Fotopolimeryzacja pirolu - synteza matrycowa struktur polimerowych

Nano- i mikrostruktury z polimerów przewodzących, ze względu na swoje unikalne właściwości, są przedmiotem badań wielu ośrodków naukowych na całym świecie. W porównaniu do makrostruktur polimerowych nano- i mikrostruktury z polimerów przewodzących wykazują nowe oraz często ulepszone właściwości wynikające z ich rozmiaru, takie jak duża powierzchnia właściwa czy wysokie przewodnictwo elektryczne. Nanomateriały znajdują zastosowania w konstrukcji urządzeń elektronicznych, optycznych, mechanicznych oraz w kontrolowanym dostarczaniu leków. Najczęściej stosowaną metodą otrzymywania struktur polimerowych jest synteza szablonowa. Metoda ta polega na wytwarzaniu polimerowych replik użytego szablonu, poprzez ograniczenie wzrostu polimeru do przestrzeni/powierzchni templatu. W syntezie stosuje się dwa rodzaje szablonów: miękkie takie jak mikrokrople cieczy, pęcherzyki gazu oraz twarde – membrany lub cząstki koloidalne. W swojej pracy doktorskiej poruszam zagadnienia wykorzystania nowej metody polimeryzacji pirolu – fotopolimeryzacji – do syntezy mikrometrowych struktur polimerowych z pustą przestrzenią we wnętrzu. Struktury te otrzymywałam na drodze fotochemicznego osadzania polimeru na powierzchni kropli wody. Krople wody pełniły rolę szablonów dla osadzania polimeru, co skutkowało wytworzeniem kapsułek. Przedstawiłam również badania dotyczące modyfikacji polipirolowych struktur nanocząstkami nieorganicznymi. Opisałam także metody napełniania kapsułek polimerowych i uwalniania z nich związków, takich jak barwniki fluorescencyjne. Otrzymałam dwa rodzaje struktur – sferyczne i półsferyczne, w zależności od tego czy krople wody zawieszone były w fazie organicznej, czy też zaadsorbowane na stałym podłożu. Wolna przestrzeń w kapsułkach pozwala na unieruchomienie wybranych substancji, takich jak rodamina 6G oraz analogi kapu mRNA. Wykazałam, że proces napełniania kapsułek można skutecznie prowadzić zarówno na etapie syntezy jak i po jej zakończeniu. W tym pierwszym przypadku substancja czynna akumulowana jest w kroplach wody, po czym krople te zostają pokryte warstwą polimeru. W drugim przypadku, utworzone uprzednio kapsułki napełniane są substancją czynną poprzez zmianę przepuszczalności warstwy polipirolu. Zmiana przepuszczalności jest możliwa dzięki odpowiednio dobranemu pH roztworu zewnętrznego. Inny rodzaj modyfikacji kapsułek polegał na wbudowaniu w nie nanocząstek nieorganicznych. Wykazałam, że jeżeli krople wody w emulsji zawierają nanocząstki, po pokryciu kropli polimerem nanocząstki te wbudowywują się w ścianki tworzonych kapsułek. W ten sposób kapsułki zyskują nowe właściwości. W przypadku wbudowania nanocząstek ferrytowych, kapsułki zyskują właściwości superparamagnetyczne, dzięki czemu mogą być one sterowane zewnętrznym polem magnetycznym. Z kolei modyfikacja nanocząstkami złota powoduje, że kapsułki absorbują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim. Może to zostać wykorzystane w przypadku zastosowań medycznych kapsułek, w szczególności do diagnostyki z wykorzystaniem rentgenowskiej tomografii komputerowej. Kolejnym krokiem w badaniach prowadzonych w ramach mojej pracy doktorskiej było otrzymanie kapsułek polipirolowych modyfikowanych nanocząstkami nieorganicznymi i wypełnionych jednocześnie związkami fluorescencyjnymi. Metoda ich syntezy jest połączeniem procedur otrzymywania omawianych powyżej. Jednoczesne napełnianie barwnikiem i modyfikacja nanocząstkami może być prowadzona jedno- lub dwuetapowo, w zależności od rodzaju fluoroforu. W niniejszej pracy przedstawiłam syntezę oraz charakterystykę fizykochemiczną kapsułek modyfikowanych złotem i wypełnionych rodaminą 6G oraz analogiem kapu mRNA jak również kapsułek modyfikowanych magnetycznym ferrytem i zawierających analog kapu mRNA znakowany barwnikiem. W przypadku struktur wypełnionych rodaminą 6G w pierwszym etapie otrzymywałam kapsułki modyfikowane nanocząstkami i następnym etapem było napełnianie otrzymanych struktur barwnikiem. Natomiast w przypadku struktur wypełnionych analogiem kapu mRNA, napełnianie kapsułek barwnikiem następowało jednocześnie z modyfikacją struktur polipirolowych nanocząstkami nieorganicznymi. W ostatnim rozdziale swojej pracy doktorskiej przedstawiłam wstępne badania wykorzystania kapsułek jako nośników leków. Badania te przeprowadziłam na kapsułkach modyfikowanych nanocząstkami złota i wypełnionych analogiem kapu mRNA znakowanym fluorescencyjnie. Układ eksperymentalny został dobrany tak, aby kapsułki polipirolowe mogły pełnić dwie funkcje: pozwalały na ich detekcję przy pomocy medycznych technik obrazowania oraz przenosić substancję czynną (lek). Detekcja nanocząstek złota jest możliwa m. in. metodą tomografii komputerowej (CT). Właściwości kontrastujące kapsułek modyfikowanych złotem zademonstrowałam przeprowadzając badania ex vivo na nerce pobranej od szczura. Zawiesina kapsułek została podana w obszar miedniczki nerki po czym organ poddano skanowaniu z wykorzystaniem mikrotomografu. Po przeprowadzeniu trójwymiarowej rekonstrukcji skanowanego organu uzyskałam przekroje, na których kapsułki modyfikowane złotem widoczne były jako jasne punkty. Wydaje się, że znakowanie kapsułek nanocząstkami złota jest niezwykle obiecujące z punktu widzenia ich zastosowań diagnostycznych oraz przy testowaniu nowych leków. Mimo, iż badania te znadują się na wstępnym etapie, mają one pokazać kierunek w jakim zamierzam kontynuować swoją pracę badawczą w przyszłości. Wyniki uzyskane podczas realizacji pracy doktorskiej zostały opublikowane w czasopismach międzynarodowych: Biomacromolecules, Polymer, Electrochemistry Communications, Bioelectrochemistry oraz Chemistry – A European Journal

