Magister Pharmaceuticae - MPharm / Background: Tenofovir disoproxil fumarate (TDF) and Zidovudine (AZT) are both nucleotide and nucleoside analogue reverse transcriptase inhibitors (NtRTIs and NRTIs), respectively. They are used for the management and prevention of the Human Immunodeficiency Virus (HIV) infection. These drugs are faced with oral delivery challenges such as low intestinal permeability and extensive first pass liver metabolism for TDF and AZT, respectively. Their use may also be limited by dose-dependent adverse effects, which may result in treatment failure when patients become non-compliant and non-adherent to their prescribed antiretroviral (ARV) regimen. Non-compliance and non-adherence to ARV regimen may lead to drug resistance and a need for change in regimen, which can be very expensive, not only financially but in terms of morbidity and mortality. To solve such issues, a new drug can be formulated, or an existing drug can be modified. The development and formulation of a new drug is time consuming and expensive, especially with no available data and a high probability of failure. Modifying existing drugs is a cheaper, less time-consuming option with lower probability of failure. Such modification can be achieved via non-covalent interactions using various methods such as preparation of nano-particulates with polymeric micelles (a non-covalent interaction). Polymeric micelles offer a variety of polymers to choose from for drug modification purposes. Purpose: The aim of this study was to formulate polymeric nanoparticles of TDF and AZT using different ratios of poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA), characterize the formulated nanoparticles (using the following analyses: particle size, zeta potential, encapsulation efficiency, hot stage microscopy, thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy), analyze for stability during storage (2-8˚C) and determine the release rate of the active pharmaceutical ingredients in the formulated nanoparticles. Methods: Nanoparticles were prepared using a modified version of the double emulsion (water-in-oil-in-water) solvent evaporation and diffusion method. Two ratios of PLGA (50:50 and 85:15) were used to prepare four formulations (two each of TDF and AZT). Thereafter, the physicochemical and pharmaceutical properties of the formulations were assessed by characterizing the nanoparticles for particle size, zeta potential, polydispersity index, percentage yield, release profile and particle morphology, using the suggested analytical techniques. Results: For TDF-PLGA 85:15, TDF-PLGA 50:50, AZT-PLGA 85:15 and AZT-PLGA 50:50, nanoparticles of 160.4±1.7 nm,154.3±3.1 nm,127.0±2.32 nm and 153.2±4.3 nm, respectively, were recovered after washing. The polydispersity index (PDI) values were ≤0.418±0.004 after washing, indicating that the formulations were monodispersed. The zeta potential of the particles was -5.72±1 mV, -19.1 mV, -12.2±0.6 mV and -15.3±0.5 mV for TDF-PLGA 85:15, TDF-PLGA 50:50, AZT-PLGA 85:15 and AZT-PLGA 50:50 respectively after washing. The highest percentage yield was calculated to be 79.14% and the highest encapsulation efficiency obtained was 73.82% for AZT-PLGA 50:50, while the particle morphology showed spherical nanoparticles with signs of coalescence and aggregation for all formulated nanoparticles. The release profiles were biphasic; that is, an initial burst which indicated the presence of surface API followed by sustained release. Comparing the release profiles of AZT and TDF at pH 1.2 and 7.4, it was indicative that more AZT was released at pH 1.2 while more TDF was released at pH 7.4. On computing the release data further into various mathematical models, the Weibull model was found to be the best fit. The loaded nanoparticles showed an increase in stability after washing; however, they showed signs of gradual decrease in stability after 10 days of storage at 2-8°C. Conclusions: Relatively small, spherical and smooth nanoparticles were formulated. The nanoparticle release profile was indicative of sustained release; however, there was no conclusive indication that 48 hours duration was sufficient to release all encapsulated drug. Further studies with an increased API or polymer ratio in the formulation needs to be performed to determine if the encapsulation efficiency can be improved and in-vivo studies are required for a better understanding of the API release from formulations as well as its absorption in the body.

