A associação de filtros solares a compostos bioativos tem sido estudada com ênfase na última década. Contudo, a solubilidade limitada dos compostos naturais, tais como a rutina, restringe o desenvolvimento de preparações cosméticas seguras, funcionais e estáveis. A proposta deste estudo envolveu a obtenção de nanoestruturas de gelatina (contendo ou não rutina) para aplicação em protetores solares. Os objetivos específicos foram: (1) preparar partículas de gelatina; (2) realizar a caracterização física, físico-química, morfológica, térmica e funcional (in vitro); (3) avaliar a citotoxicidade e a penetração/permeação curtânea in vitro dos sistemas; (4) desenvolver fotoprotetores bioativos de eficácia estimada in vitro; e (5) determinar a segurança e eficácia clínica fotoprotetora das preparações contendo as estruturas proteicas. As nanopartículas apresentaram-se esféricas e com diâmetro médio e índice de polidispersividade variando entre 318,9 ± 6,9 (B-NC) a 442,8 ± 4,9 nm (R-NC) e 0,06 ± 0,03 (B-NC) a 0,12 ± 0,01 (R-NC), respectivamente. Os valores do potencial zeta apresentaram-se entre -28,5 ± 0,9 mV (B-NC) e -26,6 ± 0,5 mV (R-NC). R-NC apresentou eficiência de associação equivalente a 51,8 ± 1,4%. Os ensaios de segurança das nanopartículas evidenciaram perfil citotóxico adequado para aplicação cosmética, bem como, a ausente tendência de penetração/permeação cutânea. Tendo em vista os resultados obtidos in vitro, as nanopartículas contendo rutina apresentaram capacidade antioxidante 74% superior à rutina em seu estado livre e contribuíram para o aumento de 48% do fator de proteção solar (FPS) quando associada à avobenzona (butyl methoxydibenzoylmethane), ao p-metoxicinamato de octila (ethylhexyl methoxycinnamate) e ao octil dimetil PABA (ethylhexyl dimethyl PABA). A avaliação da eficácia clínica das formulações evidenciou a influência da nanopartícula, sem adição do flavonoide, na proteção da pele contra a formação do eritema UV induzido. Por meio da avaliação dos aspectos funcionais, foi possível constatar, in vitro e in vivo, que a adição das nanopartículas em sistemas fotoprotetores influenciou seu perfil de transmitância da radiação UV, bem como, seus efeitos sobre o eritema UV induzido. Os resultados obtidos apresentaram perspectivas de aplicação prática no desenvolvimento de produtos cosméticos fotoprotetores associados a substâncias bioativas, por meio de plataforma nanotecnológica. / Especially, in the last decade, the association of chemical filters and bioactive compounds has been studied by several authors. However, the limited solubility of natural compounds, such as rutin restricts the development of safe and stable cosmetic preparations. The aim of this work was the development of gelatin nanoparticles (with or without rutin) as an ingredient in sunscreens. The specific goals were: (1) the development of rutin-loaded gelatin nanoparticles; (2) to perform the physical, physical-chemical, morphological, thermal and functional (in vitro) analysis; (3) to assess the cytotoxicity and skin penetration / permeation in vitro of the nanoparticles; (4) to develop bioactive sunscreens and to perform the in vitro photoprotection efficacy assay; and (5) to evaluate the in vivo sun protection factor (SPF) of the formulations. The nanoparticles were spherical with an average size and polydispersive index between 318.9 ± 6.9 nm (B-NC) at 442.8 nm ± 4.9 (R-NC), and 0.06 ± 0, 03 (B-NC) to 0.12 ± 0.01 (R-NC). The zeta potential values were high and negative, ranging from - 28.5 ± 0.9 mV (B-NC) and -26.6 ± 0.5 mV (R-NC). R-NC entrapment efficient was 51.8 ± 1.4%. The nanoparticle safety assessment showed a cytotoxic profile suitable for cosmetic application, as well as the absent trend of penetration/ permeation of the skin. The in vitro results indicated that the rutin-loaded gelatin nanoparticles increased 74% the antioxidant profile in comparison with free rutin and also increased 48% the SPF (in vitro) when combined with butyl methoxydibenzoylmethane, ethylhexyl methoxycinnamate and ethylhexyl dimethyl PABA. The assessment of the clinical efficacy assays showed the influence of blank nanoparticle in the protection of the skin against UV-induced erythema response. It was established in vitro and in vivo that the addition of gelatin nanoparticles in sunscreens influenced its UV transmittance profile, as well as its anti-erythema effects on the skin. The results have practical application in the development of sunscreen with bioactive ingredients and at the design of an innovative ingredient with a chemopreventive profile.

