Stimuli Responsive Polymeric Nanoparticles for Controlled Release of Cargo Molecules

Block copolymers (BCs) are complex macromolecules having, at least, two different polymeric chains chemically connected. These blocks are, in general, mutually immiscible, which leads to phase separation. Due to the length of the macromolecular blocks, this segregation occurs at the nanoscale. If BCs are formed by hydrophilic and hydrophobic blocks (amphiphilic BCs) these materials can undergo segregation in a selective solvent, e.g. water, resulting on micelles or vesicles above a critical concentration, as occurs with surfactants. Polymeric micelles or vesicles have higher stability than those formed by low molecular weight amphiphiles and have been explored in Medicine as nanocarriers for targeted drug delivery. Objective of this project is the preparation of nanoparticles from amphiphilic BCs to bond stimuli-responsive molecules by multiple hydrogen bonding (molecular recognition). Hydrophobic blocks having 2,6-diacylaminopyridine moieties will be employed for supramolecular assemblies. The high tendency to form polymeric nanoparticles of these BCs will be studied. Azobenzene groups will be easily incorporated to provide a light response to the nanoparticles that can be used for the release of cargo molecules. Furthermore, the presence of pyridine rings also provide of a pH response. Tasks to be carried out in this project initially are: - Preparation of precursors and supramolecular amphiphilic BCs having 2,6-diacylaminopyridine groups. - Complete characterization of the prepared materials, including spectroscopic and thermal analysis techniques. - Preparation of polymeric nanoparticles by using different methodologies and study by transmission electron microscopy

Membranas nanoporosas basadas en cristales líquidos supramoleculares

Resumen del póster presentado a la 6ª Jornada de Jóvenes Investigadores en Física y Química de Aragón celebrada en Zaragoza el 20 de noviembre de 2014.Este trabajo está financiado por el proyecto europeo SASSYPOL (The Marie Curie Actions – ITN, Nº 607602).Peer reviewe

Photoresponsive materials based on azobenzene: Novel macromolecular architectures and applications

