Study of the calcification of PHEMA hydrogels using a two compartment permeation cell

To simulate the process of calcification in hydrogel implants, particularly calcification inside hydrogels, in vitro experiments using two compartment permeation cells have been performed. PHEMA hydrogel membranes were synthesized by free radical polymerization in bulk. The permeability and diffusion coefficient for Ca2+ ions at 37 ° C were determined using Fick's laws of diffusion. It was evident that Ca2+ ions either from CaCl2 or SBF solutions may diffuse through PHEMA hydrogel membranes. The fort-nation of calcium phosphate deposits inside the hydrogel was observed and attributed to a heterogeneous nucleation from diffusing calcium and phosphate ions. The morphology of the deposits both on the surface and inside the hydrogels was found to be similar, i.e. spherical aggregates with a diameter of less than one micron. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

In-vitro study of the spontaneous calcification of PHEMA-based hydrogels in simulated body fluid

In-vitro calcification of poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA)-based hydrogels in simulated body fluid (SBF) under a steady/batch system without agitation or stirring the solutions has been investigated. It was noted that the formation of calcium phosphate (CaP) deposits primarily proceeded through spontaneous precipitation. The CaP deposits were found both on the surface and inside the hydrogels. It appears that the effect of chemical structure or reducing the relative number of oxygen atoms in the copolymers on the degree of calcification was only important at the early stage of calcification. The morphology of the CaP deposits was observed to be spherical aggregates with a thickness of the CaP layer less than 0.5 mu m. Additionally, the CaP deposits were found to be poorly crystalline or to have nano-size crystals, or to exist mostly as an amorphous phase. Characterization of the CaP phases in the deposits revealed that the deposits were comprised mainly of whitlockite [Ca9MgH(PO4)(7)] type apatite and DCPD (CaHPO4 center dot 2H(2)O) as the precursors of hydroxyapatite [Ca-10(PO4)(6)(OH)(2)]. The presence of carbonate in the deposits was also detected during the calcification of PHEMA based hydrogels in SBF solution.

H-1 NMR study of the states of water in equilibrium Poly(HEMA-co-THFMA) hydrogels

The spin-spin relaxation times, T-2, of hydrated samples of poly(hydroxymethyl methacrylate), PHEMA, poly(tetrahydrofurfuryl methacrylate),PTHFMA, and the,corresponding HEMA-THFMA copolymers have been examined to probe the states of,the imbibed water in these polymers. The decay in the transverse magnetization of water. in fully hydrated samples of PHEMA, PTHFMA, and copolymers of HEMA and THFMA was described by a multiexponential function. The short component of T-2 was interpreted as water molecules that were strongly interacting with the polymer chains. The intermediate component of T-2 was assigned to water residing in the porous structure of the samples. The long component of T-2 was believed to arise from water residing in the remnants of cracks formed in the polymer network during water sorption.

Light-sensitive polymeric nanoparticles based on photo-cleavable chromophores

Der Fokus dieser Arbeit liegt in dem Design, der Synthese und der Charakterisierung neuartiger photosensitiver Mikrogele und Nanopartikel als potentielle Materialien für Beladungs- und Freisetzungsanwendungen. Zur Realisierung dieses Konzepts wurden verschiedene Ansätze untersucht.Es wurden neuartige niedermolekulare lichtspaltbare Vernetzermoleküle auf der Basis von o-Nitrobenzylderivaten synthetisiert, charakterisiert und zur Herstellung von photosensitiven PMMA und PHEMA Mikrogelen verwendet. Diese sind unter Bestrahlung in organischen Lösungsmitteln quellbar und zersetzbar. Durch die Einführung anionischer MAA Gruppen in solche PHEMA Mikrogele wurde dieses Konzept auf doppelt stimuliresponsive p(HEMA-co-MAA) Mikrogele erweitert. Hierbei wurde ein pH-abhängiges Quellbarkeitsprofil mit der lichtinduzierten Netzwerkspaltung in wässrigen Medien kombiniert. Diese duale Sensitivität zu zwei zueinander orthogonalen Reizen stellt ein vielversprechendes Konzept zur Kombination einer pH-abhängigen Beladung mit einer lichtinduzierten Freisetzung von funktionellen Substanzen dar. Desweiteren wurden PAAm Mikrogele entwickelt, welche sowohl eine Sensitivität gegenüber Enzymen als auch Licht aufweisen. Dieses Verhalten wurde durch die Verwendung von (meth-)acrylatfunktionalisierten Dextranen als polymere Vernetzungsmoleküle erreicht. Das entsprechende stimuliresponsive Profil basiert auf der enzymatischen Zersetzbarkeit der Polysaccharid-Hauptkette und der Anbindung der polymerisierbaren Vinyleinheiten an diese über photospaltbare Gruppen. Die gute Wasserlöslichkeit der Vernetzermoleküle stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Beladung solcher Mikrogele mit funktionellen hydrophilen Substanzen bereits während der Partikelsynthese dar. Ein weiteres Konzept zur Beladung von Mikrogelen basiert auf der Verwendung von photolabilen Wirkstoff-Mikrogel Konjugaten. In einem ersten Schritt zur Realisierung solch eines Ansatzes wurde ein neuartiges Monomer entwickelt. Hierbei wurde Doxorubicin über eine lichtspaltbare Gruppe an eine polymerisierbare Methacrylatgruppe angebunden. Für die Freisetzung hydrophober Substanzen in wässrigen Medien wurden polymere Photolack-Nanopartikel entwickelt, welche sich unter Bestrahlung in Wasser zersetzen. Die lichtinduzierte Änderung der Hydrophobizität des Polymers ermöglichte die Freisetzung von Nilrot durch das Auflösen der partikulären Struktur. Ein interessanter Ansatz zur Verhinderung einer unkontrollierten Freisetzung funktioneller Substanzen aus Mikrogelen ist die Einführung einer stimuliresponsiven Schale. In diesem Kontext wurden Untersuchungen zur Bildung von nicht-stimulisensitiven Schalen um vorgefertigte Mikrogelkerne und zur Synthese von Hydrogelkernen in vorgefertigten polymeren Schalen (Nanokapseln) durchgeführt.

