Дисертації з теми "Solute permeability"

A new simplified particle-based computer model for hydrated phosphohpid bilayers is presented. In the model, each lipid molecule, in reality comprising more than one hundrec atoms, is reduced to a collection of ten "'coarse-grain'' macrounits. Compared with available arse-grain methods, three novel aspects are introduced. First, electrostatics are explicitly incorporated via charges and dipoles. Second, water is accurately (yet efficiently) described, on an individual level, by the soft sticky dipole model. Third, hydrocarbon tails are modelled using the anisotropic Gay-Berne potential. Simulations are conducted by rigid body molecular dynamics, using software specifically designed and implemented for this project.

Abdominal surgery inhibits gastrointestinal motility, a phenomenon referred to as postoperative ileus. Since the postoperative ileus disturbs duodenal physiology it is important to minimize the side effects of this condition. Recent experiments in our laboratory show that treatment of anaesthetised rats with parecoxib, a selective cyclooxygenase-2 inhibitor, prevents duodenal postoperative ileus, increases duodenal mucosal bicarbonate secretion and improves other functions as well. One aim of the thesis was to investigate whether removal of luminal chloride affect the parecoxib- and the vasoactive intestinal peptide (VIP)-induced stimulation of duodenal mucosal bicarbonate secretion. The proximal duodenum of anaesthetised Dark Agouti rats was perfused with isotonic solutions containing zero or low Cl- and the effect on luminal alkalinisation determined. The basal as well as the parecoxib-induced increase in alkalinisation, but not that stimulated by VIP, were markedly reduced in the absence of luminal Cl-. One important function of the duodenum is to adjust luminal osmolality towards that in the blood. It is believed that the adjustment of osmolality in the duodenum is achieved by osmosis and diffusion of electrolytes along their concentration gradients and that these processes occur predominately paracellularly. Another aim of the thesis was to examine whether prevention of postoperative ileus affects the duodenal response to luminal hypertonicity. The proximal duodenum of anaesthetised Dark Agouti and Sprague-Dawley rats were perfused with hypertonic solutions of different composition and osmolality and the effects on duodenal motility, alkaline secretion, transepithelial fluid flux, mucosal permeability and the adjustment of luminal osmolality were determined in absence and presence of parecoxib. It is concluded that COX-2 inhibition increases duodenal mucosal bicarbonate secretion by stimulating apical Cl-/HCO3- exchange in duodenocytes. Furthermore, pretreatment of anaesthetised rats with parecoxib improves a number of duodenal functions in both rat strains that contribute to improve the ability to adjust luminal osmolality. The choice of rat strain is another important feature to consider when interpreting the results because the DA strain was more responsive to luminal hypertonicity than the SD strain. Finally, several evidences are provided to suggest that the adjustment of luminal osmolality in the rat duodenum is a regulated process.

Content: Soluble soybean polysaccharide (SSPS) is good in emulsification, and stable emulsion may be formed with the addition of SSPS in fatliquoring agents. In this paper, with wet blues as raw materials, after being retanned and neutralized, fatliquoring and filling up with SSPS were carried out at the same time, with different amounts of SSPS, i.e., 1%, 3%, 5%,7% in weight. The leather samples were dried at room temperature. The effects of SSPS amounts on the thickness, air permeability and water vapor permeability of the crust leather were studied. The tensile properties of the leathers filled by SSPS were analyzed. The results indicated that with increasing the amounts of SSPS, the thickness and the water vapor permeability of the leathers increase, while the air permeability decreases slightly. The maximum stress-strain capacity of leathers decreases with increasing the SSPS amount. At the SSPS amount of 3%, the leather is good in softness, as well as in physical and mechanical properties. Take-Away: 1.SSPS from soybean dregs is an acidic polysaccharide, which is rich in raw materials and low in cost. 2.Leathers filled with SSPS have good performance.

Le transfert de masse à partir de particules présente de nombreuses applications biomédicales, telles que le relargage contrôlé de médicaments, la culture cellulaire, ou encore la conception d’organes bioartificiels. En conditions opérationnelles, les particules sont soumises à des écoulements de fluides de différentes natures, dont l’effet sur le transport du soluté est aujourd’hui encore mal connu. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’effet de l’écoulement sur le transfert de masse à partir de capsules et de fibres cœur-coque. Le cas du relargage d’un soluté par une fibre cœur-coque confinée dans un canal plan et soumise à un écoulement de Poiseuille est étudié à partir de simulations numériques en deux dimensions basées sur la méthode de Boltzmann sur réseau. Les effets combinés de l’écoulement et de la présence de la coque sur le transfert de masse sont analysés sur une large plage de nombre de Reynolds couvrant des écoulements stationnaires et instationnaires. Une corrélation donnant le nombre de Sherwood (le coefficient de transfert de masse adimensionnel) en fonction de la perméabilité de la coque, du nombre de Reynolds, et du nombre de Schmidt est proposée. La perméabilité de la coque est une propriété difficilement mesurable. Les méthodes actuelles de caractérisation ne permettent d’obtenir qu’une perméabilité effective pour l’ensemble de la particule (cœur et coque réunis), et non spécifiquement pour la coque. Une nouvelle méthode de caractérisation est proposée et validée sur des données numériques et expérimentales. Cette méthode consiste à extraire la perméabilité de la capsule par analyse inverse, en ajustant les courbes de relargage avec des solutions de la seconde loi de Fick calculées en une dimension par la méthode des différences finies. Le relargage d’un soluté par une capsule placée dans un écoulement de cisaillement est également analysé par des simulations tridimensionnelles couplant la méthode de Boltzmann sur réseau et la méthode des frontières immergées pour les interactions fluides-structure. L’écoulement améliore significativement l’efficacité du transfert de masse par convection forcée. L’effet des conditions aux limites à la surface de la capsule est examiné. Considérer des conditions aux limites de Dirichlet, comme fait classiquement dans la littérature, conduit à des nombres de Sherwood bien plus élevés que dans le cas de conditions aux limites de continuité, plus adaptées pour modéliser le relargage d’un soluté. La dynamique d’une suspension de capsules déformables en écoulement dans une constriction est aussi étudiée. Un diagramme d’états décrivant la transition entre le passage et le blocage de la constriction par les capsules est déterminé en fonction de leurs propriétés géométriques et mécaniques. Il peut être utilisé, par exemple, afin d’optimiser le design de systèmes microfluidiques dans le but d’améliorer l’efficacité du transfert de masse
Mass transfer from particles is encountered in many biomedical applications, such as controlled drug delivery, cell culture, or in designing bioartificial organs. In operating conditions, particles are subjected to various flows, whose effect on solute transport is still not well understood and controlled. In this PhD thesis, we study the effect of the flow on mass transfer from core-shell capsules and fibers, using numerical simulations. Solute release from a core-shell fiber confined in a channel and subjected to Poiseuille flow is studied using two-dimensional lattice Boltzmann simulations. The combined effects of the flow and the shell permeability on mass transfer are analyzed over a wide range of Reynolds number covering both steady and unsteady flows. A new correlation giving the Sherwood number (the dimensionless mass transfer coefficient) as a function of the shell permeability, the Reynolds number, and the Schmidt number is proposed. The shell permeability is difficult to measure. Current characterization methods only allow the determination of an effective permeability for the whole particle (core and shell combined), and not specifically the shell permeability. A novel method to characterize capsules shell permeability is proposed and validated on both numerical and experimental data. This method consists in extracting the capsule permeability by fitting the release curves with numerical solutions of Fick’s second law of diffusion computed in one dimension using the finite difference method, by assuming spherical symmetry. Solute release from a capsule placed in a shear flow is also analyzed by the mean of three-dimensional simulations coupling the lattice Boltzmann method and the immersedboundary method for the fluid-structure interaction. The flow is found to enhance the masstransfer efficiency by forced convection. The effect of the boundary conditions set at the surface of the capsule is examined, as well. Considering Dirichlet boundary conditions at the particle surface, as classically done in literature, leads to significantly higher Sherwood numbers as compared to the case of continuity of both the concentration and the mass flux, which is more adapted to model solute release. The suspension dynamics of soft capsules in a microfluidic constriction is also studied. A state diagram describing the transition from capsule passage to blockage is determined as a function of their geometrical and mechanical properties. It can be used, for example, to optimize the design of microfluidic devices in order to enhance the mass transfer efficiency