Durante estos últimos años, los materiales que responden a uno o varios estímulos externos, conocidos como materiales ‘inteligentes’, han despertado un gran interés en la comunidad científica. Una de las principales razones es la posibilidad de utilizarlos en aplicaciones en campos tan diversos como la electrónica o la medicina, entre otros. De todos los posibles, la luz es probablemente el estímulo más interesante ya que es posible controlar la respuesta del material tanto espacial como temporalmente. Existen numerosos grupos orgánicos en los que la luz puede provocar una variación reversible en sus propiedades físicas y/o químicas pero el azobenceno es sin ninguna duda el grupo fotocrómico más estudiado en la preparación de materiales que respondan a la luz. Las aplicaciones de los materiales basados en azobenceno derivan de la fotoisomerizacion reversible entre los isómeros trans y cis que experimentan. En el grupo de investigación de Cristales Líquidos y Polímeros se han estudiado en profundidad polímeros y copolímeros con unidades azobencenos en la cadena lateral para aplicaciones ópticas, tales como el almacenamiento óptico de información. En los últimos años, el estudio se ha centrado en nuevas arquitecturas poliméricas, en concreto, copolímeros bloque dendrítico-lineales. Partiendo de los resultados previos del trabajo del grupo, en esta tesis doctoral se planteó obtener materiales con fotorrespuesta principalmente basados en azopolímeros con arquitecturas poliméricas alternativas a las convencionales basadas en estructura de cadena lateral. Los objetivos planteados para el desarrollo de esta tesis doctoral son los siguientes: - Síntesis y caracterización de copolímeros bloque dendrítico-lineales compuestos por un bloque dendrítico funcionalizado con dieciséis unidades cianoazobenceno y diferentes bloques lineales, poliestireno y poli(metacrilato de etilo) y los análogos con poli(metacrilato de metilo) (Capítulo 2). - Síntesis y estudio del autoensamblaje en agua de nuevos copolímeros bloque dendrítico lineales anfífilos compuestos por un bloque lineal de polietilenglicol y un dendron de tipo poliéster funcionalizado bien con dieciséis unidades 4-isobutiloxiazobenceno o bien codendrones con diferentes proporciones de 4-isobutiloxiazobenceno y cadenas hidrocarbonadas distribuidas aleatoriamente en la periferia. Estudio de la aplicación de estos materiales como nanotransportadores de moléculas orgánicas y liberación fotoestimulada de las mismas (Capítulos 3 y 4). - Síntesis y estudio del autoensamblaje en agua de nuevos copolímeros anfífilos de tipo ‘miktoarm’ AB3, así como su respuesta al irradiar con luz UV. Estos copolímeros están compuestos por un azopolímero y tres ramas idénticas de PEG o un polímero termosensible como la poli(Netilacrilamida). Estudio de la respuesta a la luz, en el caso del polímero con PEG, y de la respuesta dual, luz y temperatura, en el de los polímeros con poli(N-etilacrilamida) de los ensamblados poliméricos (Capítulos 5 y 6). - Preparación de superficies fotosensibles funcionalizadas con unidades azobenceno utilizando luz como estímulo externo tanto para la funcionalización cómo para el control de las propiedades de la superficie (Capítulo 7). Como conclusión general de esta tesis doctoral se establece que el diseño adecuado de estructuras fotocrómicas complejas permite obtener materiales con una respuesta controlada con luz, útil para campos tan diversos como la liberación controlada o las superficies fotoactivas. BIBLIOGRAFÍA: 1. Stuart, M. A. C.; Huck, W. T. S.; Genzer, J.; Muller, M.; Ober, C.; Stamm, M.; Sukhorukov, G. B.; Szleifer, I.; Tsukruk, V. V.; Urban, M.; Winnik, F.; Zauscher, S.; Luzinov, I.; Minko, S. Nat Mater 2010, 9, (2), 101-113. 2. Gil, E. S.; Hudson, S. M. Progress in Polymer Science 2004, 29, (12), 1173-1222. 3. Roy, D.; Cambre, J. N.; Sumerlin, B. S. Progress in Polymer Science 2010, 35, (1¿2), 278-301. 4. Schumers, J.-M.; Fustin, C.-A.; Gohy, J.-F. Macromolecular Rapid Communications 2010, 31, (18), 1588-1607. 5. Natansohn, A.; Rochon, P. Chemical Reviews 2002, 102, (11), 4139-4175. 6. Forcen, P.; Oriol, L.; Sanchez, C.; Alcala, R.; Hvilsted, S.; Jankova, K.; Loos, J. Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2007, 45, (10), 1899-1910. 7. Forcen, P.; Oriol, L.; Sanchez, C.; Rodriguez, F. J.; Alcala, R.; Hvilsted, S.; Jankova, K. European Polymer Journal 2007, 43, (8), 3292-3300. 8. Forcen, P.; Oriol, L.; Sanchez, C.; Rodriguez, F. J.; Alcala, R.; Hvilsted, S.; Jankova, K. European Polymer Journal 2008, 44, (1), 72-78. 9. Wurm, F.; Frey, H. Progress in Polymer Science 2011, 36, (1), 1-52. 10. del Barrio, J.; Oriol, L.; Alcala, R.; Sanchez, C. Macromolecules 2009, 42, (15), 5752-5760. 11. Del Barrio, J.; Oriol, L.; Alcala, R.; Sanchez, C. Journal of Polymer Science Part a-Polymer Chemistry 2010, 48, (7), 1538-1550. 12. del Barrio, J.; Oriol, L.; Sanchez, C.; Serrano, J. L.; Di Cicco, A.; Keller, P.; Li, M. H. Journal of the American Chemical Society 2010, 132, (11), 3762-3769

