The oral route of administration remains the preferred route of administrating drugs due to patient acceptance and compliance. Therapeutic proteins are currently mainly administered by means of the parenteral route because of its low intestinal epithelial permeation capability. The major challenges for oral delivery of proteins and peptides are pre-systemic enzymatic degradation and poor penetration of the intestinal mucosa. The latter can be overcome by including safe and effective absorption enhancers in dosage forms. Aloe vera, Aloe ferox and Aloe marlothii gel materials as well as N-trimethyl chitosan chloride (TMC) were shown to be capable of increasing peptide drug transport across in vitro models such as Caco-2 cell monolayers. The purpose of this study is to investigate binary combinations of chemical drug absorption enhancers and to determine if synergistic drug absorption enhancement effects exist. A. vera, A. ferox and A. marlothii leaf gel materials as well as with N-trimethyl chitosan chloride (TMC) were combined in different ratios and their effects on the transepithelial electrical resistance (TEER) as well as the transport of FITC-dextran across Caco-2 cell monolayers were measured. The isobole method was applied to determine the type of interaction that exists between the absorption enhancers combinations. The TEER results showed synergism existed for the combinations between A. vera and A. marlothii, A. marlothii and A. ferox as well as A. vera and TMC. Antagonism interactions also occurred and can probably be explained by chemical reactions between the chemical permeation enhancers such as complex formation. In terms of FITC-dextran transport, synergism was found for combinations between A. vera and A. marlothii, A. marlothii and A. ferox, A. vera and TMC, A. ferox and TMC and A. marlothii and TMC, whereas antagonism was observed for A. vera and A. ferox. The combinations where synergism was obtained have the potential to be used as effective drug absorption enhancers at lower concentrations compared to single components. / MSc (Pharmaceutics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015

Les acides ont été abordés pour leur capacité unique à forger des ponts H et pour l'étude de la réaction de dissociation d'un acide. Les propriétés des acides aux surfaces sont mal connues et sont particulièrement intéressantes dans le contexte actuel visant la compréhension et le contrôle de paramètres environnementaux et atmosphériques. Les surfaces des objets dans les zones habitées sont généralement recouvertes d'une couche d'eau. L'état de la molécule acide dans cette strate superficielle est capital pour la chimie atmosphérique. Dans la première partie de cette thèse, l'analyse vibrationnelle est utilisée pour comprendre la nature du couplage vibrationnel entre les modes d'élongation de HF et de cisaillement de H2 O qui sont colinéaires à la liaison hydrogène entre ces deux molécules. Le potentiel intermoléculaire ressenti par ces deux molécules étant unique, il correspond aux forces ressenties dans les deux phénomènes. L'identification de la nature de ce potentiel, davantage covalent (partage électronique et recouvrement orbitalaire) ou davantage électrostatique (interactions coulombiques ou dipolaires), a révélé que l'utilisation d'une approximation électrostatique dans le contexte d'un pont hydrogène fort est insuffisante. Ces interactions intermoléculaires sont mal représentées qualitativement et quantitativement par un potentiel de type coulombien. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse au p Ka de l'acide nitrique à la surface de l'eau. Pour sonder l'état de la molécule, la spectroscopie d'absorption des rayons est particulièrement appropriée : la distinction entre l'acide nitrique et le nitrate est entièrement caractérisée par leur structure électronique, soit les états sondés par l'absorption des rayons X. L'empreinte spectrale de la liaison N - OH antiliante sert de critère pour identifier la présenc-e d'acide nitrique moléculaire à la surface de l'eau amorphe. Les spectres de l'acide nitrique moléculaire et de l'ion nitrate en solution dans l'eau amorphe sont ensuite utilisés pour décomposer les spectres NEXAFS au seuil de l'azote suivant une procédure d'optimisation (moindres carrés). En utilisant l'isotherme de Langmuir, un recouvrement saturant d'adsorption dissociative d'acide nitrique sur l'eau amorphe 0.25 L a été identifié à une température de 80 K. Pour étudier la dissociation en fonction de la température, l'acide nitrique a été dosé à 23 K puis chauffé. Lorsqu'il est chauffé, l'acide nitrique se dissocie davantage à la surface de l'eau amorphe. Cet effet est lent jusqu'à T > 110 K où la diffusion des molécules d'eau de surface est plus rapide. L'acide nitrique se dissocie alors complètement, même si le recouvrement choisi était supérieur au recouvrement de saturation. Comme le comportement est irréversible suite à un retour à 23 K, il a été conclu que l'acide nitrique moléculaire est métastable à la surface de la glace amorphe. Les conditions pour préparer un échantillon de nitrates pur à la surface ont été déterminées et l'acide a été identifié comme fort à la surface. Suivant les résultats de spectroscopie NEXAFS de l'acide nitrique à la surface, des nitrates de surface sont synthétisés pour comparer leur taux de photodestruction avec celui des nitrates piégés dans le massif. Cette problématique en lien avec la chimie atmosphérique vise à reproduire les flux de NO x émis du névée en étudiant différentes hypothèses physicochimiques, dont l'amplification du taux de destruction à la surface de la glace. En comparant les taux de destruction des nitrates adsorbés sur la glace à ceux des nitrates dissous dans la glace, un facteur d'amplification de 4-6 du taux de destruction a été identifié à la surface de la glace. Comme les modes d'élongation asymétriques du nitrate sont extrêmement sensibles à la solvatation de l'anion, il a été découvert que la photolyse des nitrates de surface est plus efficace à cause des molécules possédant une géométrie distordue s'éloignant de la symétrie D 3h . En utilisant ce taux de photolyse, les flux de NOx en phase gazeuse ont été abordés dans un modèle numérique de dynamique d'échange entre la phase solide (glace) et la phase gazeuse (air) en utilisant les paramètres physico-chirniques issus des études en milieux naturels. [symboles non conformes]