L'alcohol polivinílic (PVA) és el polímer sintètic mes produït al món. L'excel·lent resistència química i propietats físiques de la resina del PVA han generat un ampli ús a nivell industrial. Els films d'alcohol polivinílic exhibeixen alta resistència a la tensió, resistència a l'abrasió i propietats barrera a l'oxígen, que sota en absencia d`humitat són molt superiors a la majoria d'altres polímers. Els films de PVA són àmpliament utilitzats en aplicacions d'embalatge, on la permeabilitat arriba a ser una propietat crítica a mesurar. Una àmplia sèrie de modificacions poden ser aplicades per canviar la difusió a través dels films. Per a aquest treball van ser triades dos tipus de modificacions: la barreja amb altres polímers hidrosolubles i la preparació d'un material compost. Segons Robeson, un model en sèrie de matriu i partícules, condueix a un sistema tortuós que, per un gruix donat, disminueix la permeabilitat, mentre els models de Bharadwaj per polímers barrejats van ser utilitzats per a la predicció de la permeabilitat. La producció de film es basa en l'evaporació del solvent: el polímer es dissolt i forma una solució amb una determinada concentració i viscositat; després les partícules o el segon polímer són afegits al sistema; la barreja viscosa és abocada damunt d'un suport de vidre i distribuïda manualment sobre el suport amb un ganivet aplicador regulat amb diferents distàncies. Els experiments de solubilitat van ser realitzats mesurant el temps de dissolució dels films modificats i del polímer de partida i no es van observar diferències després de les modificacions. Els experiments amb el mètode de dry cup van ser duts a terme per mesurar la permeabilitat al vapor d'aigua, registrant una disminució en els valors.
El alcohol polivinílico (PVA) es el polímero sintético más producido en el mundo. La excelente resistencia química y propiedades físicas de la resina de PVA han generado un amplio uso a nivel industrial. Los films de alcohol polivinílico exhiben alta resistencia a la tensión, resistencia a la abrasión y propiedades barrera al oxígeno, que en absencia de humedad son muy superiores a la de la mayoría de polímeros. Los films de PVA son ampliamente utilizados en aplicaciones de embalaje, donde la permeabilidad llega a ser una propiedad crítica a medir. Una amplia serie de modificaciones pueden ser aplicadas para cambiar la difusión a través de los films. Para este trabajo fueron elegidas dos tipos de modificaciones: la mezcla con otros polímeros hidrosolubles y la preparación de un material compuesto. Según Robeson, un modelo en serie de matriz y partículas conduce a un sistema tortuoso que, para un espesor dado, disminuye la permeabilidad, mientras los modelos de Bharadwaj para mezclas de polímeros fueron utilizados para la predicción de la permeabilidad. La producción de film se basa en la evaporación del solvente: el polímero se disuelve y forma una solución con una determinada concentración y viscosidad; luego las partículas o el segundo polímero son añadidos al sistema; la mezcla viscosa es vertida encima de un soporte de vidrio y distribuida manualmente sobre el soporte con una cuchilla aplicador regulado con diferentes distancias. Los experimentos de solubilidad fueron realizados midiendo el tiempo de disolución de los films modificados y del polímero de partida y no se observaron diferencias después de las modificaciones. Los experimentos con el método de dry cup fueron llevados a cabo para medir la permeabilidad al vapor de agua, registrando una disminución en los valores.
Poly(vinyl alcohol) (PVA), a polyhydroxy polymer, is the largest volume, synthetic water-soluble polymer produced in the world. The excellent chemical resistance and physical properties of PVA resins have resulted in broad industrial use. Poly(vinyl alcohol) films exhibit high tensile strength, abrasion resistance, and oxygen barrier properties which under dry conditions are superior to those of most polymers. PVA films are broadly used in packaging applications, where permeability became a critical property to evaluate. A wide range of modifications can be applied to change the moisture diffusion through the film; two types were chosen for the work: blending with other water-soluble polymers and preparation of a composite. According to Robeson, a series model of polymeric matrix and particles, leads to a tortuous system, which, for a given thickness, decreases the permeability, meanwhile Bharadwaj models for blended polymer were used for permeability prediction. The film casting is based on solvent evaporation: the polymer is dissolved and forms a solution with a certain concentration and viscosity; then the particles or the second water-soluble polymer are loaded in the system; the viscous mixture is poured on a glass support and spread across it manually with a casting knife set at different gaps. So, the wet film is left to stand to evaporate the solvent and leave a dry film. Solubility experiments were performed, by measuring the dissolution time of the film, and it was not significantly influenced by the material modification. Dry cup method experiments were run to measure the water vapor permeability, recording a decreasing values of permeabilities.