A number of MIR sensing platforms and methods were developed in this research work demonstrating potential applicability of MIR spectroscopy for studying hydrocarbon systems in extreme environments. First of all, the quantitative determination of the diamondoid compound adamantane in organic media utilizing IR-ATR spectroscopy at waveguide surfaces was established. The developed analytical strategy further enabled the successful detection of adamantane in real world crude oil samples. These reported efforts provide a promising outlook for detection and monitoring of diamondoid constituents in naturally occurring crudes and petroleum samples. IR-ATR spectroscopy was further utilized for evaluating and characterizing distribution, variations, and origin of carbonate minerals within sediment formations surrounding a hydrocarbon seep site - MC 118 in the Gulf of Mexico. An analytical model for direct detection of 13C-depleted authigenic carbonates associated with cold seep ecosystems was constructed. Potential applicability of IR-ATR spectroscopy as direct on-ship - and in future in situ - analytical tool for characterizing hydrocarbon seep sites was demonstrated. MIR evanescent field absorption spectroscopy was also utilized to expand the understanding on the role of surfactants during gas hydrate formation at surfaces. This experimental method allowed detailed spectroscopic observations of detergent-related surface processes during SDS mediated gas hydrate formation. The obtained IR data enabled proposing a mechanism by which SDS decreases the induction time for hydrate nucleation, and promotes hydrate formation. Potential of MIR fiberoptic evanescent field spectroscopy for studying surface effects during gas hydrate nucleation and growth was demonstrated. Next, quantifying trace amounts of water content in hexane using MIR evanescent field absorption spectroscopy is presented. The improvement in sensitivity and of limit of detection was obtained by coating an optical fiber with layer of a hydrophilic polymer. The application of the polymer layer has enabled the on-line MIR detection of water in hexane at low ppm levels. These results indicate that the MIR evanescent filed spectroscopy method shows potential for in-situ detection and monitoring of water in industrial oils and petroleum products. Finally, quantification of trace amounts of oil content in water using MIR evanescent field absorption spectroscopy is reported. Unmodified and modified with grafted hydrophobic polymer layer silver halide optical fibers were employed for the measurements. The surface modification of the fiber has enabled the on-line MIR analysis of crude oil in water at the low ppb level. Potential application of MIR fiber-optic evanescent field spectroscopy using polymer modified waveguides toward in-situ low level detection of crude oil in open waters was demonstrated.

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Une nouvelle famille de dérivés amphiphiles du dextrane a été obtenue par réaction du dextrane avec le 1,2-époxydodécane en milieu basique. Deux voies de synthèse ont été étudiées. La première en milieu aqueux dispersé n’a permis d’obtenir que des taux de modification faibles (< 10 %) car l’homopolymérisation de l’époxyde est prépondérante. Au contraire, la réaction en milieu organique homogène a permis la synthèse de dérivés dont le taux de modification atteint 164 %. Des émulsions huile dans eau ont été préparées par sonication en présence de plusieurs dérivés hydrosolubles (τ ≤ 25 %). La fraction volumique d’huile (hexadécane ou nujol) est comprise entre 10 % et 50 %. La taille des gouttelettes augmente avec la fraction volumique d’huile mais ne dépend pas du taux de modification du dextrane entre 10 et 25 %. Ces émulsions ont un comportement de gel d’autant plus marqué que la fraction volumique d’huile dispersée augmente. Des émulsions inverses eau : chloroforme, stables pendant au moins 2 mois, ont été obtenues par sonication en présence de dérivés organosolubles (τ = 164 %). Le processus dynamique d’émulsification sous cisaillement a été étudié pour des émulsions directes (hexadécane / eau) dont la fraction volumique d’huile était comprise entre 10 et 60 % et pour différents gradients de vitesse. Un suivi continu in situ de la viscosité des émulsions et du rayon des gouttes formées montre que le temps caractéristique d’émulsification dépend du gradient de vitesse et du rapport des viscosités mais pas de la fraction volumique d’huile dispersée. Dans le cas d’un système newtonien, la viscosité finale et la taille finale des gouttes dépendent du gradient de vitesse appliqué alors qu’elles sont