Block copolymers for stimuli responsive nanometric systems

Amphiphilic block copolymers are able to self-assemble and form polymeric micelles able to encapsulate hydrophobic molecules, or vesicles able to encapsulate both hydrophobic and hydrophilic molecules. By using stimuli responsive polymers, the encapsulated molecules can be controlled release. Light is one of the most investigated stimuli because it can be remotely and locally applied. Photoresponsive polymers are composed by moieties that react or isomerize when they are irradiated with light of a particular wavelength. Azobenzene is one of these functional molecules whose light activity is due to its reversible photoisomerization trans-cis-trans. Azobenzene can be covalently bound to polymeric chains, which is the most frequent situation, or can be bound using the principles of Supramolecular Chemistry, which constitutes a far less explored approach. The aims of this project were: The synthesis and characterization of amphiphilic supramolecular block copolymers containing units of 2.6-diacylaminopiridine (DAP, analog to adenine) capable of binding, via hydrogen bonds, azobenzenes having thymine terminal groups, including the - study of association constants in supramolecular amphiphilic block copolymers. - study of aggregation of amphiphilic supramolecular block copolymers in aqueous solutions by microfluidics to check a fast and reproducible methodology of preparing polymeric nanoparticles. According to these objectives, amphiphilic block copolymers containing DAP units and poly (ethylene glycol) were first synthesized by controlled RAFT polymerization. Azobenzenes having thymine terminal groups are linked through a triple hydrogen bond to the DAP units to give amphiphilic supramolecular block copolymers. All copolymers were characterized by spectroscopic techniques. Association constant (Ka) for H-bond complex was calculated by 1H-NMR titrations. It has a lower value (4 M-1) in THF than in chloroform (42 M-1) thus H-bonds are weakened due to a solvation effect. Reproducible polymeric aggregates from both block copolymers and supramolecular block copolymers were obtained by microfluidics in THF/water systems. In chloroform/water systems no reproducible results were obtained, so further studies are required

Preparation of polymeric nanocarriers with response to visible light

El uso de copolímeros bloque anfífilos para la preparación de micelas o vesículas poliméricas, capaces de actuar como nanotransportadores de fármacos para la encapsulación y liberación controlada de los mismos, ha sido ampliamente descrito en la bibliografía.La introducción de moléculas con capacidad de responder a la luz en este tipo de autoensamblados es particularmente interesante ya que la luz es un estímulo que se puede controlar de forma espacio-temporal. En particular, los derivados de azobenceno (capaces de isomerizar de trans a cis al ser irradiados con luz de longitud de onda adecuada) han sido ampliamente descritos en la bibliografía. Este tipo de cromóforos han sido introducidos en copolímeros bloque pudiendo inducir cambios morfológicos en los nanotransportadores derivados de los mismos, al ser éstos irradiados, lo que puede conducir a la liberación controlada de moléculas previamente encapsuladas. Sin embargo, los sistemas descritos en la bibliografía hacen uso de la luz UV como fuente de excitación, la cual es dañina para los tejidos biológicos, lo que limita su aplicación. Una alternativa interesante podría ser el uso en copolímeros bloque anfífilos de nuevos cromóforos que presenten respuesta en la región visible o infrarroja cercana, puesto que son menos dañinas y tienen más penetración en los tejidos.Por otro lado, en los últimos años se ha producido un auge en la aplicación de la química supramolecular a polímeros. Concretamente, los polímeros supramoleculares permiten el acceso a nuevos tipos de materiales basados en la naturaleza dinámica de las interacciones supramoleculares (principalmente sistemas “host-guest” y enlaces de hidrógeno). Otra gran ventaja de estos sistemas es la de poder preparar una gran cantidad de materiales distintos partiendo de unos pocos precursores, combinándolos mediante el uso de las interacciones supramoleculares mencionadas.Con todo esto se plantean dos grandes objetivos. En primer lugar, la preparación de nanotransportadores poliméricos con respuesta a la luz fuera de la región UV y, en segundo lugar, el uso de la química supramolecular para preparar copolímeros bloque anfífilos, y su autoensamblaje para generar nanotransportadores con respuesta a la luz. En concreto para los distintos capítulos los objetivos han sido los siguientes:• La preparación de copolímeros bloque anfífilos basados en unidades de orto-tetrametoxiazobenceno, con respuesta a la luz verde y roja, su autoensamblado en agua y el estudio de su fotorrespuesta a dichas longitudes de onda (Capítulo 2).• La preparación de copolímeros bloque anfífilos basados en un sistema formado por derivados de 4-alquilaminoazobenceno, capaces de responder a longitudes de onda fuera de la región UV, y derivados de naftaleno que puede actuar como sensibilizador (a uno o dos fotones) para provocar la excitación de la unidad azobenceno. La incorporación de ambos derivados en los copolímeros bloque mediante dos aproximaciones: unión covalente en la misma unidad de ambos de tipos de derivados o incorporación independiente, como comonómeros, a la estructura polimérica. El autoensamblado en agua de los diferentes copolímeros bloque y el estudio de la fotorrespuesta de los mismos. El uso de la química supramolecular para introducir dichas unidades en polímeros con unidades complementarias (Capítulo 3).• La preparación de copolímeros bloque basados en guanina, capaz de formar enlaces de hidrógeno con unidades complementarias de citosina, así como la introducción de derivados de azobenceno con grupos terminales de citosina y el autoensamblado de dichos sistemas en agua (Capítulo 4).<br /

