Porous materials have garnered significant interest within scientific community mainly because of the possibility of engineering their pores for selective applications. Currently, much research has focused on improving the therapeutic indices of the active pharmaceutical ingredients engineered with nanoparticles. The main goal of this dissertation is to prepare targetable and biodegradable silica/organosilica nanoparticles for biomedical applications with a special focus on engineering particle pores. Herein, the design of biodegradable silica-iron oxide hybrid nanovectors with large mesopores for large protein delivery in cancer cells is described. The mesopores of the nanomaterials span 20 to 60 nm in diameter, and post-functionalization allowed the electrostatic immobilization of large proteins (e.g., mTFP-Ferritin, ~534 kDa). The presence of iron oxide nanophases allowed for the rapid biodegradation of the carrier in fetal bovine serum as well as magnetic responsiveness. The nanovectors released large protein cargos in aqueous solution under acidic pH or magnetic stimuli. The delivery of large proteins was then autonomously achieved in cancer cells via the silica-iron oxide nanovectors, which is thus promising for biomedical applications. Next, the influence of competing noncovalent interactions in the pore walls on the biodegradation of organosilica frameworks for drug delivery applications is studied. Enzymatically-degradable azo-bridged organosilica nanoparticles were prepared and then loaded with the anticancer drug doxorubicin (DOX). Controllable drug release was observed only upon the stimuli-mediated degradation of azo-bridged organosilica nanoparticles in the presence of azoreductase enzyme triggers or under hypoxia conditions. These results demonstrated that azo-bridged organosilica nanoparticles are biocompatible, biodegradable drug carriers and that cell specificity can be achieved both in vitro and in vivo. Overall, the results support the importance of studying self-assembly patterns in hybrid frameworks to better engineer the next generation of dynamic or “soft” porous materials.

In this work mesoporous organisilica materials are synthesized through the silica sol-gel process. For this a new class of precursors which are also surfactant are synthesized and self-assembled. This leads to a high surface area functionality which is analysized with copper (II) and water adsorption. / Im Rahmen dieser Arbeit werden mesoporöse Amin-funktionalisierte Organo-Silikate durch den Silika Sol-Gel Prozess hergestellt. Dabei werden neue Alkoxysilyl-Precursoren synthetisiert und condensiert die die gewünschte Funktion auf die Oberfläche dirigieren. Herstellt werden primäre, secundäre und chirale Amine. Die Oberflächenfunktionalität wird mit Kupfer (II) und Wasser Adsorption analysiert.

There is currently a great interest in the field of porous organosilica materials because of the high surface areas (> 1000 m²/g) and narrow pore size distributions which are beneficial for applications such as chromatography, chiral catalysis, sensing or selective adsorption. Periodic mesoporous organosilicas (PMOs) represent an interesting class of hybrid silica materials because of the wide variety of bridging organic groups which can be incorporated within the precursors [(OR)3Si-R-Si(OR)3] giving rise to materials with exceptional properties. We have synthesized and characterized various aromatic PMOs composed of supporting structural monomers (phenylene- or biphenylenebridged) and functional stilbene monomers (cis and trans) (1, 2). The effect of the different synthetic procedures and varying amounts of functional stilbene monomer on the properties of the materials was examined. The functional transstilbene component was determined to be well distributed in a phenylene-bridged PMO using P123 as a pore template from TEM techniques with Os staining. The trans-stilbene linkers were completely transformed to aryl aldehydes through ozonolysis with dimethylsulfide workup. Further transformation of the carbonyl functionality to an aryl imine showed a moderate level of success. Enantiomeric forms of a novel, chiral PMO precursor (CM) were synthesized and incorporated into biphenylene-bridged PMOs. Under basic pH conditions templated with C18TMACl, although very low levels of CM are incorporated, enantiomeric forms of chiral, porous materials are obtained as was verified by distinct mirror-image circular dichroism spectra. Powder XRD patterns suggest that a tightly packed asymmetric biphenylene arrangement may be necessary for the optical activity. Preliminary results using these materials as a chiral chromatographic phase are promising. Finally, a thin film morphology of an ethane-bridged PMO incorporating a thiol ligand, (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane, was prepared on a fibre optic cable and used as a component in a heavy-metal sensing application. / Thesis (Ph.D, Chemistry) -- Queen's University, 2011-03-11 17:24:48.997