invariantes dans le cas du système non newtonien sur tout l’intervalle exploré / A new family of amphiphilic dextran derivatives was obtained by reaction of 1,2-epoxydodecane on dextran in basic medium. Two reaction procedures were examined. The first one was carried out in biphasic medium but produced only low degrees of hydrophobic substitution. Epoxide homopolymerization was indeed predominant. On the contrary, the reaction in a homogeneous organic medium allowed the synthesis of dextran derivatives with substitution degrees as high as 164 %. Oil-in-water emulsions were prepared by sonication in the presence of different hydrosoluble derivatives (τ ≤ 25 %). Oil volume fraction (hexadecane or nujol) ranged from 10 % to 50 %. The size of the emulsion droplets increased with the oil volume fraction but did not depend on the substitution degree of modified dextran between 10 and 25 %. These emulsions behave like a gel which strengthened with the oil volume fraction. Water-in-oil emulsions (water in chloroform) were obtained by sonication in the presence of organosoluble derivatives (τ = 164 %). They were stable over at least two months.Furthermore, dynamic emulsification process under shear flow was investigated for oil-in-water emulsions (hexadecane in water). The volume fraction of oil ranged from 10 % to 60 % and various shear rates were applied. Simultaneous in situ measurements of viscosity of emulsions and droplet size were performed. The characteristic time of emulsification depended on shear rate and viscosity ratio but was independent of the oil volume. For the newtonian system, final shear stress and final droplet size depended on the applied shear rate while they were invariant in the non newtonian system

Les émulsions doubles de type eau-dans-huile-dans-eau (E/H/E) sont des systèmes dans lesquels des globules gras sont dispersés dans une phase continue aqueuse. De par leur structure compartimentée, ces systèmes permettent d’encapsuler des composés hydrosolubles au niveau des gouttelettes aqueuses internes. Néanmoins, leur utilisation requiert la maîtrise de leur stabilité thermodynamique et la compréhension des mécanismes mis en jeu au cours de la libération des espèces encapsulées. C’est dans ce contexte que différents paramètres de formulation, i.e., nature de l’huile, concentration en émulsifiant hydrophile, fraction volumique en globules gras, complexation de l’espèce encapsulée ont été testés de manière à appréhender leur influence sur la libération des ions magnésium. Les constituants utilisés pour la préparation des émulsions E/H/E sont de grade alimentaire en vue de leur application dans les secteurs pharmaceutique ou alimentaire. La fuite des ions magnésium s’effectue essentiellement par un mécanisme de diffusion/perméation. Un modèle basé sur la diffusion du magnésium à travers la phase huileuse a été proposé, prenant en compte le coefficient de perméation de l’espèce ionique, la chélation du magnésium et l’ajustement des pressions osmotiques entre les phases interne et externe. Ainsi, le coefficient de permétation dépend de la localisation et de la concentration du chélatant, mais n’est que faiblement influencé par la pression osmotique. De plus, ce coefficient évolue au cours du temps notamment pour les fractions volumiques en globules gras élevés. / Double water-in-oil-in-water (W/O/W) emulsions are systems in which fat globules are dispersed in an aqueous continuous phase. They provide a compartmented structure that allows the encapsulation of hydrosoluble compounds in the internal aqueous droplets. Nevertheless, the application of multiple emulsions is limited by their thermodynamical instability and the possible diffusion of hydrosoluble matter from one aqueous phase to the other one through the oil layer. In this context, the influence of several formulation parameters (oil nature, hydrophilic emulsifier concentration, oil globule mass fraction, complexation of the encapsulated species) was investigated relatively to magnesium release. All the ingredients used were food grade to match pharmaceutical and food application requirements. Magnesium leakage occurred without film rupturing. A model based on diffusion was proposed in which the rate of release was determined by the permeation coefficient of magnesium across the oil phase, by magnesium chelation and by the osmotic pressure mismatch between the internal and external aqueous phases. The permeation coefficient depended on the chelating agent location and concentration but was poorly influenced by the osmotic pressure. Moreover, the permeation coefficient evolved with time, especially at high oil globule fractions.

