Cubosomes are nanostructures formed by the self-assembly of a lipid an aqueous solution, under certain experimental circumstances. Nanoparticles have been widely used as carriers of hydrophobic drugs, acting as a drug delivery method, with the potential to solve problems related to the drug, such as low solubility and instability. Theses facts are specially related to the cubic crystalline structure of these particles, in particular their large usable hydrophobic volume. The production of cubosomes relies on the self-assembly of lipids in excess of water, aided by the presence of a polymer acting as a emulsifier. The physicochemical properties of such particles can be characterized mainly by scattering techniques, namely small angle x-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS), conventional and cryogenic transmission electron microscopy (TEM) and ζ (zeta) potential. This project aims the investigation of cubosomes production in the absence and presence of ionic liquids functionalized with alkyl chains, in order to produce cationic nanoparticles suitable for gene therapy, as in the case of DNA transfection. Cubosomes were prepared with two different lipid/polymer/water systems: phytantriol or monoolein stabilized with Puronic F127 in excess of water or buffer. Ionic liquid [C14mim][Cl] and cationic surfactant TTAB was added to these formulations and it was verified that the final dispersions contained cationic cubosomes. Particles positively charged with sizes between 300 nm and 350 nm and cubic crystalline internal structure were obtained and characterized. / Cubossomos não nanopartículas formas pela fase de auto-associação de um lipídio em solução aquosa, sob certas condições experimentais. Nanopartículas tem sido amplamente utilizadas como carreadores de fármacos hidrofóbicos, atuado como um método de entrega controlada, como potencial de resolver problemas relacionados ao fármaco, como baixa solubilidade e instabilidade. Esses benefícios estão especialmente relacionados com a estrutura interna cristalina dessas partículas, em particular, seu grande volume hidrofóbico. A produção de cubossomos baseia-se na auto-associação de lipídios em excesso de água, auxiliada pela presença de um polímero como estabilizador. As propriedades físico-químicas dessas partículas podem ser caracterizadas principalmente por técnicas de espalhamento, nomeadamente espalhamento de raios-X a baixos ângulos (SAXS), espalhamento de luz dinâmico (DLS), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), criogênica ou por contrastação negativa, e potencial ζ (zeta). Este projeto tem como objetivo investigar a produção de cubossomos na ausência e presença de líquidos iônicos funcionalizados com cadeias alquílicas, objetivando a produção de nanopartículas catiônicas compatíveis com uso em terapia gênica, como no caso de transfecção de DNA. Cubossomos foram preparados com dois sistemas diferentes: monoleína e phytantriol estabilizados com Pluronic F127 em excesso de água ou tampão. O líquido iônico [C14mim][Cl] e o surfactante catiônico TTAB foram adicionados a essas formulações e foi verificado que as soluções finais eram compostas por cubossomos catiônicos. Partículas carregadas positivamente com tamanhos entre 300 nm e 350 nm foram obtidas e caracterizadas.

O muco protege o corpo humano de partículas externas, mas também representa uma barreira para a entrega de controlada de medicamentos através de nanocarregadores. Para ultrapassar a barreira do muco e impedir mucoadesão, nanopartículas sólidas são normalmente revestidas com polímeros inertes, tais como o polietileno glicol (PEG). No entanto, trata-se de um procedimento relativamente complexa. Nesta tese, estudamos métodos para fabricar nanocarreadores com uma excepcional combinação de propriedades, incluindo uma boa capacidade de mucopenetração e uma grande capacidade de carga. Ao contrário dos métodos convencionais de revestimento, usamos um copolímero dibloco, que consiste em dois blocos hidrofóbicos e hidrofílicos, que se auto-organiza em polimerosomos sob hidratação. Devido à inércia do bloco hidrofílico, estes polimerosomos devem ser, por natureza, muco penetradores. Além disso, sua estrutura oca fornece os polimersomos para serem carregados com carga hidrofílica, enquanto a carga hidrofóbica pode ser transportada através da membrana. Por conta da utilização de um polímero hidrolisável na presença de ácido, ácido poli láctico (PLA) como a espinha dorsal copolímero, demonstramos que estes polimerosomos podem liberar o conteúdo, após aplicação do estímulos externo relacionado ao pH. Os experimentos de rastreamento de partículas demonstraram que os polimersomos se difundem mais rápido do que as partículas não revestidas, em muco de intestino de porco, e testes de biodistribuição apresentaram resultados encorajadores para a entrega localizada de fármacos de maneira mais homogênea, melhorando a biodisponibilidade e efeitos terapeuticos. Mais estudos relacionados ao aumento da eficiência de encapsulação e testes de efetividade in vivo no tratamento de doenças devem ser promovidos. Acreditarmos que combinação das vantagens relacionadas à estrutura vesicular dos polimerossomas, estabilidade, e muco penetração possibilitam o desenvolvimento de uma nova plataforma para a entrega controlada de medicamentos na mucosa. / Mucus protects the human body by trapping foreign particulates but also poses a barrier for drug delivery by slowing down the mobility of drug carriers. To design mucus penetrating carriers, solid particles are typically coated with inert polymers such as polyethylene glycol (PEG) to prevent mucoadhesion. However, the solid structure of these particles limits their loading capabilities and the process to coat them requires a complex synthesis. In this thesis we studied methods to fabricate nanocarriers with an exceptional combination of properties including a good mucus-penetration capability and loading capacity of hydrophilic and hydrophobic cargos. Unlike conventional coating methods, we use a diblock copolymer, consisting of both hydrophobic and hydrophilic blocks, which self-assembles into polymersomes under hydration. Because of the inertness of the hydrophilic block, these polymersomes should be mucus-penetrating by nature. Moreover, their hollow structure provides the polymersomes to be loaded with hydrophilic cargo, whereas hydrophobic cargo can be carried through the membrane. Importantly, by using a hydrolysable acid-catalyzed polymer (poly lactic acid, PLA) as the copolymer backbone, we demonstrate that these polymersomes can release contents upon application of external pH stimuli. Particle Tracking experiments demonstrated that polymersomes diffuse faster than uncoated particles in porcine intestine mucus, and biodistribution tests displayed encouraging results towards more homogeneous local drug-delivery, helping bioavailability as well as therapeutic efects. More studies related to the increase of encapsulation efficiency, and in vivo disease treatment tests should be promoted. Although we believe that combining the advantages of polymersome carrier, and tunning the membrane composition, this mucus-penetrating carrier we propose may provide as a new platform for mucosal drug delivery.