Cette thèse s'intéresse à la préparation de silices hybrides organique/inorganiques à base de fragments alcaloïdes cinchona, et à une nouvelle méthode de synthèse de précurseurs silylés hydrolysables via une réaction ‘click' de CuAAC. La première partie de ce travail est dédiée à une présentation bibliographique du domaine de la catalyse supportée sur matériaux hybrides, et est principalement focalisée sur l'organocatalyse supportée, un champ de recherche en plein développement. Dans la seconde partie, différentes méthodes d'immobilisation d'alcaloïdes dans une matrice de silice sont décrites, dans le but de les utiliser comme organocatalyseurs pour une réaction de décarboxylation asymétrique. La troisième partie est dédiée à une nouvelle méthode de préparation de précurseurs silylés via une réaction de CuAAC. Cette méthodologie montre un potentiel important pour la formation de nouveaux composés fonctionnels. Finalement, la synthèse de nanoparticules de silice mésoporeuse contenant des groupes azoture ou alcyne et leur post-fonctionalisation sont présentées. / This thesis deals with the preparation of organic-inorganic hybrid silica based on cinchona alkaloids fragments and with a new method of synthesis for hydrolysable silylated precursors via CuAAC “click” reactions. The first part of this work is dedicated to a bibliographic presentation of the area of supported catalysis on hybrid materials and is mainly focused on supported organocatalysis, an emerging area of research. In the second part, different methods for immobilization of alkaloids within a silica matrix are described aiming at using them as organocatalysts for an asymmetric decarboxylation reaction. The third part is devoted to a new method of preparation of silylated precursors by CuAAC “click” reactions. This methodology shows a high potential in the formation of new functional compounds. Finally the synthesis of mesoporous silica nanoparticles bearing azide or alkyne groups and their post-functionalization by CuAAC reactions are presented.

This diploma thesis deals with the synthesis of an organosilica polymer which could be used as a binder for titanium dioxide photocatalytic layers. The main reason for incorporating the binder into the photocatalytic layers is not only the improving of the mechanical properties, but above all, the binder could help with production of low-temperature photocatalytic layers, that could be applied to heat-sensitive materials such as plastic materials. This could create layers on flexible materials that could be easily made into any shape. The work focuses on the synthesis of organosilica polymer from the organosilica precursor and subsequent characterization of the binder. Surface tension, viscosity, density, XRD, thermal analysis of silica binder solutions was performed. Titanium dioxide compositions with this binder were prepared, then they were printed and the layers were treated with UV and plasma. Treated layers were examined by FT-IR and a voltamperometric characterization was performed.

L'objectif de cette thèse est le développement de nouveaux échangeurs d'anions à base d’ionosilices. Différents matériaux contenant des entités ammoniums ont été synthétisés par la procédure d'hydrolyse-polycondensation à partir de précurseurs silylés d'ammonium. Ces solides, présentant différentes textures, différentes architectures ou des morphologies ont été obtenus en faisant varier des paramètres de réaction, comme par exemple la nature du tensioactif utilisé. Outre les caractérisations structurales et texturales (adsorption-désorption d’azote, DRX, MET / MEB), nous nous sommes concentrés sur les analyses plus détaillée des propriétés physico-chimiques de ces ionosilices. En particulier, elles présentent une contribution hydrophile élevée par rapport aux silices mésoporeuses classiques ou les organosilices du type PMO (Periodic Mesoporous Organosilica). En outre, ces propriétés interfaciales d’hydrophilie peuvent être modulées soit par l'utilisation de différents précurseurs d'ammonium, soit par l'incorporation par échange d'anions hydrophobes. Enfin, nous avons utilisé ces nouveaux matériaux pour la rétention d’espèces anioniques en milieu aqueux. Nos études montrent que ces ionosilices sont des échangeurs d'anions très efficaces présentant une capacité d'adsorption de Cr (VI) élevée (jusqu’à 2.5 mmol g-1). Ces matériaux possèdent également une capacité d’adsorption d’iodure élevée combinée à une bonne stabilité radiolytique pour des applications de rétention de radionucléides. Des résultats similaires ont été obtenus pour des polluants organiques anioniques tels que les principes actifs (le diclofénac, le sulindac et le p-aminosalicylate) ou des colorants (méthyl orange). Outre le grand potentiel d’application de ces matériaux dans les procédés de séparation, cette étude donne un aperçu intéressant de la morphologie des matériaux grâce à l'accessibilité presque complète des sites cationiques. Toutes ces caractéristiques font de ces matériaux des systèmes de choix pour les applications dans le traitement de l’eau polluée, le stockage à long terme des déchets radioactifs et en tant que support de catalyseur. / The objective of this thesis is the development of new anion exchangers based on ionosilica materials. Various materials containing ammonium groups were synthesized by template directed hydrolysis-polycondensation reactions starting from silylated ammonium precursors. Solids displaying different textures, architectures and morphologies were obtained via the modifications of reaction parameters, such as the nature of the used surfactant. Besides the standard structural and textural characterizations (N2 adsorption, XRD, TEM / SEM), we focused on a more detailed physico-chemical analysis of these original and innovative materials. Ionosilicas show an unusually high hydrophilicity compared to classical mesoporous silica or organosilicas of the PMO-type (Periodic Mesoporous Organosilica). Furthermore, the hydrophilicity of ionosilicas can be finely tuned either by the use of various ammonium precursors or the incorporation via exchange of hydrophobic anions. Finally, we used these new anion exchangers for the removal of various anionic species in aqueous media. Our studies show that ionosilicas are highly efficient anion exchanger displaying high capacity for the adsorption of Cr (VI) (up to 2.5 mmol g-1). These materials exhibit also high capacity of iodide combined with high radiolytic stability for radionuclides uptake. Similar results were obtained for organic anionic pollutants, e.g. drugs (diclofénac, sulindac and p-aminosalicylate) and dyes (methyl orange). Besides the high potential of these materials in separation processes, this study gives interesting insights in the materials morphology through the nearly complete accessibility of the cationic sites. All these features make ionosilicas materials of choice for solid-liquid separation processes in water treatment, depollution of industrial wastewater, the nuclear fuel cycle or catalytic support.