Les nanoémulsions sont des formulations intéressantes pour des applications telles que les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et les produits alimentaires. Elles peuvent être produites par des techniques à basse ou haute énergie. Dans ce travail, un procédé impliquant une pression modérée, l'émulsification membranaire par prémix a été proposé comme alternative. Des nanoémulsions huile-dans-eau (H/E) et eau-dans-huile (E/H) ont été produites avec une installation à l'échelle pilote composée d'un pousse-seringue à haute pression et d'une membrane Shirasu Porous Glass (SPG). Tout d'abord, l'influence des nombreux paramètres de procédé et de composition sur la taille des gouttelettes et la pression résultante a été étudiée avec des compositions modèles afin d'optimiser la production. Ainsi, des nanoémulsions H/E d'environ 260 nm et E/H d'environ 600 nm ont été produites avec succès. Puis, le montage a été utilisé pour produire des nanoémulsions de compositions spécifiques, des nanoémulsions H/E et E/H stabilisées avec des tensioactifs polypeptidiques et une nanoémulsion H/E adaptée à l'injection. Enfin, le procédé développé a été comparé à deux procédés à haute énergie traditionnels, le microfludiseur et les ultrasons en termes de taille des gouttelettes et de conservation d'actifs. Aucune différence entre les procédés n'a été observée en ce qui concerne la préservation de l'acif choisi. Cependant, en ce qui concerne la taille, les nanoémulsions produites par les membranes ont présenté des gouttelettes monodisperses de 335 nm par rapport aux autres procédés qui ont produit des nanoémulsions d'environ 150 nm de taille moyenne mais contenant aussi des gouttelettes de taille micrométrique détectées par diffraction laser et microscopie optique. Pour cette raison, les nanoémulsions produites par procédé membranaire conviennent également pour des applications parentérales sans étape de filtration supplémentaire / Nanoemulsions are interesting carriers for applications such as cosmetics, pharmaceutical and food. They are produced usually by low or high energy techniques. In this work, a process involving moderate pressure, premix membrane emulsification (PME) was proposed as an alternative. Oil-in-water (O/W) and water-in-oil (W/O) nanoemulsions were produced with a pilot scale set-up composed of a controlled high pressure syringe pump and Shirasu Porous Glass (SPG) membrane. First, the influence of process and composition parameters on droplet sizes and pressures was extensively studied with model compositions to optimize the production. Thus, nanoemulsions down to 260 nm for O/W and around 600 nm for W/O were successfully produced. Then, the set-up was used to produce nanoemulsions of specific compositions: O/W and W/O nanoemulsions stabilized with polypeptidic surfactants and O/W nanoemulsions suitable for injection. Finally, the set-up developed was compared to two traditional high energy processes, microfludizer and ultrasound in terms of droplet size and active preservation. No real difference between the three processes was seen on active preservation with the model active chosen. However, regarding droplet size, PME produced monodispersed droplets of 335 nm compared to the other processes which produced nanoemulsions of around 150 nm but with the presence of micron size droplets detected by laser diffraction and optical microscopy. Therefore, PME nanoemulsions are also suitable for parenterals applications with no additional filtration step required

Evolución dirigida de proteínas: La evolución dirigida es una técnica que nos permite explorar funciones enzimáticas que no son requeridas en el ambiente natural. Esta técnica, simula procesos genéticos naturales y de selección. Esta estrategia se utiliza cuando un diseño racional es muy complicado. Consiste en una repetición de ciclos de diversificación y selección que llevan a la acumulación de mutaciones benéficas. Aquí se presenta dos ejemplos de evolución dirigida con los cuales se ha trabajado directamente: la ADN polimerasa del organismo  Thermus aquaticus usada comúnmente en PCR, y la proteína LacI que regula la expresión de genes usados para el metabolismo de lactosa en E. Coli. / Directed evolution allows us to explore protein functionalities not required in the natural environment. It mimics natural genetic processes and selective pressures. This approach is used when the molecular basis is not completely understood and rational design is a difficult task. This approach consists of serial cycles of consecutive diversification and selection which eventually lead to the accumulation of beneficial mutations. Here are presented two cases where directed evolution is used to modify two different proteins: Taq polymerase, enzyme used for DNA extension in PCR, and the LacI repressor protein which regulates gene expression on E.coli.