Les réservoirs de type "tight oil" et "shale gaz" ont une partie importante de leur volume poreux occupée par des micropores (< 2nm) et des mesopores (entre 2 et 50 nm). Ce type d'environnement crée de fortes forces d’interaction dans le fluide confiné avec les parois du pores et entre ses propres molécules, ce qui change fortement la thermodynamique du fluide. Un travail important doit donc être effectué sur le développement de méthodes de mise à l'échelle de la distribution de pore pour effectuer des simulations réservoir à grande échelle. Premièrement, des simulations moléculaires sont effectuées sur des fluides confinés afin d'obtenir des propriétés thermodynamiques de référence à l'équilibre liquide/vapeur pour différentes tailles de pore. Ensuite, une comparaison des données de simulation moléculaire avec les résultats issus des équation d'état utilisées dans la littérature a permis de mettre en valeur la méthode de flash avec pression capillaire et changement du point critique comme la meilleure méthode existante pour décrire la physique du fluide confiné. Des simulations fines d'écoulement matrice/fracture ont donc été effectuées pour différentes tailles de pore. Des modèles de mise à l'échelle en maillage grossier ont été ensuite construits à partir du même cas synthétique et les résultats ont été comparés avec ceux des simulations de référence en maillage fin. Un nouveau modèle de triple porosité considérant fracture, petit pores et grand pores avec une approche MINC a donné des résultats très proches du maillage fin. Finalement un réservoir stimulé hydrauliquement à grande échelle a été simulé pour différentes distributions de pores avec le modèle développé
Tight oil and shale gas reservoirs have a significant part of their pore volume occupied by micro (below 2nm) and mesopores (between 2 and 50nm). This kind of environment creates strong interaction forces in the confined fluid with pore walls as well as between its own molecules and then changes dramatically the fluid phase behavior. An important work has therefore to be done on developing upscaling methodology of the pore size distribution for large scale reservoir simulations. Firstly, molecular simulations are performed on different confined fluids in order to get reference thermodynamic properties at liquid/vapor equilibrium for different pore sizes. Then, the comparison with commonly used modified equation of state (EOS) in the literature highlighted the model of flash with capillary pressure and critical temperature and pressure shift as the best one to match reference molecular simulation results. Afterwards fine grid matrix/fracture simulations have been built and performed for different pore size distributions. Then, coarse grid upscaling models have then been performed on the same synthetic case and compared to the reference fine grid results. A new triple porosity model considering fracture, small pores and large pores with MINC (Multiple Interacting Continua) approach, has shown very good match with the reference fine grid results. Finally a large scale stimulated reservoir volume with different pore size distribution inside the matrix has been built using the upscaling method developed here

L’AMPc est un messager important de la régulation neurohormonale du cœur. En activant ses effecteurs, l’AMPc régule de nombreuses fonctions cellulaires telles que l'expression de gènes, le couplage excitation-contraction et le métabolisme cellulaire. Chez les mammifères, l'AMPc est produit par une famille d’adénylate cyclases au sein de plusieurs compartiments subcellulaires solubles ou membranaires. L'existence et le rôle de la signalisation des nucléotides cycliques dans les mitochondries ont été postulés, mais n'ont pas encore été démontrés. De plus, son implication dans la régulation de la mort cellulaire est encore inconnue. Dans cette thèse, nous avons démontré l'expression locale de plusieurs acteurs de la signalisation de l'AMPc dans les mitochondries cardiaques, à savoir une forme tronquée soluble AC (sACt) et la protéine d'échange directement activées par AMPc 1 (Epac1). Nous avons montré un rôle protecteur pour sACt contre la mort cellulaire, l'apoptose, ainsi que la nécrose de cardiomyocytes primaires. Lors de la stimulation par du bicarbonate (HCO3-) et du Ca2+, la sACt produit de l’AMPc, qui à son tour stimule la consommation d'oxygène, une augmentation du potentiel mitochondrial de membrane (ΔΨm) et la production d'ATP. L’AMPc est limitant pour l’entrée matricielle de Ca2+ via l’uniport calcique mitochondrial (MCU) et, en conséquence, prévient la transition de perméabilité mitochondriale (MPT). En outre, dans les mitochondries isolées de cœurs de rats défaillants, la stimulation de la voie de l'AMPc par le HCO3- prévient la sensibilisation des mitochondries au Ca2+. Nous avons également constaté que les familles de phosphodiestérases (PDE), PDE2, 3 et 4, sont exprimées dans les mitochondries cardiaques régulant le taux d’AMPc. Ainsi, ces protéines forment une voie de signalisation locale dans la matrice régulant la fonction mitochondriale cardiaque. Finalement, notre étude a permis d’identifier un lien entre l'AMPc mitochondrial, le métabolisme, certaines PDEs et la mort cellulaire dans le cœur, qui est indépendant de la signalisation AMPc cytosolique. Ceci pourrait constituer un nouveau mécanisme cardioprotecteur via la préservation de la fonction mitochondriale dans un contexte physiopathologique
CAMP is an important messenger in neurohormonal regulation of the heart. By activating its effectors, cAMP regulates many cellular functions such as gene expression, excitation-contraction coupling and cellular metabolism. In mammals, cAMP is produced by a family of adenylyl cyclase with various subcellular locations and membrane anchorage. The existence and role of cyclic nucleotide signaling in mitochondria has been postulated, but has not yet been demonstrated. Moreover, its implication in the regulation of cell death is still unknown. In this thesis, we demonstrated the local expression of several actors of cAMP signaling within cardiac mitochondria, namely a truncated form of soluble AC (sACt) and the exchange protein directly activated by cAMP 1 (Epac1) and showed a protective role for sACt against cell death, apoptosis as well as necrosis, in primary cardiomyocytes. Upon stimulation with bicarbonate (HCO3-) and Ca2+, sACt produces cAMP, which in turn stimulates oxygen consumption, increased the mitochondrial membrane potential (∆Ψm) and ATP production. cAMP is rate-limiting for matrix Ca2+ entry via the mitochondrial calcium uniporter (MCU) and, as a consequence, prevented mitochondrial permeability transition (MPT). In addition, in mitochondria isolated from failing rat hearts, stimulation of the mitochondrial cAMP pathway by HCO3- rescued the sensitization of mitochondria to Ca2+-induced MPT. We also found that PDE2, 3 and 4 families are located in cardiac mitochondria. They form a local signaling pathway with soluble AC in the matrix, which regulates cardiac mitochondrial functions. Thus, our study identifies a link between mitochondrial cAMP, mitochondrial metabolism, some PDEs and cell death in the heart, which is independent of cytosolic cAMP signaling. This might constitute a novel cardioprotective mechanism through mitochondrial function preservation in pathophysiological conditions