La nanomédecine activée à deux-photon est devenue l'un des principaux candidats à l'accomplissement de la sélectivité spatiotemporelle nécessaire pour la nanomédecine. En effet, la raison d'être de l'application médicale de nanotechnologie dans le domaine du traitement du cancer est de diminuer et supprimer les effets secondaires causés par les techniques actuelles telles que la chimiothérapie et la radiothérapie, à cause de leur manque de sélectivité. Parmi diverses nanoparticules (NPs), les nanoparticules de silice mésoporeuse (MSN) ont attiré une attention croissante dans la dernière décennie pour leur faible cytotoxicité, leur internalisation cellulaire et excrétion, et leur capacité de combiner de nombreuses fonctions à la fois pour le diagnostique et la thérapie de cancers via un seul nanovéhicule : l'ainsi appelée nanomédecine théranostique.Dans cette thèse, des MSN pour l'activation à un et deux-photon d'imagerie par fluorescence, de délivrance de principe actifs et d'acides nucléiques, et de photothérapie dynamique (PTD), seront présentées. Premièrement, le relargage contrôlé de molécules encapsulées dans des MSN fonctionnalisées avec des nanovalves est considéré par effet plasmonique. La photodégradation contrôlée de la silice soumise à l'effet photothermique de NPs d'or est ensuite étudiée. Deuxièmement, l'activation biphotonique est considérée pour la délivrance contrôlée de molécules anticancéreuses in-vitro par avec des nano-rotor et des nano-valves, ainsi que la fonctionnalisation de surface des NPs par des dérivés d'ammonium- azobenzene pour la délivrance d'acides nucléiques. Troisièmement, des MSN multifonctionnelles incorporant des photosensibilisateurs à deux-photon sont systématiquement étudiées en termes de leurs propriétés optiques et photophysiques; la sélection du meilleur matériau est suivie d'applications biomédicales in-vitro.De plus, deux types de nanomatériaux émergeant sont également élaborés pour la nanomédecine activée à deux-photon, des NPs de polysilsesquioxane pontés (BS) et d'organosilice mésoporeuse périodiques (PMO). Ces matériaux furent élaborés sans précurseur de silice (tétraéthoxysilane par exemple), et seulement à partir de bis- ou multi-organoalkoxysilane, afin d'obtenir le plus haut pourcentage de matière organique pour l'application ciblée. En conséquence, des NPs de BS et de PMO hybrides à base de disulfures se révélèrent être des outils biodégradables, et les NPs à base de photosensibilisateurs furent appliquées pour la PTD à deux-photon. Des NPs de BS et de cœur-coquille d'or-BS sont synthétisées pour d'efficaces imagerie et PTD à deux-photon, tandis que des NPs de PMO servirent de nano-plateformes théranostiques. En outre, diverse NPs de PMO multipodes à surface spécifique très élevées sont présentées pour la construction de structuration complexe à l'échelle nanométrique.Enfin, des nano-conteneurs d'MSN composées de cœur d'oxyde de fer (Fe3O4@MSN) sont décrites pour de multiples applications. D'une part, l'élaboration de NPs MSN (et PMO) magnétiques sensibles à deux-photon est étudiée en tant que perspective pour la délivrance de gène combinant l'imagerie par résonance magnétique. D'autre part, les conteneurs de Fe3O4@MSN sont misent en œuvre et appliqués pour la dépollution de métaux lourds via la fonctionnalisation d'un ligand de type acide diéthylène triamine penta acétique. L'augmentation de l'efficacité de la dépollution est étudiée par la fonctionnalisation de la surface extérieure et/ou des pores des Fe3O4@MSN. / Two-photon actuated nanomedicine has become one of the main proponents for the achievement of the spatiotemporal selectivity needed for nanomedicine. Indeed, the raison d'être of the medical application of nanotechnology in the field of cancer treatment is to lower and suppress the side effects caused by current techniques such as chemotherapy and radiotherapy, due to their lack of selectivity. Among various nanoparticles (NPs), mesoporous silica nanoparticles (MSN) have attracted increasing attention over the past decade for their low cytotoxicity, cellular internalization and excretion, and the ability to carry multiple features for both the diagnosis and therapy of cancers in a single nanovehicle: the so-called theranostic nanomedicine.In this dissertation, I will describe MSN for one and/or two-photon-actuated fluorescence imaging, drug-delivery, gene delivery and photodynamic therapy (PDT). First, plasmonically-triggered cargo delivery via MSN nanovalves and designed mesoporous silica photodegradation is presented. Then, in-vitro two-photon-triggered drug delivery with azobenzene-functionalized MSN such as nanoimpellers and fluorescent nanovalves, along with preliminary studies of gene delivery via ammonium-functionalized nanoimpellers are discussed. Multifunctional MSN incorporating a two-photon photosensitizer are systematically studied in terms of the resulting optical and photophysical properties of the NPs, and then used for in-vitro biomedical applications.Furthermore, two kinds of emerging nanomaterials are also designed for two-photon actuated nanomedicine, bridged silsesquioxane (BS) and periodic mesoporous organosilica (PMO) NPs. These nanomaterials are elaborated without silica precursor (e.g. tetraethoxysilane) and solely with bis- or tetra-organoalkoxysilanes, thus providing materials with the highest organic content for the targeted applications. Consequently, disulfide-based hybrid BS and PMO NPs were elaborated as biodegradable nanomedical tools, and photosensitizer-based BS and PMO NPs were used for efficient in-vitro PDT. BS and gold-BS core-shells NPs are constructed for ultrabright two-photon imaging and efficient PDT, while two-photon functionalized PMO NPs serve as theranostic nanocarriers. Besides, versatile multipodal ethylene-benzene PMO NPs with very high surface areas are presented as a promising strategy for the design of structural complexities at the nanoscale.Finally, iron oxide core MSN shell (Fe3O4@MSN) nanocontainers are described for versatile applications. The design of two-photon-sensitive magnetic MSN and PMO core-shell nanovehicles is presented as a perspective for gene delivery and magnetic resonance imaging. Furthermore, Fe3O4@MSN containers are constructed for heavy metal removal of twelve of the most toxic metal ions through the diethylene triamine pentaacetic acid (DTPA) ligand. The enhancement of the pollutant removal efficiency is studied by selective surface and/or porous DTPA functionalizations.

