Phosphorylcholine based amphiphilic polymers for the solubilization of integral membrane proteins

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

Stimuli-responsive Novel Amphiphilic Polymers for Chemical and Biomedical Applications

Amphiphilic polymers are a class of polymers that self-assemble into different types of microstructure, depending on the solvent environment and external stimuli. Self assembly structures can exist in many different forms, such as spherical micelles, rod-like micelles, bi-layers, vesicles, bi-continuous structure etc. Most biological systems are basically comprised of many of these organised structures arranged in an intelligent manner, which impart functions and life to the system. We have adopted the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique to synthesize various types of block copolymer systems that self-assemble into different microstructure when subject to an external stimuli, such as pH or temperature. The systems that we have studied are: (1) pH responsive fullerene (C60) containing poly(methacrylic acid) (PMAA-b-C60); (2) pH and temperature responsive fullerene containing poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] (C₆₀-b-PDMAEMA); (3) other responsive water-soluble fullerene systems. By varying temperature, pH and salt concentration, different types microstructure can be produced. In the presence of inorganic salts, fractal patterns at nano- to microscopic dimension were observed for negatively charged PMAA-b-C60, while such structure was not observed for positively charged PDMAEMA-b-C60. We demonstrated that negatively charged fullerene containing polymeric systems can serve as excellent nano-templates for the controlled growth of inorganic crystals at the nano- to micrometer length scale and the possible mechanism was proposed. The physical properties and the characteristics of their self-assembly properties will be discussed, and their implications to chemical and biomedical applications will be highlighted.

Synthesis and aggregation behavior of four-arm star amphiphilic block copolymers in water

We report the first synthesis of amphiphilic four-arm star diblock copolymers consisting of styrene (STY) and acrylic acid (AA) made using reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT; Z group approach with no star-star coupling). The polymerization proceeded in an ideal living manner. The size of the poly(AA(132)-STYm)(4) stars in DMF were small and close to 7 nm, suggesting no star aggregation. Slow addition of water (pH = 6.8) to this mixture resulted in aggregates of 15 stars per micelle with core-shell morphology. Calculations showed that the polyAA blocks were slightly extended with a shell thickness of 15 nm. Treatment of these micelles with piperidine to cleave the block arms from the core resulted in little or no change on micelle size or morphology, but the polyAA shell thickness was close to 29 nm (33 nm is the maximum at full extension) suggesting a release of entropy when the arms are detached from the core molecule. In this work we showed through the use of star amphiphilic polymers that the micelle size, aggregation number, and morphology could be controlled.

Model for curvature-driven pearling instability in membranes

A phase-field model for dealing with dynamic instabilities in membranes is presented. We use it to study curvature-driven pearling instability in vesicles induced by the anchorage of amphiphilic polymers on the membrane. Within this model, we obtain the morphological changes reported in recent experiments. The formation of a homogeneous pearled structure is achieved by consequent pearling of an initial cylindrical tube from the tip. For high enough concentration of anchors, we show theoretically that the homogeneous pearled shape is energetically less favorable than an inhomogeneous one, with a large sphere connected to an array of smaller spheres.

Polymer-induced tubulation in lipid vesicles

A mechanism of extraction of tubular membranes from a lipid vesicle is presented. A concentration gradient of anchoring amphiphilic polymers generates tubes from budlike vesicle protrusions. We explain this mechanism in the framework of the Canham-Helfrich model. The energy profile is analytically calculated and a tube with a fixed length, corresponding to an energy minimum, is obtained in a certain regime of parameters. Further, using a phase-field model, we corroborate these results numerically. We obtain the growth of tubes when a polymer source is added, and the budlike shape after removal of the polymer source, in accordance with recent experimental results.

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Étude des poly(2-alkyl-2-oxazoline)s munis d'extrémités hydrophobes en solution aqueuse et à linterface eau/air

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

Développement de tensioactifs à base d’acides biliaires pegylés pour des applications pharmaceutiques

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands).

Développement de nouveaux polymères amphiphiles comme floculants versatiles pour le traitement de l’eau issue de l’industrie pétrolière

