Yes / Developing medical devices that resist bacterial attachment and subsequent biofilm formation is highly desirable. In this paper, we report the optimization of the molecular structure and thus material properties of a range of (meth)acrylate copolymers which contain monomers reported to deliver bacterial resistance to surfaces. This optimization allows such monomers to be employed within novel coatings to reduce bacterial attachment to silicone urinary catheters. We show that the flexibility of copolymers can be tuned to match that of the silicone catheter substrate, by copolymerizing these polymers with a lower Tg monomer such that it passes the flexing fatigue tests as coatings upon catheters, that the homopolymers failed. Furthermore, the Tg values of the copolymers are shown to be readily estimated by the Fox equation. The bacterial resistance performance of these copolymers were typically found to be better than the neat silicone or a commercial silver containing hydrogel surface, when the monomer feed contained only 25 v% of the “hit” monomer. The method of initiation (either photo or thermal) was shown not to affect the bacterial resistance of the copolymers. Optimized synthesis conditions to ensure that the correct copolymer composition and to prevent the onset of gelation are detailed. / Impact Accelerators Account at the University of Nottingham; Camstent Ltd; The Wellcome Trust (ref 085245 and 103882)

With the emergence of novel and more effective drug therapies, increased importance is being placed upon the methods by which these drugs are being delivered to the body. In conventional drug delivery systems, there is very little control over the release of drug. The effective concentration at the target site can be achieved by intermittent administration of grossly excessive doses, which, often results in constantly, unpredictable variations in plasma concentrations, with the risk of reaching levels below or above the therapeutic range leading to marked side effects. A plethora of formulation strategies mainly based on polymeric/lipid nanoparticles, are described in literature. Even though these systems are therapeutically advantageous in comparison to conventional systems, they remain insensitive to the changing metabolic states of the body although the symptoms of most metabolic diseases follow a rhythmic pattern.A more appropriate and effective approach of managing some of these conditions lies in the chronotherapy. This approach allows for pulsed or self-regulated drug delivery which is adjusted to the staging of biological rhythms, since the onset of certain diseases exhibits strong circadian temporal dependence. In order to reach the objective of mimicking the biophysical and biochemical processes of pathological states, many innovations in material design for drug delivery systems (DDS) that are able to release the therapeutic payload-on-demand were done to release the therapeutic agent only when it is required, according to the physiological need. The development of multidisciplinary research teams has brought huge advantages in the design, fabrication and utilization of such smart systems, especially in the pharmaceutical field. Interestingly, numerous smart polymeric materials exhibit a response to a specific stimulus. A step further, the elaboration of purpose-built monomers can give rise to compounds with tunable sensitivities or multi-stimuli responsiveness. These smart polymers demonstrate an active responsiveness to environmental (or external) signals and change their physicochemical properties as designed (e.g. conformation, solubility, shape, charge or size). As far as the stimuli are concerned, they consist of physical (e.g. temperature, ultrasound, light, electricity, magnetic or mechanical stress), chemical (e.g. pH, ionic strength) and biological signals (e.g. enzymes, biomolecules). Due to the intrapersonal variabilities which may make internal stimuli hazardous, externally controlled systems rely on externally applied stimuli that are produced by stimuli-generating devices, which results in pulsed drug delivery. This type of delivery may be rapid and allows a transient release of a determined amount of drug within a short period of time immediately after a pre-determined off-release period. A novel strategy for the formation of multi-stimuli responsive materials endowed with pH, magnetic and light sensitivity was achieved. The approach relied on the incorporation of magnetic tetrahalogenoferrate(III) anions along a polymeric backbone based on poly(2-(N,N-dimethylamino) ethyl meth-acrylate) (PDMAEMA). Starting from the same PDMAEMA, quaternized pending amine groups with various halide derivatives gave rise to magnetic materials after anion metathesis. Measuring the magnetic susceptibility of these materials exhibited that the magnetic