Ce travail a pour vocation d’évaluer la potentialité de différents hydrogels sensibles au glucose pour la délivrance d’insuline en vue de développer de nouveaux traitements du diabète. Les systèmes doivent être biocompatibles et pouvoir se résorber in vivo. Pour cela, nous avons choisi d’utiliser un polysaccharide, l’acide hyaluronique (HA), dégradable par voie enzymatique. La réticulation est obtenue par une polymérisation radicalaire de méthacrylates, ou par couplage thiol-ène. La sensibilité au glucose est apportée par l’introduction de fonctions acide phénylboronique (PBA), connues pour former des liaisons ester réversibles avec les diols des saccharides. Deux types de gels sont étudiés : les gels simples où le PBA seul est greffé sur le HA, et des gels doublement réticulés où des motifs maltose sont greffés sur le HA et forment un deuxième réseau, dissociable par ajout de glucose.Dans ce travail, nous avons cherché à démontrer les capacités de cette classe de matériaux à encapsuler et délivrer l’insuline selon les pharmacocinétiques adaptées à l’application. La cinétique étant dépendante de la taille des gels, nous avons travaillé à plusieurs échelles, du macroscopique à l’échelle nanométrique, principalement visée pour une libération dans la circulation sanguine. Des particules de gel sont préparées à des échelles nanométriques et micrométriques grâce à des émulsions eau-dans-huile, obtenues respectivement par homogénéisation à haute pression et par microfluidique. Les gouttes formées servent de micro/nanoréacteurs où se produit la réticulation photoamorcée du HA préalablement modifié. L’échelle micrométrique a été choisie pour étudier plus précisément les interactions de l’insuline ainsi que des protéines modèles avec les matrices, grâce à la microscopie confocale qui permet de sonder la distribution des protéines dans le réseau. Nous avons ainsi étudié les propriétés d’encapsulation et de libération ainsi que les propriétés de gonflement des gels. L’impact de la composition et de la structure des gels est ainsi mis en évidence permettant d’optimiser les choix de formulation pour proposer une solution de libération contrôlée de l’insuline. Enfin l’encapsulation et le relargage d’insuline en présence de sucre est étudiée de manière quantitative pour des macrogels, dont la composition a été optimisée. / This work aims to evaluate potential glucose sensitive hydrogels formulations as new medicine to treat diabetes. The gels have to be biocompatible and bioresorbable in vivo. To do so, we choose matrices of polysaccharide enzymatically degradable made of hyaluronic acid (HA). Crosslinking of the HA is done by radical polymerization reactions using methacrylates or thiol-ene chemistry. Glucose sensitivity is introduced thanks to phenylboronic acid moieties (PBA). PBAs are known for their ability to create reversible bonding with diols from saccharides. Two kind of gels are studied: simples ones where PBAs are grafted on the matrix, and doubly crosslinked ones where maltose groups grafted on HA form a second network, which can dissociate upon glucose addition. We investigated the ability of these materials to encapsulate and deliver insulin with the good pharmacokinetics. As kinetics depend on gel sizes, we worked at different scales, from macroscopic to nanometric scale, which allows release in the blood stream. Nano and microgels are prepared thanks to water-in-oil emulsions using respectively high pressure homogeneiser or microfluidic devices. Droplets formed are used as nano/microreactors where crosslinking of modified HA is photoinitiated. Micrometric scale is chosen to study interactions between insulin and model proteins with gel matrices, using confocal microscopy. This technique allows to study composition and structural effects. Encapsulation and release of proteins are studied as well as swelling variations. Then, encapsulation and release of insulin upon addition of monosaccharide is investigated quantitatively for macrogels, after formulation optimization.