Thesis (Ph.D.); Submitted to the University of California, Berkeley, CA (US); 18 Dec 2003.
Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--54280" Garcia, Julio Enrique. USDOE Director. Office of Science. Basic Energy Sciences (US) 12/18/2003. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Corrosion protection performance of a completely soluble polyaniline-dodecylbenzenesulfonic acid salt (PANI-DBSA) on C45 steel has been studied with electrochemical impedance and potentiodynamic measurements. Chloroform is the most suitable solvent to process the pristine PANI-DBSA because of negligible interaction of the solvent with the polyaniline (PANI) backbone. An anodic shift in the corrosion potential (E=~70  mV), a decrease in the corrosion current and a significant increase in the charge transfer resistance indicate a significant anti-corrosion performance of the soluble PANI deposited on the protected steel surface. Corrosion protection follows the mechanism of formation of a passive oxide layer on the surface of C45 steel. In situ UV-Vis spectroscopy was used to investigate the differences in permeability of aqueous anions into PANI-DBSA. Preliminary results of electron diffraction studies show that PANI-DBSA possesses an orthorhombic type of crystal structure. An increase in the feed ratio of DBSA to aniline increases the tendency of aggregation of spherical particles of PANI obvious in transmission electron microscopy. PANI-DBSA slowly loses its electrochemical activity in acid free electrolyte without undergoing degradation.

Les procédés d’élaboration de pièces composites par infusion de résine, malgré leurs nombreux avantages, peinent à s’imposer dans les phases de production industrielle en raison de difficultés pour les maitriser. Ainsi, en partenariat avec ESI Group, un modèle complet pour la simulation de ces procédés est développé à l’ENSM-SE depuis les travaux précurseurs de P. Celle.Nos travaux portent sur la généralisation de ce modèle afin de traiter des cas, ainsi que sur son extension à la simulation des écoulements « post-infusion ». L'approche repose sur un découpage du domaine en trois zones (drainant, préformes imprégnées, préformes sèches) consistant ainsi à coupler un écoulement de Stokes dans le drainant à un écoulement de Darcy dans les préformes. De plus, l'influence mutuelle de la résine sur le comportement des préformes et de la déformation des préformes sur la perméabilité est considérée, à travers la loi de Terzaghi et des lois exprimant la perméabilité en fonction de la fraction de fibres, paramètre accessible uniquement dans une approche 3D mécanique couplée. Enfin, le procédé est découpé en trois phases : compression initiale des préformes sèches, remplissage et « post-infusion ». Les méthodes numériques, développées dans ces travaux, s'appliquent à des cas réels d'infusion souvent mis de côté dans les publications récentes car inaccessibles, impliquant des perméabilités très faibles (~10-15 m²), un drainant fin (~1 mm) et des géométries complexes.Cette approche innovante a été implémentée dans un code de calcul industriel (ProFlotTM), validée analytiquement sur des cas tests et expérimentalement sur des cas industriel dans le cadre du projet européen INFUCOMP
Composite manufacturing processes by resin infusion, despite their many benefits, struggle to establish themselves in the industrial production phases due to difficulties to control them. So, in partnership with ESI Group, a comprehensive model for the simulation of these processes is developed at the ENSM-SE since the pioneering work of P. Celle.Our work focuses on the generalization of this model to handle complex industrial cases in three dimensions, as well as its extension to “post-infusion” flow simulation. The approach is based on three domains decomposition of the field (Distribution medium, impregnated preforms, dry preforms) consisting in coupling a Stokes flow in the distribution medium with a Darcy flow in the preforms. In addition, the mutual influence of the resin on the preforms and of the preforms deformation on the permeability is considered, through Terzaghi’s law and models expressing the permeability as a function of the fibre fraction, data only accessible with a 3D coupled mechanical approach. Finally, the process is divided into three phases: initial compression of dry preforms, filling and “post-infusion”. The numerical methods developed in this work, apply to real infusion cases often discarded in recent publications, involving very low permeability (~10-15 m²), thin distribution medium (~ 1 mm) and complex geometries (3D curved).This innovative approach has been implemented in an industrial simulation code (ProFlotTM), validated analytically over test cases and experimentally over industrial cases in the European project INFUCOMP

Au cours de l’infection par le virus Ebola (EBOV), plusieurs glycoprotéines solubles sont massivement libérées à partir de cellules infectées mais le rôle précis de ces protéines virales n’a pas encore été identifié. Nous émettons l'hypothèse que l'altération de l’hémostase et du système et vasculaires observée au cours de l'infection à virus Ebola pourrait être, au moins en partie causée par ces glycoprotéines solubles. Ainsi pour la première fois, nous avons identifié les cibles cellulaires de la protéine soluble « shed GP » d’Ebola et nous avons démontré que sa partie glycosylé peut activer les cellules dendritiques et les macrophages non infectés, induisant, par le récepteur TLR4, la sécrétion de cytokines pro-inflammatoires. Nous démontrons aussi que l'activité de la shed GP est neutralisé lors de l'addition de la MBL, une protéine connue pour interagir avec certains motifs glycosylés présents à la surface de différents micro-organismes. Nous avons également montré que la shed GP active la perméabilité des HUVEC de façon directe et indirecte, via la libération de cytokines. En conclusion, cette étude suggère que la shed GP peut être l'un des principaux facteurs responsables de la stimulation précoce des cellules immunitaires qui produisent alors de grandes quantités de cytokines pro-inflammatoires, des éléments qui, combinés avec la réplication massive du virus et les dommages cellulaires induits par le virus, peuvent conduire à un syndrome de type choc septique et une mortalité élevée
During Ebola virus (EBOV) infection several soluble glycoproteins are released in high amounts from infected cells but as yet still no clear role has been identified for these viral proteins. We hypothesized that the impairment of coagulation and vascular systems observed during EBOV infection could be, at least in part, due to these soluble glycoproteins.Here, for the first time we identify the cellular targets of EBOV soluble protein shed GP and provide evidence that through its glycosylation, shed GP can activate non-infected dendritic cells and macrophages, inducing, through TLR4, the secretion of pro-inflammatory cytokines. We also demonstrate that shed GP activity is negated upon addition of Mannose-Binding sera Lectin (MBL), a molecule known to interact with sugar arrays present on the surface of different microorganisms. We have also revealed that shed GP activates permeability of HUVECs both directly and indirectly through cytokine release. Overall, this study suggests that shed GP may be one of the principal factors responsible for the early stimulation of immune cells that then produce high amounts of proinflammatory cytokines that, combined with massive virus replication and virus-induced cell damage, can lead to a septic shock-like syndrome and high mortality

Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont la détermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité.Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et desaturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micro-mécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques
This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line

Abstract This thesis reports on studies of plasmonic nanoparticles and particularly gold nanostars as signal enhancers and contrast agents for biophotonic applications including visualisation, treatment of living cells and chemical sensing. In this thesis, the optical properties of nanoparticles of different size and morphology and their silica composites were compared. Because they are the most suitable plasmonic nanostructures, gold nanostars were utilised for optical imaging modalities such as confocal microscopy and Doppler optical coherence tomography. The ability of gold nanoparticles to enhance the signal in surface-enhanced vibrational spectroscopy, including Raman and Fourier transform infrared spectroscopy was additionally studied. Finally, various gold nanoparticles were applied for cell optoporation to increase the penetration ability of exogeneous substances. In summary, significant advantages of nanostars such as their low-toxicity, high scattering and contrast abilities, in addition to a broad, tunable, plasmon resonance wavelength range, as well as the capability to enhance the signal of analyte molecules in vibrational spectroscopy were demonstrated in this thesis. The results of this study on the effectiveness of nanostars have a broad scope of utility and open a wide perspective for their utilisation in nanobiophotonics and biomedicine
Tiivistelmä Tämä opinnäytetyö kertoo tutkimuksista, joissa plasmoninanopartikkeleita ja erityisesti kultananotähtiä on käytetty signaalinvahvistimina biofotoniikan sovelluksissa, kuten visualisointi, elävien solujen käsittely ja kemiallinen tunnistus. Tässä työssä verrattiin eri kokoisten ja muotoisten nanopartikkeleiden ja niiden piioksidikomposiittien optisia ominaisuuksia. Sopivimpina plasmoninanorakenteina kultananotähtiä käytettiin optisiin kuvantamismenetelmiin, kuten konfokaalimikroskopiaan ja Doppler-optiseen koherenssitomografiaan. Lisäksi kuvattiin myös kultananopartikkelien kykyä parantaa pinta-aktivoidun värähtelevän spektroskopian signaalia, mukaan lukien Raman- ja Fourier-muunnos-infrapuna-spektroskopia. Lopuksi, eri kultananopartikkeleita käytettiin soluoptoporaatioon eksogeenisten aineiden läpäisevyyden lisäämiseksi. Yhteenvetona, työssä osoitettiin nanotähtien merkittävät edut, kuten matala-myrkyllisyys, suuret sironta- ja kontrastiominaisuudet, laaja plasmoniresonanssin aallonpituusalue ja sen viritettävyys, sekä kyky parantaa analyyttimolekyylien signaalia värähtelyspektroskopiassa. Niinpä tutkimustulokset nanotähtien tehokkuudesta ovat laajasti käyttökelpoisia ja ne avaavat laajan näkökulman niiden hyödyntämiseen nanobiofotoniikassa ja biolääketieteessä

L'utilisation de filtres plissés dans le domaine du traitement de l'air est extrêmement fréquente en raison de leur simplicité d'utilisation et de maintenance. Néanmoins, au cours du colmatage, la perte de charge augmente considérablement avec le dépôt de particules. Par conséquent le débit de filtration n'est plus maintenu et une détérioration des médias peut se produire. Il est essentiel de caractériser cette évolution en fonction des conditions opératoires pour mieux concevoir ces équipements. Les travaux ont consisté en une étude expérimentale de l'influence des conditions opératoires sur la géométrie du dépôt par des observations en Tomographie d'Émission MonoPhotonique. Une approche numérique a consisté, dans un premier temps, en une étude de la perméabilité de médias bien caractérisés afin de valider le code GeoDict. Dans un deuxième temps, une étude de la vitesse de l'air a été entreprise sur les médias plissés. La confrontation des résultats numériques avec les données expérimentales nous a permis une validation du code dans les gammes de propriétés des médias et de vitesses typiques. Concernant les médias bimodaux, l'acquisition rapide de données a permis de tester différentes corrélations analytiques afin de classifier les modèles existants d'une manière qui facilite leur utilisation. Si les résultats expérimentaux obtenus sur la localisation du dépôt préférentiel initial dans les filtres plissés sont encourageants, notamment vis-à-vis des simulations d'écoulement réalisées avec GeoDict, ceux issus des acquisitions sur les filtres précolmatés sont à prendre avec prudence et suggèrent d'apporter un certain nombre d'amélioration à notre technique
Pleated filters are widely used in air treatments because of the advantageous effective surface to overall dimension ratio they offer. Their major drawback though resides in their reduced lifetime which still needs to be controlled. Indeed, when clogging, the pressure drop considerably increases, the filtration flow is then no longer maintained which might lead to the deterioration of the media. It is then crucial to characterize the evolution of the pressure drop under operating conditions in order to best design these equipments. Part of our work consisted in studying how the operating conditions influence the geometry of the deposit. To do so, we used Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT), a non-destructive imaging technique that keeps intact the particle structuring. The visualization of aerosol deposit at the beginning of the filtration process allows observing preferential particle deposition on the whole height of the pleat. A numerical approach was used to study the permeability of bimodal fibrous media and we experimentally studied the local velocity as well as the biphasic flow inside pleated filter media. Comparison between experiments and simulations allowed us to validate the Geodict code for a wide range of media properties and velocities. Regarding bimodal fibrous media, the fast data acquisition has allowed testing several existing models which resulted in classifying them in a unique way. If the experimental results on the initial deposition in pleated filters are encouraging, those related to beforehand clogging point to several improvements regarding the technique we used