Materiais poliméricos têm sido usados em um vasto número de aplicações médicas e farmacêuticas, caracterizando-se como biomateriais. Antes do uso humano, se faz necessário uma criteriosa programação de testes que permitam investigação da segurança do material e avaliação da eficácia e assim, avaliar sua biocompatibilidade. Essa atenção também tem sido aplicada a materiais nanoparticulados, inclusive de constituição polimérica. Sendo assim, antes da liberação destes materiais para uso humano, testes preliminares são feitos in vitro e in vivo, neste caso com experimentação animal. Paralelamente à crescente busca em se manter a segurança biológica, a ciência tem procurado metodologias alternativas para se obter resultados seguros e que possam substituir os obtidos in vivo. Neste contexto, surge grande interesse no uso de culturas celulares, primeiramente em monocamadas e posteriormente, o desenvolvimento de culturas celulares em estrutura tridimensional, mimetizando de maneira mais próxima o que ocorre in vivo. Considerando as diversas vantagens obtidas no estudo de culturas tridimensionais, este estudo teve como objetivo desenvolver tal modelo, visando simular sistemas de avaliação para biocompatibilidade de materiais poliméricos, testando nanopartículas de polibutilcianoacrilato. Foram cultivadas células de fibroblasto e melanócito humanos e células de melanoma (SK-Mel-103) em monocamada e em matriz tridimensional de colágeno tipo I e avaliada a citotoxicidade em 24, 48 e 72 horas das nanopartículas utilizando os testes de Exclusão Azul de Tripan e MTT. Os resultados indicam que as nanopartículas de polibutilcianoacrilato são mais citotóxicas com o aumento da concentração da amostra, assim como o IC50 foi decrescente ao longo dos dias, demonstrando a intensificação da resposta biológica no decorrer do tempo e foram mais citotóxicas para as células de melanoma. Este perfil de aumento de citotoxicidade com o passar do tempo também foi observado no ensaio clonogênico, onde as células foram cultivadas em monocamada e incubadas com a amostra até 14 dias. Os testes de viabilidade celular em cultura tridimensional evidenciaram faixa de IC50 um pouco maior do que em monocamada, demonstrando uma pequena redução na citotoxicidade quando avaliada no ambiente 3D. Foram feitos testes de caracterização do tipo de morte utilizando citometria de fluxo, confirmando os dados dos testes de viabilidade que indicam aumento de morte com o aumento da concentração de teste. A morte acontece por apoptose tardia. Nas concentrações próximas ao IC50, há indicação que as nanopartículas de polibutilcianoacrilato inibem a autofagia em fibroblastos e células de melanomas cultivados em monocamada, característica que é anulada quando o comportamento é avaliado em ambiente tridimensional. Os resultados indicam que nanopartículas de polibutilcianoacrilato podem levar a modificação da resposta celular dependendo da concentração empregada e do ambiente de cultivo das células, mostrando serem promissores o estudo e o emprego de ambiente tridimensional na avaliação de citotoxicidade de nanopartículas poliméricas. / Polymeric materials have been widely used as biomaterials in medical and pharmaceutical applications. Before their use in humans, a number of tests is necessary to investigate the safety and effectiveness of the biomaterial in order to determine its biocompatibility. This attention has been given to nanoparticulate materials, including those of polymeric composition. Thus, in vitro and in vivo preliminary tests are done before these materials are released for human use. In parallel with the concern with biological safety studies, there has been a continuous effort in finding alternative methods to replace the current in vivo animal tests and provide reliable results regarding safety. In this context, great interest arises in the use of cell culture, firstly as monolayer and secondly as three-dimensional cell culture systems that mimic more closely the in vivo morphology. Taking into account all the advantages of three-dimensional cell culture studies, the aim of this work is to develop a three-dimensional model that can effectively evaluate polymeric biomaterials biocompatibility using polybutylcyanoacrylate nanoparticles. Cell culture of human fibroblasts, melanocytes and melanoma cells (SK-Mel-103) were cultured in monolayer and on type I collagen matrix. Polybutylcyanoacrylate nanoparticles cytotoxicity was evaluated in 24, 48 and 72 hours using Tripan Blue and MTT assays and the results found were dose and time-dependent to all cell types. Moreover, melanoma cells were significantly more sensitive to the nanoparticles toxicity. The same profile of cytotoxic response was observed in the clonogenic assay, where cells were cultured in low-density monolayer and incubated with the nanoparticles for 14 days. Cell viability assays in 3D culture had a slightly higher IC50 range when compared to the monolayer results, which suggests a reduction in the nanoparticle cytotoxicity in the 3D environment. Cell death analysis using flow cytometry confirmed the dose-dependent response obtained by cell viability assays. Cell death occurred mostly via late apoptosis. There is suggestive evidence that treatment with polybutylcyanoacrylate nanoparticles in concentrations close to the IC50 inhibits autophagy in fibroblasts and melanoma cells when cultured in monolayers, but this response could not be observed in the 3D environment. Our results showed that polybutylcyanoacrylate nanoparticles can modify cell response depending on the concentration used and the conditions of cell culture. We conclude that the 3D cell culture is a promising method for the evaluation of polymeric nanoparticles cytotoxicity.