susceptibility increased as the substituted group size decreased (become smaller) which was apparently related to the steric hindrance around the ionic pendants. Additionally, a good correlation between the magnetic susceptibility and ferric content was found. Additional experimental and theoretical Raman analyses allowed the determination of the nature of the magnetic species constituting the materials. This strategy further offers the opportunity to tailor the magnetic response through partial ammonium salt formation. In order to merge the magnetic properties of ferric-based materials with another stimuli-responsive functionality, random copolymers containing DMAEMA (D) with diazobenzene (A) unit were prepared. So, three copolymers PDA were synthesized (with targeted D/A ratios 4/6 (PDA4), 6/4 (PDA6) and 8/2 (PDA8)). Meanwhile, different degrees of amine quaternization (10, 50 and 100 %) were applied, which led to the following polymeric salts PDAX/Y where X = 4, 6, 8 (referring to the percentage of the DMAEMA unit) and Y = 10, 50 and 100 (referring to the percentage of quaternized amine groups). Finally, the aforementioned materials were converted into magnetic polymers by anion exchange. As a result, magnetic responses correlated well with amount of iron oxide in these compounds and the amount of ionic pending groups along the backbone. Moreover, the remaining tertiary amines conferred pH sensitivity to the polymers whereas the diazobenzene units ensured light responsiveness through the well-established trans-to-cis isomerization.In order to functionalize these materials in the pharmaceutical field, an intelligent delivery system was prepared. Firstly, an attempt to formulate riboflavin-5’-phosphate sodium (RPS) loaded on PDA8 microspheres was made using double emulsion evaporation method. Meanwhile, prednisolone (PRD) microspheres were prepared using s/o/w emulsion technique. Subsequently, coating systems of cochineal red tablets were developed. These tablets were coated with polymer solution (using each of three types of copolymers: PDA8, PDA6, and PDA4) until the desired percentage of the coating was achieved (10, 15, and 20 % w/w). The cumulative release profiles of cochineal red tablets coated with PDA8, PDA6, and PDA4 showed a pH-sensitive release behavior. The release in the neutral media (pH ≈ 7.0) was very slow (less than 3 % after one hour). Then, after changing the pH to 1.2, an increase in the release of cochineal was observed. Furthermore, the cumulative release of cochineal red was at the highest value for the PDA8 and the lowest for PDA4 depending on the percentage of PDMAEMA moieties. Moreover, by increasing the percentage of the coating from (10, 15 to 20 % w/w), the cumulative release of cochineal decreased. Therefore, the copolymer PDAX can be used for controlling the release of drug by changing the pH value.Finally, the cochineal tablets coated with PDA6 (10 %) showed features of light sensitivity. The release of cochineal red from coated tablets was only due to the switching in the conformational trans/cis isomerization of azobenzene moieties upon irradiation, which was confirmed by comparing the release of coated tablets with uncoated tablets upon irradiation. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail de thèse porte sur la synthèse de nouveaux monomères photopolymérisables issus de la biomasse, l’étude de leur photopolymérisation et la caractérisation des matériaux qui en résultent. Les monomères formulés ont été testés dans un procédé d’impression de caractères Braille.Les monomères ont été élaborés en deux étapes en utilisant un chemin réactionnel simple, économique et respectueux de l’environnement. La première étape a consisté à faire réagir des dérivés du glycérol (carbonate de glycérol ou glycidol) avec des acides gras. Dans un deuxième temps, les [alpha]-monoglycérides obtenus ont été fonctionnalisés en vue de les rendre photopolymérisables. Les différents monomères obtenus porteurs de fonctions (méth)acrylate et/ou époxy ont été photopolymérisés en quelques secondes en présence d’un photoamorceur. Les cinétiques de photopolymérisation ont été suivies par spectrométrie IR-TF en mode ATR et différents paramètres tels que la quantité et la nature du photoamorceur, l’intensité d’irradiation et la température ont été optimisés. Les différents matériaux obtenus après photoréticulation ont été caractérisés afin de mettre en évidence leurs principales physico-chimiques. Des relations structure – propriétés ont ainsi été établies.Enfin, une formulation photopolymérisable présentant une viscosité compatible avec le procédé d’impression Braille a été élaborée par ajout de silice nanométrique. Les points Braille obtenus présentent des caractéristiques proches de ceux réalisés par le partenaire industriel. / The work of the PhD deals with