Nous visons dans ce travail de thèse à développer une méthodologie de fonctionnalisation par chimie click des silices hybrides synthétisées par voie sol-gel. La réaction click de cycloaddition azoture-alcyne catalysée au cuivre (CuAAC) offre une tolérance exceptionnelle pour les fonctions organiques en plus de conversions très élevées. Dans cette optique, nous avons mis en œuvre en premier lieu des matériaux clickables à base d'organosilice pure (organosilice à mésoporosité périodique (PMO) et silsesquioxanes pontés (BS)) qui ont permis une conversion quasi-quantitative de greffage par CuAAC. Nous avons ensuite utilisé cette particularité pour contrôler les propriétés de surface des BS en modifiant leur caractère hydrophile/lipophile. Dans le second axe de travail, nous nous sommes intéressés à l'apport de la chimie click pour la préparation de nanoparticules mésoporeuses de silice multifonctionnelles, dites mécanisées, pour des systèmes à délivrance contrôlée de principes actifs. / The present work aims to develop a trustful methodology of functionalization for hybrid silica materials made by the sol-gel process using the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC)Click reaction. This transformation can be highly useful in materials science thanks to its high conversions and the excellent functional group tolerance. In this prospect, we have synthesized fully clickable bridged silisesquioxanes and periodic mesoporous organosilica that show high extents of click grafting. CuAAC was then used for tailoring the surface of bridged silsesquioxane and fine-tuning the hydrophilic/lipophilic balance. Finally, the click reaction was used as an efficient way to obtain multiply functionalized mesoporous silica nanoparticles in order to make nanomachines for controlled delivery of cargo molecules.