No presente trabalho propõe-se o uso de substratos de Au poli e monocristalinos modificados superficialmente com Pt para o estudo da reação de oxidação de etanol. Serão apresentados os resultados obtidos no estudo da influência da concentração superficial de Pt depositada na distribuição dos produtos da eletrooxidação de etanol. Os resultados mostram que no caso do sistema Pt/Au-poli, a superfície de Au que possui o menor teor superficial de Pt depositada tem uma habilidade maior para quebrar a ligação C-C. Porém quanto menor a quantidade de Pt depositada na superfície de Au, maior o efeito de desativação. Estes comportamentos são explicados pelas estruturas superficiais formadas pelos depósitos. Adicionalmente, são apresentados os resultados obtidos no estudo sistemático da influência de defeitos superficiais nos substratos de Au na atividade catalítica de camadas de Pt. Os resultados sugerem que, mesmo que os substratos de Au não estejam em contato com a solução eletrolítica devido ao grau de cobertura utilizado, a presença de defeitos nos substratos de Au induzem variações na distribuição de produtos resultantes da eletrooxidação de etanol. Mais especificamente, quanto maior é a densidade de defeitos nos substratos de Au a via de produção de ácido acético é favorecida, com a consequênte inibição na produção de CO2. / In this work we propose the use of poly and single crystalline Au surfaces modified with Pt as a model system of core-shell nanoparticles to study the ethanol oxidation reaction (EOR). Results regarding the study of the influence of Pt coverage on the product yields of EOR are presented. The results show that the in the case of the Pt/Au-poly system, the Au surface modified with lower amounts of Pt has a higher ability to break the C-C bond present in the ethanol molecule. On the other hand, deposits having small amounts of Pt suffer a faster deactivation due to CO poisoning. This behavior is explained by the structure adopted by the catalytic layer. Additionally, results regarding the study of the influence of defects on the Au surfaces on the catalytic behavior of Pt layer will be shown. The results suggest that, even though Au active site are not in contact with electrolityc solution, the defects lying under the Pt layer influence the catalytic response of the layer. Specifically, as the step density in the Au substrate increases, the acetic acid path is privileged over the CO2 production path.