La croissance de matériaux cristallins semi-conducteurs, par la méthode de l'épitaxie, exige le contrôle précis et uniforme du chauffage de l'échantillon. Les technologies actuelles de chauffage maitrisent mal l'uniformité de la température sur la surface de l'échantillon et comportent de fortes pertes d'énergie. Une répartition de température non uniforme au sein de l'échantillon engendre de nombreuses contraintes mécaniques non désirées, entraîne une mauvaise uniformité dans le dépôt de couche et empêche la réalisation de nombreux procédés chimiques et physiques sur le substrat. Beaucoup de ces problèmes ont pu être constatés dans le passé. Il faut dire que le défi de chauffer un substrat de semiconducteur, qui est partiellement transparent, n'est pas trivial. L'étude entreprise, à travers cette maîtrise, a permis de concevoir un modèle numérique permettant de prédire le comportement thermique d'un substrat de semiconducteur dans les conditions de croissance. Le modèle a donné que la température en surface du substrat était fortement non uniforme, de l'ordre de 25 [degrés Celsius] à température de croissance. Les profils de température théoriques ont pu être validés expérimentalement. En effet, des cartographies de température ont été déterminées en associant une caméra infrarouge avec une analyse spectrométrique. Ceci a permis de démontrer une très bonne concordance entre la température à l'extrémité et celle au centre. Toutefois, la variation du profil de température expérimentale n'était pas exactement la même que celle obtenue par le modèle, ce qui a donné une différence maximale inférieure à 5 [degrés Celsius] entre le modèle et la réalité à température de croissance. Néanmoins, la concordance entre la température au centre et celle à l'extrémité permet d'affirmer qu'améliorer l'uniformité de chauffage aura un impact positif sur la réalité. En rendant le porte-échantillon isolant, il a été de possible d'améliorer énormément l'uniformité de température, passant d'une différence de 25 [degrés Celsius] entre le centre et l'extrémité à 14 [degrés Celsius]. À plus long terme, une nouvelle conception a été proposée en combinant une source ponctuelle à un porte-échantillon chauffant, ce qui donne, en optimisant les paramètres, une uniformité de chauffage quasi-parfaite tout en diminuant les pertes énergétiques.