L'altération des roches carbonatées sous l'action du gel pose un problème pour leur utilisation en génie civil en tant que granulats routiers, pierres de construction ou enrochements. Les essais normalises n'ont qu'une approche indicative de la durabilité au gel de ces matériaux. En fait, la résistance au gel des roches calcaires dépend de la capacité de leur milieu poreux à limiter l'endommagement causé par les mécanismes microscopiques du gel de l'eau dans les pores. Les facteurs qui réduisent l'action du gel sont lies à l'état de saturation du matériau et à la distribution de l'eau dans le milieu poreux. La caractérisation de la structure du milieu poreux de roches calcaires de lorraine est fondée sur une étude texturale (M. E. B. ) Et sur une analyse petrophysique (porosimetrie au mercure, des propriétés ultrasoniques, mesures de la fissuration). Les calcaires à facies grainstone et à réseaux poreux bimodaux piègent un volume d'air important lors de saturations sous pression atmosphérique et présentent des perméabilités élevées; leurs degrés de saturation, obtenus par absorption capillaire ou par immersion totale, ne dépassent pas 60 pour cent. Ces propriétés permettent de prévoir une résistance au gel élevée pour ces matériaux. Par contre, l'action du gel sur les calcaires à réseaux poreux unimodaux dépend de la texture de la roche (mudstone a packstone, degré de cimentation) et de l'influence de plusieurs paramètres tels que les dimensions et formés des pores, la perméabilité du milieu et l'importance des contraintes développées pendant les phases de gel. Ces comportements prédictifs sont confirmés par des observations sur des enrochements ayant subis les conditions de gel in situ et par des simulations du gel en enceinte climatique. Dans ce dernier cas, la mesure de l'endommagement est fondée sur l'évolution de l'atténuation des ondes ultrasoniques de compression dans ces calcaires au cours de cycles gel-dégel

El reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR) está considerado como tecnología candidata para mejorar la sostenibilidad en el sector de la depuración de aguas residuales, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (v.g. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (v.g. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología alternativa de tratamiento de aguas residuales es más sostenible que las tecnologías aerobias actuales ya que el agua residual se transforma en una fuente renovable de energía y nutrientes, proporcionando además un recurso de agua reutilizable. SAnMBR no sólo presenta las principales ventajas de los reactores de membranas (i.e. efluente de alta calidad, y pocas necesidades de espacio), sino que también presenta las principales ventajas de los procesos anaerobios. En este sentido, la tecnología SAnMBR presenta una baja producción de fangos debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos implicados en la degradación de la materia orgánica, presenta una baja demanda energética debido a la ausencia de aireación, y permite la generación de metano, el cual representa una fuente de energía renovable que mejora el balance energético neto del sistema. Cabe destacar el potencial de recuperación de nutrientes del agua residual bien cuando el efluente es destinado a irrigación directamente, o bien cuando debe ser tratado previamente mediante tecnologías de recuperación de nutrientes. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la viabilidad de la tecnología SAnMBR como núcleo en el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Por lo tanto, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) implementación, calibración y puesta en marcha del sistema de instrumentación, control y automatización requerido; (2) identificación de los parámetros de operación clave que afectan al proceso de filtración; (3) modelación y simulación del proceso de filtración; y (4) desarrollo de estrategias de control para la optimización del proceso de filtración minimizando los costes de operación. En este trabajo de investigación se propone un sistema de instrumentación, control y automatización para SAnMBR, el cual fue esencial para alcanzar un comportamiento adecuado y estable del sistema frente a posibles perturbaciones. El comportamiento de las membranas fue comparable a sistemas MBR aerobios a escala industrial. Tras más de dos años de operación ininterrumpida, no se detectaron problemas significativos asociados al ensuciamiento irreversible de las membranas, incluso operando a elevadas concentraciones de sólidos en el licor mezcla (valores de hasta 25 g·L-1 ). En este trabajo se presenta un modelo de filtración (basado en el modelo de resistencias en serie) que permitió simular de forma adecuada el proceso de filtración. Por otra parte, se propone un control supervisor basado en un sistema experto que consiguió reducir el consumo energético asociado a la limpieza física de las membranas, un bajo porcentaje de tiempo destinado a la limpieza física respecto al total de operación, y, en general, un menor coste operacional del proceso de filtración. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título ¿Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos¿ (MICINN, proyecto CTM2008-06809- C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema SAnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España).
Robles Martínez, Á. (2013). Modelling, simulation and control of the filtration process in a submerged anaerobic membrane bioreactor treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34102
Alfresco
Premiado

碩士
國立中央大學
化學工程研究所
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Liposome physical stability plays a critical role in various stages of the applications and development of liposomes. The classic assay of the physical stability of liposomes is to monitor the change in the liposome size with time and the solute''s permeability. In the investigation, the liposomes with the compositions containing Egg PC, Vitamin E, and various amount of polysorbate (Tween type) surfactants were prepared by the probe sonication method. The change of vesicle size and the loss of the entrapped hydrophilic fluorescence (5(6)-carboxyfluorescein) were measured at 25℃ and 37℃. From the results, the additions of the Tween20 and Tween80 surfactants accelerated the change in size. Whereas, the addition of 4wt% surfactants had no effect on the permeability at 25℃, but as the amount of surfactants added increased to 8wt%, the permeability was promoted both at 25℃ and 37℃. To understand the surfactant''s effect on the overall interaction between the liposomes(intervesicle interaction), the second virial coefficients of the liposome interactions were determinated by the dilution heat of liposome solution verses the particle(liposome) density of the solution. Negative second virial coefficients were obtained for the liposomes of all the compositions under studied, and this indicated a repulsive potential between the liposomes. The additions of Tween20 and Tween80 decreased the repulsive potential between the liposomes as the absolute value of the second virial coefficient decreased. Wherein, the zeta potential of the liposomes with the surfactants was not very different from the ones without surfactants at 25℃ indicating that the surfactants had little effects on the electrostatic potential between the liposomes. Therefore, the decrease of the repulsive potential can be attributed from the hydrophobic interactions between the (CH2-CH2-O)n groups on the headgroup of surfactants. However, as the temperature raised, the decreased electrostatic and hydration repulsive forces may surpass the favored hydrophobic interaction and resulted in the decline in the repulsive potential between the liposomes. Further, the spectrum of DSC(differential scanning calorimeter) revealed that the additions of Tween20 and Tween80 caused no difference in the intravesicle interaction. Therefore, the effect of the surfactants on the liposome physical stability is mainly in the intervesicle interaction. This study shed light on that the increase of the biological stability of the liposome with PEG conjugated lipids is mainly from the prevention of immuo-response by the PEG structure of the liposome outer layer. While, the physical stability is reduced caused by the hydrophobic interactions between the exposed PEG segments. The investigation also demonstrated that the ITC(isothermal titration micro-calorimeter) is a powerful tool for studying particle(colloid) interactions in solution.