Com o desenvolvimento da nanociência e da nanotecnologia, as nanopartículas magnéticas vêm sendo cada vez mais gerado interesse devido as inúmeras possíveis aplicações na área de catálise, diagnóstico, pigmentos, sensores, etc. Atualmente, as nanopartículas com potencialidade de aplicação em biomedicina que pode se destacar os as ferritas magnéticas os quais apresentam comportamento superparamagnético a temperatura ambiente. Além dos ligantes funcionais, as nanopartículas magnéticas são geralmente recobertas com polímeros orgânicos ou inorgânicos, destacando-se a sílica, nessa última classe. O sistemas as nanopartículas magnéticas recobertas com sílica formando um sistema casca-caroço, possibilita que o núcleo magnético se mantenha protegido por uma camada polimérica que pode conter grupos funcionais ativos, formando hidridos orgânicos-inorgânicos que devido a sua propriedade hidrofóbica ou hidrofílica dependendo da natureza do ligante de modificação de superfície. Este trabalho foi desenvolvido com intuito de obter nanopartículas magnéticas de ferrita MFe2O4, com (M= Fe, Co, Ni e Cu) com controle de tamanho, forma, composição química e estrutural, dos quais foram sintetizados pelo método de decomposição térmica utilizando diferente precursores metálicos para adequação das melhores condições de síntese. As ferritas magnéticas foram recobrimento com sílica, modificando da superfície da partícula e possibilitando caráter hidrofílico ao sistema casca-caroço, apresentando uma melhor estabilidade coloidal em dispersão aquosa devido a presença de grupos silanois na superfície, bem como uma recobrimento uniforma com apenas um núcleo magnético sem formação de aglomerados. A funcionalização com o grupo o trietoxivinilsilano, através de reações de condensação via catálise básica ou ácida, formou uma rede polimérica Si-O-Si, sendo que a presença do grupo vinil (-CH=CH2) livre na a superfície do sistema casca-caroço foi evidenciado através da técnica de FTIR. Portanto foi possível a obtenção de um sistema hibrido orgânico-inorgânico com a superfície contendo grupo que podem ser reativos, abrindo a possibilidade da utilização deste material para futuros testes de aplicações como sensor multifuncional. / In recent decades the development of nanoscience and nanotechnology, magnetic nanoparticles have been increasingly generated interest due to the numerous possible applications in the field of catalysis, diagnosis, pigments, sensors, etc. Currently, the nanoparticles with potential of application in biomedicine that can stand out the magnetic ferrites which have superparamagnetic behavior at room temperature. In addition to the functional binders, magnetic nanoparticles are generally coated with organic or inorganic polymers, especially silica in the latter class. The magnetic nanoparticle systems covered with silica forming a shell-core system allow the magnetic core to remain protected by a polymeric layer that may contain active functional groups, forming organic-inorganic hydrides that due to its hydrophobic or hydrophilic property depending on the nature of the surface modifying binder. This work was developed to obtain magnetic nanoparticles of MFe2O4 ferrite, with (M = Fe, Co, Ni and Cu) control of size, shape, chemical and structural composition, of which were synthesized by the thermal decomposition method using different precursors to suit the best conditions of synthesis. The magnetic ferrites were coated with silica, modifying the surface of the particle and allowing a hydrophilic character to the shell-core system, presenting a better colloidal stability in aqueous dispersion due to the presence of silane groups on the surface, as well as a uniform coating with only one magnetic core without formation of agglomerates. The functionalization with the triethoxyvinylsilane group, through condensation reactions via basic or acid catalysis, formed a Si-O-Si polymer network, and the presence of the free vinyl group (-CH=CH2) on the shell surface was observed by FTIR technique. Therefore, it was possible to obtain an organic-inorganic hybrid system with the surface containing the reactive group, opening the possibility of using this material for tests of future applications as multifunctional sensor.