Cette recherche visait à développer un procédé d'imprégnation utilisant des ondes de choc pour teindre du bois franc. D'importants progrès ont été réalisés à cet égard dans le projet. Tout d'abord, un modèle théorique a montré que les ondes de choc augmentent la pénétration dans un milieu poreux de perméabilité constante, mais seulement si le liquide utilisé est rhéofluidifiant. De plus, les ondes de choc semblent atténuer les variations de perméabilité, ce qui permettrait de teindre des espèces moins perméables et de donner au bois un fini plus uniforme. En second lieu, les essais expérimentaux réalisés sur des échantillons de merisier dans un tube à choc ont confirmé que les ondes de choc imprègnent efficacement le bois. Effectivement, il a été démontré qu'une augmentation du nombre de tirs et de l'amplitude des chocs améliore l'imprégnation sous certaines conditions. De plus, les ondes de choc peuvent être combinées avec un prétraitement du bois aux micro-ondes pour une meilleure imprégnation. Cependant, la grande variabilité des résultats entre chaque série de mesure ne permet pas de prédire la pénétration en fonction des conditions du choc, possiblement parce que l'efficacité du procédé dépend du taux d'humidité du bois. Finalement, deux mécanismes sont proposés pour expliquer l'effet bénéfique des ondes de choc sur l'imprégnation. Premièrement, l'augmentation importante de la pression causée par l'onde de choc pourrait endommager la microstructure du bois, en augmentant sa perméabilité. Cependant, cette hypothèse n'a pu être validée. Ensuite, comme la teinture a un comportement rhéofluidifiant, les chocs réduisent possiblement sa viscosité. Cette hypothèse rejoint les conclusions obtenues grâce au modèle théorique et elle explique plusieurs résultats des essais expérimentaux.

Un moyen permettant d'identifier expérimentalement les phases du gaz d'électrons bidimensionnel de la bicouche de graphène en empilement bernal au remplissage $\nu = 3$ est recherché lorsque le biais électrique entre les couches est varié. À ce remplissage, si on se concentre aux basses énergies, il est possible de ne s'intéresser qu'aux deux niveaux de Landau composant le niveau $N=0$ qui sont de même spin et de même vallée, mais d'orbitale différente. Puisque la texture du pseudospin orbital de ce système change selon la phase, il est attendu que le couplage avec le champ électrique de la lumière devrait changer. La dispersion des modes collectifs de chaque phase est calculée dans l'approximation GRPA (generalized random-phase approximation) dans le domaine en biais où chacune domine respectivement. L'absorption optique pour des polarisations linéaires en direction x et en direction y ainsi que pour des polarisations circulaires gauche et droite est calculée. La rotation de Faraday et l'effet Kerr sont également calculés. Des différences entre les phases sont remarquées au niveaux de la fréquence des photons qui sont absorbés, de l'amplitude de l'absorption et de la rotation de la polarisation ainsi que la sensibilité à certains types de polarisation. L'effet des modes collectifs dans les phases considérées est cependant moindre que celui qui est prédit dans un calcul qui ne tient pas compte de l'interaction de Coulomb.

Nanoparticles are thought to present a unique hazard to human health. Furthermore, the increasing use of nanomaterials in consumer products has not been accompanied by relevant risk assessments. It is conceivable that skin flexion may assist the translocation of nanoparticles across the stratum corneum. However, current in vitro methodology to study dermal absorption involves the exclusive use of immobile skin within diffusion cells. Therefore, a novel skin-flexing diffusion cell system (“CutaFlex™”) was developed to incorporate reproducible skin flexing (2 flexes min-1; 6 mm maximum amplitude). The initial aims of this Thesis were to characterise the CutaFlex™ system to eliminate the possibility of flexion-induced (experimental) skin damage, demonstrate equivalence with historical permeability data to model compounds and assess the effect of skin flexing on barrier disruption. Subsequent work aimed to investigate the hypothesis that nanoparticles require dermal flexion to penetrate intact skin. In supporting these aims, this Thesis also performed work to assess the correlation between direct measurements of skin barrier function (using tritiated water) and transepidermal water loss (TEWL), the effect of flexing on the performance of topical skin protectants (barrier creams) and to further validate in vitro diffusion cell measurements against in vivo data acquired under identical conditions. The results demonstrated that skin flexing did not alter skin barrier function and that the CutaFlex™ system was in general agreement with historical measurements of skin permeability. Furthermore, controlled chemical or physical damage to the stratum corneum was not exacerbated by skin flexing. Skin flexion did not facilitate the dermal absorption of a range of nanoparticles (quantum dots). However, differences in the partitioning of nanoparticles into the stratum corneum were observed (independent of the degree of flexing), with greater amounts of negatively charged nanoparticles found in the superficial layers of the stratum corneum in comparison with positive or neutral nanoparticles. Flexing had a modest effect on the performance of a skin barrier cream which was limited to low dose applications; an effect tentatively ascribed to flexion-induced movement of cream to previously untreated areas. A poor correlation was found between 3H2O water permeability and TEWL flux. Most importantly, there was excellent agreement between in vitro skin permeability studies and in vivo studies (which used a surrogate measure of skin permeability). To summarise, the data in this Thesis has led to the development and characterisation of a novel diffusion cell (CutaFlex™), capable of simultaneously flexing skin whilst performing dermal absorption measurements comparable with the OECD-compliant models.