Policarbonatos alifáticos biodegradables: Síntesis y modificación mediante reacciones de química 'click'

Los policarbonatos se empezaron a estudiar hace varias décadas, pero los métodos de síntesis existentes solo permitían obtener oligómeros de bajo peso molecular. Desde la utilización de la polimerización por apertura de anillo, se han conseguido obtener polímeros de alto peso molecular y eso ha hecho que los policarbonatos ganen protagonismo a los poliésteres en Biomedicina, gracias a su biocompatibilidad y biodegradabilidad, y la mayor facilidad para obtener monómeros con grupos funcionales activos. En éste trabajo se explora la preparación de policarbonatos, homopolímeros y copolímeros bloque anfífilos, mediante una estrategia modular que consiste en la polimerización de un carbonato cíclico con un grupo funcional alquinilo que permita obtener un policarbonato que, a su vez, pueda ser modificado con una azida dotándolo de propiedades específicas. Concretamente se usa una azida azobenceno que permite obtener sistemas con respuesta a la luz. Los policarbonatos se han preparado por una polimerización por apertura de anillo usando organocatalizadores como alternativa al uso de catalizadores metálicos y se han modificado mediante una reacción entre una azida y un alquino catalizada por Cu(I). Usando la estrategia descrita se ha obtenido un policarbonato azobenceno cristal líquido y un copolímero bloque anfífilo con polietilenglicol, un polímero hidrófilo, y un policarbonato azobenceno, un polímero hidrófobo, capaz de formar en agua micelas que responden a la luz

Visible and NIR responsive nanocarriers from amphiphilic diblock copolymers

El objetivo sobre el que se ha desarrollado esta tesis doctoral ha sido la preparación de nanotransportadores capaces de liberar su carga al ser estimulados con luz NIR o luz visible. Con esta finalidad, se planteó la síntesis de copolímeros dibloque anfífilos biodegradables con unidades sensibles a la luz NIR o visible, incorporadas como sustituyentes laterales del bloque hidrófobo. Las propiedades y la reproducibilidad de autoensamblado de este tipo de copolímeros está considerablemente condicionada por el grado de control estructural que se tiene sobre el polímero. Por ello, se proyectó la utilización de estrategias de síntesis reproducibles y versátiles que combinarán el uso técnicas de polimerización controlada, con las que se puede ejercer un buen control estructural sobre el polímero, con la funcionalización posterior del polímero para introducir diferentes unidades fotosensibles con menor esfuerzo sintético. Como polímero biodegradable se seleccionó un policarbonato alifático y, de las diferentes posibilidades para incorporar funcionalidad al polímero, se contemplaron tanto estrategias de modificación supramolecular como covalente. Para los copolímeros preparados siguiendo estos criterios, se planteó la generación de autoemsablados en agua y la evaluación de su respuesta a la luz, capacidad de encapsulación y liberación fotoestimulada de pequeñas moléculas, y potencial como nanotransportadores de fármacos.Los objetivos y conclusiones obtenidas en cada capítulo de esta tesis doctoral son:Capítulo 2: Preparación de copolímeros dibloque anfífilos funcionalizados con éster de cumarina sensible al NIR en un proceso de absorción a dos fotones y estudio de sus autoensamblados en agua. El anclaje de la unidad sensible a la luz ha sido abordado mediante enlace supramolecular y el comportamiento de este polímero se ha comparado con un modelo covalente. La funcionalización supramolecular ha permitido obtener nanotransportadores con fotorrespuesta análoga al modelo covalente. Se dispone así de una estrategia de funcionalización post-polimerización versátil que permite acceder a sistemas con respuesta al NIR, más interesante desde el punto de vista de las aplicaciones biomédicas que la luz UV.Capítulo 3: Preparación de copolímeros dibloque anfífilos funcionalizados con unidades de azobenceno sensibles a luz visible. Se han generado autoensamblados en agua, se ha evaluado su respuesta a la luz visible y se ha comparado con sistemas equivalentes portadores de azobencenos estimulables con luz UV. Asimismo, se ha analizado el efecto de la longitud del bloque hidrófilo en la morfología de los autoensamblados obtenidos en las dos series de polímeros. En función de la longitud del bloque hidrófilo se han obtenido micelas o vesículas. Se ha demostrado que es posible la encapsulación de Rojo de Nilo en micelas y vesículas, y de Rodamina B en vesículas, y su liberación al aplicar luz de 530 nm de una manera análoga a los sensibles a luz UV.Capítulo 4: Preparación de vesículas a partir de copolímeros dibloque anfífilos azobenceno seleccionados en el capítulo anterior. Se ha evaluado la posibilidad de modular la respuesta a la luz incorporando cadenas alifáticas en el bloque hidrófobo en distintas proporciones. Aunque es necesario optimizar las condiciones, la dilución de las unidades azobenceno en estos sistemas es posible hasta cierto limites sin perder la capacidad de respuesta a la luz visible.Capítulo 5: Estudios in vitro de una selección de los materiales preparados. Se ha evaluado la citotoxicidad de los ensamblados, su capacidad para encapsular Paclitaxel y la actividad de estos autoensamblados cargados con fármaco. Se ha demostrado la baja citotoxicidad de los nanotransportadores preparados en los capítulos anteriores frente a las líneas celulares HeLa y Huh-5-2, así como su capacidad de incrementar la citotoxicidad del Paclitaxel frente a las mismas. Finalmente, como conclusión más relevante, se ha demostrado la liberación de Paclitaxel inducida por luz visible de 530 nm en cultivos celulares.<br /