Neste trabalho, anticorpos anti-IgGh foram conjugados às nanopartículas de prata (NPAg) para detectar imunoglobulina G humana (IgGh). Um imunoensaio colorimétrico baseado na diminuição da agregação devido ao aumento da repulsão eletrostática após a interação ligante-alvo. A agregação é induzida pela variação da força iônica e uma mudança da coloração da suspensão coloidal de amarelo para vermelho pode ser observada. Na presença de IgGh, a agregação é inibida e a coloração da suspensão coloidal não se altera. As nanopartículas foram obtidas por meio de cinco procedimentos diferentes e caracterizadas por espectroscopia UV-Vis, espalhamento dinâmico de luz, difração de raios-X e microscopia eletrônica. Glicose e borohidreto de sódio foram utilizados como agentes redutores, enquanto CTAB e β-ciclodextrina foram utilizados como estabilizantes. Citrato de sódio foi utilizado como agente redutor e/ou estabilizante. Nanoesferas de carbono foram obtidas por tratamento hidrotérmico de uma solução aquosa de glicose e também foram utilizadas no preparo das nanopartículas. As nanopartículas foram funcionalizadas com ácido mercaptossuccínico e a conjugação ocorreu devido à interação entre grupos aminas e grupos carboxílicos ionizados, presentes no anticorpo e agente de acoplamento, respectivamente. A estabilidade dos conjugados e o efeito da adição de IgGh foram avaliados para todos os sistemas preparados. As nanopartículas de prata preparadas com borohidreto de sódio e citrato de sódio foram selecionadas para serem aplicadas no desenvolvimento do imunoensaio e as condições experimentais foram avaliadas. Em condições ótimas, observou-se uma correlação linear entre a diminuição da agregação do sistema (NPAg-anti-IgGh) e a concentração de IgGh (0 a 200 ng mL-1). O limite de detecção foi estimado em 25 ng mL-1. O método colorimétrico apresentou boa seletividade para a detecção de IgGh. Além disso, foi obtido um resultado satisfatório ao aplicar o método para determinação do fator IX de coagulação. Foi desenvolvido também um método para determinação de ATP baseado na agregação de nanopartículas de ouro. Aptâmeros foram utilizados como elemento de reconhecimento. Em princípio, o método pode ser aplicável à determinação de outros analitos, por meio da substituição do aptâmero utilizado neste trabalho pelo oligonucleotídeo específico para o alvo de interesse. / In this work, antibodies to human immunoglobulin G (anti-IgGh) were used in combination with silver nanoparticle (NPAg) to detect IgGh. A colorimetric immunoassay based on the decrease of aggregation due to increased electrostatic repulsion upon ligand-target interaction. Aggregation was induced by varying the ionic strength and the solution of NPAg-anti-IgGh shows obvious visible color change from yellow to red. In the presence of IgGh aggregation the nanoparticle is inhibited and coloration of the colloidal solution does not change. The nanoparticles were obtained using five different procedures and they were characterized by UV-Vis spectroscopy, dynamic light scattering, X-ray diffraction and electron microscopy. Glucose and sodium borohydride were used as reducing agent, as CTAB and β-cyclodextrin reagents were used as stabilizers. Sodium citrate was used as reducing and stabilizing agent. Carbon nanospheres were prepared by hydrothermal treatment of glucose and used in the preparation of NPAg. The nanoparticles were functionalized with dimercaptosuccinic acid and their conjugation occurred due to the interaction of positively charged amine groups and anionic groups (-COO-) present on the antibody and coupling agent. The stability of conjugates and the variation of aggregation in the presence of IgGh were evaluated for all systems. The NPAg prepared by sodium borohydride were selected for use in the immunoassay and the optimum conditions of the assay were investigated. Under the optimal conditions, the ration between the absorbance at 396 nm and 564 nm was linearly proportional to the IgGh concentration on a range from 0 to 200 ng mL-1, with a detection limit of 25 ng mL-1. The colorimetric method showed good selectivity for IgGh detection. It was possible to adapt the method to the determination of other proteins, such as factor IX. In another approach, anti-aptamer ATP was used to develop a colorimetric method for the determination of ATP based on stabilization of gold nanoparticles provided by strands of DNA.The strategy was based on stabilization of nanoparticles due to interaction with single strands of DNA, and the change of the stability of the nanoparticles provided by the conformational change of the aptamer following recognition. This method could in principle be used to detect analytes by substituting the aptamer used in this study by the specific aptamer for the target of interest

Orientadores: Flávio Garcia, Kleber Roberto Pirota / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T22:02:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_CarlosSatoBaraldi_D.pdf: 19717682 bytes, checksum: 212154446eec9e3ee26eee15692adfec (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Durante este trabalho, estudamos a viabilidade de uma nova classe de partículas magnéticas otimizadas para a hipertermia magnética e que denominamos VIP (Vortex Iron oxide Particle). Estas partículas são compostas de óxidos de ferro (magnetita ou maghemita) e assumem a forma de nanoanéis ou nanotubos. Tal morfologia confere as partículas um comportamento magnético peculiar, fruto de seu estado magnético denominado vórtice. Graças a este estado magnético, estas partículas possuem uma resposta para hipertermia superior, se comparadas aos SPIONs (Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles) tradicionalmente usados