Since four decades, high-throughput screenings have been conducted in drug discovery, fuelling the identification of potential new drug candidates. This approach, however, often promotes the detection of compounds with undesired physico-chemical properties like poor aqueous solubility or low membrane permeability. Indeed, dissolution and absorption of a drug are prerequisites for systemic exposure and therapeutic effects. Therefore, innovative strategies to optimize unfavourable performance of new drug candidates are in great demand in order to increase drug concentrations at the site of action whilst simultaneously reducing drug variability. In chapter I of this research work, hydrophobic ion pairing (HIP) is discussed as a promising strategy to improve the bioavailability of BCS class III compounds, which have high aqueous solubility and low permeability. The review points out the limitations of poorly absorbable drugs and details the approach of pairing these APIs with hydrophobic counterions. Apart from the motivation to tailor physico-chemical, biopharmaceutical and toxicological properties of BCS class III compounds, the hydrophobic ion pairing facilitates their formulation into drug delivery systems. Besides advantageous effects, disadvantages of the ion pair formation, such as the decreased aqueous solubility of the ions pair, are critically outlined. Finally, the review covers an overview of non-invasive administration routes permitted after ion pair formation, including oral/enteral, buccal, nasal, ocular and transdermal drug administration. Overall, the HIP approach offers substantial benefits regarding the bioavailability enhancement of BCS class III compounds. Chapter II concerns GHQ168 developed by Holzgrabe et al., a BCS class II compound characterized by low aqueous solubility and high permeability. GHQ168 was developed for the treatment of human African trypanosomiasis (HAT), a tropical disease for which novel active compounds are urgently needed. This lead compound was found to be very active against trypanosoma brucei brucei and trypanosoma brucei rhodesiense in cell culture assays, however, the low aqueous solubility prevented further preclinical development. To target this drawback, two different approaches were selected, including (I) the chemical modification and (II) the spray drying of GHQ168. The newly synthesized set of derivatives as well as the spray dried GHQ168 were subjected to a physico-chemical and microbiological characterization. It turned out that both approaches successfully improved aqueous solubility, however, for the derivatives of GHQ168 at the expense of activity. Furthermore, the pharmacokinetic parameters of GHQ168 and of the most active derivatives, GHQ242 and GHQ243, were evaluated. Elimination half-lives between 1.5 to 3.5 h after intraperitoneal administration and modest to strong serum albumin binding for GHQ243 (45%) and GHQ168 (80%) and very high binding (> 99%) for GHQ242 were detected. The spray dried formulation of GHQ168, as well as GHQ242 and GHQ243 were investigated in two in vivo studies in mice infected with t. b. rhodesiense (STIB900), referred to as (I) stringent model and (II) early-treatment model. In the stringent model (2 applications/day on day 3-6 after infection) the mean survival duration (MSD) of mice treated with spray dried GHQ168 exceeded the MSD of the untreated control group (17 days versus 9 days), a difference that was statistically significant. In contrast, no statistical difference was observed for GHQ242 (14 days) and GHQ243 (12 days). GHQ168 was further assessed in the early-treatment model (2 applications/day on day 1-4 after infection) and again a statistically significant improvement of MSD (32 days (end of observation period) versus 7 days) was observed. Finally, exciting antitrypanosomal efficacy for the spray dried formulation of GHQ168 was demonstrated. NADPH oxidases (NOX) were found to be the main source of endothelial reactive oxygen species (ROS) formation. Chapter III reports on the formulation studies on triazolopyrimidine derivatives from the VAS library, a set of NADPH oxidase inhibitors. These were developed for the treatment of elevated ROS levels, which contribute to the development of cardiovascular diseases. Although in vitro results from numerous studies indicated promising efficacy and selectivity for the VAS-compounds, the low water solubility impeded the in vivo translation and further preclinical development. For this reason, three derivatives, VAS2870, VAS3947, and VAS4024 were physico-chemically characterized and VAS3947, the most soluble compound, was selected for further formulation studies. These approaches included (I) spray drying, (II) microemulsification and (III) complexation with cyclodextrins in order to develop formulations for oral and parenteral application. Solubility improvement of VAS3947 was successfully demonstrated for all preparations as expressed by supersaturation ratios in comparison to the solubility of the unformulated compound. For seven spray dried formulations, the ratio ranged from 3-9, and the ratio for four microemulsions was 8-19 after 120 min, respectively. The six cyclodextrin formulations achieved the highest supersaturation ratio between 3 and 174 after 20 hours. NMR measurements elucidated the inclusion of VAS3947 within the CD’s cavity as well as the interaction with its outer surface. Ultimately, NOX inhibitors were opened for oral and parenteral administration for the first time. After successful solubility improvement of VAS3947, further investigations towards in vivo studies were conducted including stability studies with a focus on stability in solution and in plasma as presented in chapter IV. Furthermore, permeability and cytotoxicity assays were performed for the first time. It turned out that VAS3947 was instable in buffer and when exposed to light. Moreover, the compound showed decomposition in the presence of mouse microsomes and in human plasma. The VAS compounds contain an oxazol moiety linked to the triazolopyrimidine skeleton via a thioether. This structural element is responsible for the efficacy of the compound class, however it is susceptible to hydrolysis and to further degradation reactions. Moreover, VAS3947 harmed membrane integrity in the cell permeability assays and cytotoxicity investigations in HEK-293 and HEP-G2 cells revealed IC50 values in the same concentration range as reported for efficacy assays. Summarized, it was demonstrated that substances from the VAS library were no appropriate model compounds for ROS investigations nor suitable candidates for further preclinical development