Using Diffusion To Characterize Interfacial Heterogeneity

We report on the use of molecular diffusional motion over a range of length scales to characterize compositional heterogeneity in monolayer structures. This work focuses on the diffusional motion of perylene in two types of films supported on functionalized silica surfaces: single-component (stearic acid) and two-component (hydrocarbon/fluorocarbon) films. Langmuir–Blodgett (LB) monolayers were deposited directly on silica or were bound to surface-modified silica by means of metal ion complexation. The LB films were characterized by their π–<i>A</i> isotherms and by Brewster angle microscopy (BAM) during formation and deposition. Chromophore mobility and monolayer structural heterogeneity were evaluated by comparing rotational diffusion data (fluorescence anisotropy decay imaging) and translational diffusion data (fluorescence recovery after photobleaching) on the same LB films. Our results indicate that the mobility of the chromophore depends sensitively on both metal ion identity and film composition

Adsorption of Doxorubicin onto Citrate-Stabilized Magnetic Nanoparticles

We have synthesized citric-acid-stabilized magnetic nanoparticles with very good magnetization behavior and relatively low contribution from shape and surface magnetic anisotropies. In this work, we report also on a simple adsorption of doxorubicin onto the surface of these nanoferrites that can provide a facile preparation process for potential drug carriers. To estimate the amount of adsorbed doxorubicin, we propose a novel method utilizing a ternary system for the determination of interactions between drug and citric-acid-stabilized nanoparticles. The Gibbs free enthalpy of adsorption was determined from Henry’s isotherm that represents the drug adsorption profile within the studied concentration range. The estimated value seems to be promising for the preparation of drug-loaded nanoparticles solely by means of the adsorption process. Additional encapsulation of doxorubicin-loaded nanoparticles in an inert polypyrrole microvessel might provide a protective surrounding for drug molecules. In our opinion, understanding the physical interactions between doxorubicin and nanoparticles might be a key factor governing drug release and overall pharmacodynamics