Les polymères hydrosolubles sont utilisés dans diverses industries pour permettre la floculation, soit une séparation solide-liquide de particules présentes en suspension colloïdale. Afin de réduire les impacts environnementaux de l’exploitation des sables bitumineux en Alberta, l’industrie est à la recherche de nouveaux moyens et procédés pour traiter les résidus miniers permettant de séparer les matières solides et de récupérer l’eau. L’objectif des travaux présentés est d’améliorer la floculation, la densification et la déshydratation de ces résidus miniers aqueux par de nouveaux polymères synthétiques. Des homopolymères d’acrylamide de différentes masses molaires ont été synthétisés pour étudier l’influence de la masse molaire sur l’efficacité de floculation. Le taux initial de sédimentation (TIS) est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de floculation des différents polymères. Il a été possible de confirmer l’importance de la masse molaire sur l’efficacité de floculation et de déterminer une masse molaire minimale d’environ 6 MDa pour des polyacrylamides, afin d’obtenir l’efficacité de floculation maximale de suspensions colloïdales principalement composées de kaolin. Afin d’étudier l’effet des charges sur l’efficacité de floculation, des polymères anioniques et cationiques ont été synthétisés. Une série de copolymères d’acrylamide et d’acide acrylique ont été synthétisés comme polymères anioniques et deux séries de copolymères ont été synthétisés comme polymères cationiques, soit des copolymères d’acrylamide et de chlorure de diallyldiméthylammonium et des copolymères de 4-vinyl pyridine et de 1-méthyl-4-vinyl pyridinium. Il a été démontré que les charges anioniques des polymères avaient peu d’influence sur l’efficacité de floculation et que leur comportement en présence de sels était différent de ce que prévoyait la littérature. Il a aussi été démontré que les charges cationiques des polymères n’améliorent pas l’efficacité de floculation. Par la suite, des séries de copolymères amphiphiles, avec des monomères d’acrylamide, de N-alkylacrylamides et d’acrylonitrile, ont été synthétisés, pour étudier l’effet du caractère amphiphile sur la déshydratation des résidus miniers. Le pourcentage de déshydratation nette est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de déshydratation des différents polymères. Il a été possible de développer des copolymères amphiphiles qui améliorent l’efficacité de déshydratation par rapport à des homopolymères d’acrylamide. Il ne fut pas possible de déterminer une tendance entre la balance hydrophile/hydrophobe des copolymères amphiphiles et l’efficacité de déshydratation.

Aggregation behaviour of hydrophobically modified poly(allylammonium) chloride

The behaviour of hydrophobically modified poly(allylammonium) chloride having octyl, decyl, dodecyl and hexadecyl side chains has been studied in aqueous solution using fluorescence emission techniques. Micropolarity studies using the I-1/I-3 ratio of the vibronic bands of pyrene show that the formation of hydrophobic microdomains depends on both the length of the side chain and the polymer concentration. The I-1/I-3 ratio of the polymers with low hydrophobe content (less than 5% mel) changes substantially when reaching a certain concentration. These changes are assigned to aggregation originating from interchain interactions. This behaviour is also confirmed by the behaviour of the monomer/excimer emission intensities of pyrene- dodecanoic acid used as a probe. For polymers having dodecyl side chains and hydrophobe contents higher than 10%, aggregates are formed independently of the polymer concentration. Anisotropy measurements show that microdomains resulting from the inter- and/or intramolecular interactions are similar to those observed for cationic surfactants. Viscosity measurements show that the coil dimensions are substantially decreased for the polymers having high hydrophobe contents, indicating intramolecular associations.

Development of hydrophilic nanocarriers for the charged form of the local anesthetic articaine

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Kontrolle der Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel mittels amphiphiler Polymere

Im Rahmen dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um die Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel zu kontrollieren. Es wurde eine effiziente und vielseitige Methode entwickelt, mit der in-situ hydrophobierte, formanisotrope ZnO-, CdS- und Au-Nanopartikel sowie poröse TiO2-Nanopartikel hergestellt werden konnten. Diese Technik basierte auf der Fällung anorganischer Nanopartikel in einer inversen Emulsion mittels kombinierten Einsatzes zweier maßgeschneiderter amphiphiler Polymere. Ein Copolymer ermöglichte sowohl die Stabilisierung der Emulsion als auch die Hydrophobierung der Partikel, und ein weiteres Struktur-dirigierendes Agens (SDA) kontrollierte den Kristallisationsprozess. Infolge ihrer Form zeigten die Nanopartikel von sphärischen Teilchen abweichende Lagen der Oberflächenplasmonenresonanz und der Bandlücke. Aufgrund der hervorragenden Hydrophobierung dieser Kolloide mittels amphiphiler Copolymere konnten diese homogen in polymere Materialien eingearbeitet werden. Dies erlaubte es die speziellen Eigenschaften von nicht-sphärischen Kolloiden auf Nanokompositmaterialien zu übertragen. Darüber hinaus wurden amphipolare Copolymere genutzt, um superhydrophobe Oberflächen zu generieren. Hierzu wurden Filme bestehend aus rauen SiO2-Nanopartikeln mit fluorierten Emulgatoren beschichtet. In einem dritten Schwerpunkt dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um anorganische Nanopartikel zu hydrophilieren. Durch Variation der Emulgatorzusammensetzung konnten die Ladung und Ladungsdichte auf der Partikeloberfläche gezielt gesteuert werden. Darüber hinaus konnte die Partikelhülle zusätzlich mit Farbstoffmolekülen funktionalisiert werden, was den erfolgreichen Einsatz der Kolloide in Zellaufnahmeexperimenten ermöglichte.

