallizability in the solution was presumably due to a softened PMMA corona formed in the solution of the copolymer with PEG. However, the "soft" micelles formed in the solution (meaning that the glass transition temperatures (T-g) of the micelle is lower than the T-m of the matrix phase) showed almost no effects on the spherulitic morphology of the PEO component, compared with that of the pure PEO sample. In contrast, significant effects of the micelles with a "hard" PMMA core (meaning that the T-g of the core is higher than the T-m of the PTHF homopolymer) on the nucleation, crystalline structure, and spherulitic morphology were observed for the dilute PTHF-b-PMMA/PTHF system. (C) 1998 John Wiley & Sons, Inc.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Polysaccharide-based Polyion Complex Micelles as New Delivery Systems for Hydrophilic Cationic Drugs

Les micelles polyioniques ont émergé comme des systèmes prometteurs de relargage de médicaments hydrophiles ioniques. Le but de cette étude était le développement des micelles polyioniques à base de dextrane pour la relargage de médicaments hydrophiles cationiques utilisant une nouvelle famille de copolymères bloc carboxymethyldextran-poly(éthylène glycol) (CMD-PEG). Quatre copolymères CMD-PEG ont été préparés dont deux copolymères identiques en termes de longueurs des blocs de CMD et de PEG mais différent en termes de densité de charges du bloc CMD; et deux autres copolymères dans lesquels les blocs chargés sont les mêmes mais dont les blocs de PEG sont différents. Les propriétés d’encapsulation des micelles CMD-PEG ont été évaluées avec différentes molécules cationiques: le diminazène (DIM), un médicament cationique modèle, le chlorhydrate de minocycline (MH), un analogue semi-synthétique de la tétracycline avec des propriétés neuro-protectives prometteuses et différents antibiotiques aminoglycosidiques. La cytotoxicité des copolymères CMD-PEG a été évaluée sur différentes lignées cellulaires en utilisant le test MTT et le test du Bleu Alamar. La formation de micelles des copolymères de CMD-PEG a été caractérisée par différentes techniques telles que la spectroscopie RMN 1H, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la titration calorimétrique isotherme (ITC). Le taux de relargage des médicaments et l’activité pharmacologique des micelles contenant des médicaments ont aussi été évalués. Les copolymères CMD-PEG n'ont induit aucune cytotoxicité dans les hépatocytes humains et dans les cellules microgliales murines (N9) après 24 h incubation pour des concentrations allant jusqu’à 15 mg/mL. Les interactions électrostatiques entre les copolymères de CMD-PEG et les différentes drogues cationiques ont amorcé la formation de micelles polyioniques avec un coeur composé du complexe CMD-médicaments cationiques et une couronne composée de PEG. Les propriétés des micelles DIM/CMDPEG ont été fortement dépendantes du degré de carboxyméthylation du bloc CMD. Les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation du bloc CMD ≥ 60 %, ont incorporé jusqu'à 64 % en poids de DIM et ont résisté à la désintégration induite par les sels et ceci jusqu'à 400 mM NaCl. Par contre, les micelles de CMD-PEG de degré de carboxyméthylation ~ 30% avaient une plus faible teneur en médicament (~ 40 % en poids de DIM) et se désagrégeaient à des concentrations en sel inférieures (∼ 100 mM NaCl). Le copolymère de CMD-PEG qui a montré les propriétés micellaires les plus satisfaisantes a été sélectionné comme système de livraison potentiel de chlorhydrate de minocycline (MH) et d’antibiotiques aminoglycosidiques. Les micelles CMD-PEG encapsulantes de MH ou d’aminoglycosides ont une petite taille (< 200 nm de diamètre), une forte capacité de chargement (≥ 50% en poids de médicaments) et une plus longue période de relargage de médicament. Ces micelles furent stables en solution aqueuse pendant un mois; après lyophilisation et en présence d'albumine sérique bovine. De plus, les micelles ont protégé MH contre sa dégradation en solutions aqueuses. Les micelles encapsulant les drogues ont maintenu les activités pharmacologiques de ces dernières. En outre, les micelles MH réduisent l’inflammation induite par les lipopolysaccharides dans les cellules microgliales murines (N9). Les micelles aminoglycosides ont été quant à elles capable de tuer une culture bactérienne test. Toutefois les micelles aminoglycosides/CMDPEG furent instables dans les conditions physiologiques. Les propriétés des micelles ont été considérablement améliorées par des modifications hydrophobiques de CMD-PEG. Ainsi, les micelles aminoglycosides/dodecyl-CMD-PEG ont montré une taille plus petite et une meilleure stabilité aux conditions physiologiques. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent que CMD-PEG copolymères sont des systèmes prometteurs de relargage de médicaments cationiques.

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.

Water-soluble, unimolecular containers based on amphiphilic multiarm star block copolymers

A new class of water-soluble, amphiphilic star block copolymers with a large number of arms was prepared by sequential atom transfer radical polymerization (ATRP) of n-butyl methacrylate (BMA) and poly( ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA). As the macroinitiator for the ATRP, a 2-bromoisobutyric acid functionalized fourth-generation hyperbranched polyester (Boltorn H40) was used, which allowed the preparation of star polymers that contained on average 20 diblock copolymer arms. The synthetic concept was validated by AFM experiments, which allowed direct visualization of single molecules of the multiarm star block copolymers. DSC and SAXS experiments on bulk samples suggested a microphase-separated structure, in agreement with the core-shell architecture of the polymers. SAXS experiments on aqueous solutions indicated that the star block copolymers can be regarded as unimolecular micelles composed of a PBMA core and a diffuse PPEGMA corona. The ability of the polymers to encapsulate and release hydrophobic guests was evaluated using H-1 NMR spectroscopy. In dilute aqueous solution, these polymers act as unimolecular containers that can be loaded with up to 27 wt % hydrophobic guest molecules.