Magnetic-Nanoparticle-Decorated Polypyrrole Microvessels: Toward Encapsulation of mRNA Cap Analogues

Many phosphorylated nucleoside derivatives have therapeutic potential, but their application is limited by problems with membrane permeability and with intracellular delivery. Here, we prepared polypyrrole microvessel structures modified with superparamagnetic nanoparticles for use as potential carriers of nucleotides. The microvessels were prepared via the photochemical polymerization of the monomer onto the surface of aqueous ferrofluidic droplets. A complementary physicochemical analysis revealed that a fraction of the nanoparticles was embedded in the microvessel walls, while the other nanoparticles were in the core of the vessel. SQUID (superconducting quantum interference device) measurements indicated that the incorporated nanoparticles retained their superparamagnetic properties; thus, the resulting nanoparticle-modified microvessels can be directed by an external magnetic field. As a result of these features, these microvessels may be useful as drug carriers in biomedical applications. To demonstrate the encapsulation of drug molecules, two labeled mRNA cap analogues, nucleotide-derived potential anticancer agents, were used. It was shown that the cap analogues are located in the aqueous core of the microvessels and can be released to the external solution by spontaneous permeation through the polymer walls. Mass spectrometry analysis confirmed that the cap analogues were preserved during encapsulation, storage, and release. This finding provides a foundation for the future development of anticancer therapies and for the delivery of nucleotide-based therapeutics

Magnetic-Nanoparticle-Decorated Polypyrrole Microvessels: Toward Encapsulation of mRNA Cap Analogues

Many phosphorylated nucleoside derivatives have therapeutic potential, but their application is limited by problems with membrane permeability and with intracellular delivery. Here, we prepared polypyrrole microvessel structures modified with superparamagnetic nanoparticles for use as potential carriers of nucleotides. The microvessels were prepared via the photochemical polymerization of the monomer onto the surface of aqueous ferrofluidic droplets. A complementary physicochemical analysis revealed that a fraction of the nanoparticles was embedded in the microvessel walls, while the other nanoparticles were in the core of the vessel. SQUID (superconducting quantum interference device) measurements indicated that the incorporated nanoparticles retained their superparamagnetic properties; thus, the resulting nanoparticle-modified microvessels can be directed by an external magnetic field. As a result of these features, these microvessels may be useful as drug carriers in biomedical applications. To demonstrate the encapsulation of drug molecules, two labeled mRNA cap analogues, nucleotide-derived potential anticancer agents, were used. It was shown that the cap analogues are located in the aqueous core of the microvessels and can be released to the external solution by spontaneous permeation through the polymer walls. Mass spectrometry analysis confirmed that the cap analogues were preserved during encapsulation, storage, and release. This finding provides a foundation for the future development of anticancer therapies and for the delivery of nucleotide-based therapeutics

Magnetic-Nanoparticle-Decorated Polypyrrole Microvessels: Toward Encapsulation of mRNA Cap Analogues

Many phosphorylated nucleoside derivatives have therapeutic potential, but their application is limited by problems with membrane permeability and with intracellular delivery. Here, we prepared polypyrrole microvessel structures modified with superparamagnetic nanoparticles for use as potential carriers of nucleotides. The microvessels were prepared via the photochemical polymerization of the monomer onto the surface of aqueous ferrofluidic droplets. A complementary physicochemical analysis revealed that a fraction of the nanoparticles was embedded in the microvessel walls, while the other nanoparticles were in the core of the vessel. SQUID (superconducting quantum interference device) measurements indicated that the incorporated nanoparticles retained their superparamagnetic properties; thus, the resulting nanoparticle-modified microvessels can be directed by an external magnetic field. As a result of these features, these microvessels may be useful as drug carriers in biomedical applications. To demonstrate the encapsulation of drug molecules, two labeled mRNA cap analogues, nucleotide-derived potential anticancer agents, were used. It was shown that the cap analogues are located in the aqueous core of the microvessels and can be released to the external solution by spontaneous permeation through the polymer walls. Mass spectrometry analysis confirmed that the cap analogues were preserved during encapsulation, storage, and release. This finding provides a foundation for the future development of anticancer therapies and for the delivery of nucleotide-based therapeutics