Ortsgerichtete Modifikationen von Somatostatin-14 zur Darstellung von maßgeschneiderten Biohybridkonjugaten

Die hochspezifische Funktionalisierung von Proteinen und Peptiden kann durch milde reduktive Spaltung der lösungsmittelzugänglichen Disulfidbrücken und anschließende Rückverbrückung durch den Einbau sogenannter Linkermoleküle über einen konsekutiven Eliminierungs-Additionsprozess verwirklicht werden. Die Erweiterung des Linkerportfolios stellte in erster Instanz die Entwicklung von verschieden funktionalisierten Systemen dar, welche als hochflexible Kernbausteine für den Aufbau komplexer Architekturen dienten. Das Verständnis für die Reaktivität und Reversibilität der Thioladdition an die Mono-und Bissulfone in Abhängigkeit des Substituenten in p-Position konnte durch Variation von Parametern wie Lösungsmittel oder pH-Wert für intelligentes Produktdesign genutzt werden. Heterokonjugate zweier Biomoleküle mit ungepaartem Cystein wurden durch die Kombination von Maleinimid- und Bissulfonchemie innerhalb eines Linkermoleküls realisiert. Polymer-Peptid-Konjugate wurden einerseits über die grafting to Methode durch Modifizierung von Somatostatin mit PEGbissulfonen und anderseits durch grafting from unter Verwendung eines zuvor synthetisierten ATRP-Makroinitiators dargestellt. Multivalente Konjugate konnten durch die Synthese von hochsymmetrischen Tetra- sowie Hexasulfonen und anschließende Umsetzung mit Somatostatin erhalten werden. Die Polyinterkalatorpolymere, die durch lebende radikalische Polymerisation eines Bissulfidmonomers generiert wurden, wurden mit Glutathion umgesetzt. Durch die Interkalation von p-Ethinyl sowie p-Iodmonosulfon in die Disulfidbrücke von Somatostatin konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Rückverbrückung unter Rezyklisierung gelang. Die biologische Integrität wurde durch die Modifikation nicht beeinträchtigt und die erfolgreiche Aufnahme wurde nur bei den rezeptorpositiven Zellen (CAPAN-2) beobachtet. Das artifizielle Iodderivat im Vergleich zum nativen Somatostatin ein erhöhtes Potential zur Apoptoseinduktion. Die Somatostatinderivate präsentierten sich somit als attraktive potentielle Therapeutika.

Hydrogels for DNA isolation from blood

This dissertation describes the synthesis of surface attached hydrogel biomaterials, characterization of their properties, evaluation of structuring concepts and the investigation of these materials in the isolation of DNA from human whole blood. Photosensitive hydrogel precursor materials on the basis of hydroxyethylmethacrylate (HEMA) were synthesized by free radical polymerization. In order to obtain surface bound hydrogel films, the precursors were deposited on a suitable substrate and subsequently irradatiated with UV - light to accomplish the formation of crosslinks in the film and create surface attachment. The composition of the polymerization precursor materials was determined by comprehensive NMR and GPC studies, revealing the copolymerizationrnbehaviour of the used monomers - HEMA derivatives and the photocrosslinkerrnMABP - and their respective distribution in the hydrogel precursors. The degree of crosslinking of the hydrogels was characterized with UV/vis spectroscopy. Stress-strain measurements were conducted in order to investigate the mechanical properties of the biomaterials. Moreover, the swelling process and biomolecule adsorption properties of the hydrogels were investigated with SPR/OW spectroscopy. For this, the deposition and binding of the hydrogels on gold or SiO2 surfaces was facilitated with photocrosslinkable adhesion promotors. The produced hydrogels were mechanically rigid and stablernunder the conditions of PCR and blood lysis. Furthermore, strategies towards the increase of hydrogel surface structure and porosity with porosigens, 2D laser interference lithography and photocleavable blockcopolymers were investigated. At last, a combinatorial strategy was used for the determination of the usefulness of hydrogels for the isolation from DNA from blood. A series of functionalized hydrogel precursors were synthesized, transferred to the surface inside a PCR tube and subsequently screened in regard to DNA adsorption properties with Taqman quantitative PCR. This approach yielded a promising candidate for a functional PCR tube coating that would allow the entire DNA isolation procedure being carried out in a single reaction container.rnThereforce, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned to improve industrial DNA diagnostic processes.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