Synthesis, characterization and solution properties of amphiphilic N-isopropylacrylamide-poly(ethylene glycol)-dodecyl methacrylate thermosensitive polymers

Terpolymers of N-isopropylacrylamide, dodecyl methacrylate (DOMA) and poly(ethylene glycol) (PEG) methacrylate, were synthesized by random copolymerization, and the composition was controlled to achieve systems having different thermosensitivities. H-1 NMR spectra and gel permeation chromatography (GPC) were employed to characterize the different samples obtained. The solution properties were studied by employing spectrophotometry, fluorescence, and dynamic light scattering techniques. The chemical compositions in the final terpolymers are close to those in the feed. The polymers exhibited cloud point temperatures (T-es) varying from 17 to 52 degrees C. Micropolarity studies using I-1/I-3 ratio of the vibronic bands of pyrene show the formation of amphiphilic aggregates capable of incorporating hydrophobic drugs as the polymer concentration is increased. The critical aggregation concentration (CAC) increases from 3.6 x 10(-3) to 1 x 10(-2) g/l with the PEG content varying from 5 to 35 mol%. Anisotropy measurements confirm the results obtained by pyrene fluorescence and show that the aggregates resulting from intermolecular interactions present different organizations. The hydrodynamic diameters (Dh) of the aggregates determined by dynamic light scattering (DLS) vary from 40 to 150 nm depending on the terpolymer composition. The T-cs and Dh values decreased with the ionic strength, and this behavior was attributed to the dehydration of the polymeric micelles. The capacity of solubilization of the aggregates was evaluated by employing pyrene, and the obtained results confirm the ability to incorporate hydrophobic molecules. (c) 2005 Elsevier B.V All rights reserved.

From amphiphilic block copolymers to ferrocenyl-functionalized polymers for biosensoric applications

The present thesis can be divided in three main parts. In all parts new polymer architecturesrnwere synthesized and characterized concerning their special features.rnThe first part will emphasize the advantage of a polystyrene-block-(hyperbranchedrnpolyglycerol) copolymer in comparison to an analogue polystyrene-block-(linear polyglycerol)rncopolymer. Therefore a synthethic route to prepare linear block copolymersrnhas been developed. Two strategies were examined. One strategy was based on thernclassic, sequential anionic polymerization; the second strategy was based on arn“Click-Chemistry” coupling reaction. In a following step glycidol was hypergraftedrnfrom these block copolymers by applying a hypergrafting reaction with glycidol. Thernbehavior of the amphiphilic block copolymers synthesized was studied in differentrnsolvents. Furthermore the polarity of the solvent was changed to form the correspondingrninverse micelles. DLS, SLS, SEC-MALLS-VISCO, AFM and Cyro TEMrnmeasurements were performed to obtain a visual image from the appearance of thernaggregates. It was found that a linear-hyperbranched architecture is necessary, ifrnwell defined, monodisperse aggregates are required, e.g. for the preparation of orderedrnnanoarrays. Linear-linear block copolymers formed only polydisperse aggregates.rnAdditionally it was found that size distribution could be improved dramaticallyrnby passing the aggregates through a SEC column with large pores. The SEC columnsrnacted like a template in which the aggregates adopt a more stable conformation.rnIn the second part anionic polymerization was employed to synthesize silaneendfunctionalizedrnmacromonomers with different molecular weights based on polybutadienernand polyisoprene. These were polymerized by a hydrosilylation reaction inrnbulk to obtain branched polymers, using Karstedt’s catalyst. Surprisingly the additionrnof monofunctional silanes during the polymerization had only a minimal effect concerningrnthe degree of polymerization. It was possible to introduce silanes without increasingrnthe overall number of reaction steps by a very convenient “pseudo-copolymerization”rnmethod. All branched polymers were analyzed by SEC, SEC-MALLS,rnSEC-viscometry, 1H-NMR-spectroscopy and DSC concerning their branching ratio.rnThe branching parameters for the branched polymers exhibited similar characteristicsrnas hyperbranched polymers based on AB2 monomers. Detailed kinetic study showedrnthat the polymerization occurred very rapidly in comparison to the hydrosilylation polymerizationrnof classical AB2 type carbosilanes monomers.rnThe last part will deal with ferrocenyl-functionalized polymers. On the one hand,rnferrocenyl-functionalized polyglycerols (PG) were studied. Esterification of PGs withrndifferent molecular weight using ferrocenemonocarboxylic acid gave the ferrocenylrnfuntionalized polymers in high yields. On the other hand three different block copolymersrnwere prepared with different ratios of styrene to butadiene units (10:1, 4:1, 2:1).rnThe double bonds of the 1,2-PB block were hydrosilylated using silanes bearing onern(HSiMe2Fc) or two (HSiMeFc2) ferrocene units. High degrees of functionalizationrnwere obtained (up to 83 %). In this manner, six different ferrocenyl-rich block copolymersrnwith different fractions of ferrocene were prepared and analyzed, employingrnNMR-spectroscopy, SEC, SEC/MALLS/viscometry, DLS and cyclic voltammetry. Thernredox properties of the studied polymers varied primarily with the nature of the silanernunit attached. Additionally, the redox properties in solution of the studied polymersrnwere influenced by the block length ratio of the block copolymers. Unexpectedly, withrnincreasing block length of the ferrocenyl block the fraction of active ferrocenes decreased.rnNevertheless, in case of thin monolayer films this behaviour was not observed.rnAll polymers (PG and PS-b-PB based) exhibited good electrochemical propertiesrnin a wide range of solvents, which rendered them very interesting for biosensoricrnapplications.