O muco protege o corpo humano de partículas externas, mas também representa uma barreira para a entrega de controlada de medicamentos através de nanocarregadores. Para ultrapassar a barreira do muco e impedir mucoadesão, nanopartículas sólidas são normalmente revestidas com polímeros inertes, tais como o polietileno glicol (PEG). No entanto, trata-se de um procedimento relativamente complexa. Nesta tese, estudamos métodos para fabricar nanocarreadores com uma excepcional combinação de propriedades, incluindo uma boa capacidade de mucopenetração e uma grande capacidade de carga. Ao contrário dos métodos convencionais de revestimento, usamos um copolímero dibloco, que consiste em dois blocos hidrofóbicos e hidrofílicos, que se auto-organiza em polimerosomos sob hidratação. Devido à inércia do bloco hidrofílico, estes polimerosomos devem ser, por natureza, muco penetradores. Além disso, sua estrutura oca fornece os polimersomos para serem carregados com carga hidrofílica, enquanto a carga hidrofóbica pode ser transportada através da membrana. Por conta da utilização de um polímero hidrolisável na presença de ácido, ácido poli láctico (PLA) como a espinha dorsal copolímero, demonstramos que estes polimerosomos podem liberar o conteúdo, após aplicação do estímulos externo relacionado ao pH. Os experimentos de rastreamento de partículas demonstraram que os polimersomos se difundem mais rápido do que as partículas não revestidas, em muco de intestino de porco, e testes de biodistribuição apresentaram resultados encorajadores para a entrega localizada de fármacos de maneira mais homogênea, melhorando a biodisponibilidade e efeitos terapeuticos. Mais estudos relacionados ao aumento da eficiência de encapsulação e testes de efetividade in vivo no tratamento de doenças devem ser promovidos. Acreditarmos que combinação das vantagens relacionadas à estrutura vesicular dos polimerossomas, estabilidade, e muco penetração possibilitam o desenvolvimento de uma nova plataforma para a entrega controlada de medicamentos na mucosa. / Mucus protects the human body by trapping foreign particulates but also poses a barrier for drug delivery by slowing down the mobility of drug carriers. To design mucus penetrating carriers, solid particles are typically coated with inert polymers such as polyethylene glycol (PEG) to prevent mucoadhesion. However, the solid structure of these particles limits their loading capabilities and the process to coat them requires a complex synthesis. In this thesis we studied methods to fabricate nanocarriers with an exceptional combination of properties including a good mucus-penetration capability and loading capacity of hydrophilic and hydrophobic cargos. Unlike conventional coating methods, we use a diblock copolymer, consisting of both hydrophobic and hydrophilic blocks, which self-assembles into polymersomes under hydration. Because of the inertness of the hydrophilic block, these polymersomes should be mucus-penetrating by nature. Moreover, their hollow structure provides the polymersomes to be loaded with hydrophilic cargo, whereas hydrophobic cargo can be carried through the membrane. Importantly, by using a hydrolysable acid-catalyzed polymer (poly lactic acid, PLA) as the copolymer backbone, we demonstrate that these polymersomes can release contents upon application of external pH stimuli. Particle Tracking experiments demonstrated that polymersomes diffuse faster than uncoated particles in porcine intestine mucus, and biodistribution tests displayed encouraging results towards more homogeneous local drug-delivery, helping bioavailability as well as therapeutic efects. More studies related to the increase of encapsulation efficiency, and in vivo disease treatment tests should be promoted. Although we believe that combining the advantages of polymersome carrier, and tunning the membrane composition, this mucus-penetrating carrier we propose may provide as a new platform for mucosal drug delivery.