NMR imaging of the diffusion of water at 37 degrees C into poly(2-hydroxyethyl methacrylate) containing aspirin or vitamin B-12

The ingress of water into poly(2-hydroxyethyl methacrylate), PHEMA, loaded with either one of two model drugs, vitamin B-12 or aspirin, was studied at 37 degreesC using three-dimensional NMR imaging. PHEMA was loaded with 5 and 10 wt % of the drugs. From the imaging profiles, it was observed that incorporation of vitamin B-12 into PHEMA resulted in enhanced crack formation on sorption of water and the crack healing behind the diffusion front was slower than for PHEMA without added drug. This was accounted for by the anti-plasticization of PHEMA by vitamin B-12. Crack formation was inhibited in the P-HEMA-aspirin systems because of the plasticizing effect of the aspirin on the PHEMA matrix. All of the polymers were found to absorb water according to an underlying Fickian diffusion mechanism. For PHEMA loaded with 5 wt % of aspirin or vitamin B-12, the best values of the water diffusion coefficients were both found to be 1.3 +/- 0.1 x 10(-11) m(2) s(-1) at 37 degreesC, while the values for the polymer loaded with 10 wt % of the drugs were slightly higher, 1.5 +/- 0.1 x 10(-11) m(2) s(-1).

Mass uptake study of the diffusion of water and SBF into poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-tetrahydrofurfuryI methacrylate) containing aspirin or vitamin B-12

The ingress of water and Kokubo simulated body fluid (SBF) into poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), and its co-polymers with tetrahydrofurduryl methacrylate (THFMA), loaded with either one of two model drugs, vitamin 1312 or aspirin, was studied by mass uptake over the temperature range 298-318 K. The polymers were studied as cylinders and were loaded with either 5 wt% or 10 wt% of the drugs. From DSC studies it was observed that vitamin B-12 behaved as a physical cross-linker restricting chain segmental mobility, and so had a small anti-plasticisation effect on PHEMA and the co-polymers rich in HEMA, but almost no effect on the T-g of co-polymers rich in THFMA. On the other hand, aspirin exhibited a plasticising effect on PHEMA and the copolymers. All of the polymers were found to absorb water and SBF according to a Fickian diffusion mechanism. The polymers were all found to swell to a greater extent in SBF than in water, which was attributed to the presence of Tris buffer in the SBF. The sorptions of the two penetrants were found to follow Fickian kinetics in all cases and the diffusion coefficients at 310 K for SBF were found to be smaller than those for water, except for the polymers containing aspirin where the diffusion coefficients were higher than for the other systems. For example, for sorption into PHEMA the diffusion coefficient for water was 1.41 X 10(-11) m(2)/s and for SBF was 0.79 x 10-11 m(2)/s, but in the presence of 5 wt% aspirin the corresponding values were 1.27 x 10(-1)1 m(2)/s and 1.25 x 10(-11) m(2)/s, respectively. The corresponding values for PHEMA loaded with 5 wt% B-12 were 1.25 x 10(-11) m(2)/s and 0.74 x 10(-11) m(2)/s, respectively.

DOSY NMR studies of chemical exchange behavior of poly(2-hydroxyethyl methacrylate)

PFG-NMR was used to study the chemical exchange of linear PHEMA having a range of molecular weights with water in DMSO containing varying quantities of water. The aim was to investigate the use of PFG-NMR to study chemical exchange between a polymer with exchangeable protons and a small fast diffusing molecule to provide insight into the conformation adopted by a polymer in solution. The experimental data were simulated closely for the two-site exchange case using the Bloch equations modified for chemical exchange and diffusion. The exchange rate could be used to detect changes in polymer conformation resulting from changes in the solvent. PHEMA of MW 10 000 showed significant time-dependent changes in exchange rate, resulting from preferential solvation of the OH sites by water, and subsequent conformational changes which altered accessibility of the OH sites to water. This behavior was not observed for larger MW PHEMA, which adopted a stable conformation immediately. Large changes in the exchange rate were not reflected in changes to the hydrodynamic radius, suggesting that a minimal overall change in the chain dimensions occurred. DMSO was found to be a poor solvent for PHEMA, which adopts a compact conformation in DMSO. This work has demonstrated that PFG-NMR is a sensitive method for detecting subtle changes in polymer conformation in polymers with exchangeable protons.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.