Induction of the vector polyphotochromism in side-chain azopolymers

The authors gratefully acknowledge support by the Shota Rustaveli National Science Foundation [grants number 04/06 and AR/209/6-120/14] and Science& Technology Center in Ukraine [grant number 6069].Peer reviewedPostprin

Supramolecular functionalizable linear–dendritic block copolymers for the preparation of nanocarriers by microfluidics

Hybrid linear–dendritic block copolymers (LDBCs) having dendrons with a precise number of peripheral groups that are able to supramolecular bind functional moieties are challenging materials as versatile polymeric platforms for the preparation of functional polymeric nanocarriers. PEG2k-b-dxDAP LDBCs that are based on polyethylene glycol (PEG) as hydrophilic blocks and dendrons derived from bis-MPA having 2, 6-diacylaminopyridine (DAP) units have been efficiently synthesized by the click coupling of preformed blocks, as was demonstrated by spectroscopic techniques and mass spectrometry. Self-assembly ability was first checked by nanoprecipitation. A re-producible and fast synthesis of aggregates was accomplished by microfluidics optimizing the total flow rate and phase ratio to achieve spherical micelles and/or vesicles depending on dendron generation and experimental parameters. The morphology and size of the self-assemblies were studied by TEM, Cryogenic Transmission Electron Microscopy (cryo-TEM), and Dynamic Light Scattering (DLS). The cytotoxicity of aggregates synthesized by microfluidics and the influence on apoptosis and cell cycle evaluation was studied on four cell lines. The self-assemblies are not cytotoxic at doses below 0.4 mg mL–1. Supramolecular functionalization using thymine derivatives was explored for reversibly cross-linking the hydrophobic blocks. The results open new possibilities for their use as drug nanocarriers with a dynamic cross-linking to improve nanocarrier stability but without hindering disassembly to release molecular cargoes

Molecular Recognition via Hydrogen Bonding in Supramolecular Complexes : A Fourier Transform Infrared Spectroscopy Study

A.M.F. and D.Z. would like to acknowledge the School of Engineering (University of Aberdeen) for funding. M.P., L.O. and A.M.-F. would like to acknowledge the Spanish Ministry of Science for the MAT2017-84838-P project. Acknowledgments: A.M.-F. and F.B. would like to thank Euan Bain and Brian Paterson for their assistance during some experiments (University of Aberdeen).Peer reviewedPublisher PD