para este fim, atendendo os pré-requisitos para aplicações biomédicas (baixas toxicidade e remanência). Os experimentos realizados no trabalho se focaram em duas linhas principais. Na primeira, avaliamos o desempenho das VIPs para hipertermia magnética em um ambiente in vitro. Neste experimento, avaliamos tanto a citotoxicidade das partículas quanto os mecanismos que promovem a morte celular. Estes resultados mostraram que as VIPs não são citotóxicas. Além disso, observamos também que o tamanho e a forma das partículas permitem que estas sejam internalizadas, promovendo um processo de hipertermia magnética muito eficiente. De fato, o experimento de hipertermia in vitro mostrou que as VIPs são capazes de alcançar um alto grau de seletividade, matando principalmente as células que internalizam as VIPs minimizando o aquecimento do meio celular e reduzindo assim o dano às células vizinhas. Na segunda linha, trabalhamos no desenvolvimento de uma VIP recoberta com material antiferromagnético (AFM), cujo desempenho para hipertermia magnética seria superior ao da própria VIP testada nos experimentos in vitro. Desenvolvemos um extenso estudo teórico fundamental, baseado em simulações micromagnéticas, que permitiram prever muitos dos fenômenos que seriam observados experimentalmente. No entanto os experimentos para a síntese da VIP@AFM não foram completamente finalizados, impossibilitando maiores conclusões sobre o sistema simulado. Sendo assim, acreditamos que os resultados alcançados no projeto promoveram o desenvolvimento de partículas magnéticas otimizadas para hipertermia magnética. Tanto por mostrar sua viabilidade, quando testados in vitro, quanto por promover o conceito da VIP@AFM como um próximo passo para o aprimoramento desta classe de partículas / Abstract: In this work, we studied the feasibility of a new class of magnetic particles named as Vortex Iron oxide Particle or VIP and specifically designed for magnetic hyperthermia. Those iron oxide (magnetite or magnetite) particles have a ring shape morphology that grants them a very specific magnetic configuration know as vortex state. This magnetic configuration would grant a superior hyperthermia response when compared to the traditional Superparamagnetic Iron Oxide Particle (SPION) without compromising biomedical requirements as low cytotoxicity and lack of magnetic remanence. The experiments presented on this work explored two main paths. The first one evaluated the VIP performance in vitro. We were able to assess both the cytotoxicity of the particle as to observe the killing mechanism. The results showed that the VIPs are not cytotoxic and that the size and shape of the particle may promote the internalization of those particles, resulting on a very efficient magnetic hyperthermia. With the in vivo experiment, we notice a high degree of selectivity, thanks to the cell internalization, that preserved the surrounding cells. In the second research path, we further developed the concept of a VIP, by creating a core-shell structure where the VIP would be coated by an antiferromagnetic (AFM) material and improving the magnetic hyperthermia response. However, the experiments for the development of the VIP@AFM were not completed. Although we were able to complete a study based on micromagnetic simulations, the experiments intending to fabricate the VIP@AFM were not fully successful, preventing any further conclusion about this system. In any case, we believe that the results achieved on this project represent an important contribution to the development of magnetic hyperthermia specific particles / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

The purpose of the present research is to develop and apply an experi- mental technique for measuring the size of nanoparticles and nanodroplets in a flow environment. The developed non-intrusive, optical method is called Light Extinction Spectroscopy (LES) and it allows to determine the size of particles from measuring their light transmission spectrum on the Ultraviolet-Near-Infrared range. The most crucial part of the develop- ment work is to obtain a reliable data processing method, which is based on the regularized solution of an ill-conditioned inverse problem. The de- veloped method is first tested using synthetic data, which allows to deter- mine the measurement range and also the measurement errors caused by various sources. This is followed by performing laboratory experiments for validating the LES technique. Validation measurements using calibrated particles and a reference instrument shows that sizing errors are in the order of 5-10%. Afterwards, the technique is applied for characterizing the Brownian coagulation process of nanodroplets, where the growth rate of droplets is successfully measured and is found to agree with theoreti- cal expectations. Next, the LES technique is applied to coagulating solid particles, where the growth rate of these complex non-spherical objects is retrieved. Finally, a particle monolayer is deposited on an air-water inter- face and it is shown that the LES technique can retrieve the particle-water contact angle, which allows the characterization of nanoparticle wettabil- ity and the study of the related interesting physical phenomena. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux de cette thèse présentent la synthèse par une polymérisation RAFT en miniémulsion de nanoparticules fluorescentes (NPFs) polymères à coeur BODIPY copolymérisé au styrène et à couronne hydrophile biocompatible et fonctionnalisable à base de poly(oxyde d'éthylène) et de poly(acide acrylique). Les propriétés de fluorescence de ces NPFs ont été étudiées par spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps. L'élaboration de la synthèse de ce type de NPFs, et la mise au point d'un procédé "one-pot" sont présentés dans un premier temps. Ensuite, les propriétés spectroscopiques de ces NPFs sont étudiées, notamment l'influence de la concentration en monomères de BODIPY au coeur des NPFs pouvant mener à la formation d'agrégats peu ou pas fluorescents. Les propriétés spectroscopiques (longueur d'onde d'émission de fluorescence et rendement quantique) du coeur des NPFs ont été modulées. Cela est rendu possible en réalisant la synthèse de monomères de BODIPY portant des groupements aromatiques encombrés, ou présentant différentes fonctions polymérisables. La couronne hydrophile des NPFs a également été modifiée afin d'obtenir différentes répartitions des unités acide acrylique et oxyde d'éthylène dans les chaînes de copolymères en surface. Ces nouvelles NPFs sont également synthétisées par un procédé "one-pot". Enfin, des molécules à fonctions amine (fluorophores, protéines) ont été introduites dans la couronne hydrophile de ces diverses NPFs par une chimie de couplage peptidique sur les fonctions acides carboxyliques. Des nano-senseurs de pH ratiométriques ont ainsi pu être élaborés. / This PhD work presents the synthesis of fluorescent nanoparticles (FNP) via a RAFT miniemulsion polymerisation and the analysis of their fluorescence properties. The core of the FNPs is a copolymer of styrene and a BODIPY monomer, and the shell, which is biocompatible and functionnalisable, is made of poly(ethylene oxyde) and poly(acrylic acid). First of all, the synthesis' optimisation of those FNPs is presented, and to the development of a one-pot process. Then, the fluorescence properties of those FNPs are studied, especially the impact of the BODIPY monomer concentration on the formation of non or weakly fluorescent aggregates. In order to change the FNP's spectroscopics properties (fluorescent quantum yield and emission wavelength), novel fluorescent BODIPY monomers have been synthesized. Those monomers presents either some bulky aromatics substituants, either variable polymerisable functions. The FNPS's hydrophilic shell has also been modified to get different distributions of the acrylic acid and ethylene oxyde units in the polymer chains of the FNPs' surface. Those new FNPs are also synthesized via a one-pot process. At last, molecules bearing an amine function (fluorescent dyes, proteins) have been grafted onto the differents FNPs' shell via a peptid coupling reaction on the carboxylic acid functions. As such, some pH ratiometric nano-sensors have been developped.

Pour pallier le problème d’efficacité de la plupart des médicaments disponibles sur le marché aujourd’hui, lié à des manques de spécificité et de solubilité, notamment dans le cadre du traitement du cancer, la nanomédecine, via les nanoparticules présente une alternative de grande importance. Dans ce domaine, les nanoparticules de silice ont récemment attiré une énorme attention de la part des scientifiques. Cependant, des problèmes d’élimination liés à la solidité du matériau entravent aujourd’hui sa traduction clinique. Afin d’élucider cette problématique, nous présentons, dans cette thèse, l’utilisation de nanoparticules de silice hybrides dont l’une est mésoporeuse et l’autre sous forme de nanocapsule dépourvue de porosité. Les particules qui sont sphériques ont été préparées en incorporant un groupement imine dans leur charpente afin de les rendre sensibles au pH bas, sachant que les tissus cancéreux présentent une certaine acidité par comparaison aux tissus sains. Les matériaux préparés se montrent particulièrement sensibles aux milieux acides similaires aux conditions dans les milieux cancéreux. Dans le même temps, ces particules exposent une bonne stabilité en milieu à pH neutre similaire aux conditions physiologiques. Des études in vitro réalisées avec la particule mésoporeuse sur une lignée de cellule cancéreuse issue du sein humain démontrent une bonne et rapide internalisation. De plus, lorsque le matériau est chargé avec un médicament hydrophobe très puissant utilisé dans le traitement du cancer du sein, le système en résultant indique une efficacité de grande ampleur en tuant une forte majorité des cellules cancéreuses, contrairement au système basé