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This work presents recent advances in the development of infra-red sensitive photorefractive polymers, and updateable near real-time holographic 3D displays based on photorefractive polymers. Theoretical and experimental techniques used for design, fabrication and characterization of photorefractive polymers are outlined. Materials development and technical advances that made possible the use of photorefractive polymers for infra-red free-space optical communications, and 3D holographic displays are presented.Photorefractive polymers are dynamic holographic materials that allow recording of highly efficient reversible holograms. The longest operation wavelength for a photorefractive polymer before this study has been 950nm, far shorter than 1550nm, the wavelength of choice for optical communications and medical imaging. The polymers shown here were sensitized using two-photon absorption, a third order nonlinear effect, beyond the linear absorption spectrum of organic dyes, and reach 40% diffraction efficiency with a 35ms response time at this wavelength. As a consequence of two-photon absorption sensitization they exhibit non-destructive readout, which is an important advantage for applications that require high signal-to-noise ratios.Holographic 3D displays provide highly realistic images without the need for special eyewear, making them valuable tools for applications that require "situational awareness" such as medical, industrial and military imaging. Current commercially available holographic 3D displays employ photopolymers that lack image updating capability, resulting in their restricted use and high cost per 3D image. The holographic 3D display shown here employs photorefractive polymers with nearly 100% diffraction efficiency and fast writing time, hours of image persistence, rapid erasure and large area, a combination of properties that has not been shown before. The 3D display is based on stereography and utilizes world's largest photorefractive devices (4x4 inch in size). It can be recorded within a few minutes, viewed for several hours without the need for refreshing and can be completely erased and updated with new images when desired, thusly comprising the first updateable holographic 3D display with memory, suitable for practical use.

The venom of the Eastern coral snake Micrurus fulvius can cause respiratory paralysis in the bitten patient, which is attributable to -neurotoxins (-NTx). The aim of this work was to study the biodistribution and lymphatic tracking by molecular imaging of the main -NTx of M. fulvius venom. -NTx was bioconjugated with the chelator diethylenetriaminepenta-acetic acid (DTPA) and radiolabeled with the radionuclide Gallium-67. Radiolabeling efficiency was 60%-78%; radiochemical purity 92%; and stability at 48 h 85%. The median lethal dose (LD50) and PLA(2) activity of bioconjugated -NTx decreased 3 and 2.5 times, respectively, in comparison with native -NTx. The immune recognition by polyclonal antibodies decreased 10 times. Biodistribution of -NTx-DTPA-Ga-67 in rats showed increased uptake in popliteal, lumbar nodes and kidneys that was not observed with Ga-67-free. Accumulation in organs at 24 h was less than 1%, except for kidneys, where the average was 3.7%. The inoculation site works as a depot, since 10% of the initial dose of -NTx-DTPA-Ga-67 remains there for up to 48 h. This work clearly demonstrates the lymphatic system participation in the biodistribution of -NTx-DTPA-Ga-67. Our approach could be applied to analyze the role of the lymphatic system in snakebite for a better understanding of envenoming.