the synthesis of polymerizable monomers derived from biomass, the study of their photopolymerization and the characterization of the resulting materials. The formulated monomers were tested in a printing method of Braille characters.The monomers were prepared in a two-steps reaction that is simple, economic and environmentally friendly. The first step comprised a reaction between glycerol derivatives (glycerol carbonate or glycidol) and fatty acids. In the second step, the obtained [alpha]-monoglycerides were functionalized to obtain photopolymerizable monomers. The different obtained monomers that bear (meth)acrylate and/or epoxy groups were photopolymerized in a few seconds in the presence of photoinitiator.The photopolymerization kinetics were followed by FT-IR spectroscopy in ATR mode, and various parameters such as the amount and the nature of the photoinitiator, the irradiation intensity and the temperature were optimized. The different photocured materials were characterized to highlight their main physicochemical properties. Structure-properties relations were then established.Finally, a photopolymerizable formulation having a viscosity compatible with the printing process of Braille characters was developed by adding nanometric silice. The obtained Braille characters exhibited features close those carried out by the industrial partner.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 6 1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 10 1.1 Einleitung 10 1.2 Motivation und Zielsetzung 13 2 ALLGEMEINER TEIL UND THEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 2.1 Grundlagen der freien radikalischen Polymerisation 15 2.2 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) und Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMP) als Beispiele für kontrollierte radikalische Polymerisationen 25 2.3 Theorie zur Copolymerisation von Vinylmonomeren 34 2.4 Applikation von Ionischen Flüssigkeiten bei der radikalischen Polymerisation 43 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49 3.1 Iminbase/Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation von Vinylmonomeren 49 3.1.1 Empirische Befunde und Klassifizierung der IBI-Systeme 50 3.1.2 Ergebnisse zu den IBI-Polymerisationen mit unmittelbarem Verbrauch der Initiator- Komponenten (Typ A) 58 3.1.3 Verwendung der Iminbase–Isocyanat-Addukte zur Polymerisation von MMA 70 3.1.4 Ergebnisse der Polymerisationen mit Typ B IBI-Kombinationen 78 3.1.5 Bestimmung und Auswertung kinetischer Parameter der IBI-Polymerisation 85 3.1.6 Studien zum Initiierungsmechanismus durch die Iminbase/Isocyanat-Kombination 102 3.2 Iminbasen-(Meth-)Acrylat-induzierte (IBA) Polymerisation 124 3.2.1 Phänomenologische Untersuchungen zur IBA-Polymerisation 124 3.2.2 Kinetik der IBA-Polymerisation und mechanistische Studien 129 3.3 Beschleunigung beider Polymerisationstypen über die Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeit 143 3.3.1 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionischen Flüssigkeit mit den Reaktanden mit Hilfe der ATR-FT-MIR-Spektroskopie 144 3.3.2 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBI-Polymerisationen 151 3.3.3 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBA-Polymerisationen 162 3.4 Applikation der neuartigen Polymerisationssysteme zur Blockcopolymerisation 171 3.4.1 Oberflächenpolymerisation an Siliziumdioxid-Partikeln 172 3.4.2 Blockcopolymer-Synthese mit Typ A IBI-Oligomeren 186 3.4.3 Kammpolymer-Synthese über die Anwendung der IBI- bzw. IBA-Methode 192 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 200 5 EXPERIMENTELLER TEIL 208 5.1 Verwendete Geräte 208 5.2 Verwendete Chemikalien 210 5.3 Details zur Berechnung der Copolymerisationsparameter, Beladungen und Pfropfgrade 210 5.4 Synthesen und Polymerisationen 213 5.4.1 Allgemeine Vorgehensweise und Ergebnisse bei den Homo- und Copolymerisationen 213 5.4.2 Synthese der Iminbase–Isocyanat Addukte 222 5.4.3 Synthese der funktionalisierten Siliziumdioxid-Partikel und deren Oberflächenpolymerisation 236 5.4.4 Abspaltung von kovalent gebundenem PMMA mittels Dimethylsulfat / NaOCH3 242 5.4.5 Vorgehensweise bei der Verwendung der Spritzenpumpen-Apparatur 246 5.4.6 Synthese und Charakterisierung der organischen Blockcopolymere 247 6 LITERATURVERZEICHNIS 253 7 ANHANG 264 7.1 Kristallographische Daten zu den ermittelten Strukturen 264 7.2 Weiterführende Details zu den durchgeführten Konzentrations-Zeit-Beziehungen 278 7.2.1 Iminbase / Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation 278 7.2.2 Iminbase-(Meth-)Acrylat-vermittelte (IBA) Polymerisation 302 7.3 Fineman und Ross Beziehungen und Copolymerisationsdiagramme 314 7.4 Nachtrag zu den konzentrationsbezogenen IR-Messungen 322 DANKSAGUNG 324 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 327 LEBENSLAUF 328 LISTE AN VERÖFFENTLICHUNGEN 329