sur la particule non cassable et au médicament isolé. Parallèlement, les nanocapsules chargées avec un autre agent anticancéreux se montrent particulièrement cytotoxiques vis-à-vis de cellules cancéreuses très communes et qui l’internalisent de manière très rapide. / To overcome the limitations of most of the drugs avaible nowadays on the market due to their lack of solubility and specifity in cancer treatment for instance, nanomedicine plays an emerging role as an alternative. In that field, nanoparticles are endowed with several advantages, leading them to be highly considered for drug delivery systems preparation. In this respect, silica nanoparticles have recently a great deal of attention from the scientists. Nevertheless, some issues related to the in vivo elimination of silica materials represent the main obstacle impeding their clinical translation. To elucidate this problematic, we report, in this thesis, the use of breakable hybrid organosilica nanoparticles where one is mesoporous and the other one consists in a nanocapsule without porosity. Such materials have been prepared by incorporating an imine-based linker in the particles framework in order to make them pH-responsive. The advantage of the pH sensitivity relies on the fact that cancerous media present certain acidity as compared to those healthy. The particles exhibit a high pH sensitivity where, at low pH, they fully break down, while a good stability is observed in physiological conditions. Furthermore, in vitro studies performed with a drug delivery system based on the mesoporous particle and a highly hydrophobic drug show a remarkable efficiency towards a cancer cell line from human breast, which moreover, rapidly internalises the material. The nanocapsule loaded with a hydrophilic drug also demonstrates a fast internalisation towards a commonly used cancer line which does not resist to the system and thus dies by a very high rate.

La nanomédecine est un secteur d’activité en plein essor depuis le développement des liposomes, nanovecteurs permettant d’encapsuler des molécules hydrosolubles ou amphiphiles pour la délivrance de médicament. Les nouveaux agents thérapeutiques synthétisés étant de plus en plus lipophiles, le développement de nouveaux vecteurs nanoparticulaires permettant leur transport constitue aujourd’hui un enjeu majeur. Les lipidots, nanoparticules lipidiques solides biocompatibles de 50 nm de diamètre, composées d’un mélange d’huile, de cire et de lécithine stabilisées par une couronne de surfactants pegylés, permettent de transporter des composés hautement hydrophobes en leur cœur. Des agents nucléaires pour la tomographie à émission monophotonique et des agents de fluorescence ont pu y être encapsulés pour l’évaluation de la biodistribution de ces nanoparticules chez la souris saine ainsi que dans différents modèles tumoraux. Un peptide de ciblage, le cRGD a également été greffé à la surface des lipidots afin d’adresser préférentiellement, dans les 3 premières heures après injection, les nanoparticules vers les tumeurs surexprimant les intégrines αvβ3. Une biodistribution particulière des lipidots dans les organes stéroïdiens (surrénales, ovaires) a été observée avec une localisation spécifique dans les zones synthétisant les hormones stéroïdiennes (le corps jaune pour les ovaires, la zone corticale pour les surrénales). Cette affinité unique a été mise à projet pour cibler des tumeurs hormono-dépendantes, ainsi que pour encapsuler des hormones ovariennes pour le traitement hormonal substitutif ou le contrôle de la procréation. / Nanomedicine is a fast growing field since the development of liposomes, nanovectors able to encapsulate in their core or phospholipid bilayer hydrophilic or amphiphilic molecules for drug delivery purposes. Nowadays, most of the new synthetized therapeutic compounds are hydrophobic, necessitating the development of new types of nanocargos. Lipidots, 50 nm diameter biocompatible solid lipid nanoparticles, composed of a mixture of oil, wax and lecithin stabilized by a shell of pegylated surfactants, are used to encapsulate highly hydrophobic compounds in their core for vectorization purpose. Nuclear agents for simple photon emission tomography, or near infrared fluorescent dyes, have been encapsulated in the lipidot core, to assess the biodistribution of these nanoparticles in healthy mice as well as in a large range of tumor models. A targeting peptide, the cRGD motif, was also grafted on the surface of lipidots to vectorize preferentially the nanoparticles to tumors overexpressing αvβ3 integrins. An unexpected lipidot biodistribution in steroid organs (adrenal, ovary) was observed, with a specific localization in areas of steroid hormones synthesis (corpus luteum in ovaries, cortex for adrenals). This unique lipidot affinity was used to target hormono-dependent cancer cells, as well as to encapsulate ovarian hormones, like estradiol or ethynil estradiol, for hormone substitution therapy or birth control.