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:08:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PatriciaRFC_DISSERT.pdf: 3052706 bytes, checksum: 187fb21e02f9cda7fb573aba65cc8c25 (MD5) Previous issue date: 2014-02-06 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / A polui??o das ?guas decorrentes do contato com os derivados de petr?leo em postos de combust?vel tem se apresentado como um problema agravante. Cada vez mais estudos relacionam problemas ambientais com essas situa??es e procuram propor algumas solu??es para o tratamento das ?guas e solos que s?o contaminados pelos compostos org?nicos: benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos - BTEX, TPH e HPA S presentes nesses derivados de petr?leo. As t?cnicas eletroqu?micas vem tomando lugar de destaque nesse cen?rio, pela sua efici?ncia, baixo custo e por n?o gerar res?duos. O presente trabalho visa caracterizar o efluente proveniente de caixas separadoras de ?gua e ?leo de postos de combust?veis, bem como analisar a efici?ncia de remo??o de compostos org?nicos com diferentes tipos de pares de eletrodos sendo eles: Ti/Pt e Ti/IrO2-Ta2O5a fim de comprovar, qual par de eletrodo desempenham melhor essa fun??o. As an?lises de Carbono Org?nico Total (COT), Demanda Qu?mica de Oxig?nio (DQO), Cromatografia Gasosa (CG) e Teor de ?leos e Graxas (TOG), na amostra de ?gua coletada na sa?da caixa separadora confirmou a presen?a de compostos org?nicos em altas concentra??es no efluente, bem como comprovou a remo??o dos mesmo ap?s as 4 horas de tratamento com varia??es de corrente de 10,20,30 mA/cm2 efetuadas nesse trabalho, foi poss?vel constatar em alguns casos remo??o superiores a 99,36%

Ces travaux entrent dans la cadre du projet européen Fundamental and Applied Studies on Emulsion Stability (FASES). L'objectif de ce projet est de comprendre les phénomènes responsables de la déstabilisation des émulsions dans le temps, en relation avec les propriétés interfaciales de ces systèmes. Les travaux de thèse décrits dans ce mémoire se divisent en deux parties : ils portent tout d'abord sur la fabrication de gouttes d'émulsions eau-dans-huile par un procédé microfluidique, puis sur l'étude de la taille et de l'état de dispersion des gouttes sur la cristallisation de l'eau dispersée. Dans un premier temps, nous avons étudié les conditions opératoires permettant de fabriquer des gouttes de taille contrôlée par microfluidique avec le système de fluides mis en œuvre dans le projet FASES. Suivant le mode d'introduction des phases liquides, soit les débits, soit les pressions appliquées, ont été modifiés pour délimiter les zones de fabrication des gouttes. Afin de mieux comprendre les différences observées entre les deux modes d'introduction des fluides, un modèle reposant sur l'analogie entre circuits électriques et circuits microfluidiques a été proposé. Dans un second temps, les émulsions obtenues avec le dispositif microfluidique ont été analysées par calorimétrie et par thermo-microscopie. Les expériences ont permis de mettre en évidence, suivant les conditions étudiées (viscosité, taille des gouttes), différents processus de cristallisation des gouttes. Ces résultats mettent en avant directement le rôle du phénomène de sédimentation, les signaux de congélation observés dépendant fortement de l'état de dispersion des gouttes d'émulsion. / This thesis takes place in the framework of the European project FASES (Fundamentaland Applied Studies on Emulsion Stability). The aim of this project is to understand the phenomena responsible for emulsions destabilization, in relation with the interfacial properties of these systems. The research work described in this thesis is divided into twoparts : the first part deals with the creation of water-in-oil emulsion droplets in a microfluidic device, and in the second part, the influence of the size and the state of dispersion of the droplets on the crystallization of dispersed water is analyzed.To begin with, the operating conditions required to create emulsion droplets by microfluidic were studied. Two modes of introduction of the liquid phases, based on flow and pressure-driven techniques, were used to create the droplets. Maps of the droplet formation regions were drawn as a function of the applied flow rates and pressures. In order to compare the two processes, a model based on the analogy between electrical and microfluidic circuits was proposed.Then, emulsions obtained with the microfluidic device were analyzed by calorimetry and thermo-microscopy. The experimental results evidenced different droplet crystallization processes, depending on the system parameters (oil phase viscosity, droplet size …). The water freezing signals strongly depend on the state of dispersion of the droplets, showing themajor role of droplet sedimentation in the emulsion destabilization process.