Seit vier Jahrzehnten werden Hochdurchsatz-Screenings in der Arzneimittelforschung durchgeführt, was die Erkennung von potentiellen Wirkstoffkandidaten vorantreibt. Diese Vorgehensweise begünstigt jedoch häufig die Identifizierung von Substanzen mit unerwünschten physikochemischen Eigenschaften wie geringer Wasserlöslichkeit oder geringer Membranpermeabilität. Der Bioverfügbarkeitstheorie zufolge sind die Auflösung und die Absorption eines Arzneistoffs Voraussetzung für die systemische Verfügbarkeit und die therapeutische Wirkung. Daher werden innovative Strategien, die die ungünstigen Eigenschaften neuer Wirkstoffkandidaten optimieren, dringend benötigt, um die Arzneistoffkonzentration am Wirkort zu erhöhen und gleichzeitig Wirkstoffschwankungen zu reduzieren. In Kapitel I dieser Forschungsarbeit wird die hydrophobe Ionenpaarbildung als vielversprechende Strategie diskutiert, um die Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen zu verbessern, die sich durch hohe Wasserlöslichkeit und geringe Permeabilität auszeichnen. Der Review zeigt die Grenzen von schlecht absorbierbaren Arzneistoffen auf und stellt den Ansatz vor, diese mit hydrophoben Gegenionen zu kombinieren. Abgesehen von der Motivation, die physikochemischen, biopharma-zeutischen und toxikologischen Eigenschaften von BCS Klasse III Substanzen positiv zu beeinflussen, wird die Formulierung der hydrophoben Ionenpaare in Trägersysteme erleichtert. Neben den Vorteilen werden auch die Nachteile der hydrophoben Ionenpaarbildung, wie beispielsweise die geringere Wasserlöslichkeit der Ionenpaare, kritisch dargestellt. Abschließend gibt der Review eine Übersicht über die verschiedenen nicht-invasiven Applikationsrouten, die nach hydrophober Ionenpaarbildung realisierbar sind, was die orale/enterale, bukkale, nasale, okulare und transdermale Arzneistoffgabe umfasst. Insgesamt bietet dieser Formulierungsansatz wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Verbesserung der Bioverfügbarkeit von BCS Klasse III Substanzen. Kapitel II befasst sich mit GHQ168, entwickelt von Holzgrabe et al., einer BCS Klasse II Substanz mit geringer Wasserlöslichkeit und hoher Permeabilität. GHQ168 wurde zur Behandlung der afrikanischen Schlafkrankheit entwickelt, einer tropischen Erkrankung, für die neue Arzneistoffe dringend benötigt werden. Diese Leitsubstanz bewies in Zellkulturversuchen sehr hohe Aktivität gegen Trypanosoma brucei brucei und Trypanosoma brucei rhodesiense, die geringe Wasserlöslichkeit verhinderte jedoch die weitere präklinische Entwicklung. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt, zum einen (I) die chemische Modifikation und zum anderen (II) die Sprühtrocknung von GHQ168. Die neu synthetisierten Derivate und das sprühgetrocknete GHQ168 wurden physikochemisch und mikrobiologisch charakterisiert. Beide Ansätze verbesserten erfolgreich die Wasserlöslichkeit, im Fall der Derivate von GHQ168 jedoch zu Lasten der Aktivität. Weiterhin wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften von GHQ168 und den aktivsten Derivaten, GHQ242 und GHQ243, untersucht. Nach intraperitonealer Applikation resultierten Halbwertszeiten zwischen 1.5 und 3.5 Stunden und eine mittlere bis hohe Plasmaproteinbindung für GHQ243 (45%) und GHQ168 (80%) und eine sehr hohe Plasmaproteinbindung für GHQ242 (> 99%). Die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 sowie GHQ242 und GHQ243 wurden in zwei in vivo Studien in Mäusen, die mit t. b. rhodesiense (STIB900) infiziert waren, untersucht, die Modelle werden als (I) stringent model und (II) early-treatment model bezeichnet. Im stringent model (2x tägliche Gabe an Tag 3-6 nach Infektion) war die durchschnittliche Überlebensdauer von Mäusen, die mit sprühgetrocknetem GHQ168 behandelt worden waren, statistisch signifikant höher als die der unbehandelten Kontrollgruppe (17 gegenüber 9 Tagen). Im Gegensatz hierzu wurde kein statistisch signifikanter Unterschied für GHQ242 (14 Tage) und GHQ243 (12 Tage) festgestellt. GHQ168 wurde im early-treatment model (2x tägliche Gabe an Tag 1-4 nach Infektion) weiter untersucht und erneut wurde eine statistisch signifikante Verbesserung der durchschnittlichen Überlebensdauer (32 Tage (Ende der Beobachtungsphase) gegenüber 7 Tagen) bewiesen. Letztendlich konnte für die sprühgetrocknete Formulierung von GHQ168 eine erstaunliche Aktivität gegenüber Trypanosomen gezeigt werden. NADPH-Oxidasen (NOX) wurden als Hauptproduzenten von endothelialem reaktivem Sauerstoff erkannt. Kapitel III befasst sich mit Formulierungsstudien von Triazolopyrimidinderivaten aus der VAS-Substanzbibliothek, einer Reihe von NADPH-Oxidase-Inhibitoren. Diese Substanzen wurden zur Behandlung erhöhter reaktiver Sauerstoffspezies Werte entwickelt, denn diese tragen zur Entstehung von kardiovaskulären Erkrankungen bei. Obwohl die in vitro Ergebnisse zahlreicher Studien auf die vielversprechende Wirksamkeit und Selektivität der VAS-Substanzen hinweisen, verhinderte die geringe Wasserlöslichkeit den Übertrag auf in vivo Studien sowie die weitere präklinische Entwicklung. Daher wurden drei Derivate, VAS2870, VAS3947 und VAS4024, physikochemisch charakterisiert und VAS3947, die wasserlöslichste Substanz, wurde für weitere Formulierungsentwicklungen ausgewählt. Die Formulierungsansätze umfassten (I) die Sprühtrocknung, (II) die Herstellung von Mikroemulsionen und (III) die Komplexierung mit Cyclodextrinen, um Formulierungen für die orale und parenterale Verabreichung zu entwickeln. Die Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 konnte für alle Ansätze erfolgreich gezeigt werden und wurde als Übersättigungsrate im Vergleich zur Löslichkeit der unformulierten Substanz dargestellt. Für sieben sprühgetrocknete Formulierungen und für vier Mikroemulsionen ergab sich eine Übersättigungsrate von 3-9, beziehungsweise von 8-19 nach 120 Minuten. Die sechs Cyclodextrin-Formulierungen erreichten mit 3-174 nach 20 Stunden die höchste Übersättigungsrate. Der Einschluss von VAS3947 in die Kavität der Cyclodextrine sowie die Interaktion mit deren Außenseite wurde mittels NMR aufgeklärt. Schließlich wurde erstmals die Möglichkeit der oralen und parenteralen Gabe der NOX-Inhibitoren eröffnet. Nach erfolgreicher Löslichkeitsverbesserung von VAS3947 wurden weitere Untersuchungen mit dem Ziel von in vivo Studien durchgeführt, was Stabilitätsuntersuchungen mit besonderem Schwerpunkt auf Stabilität in Lösung und in Plasma einschließt, wie im Kapitel IV aufgezeigt. Weiterhin wurden erstmals Permeabilitäts- und Zytotoxizitätsstudien durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass VAS3947 in Puffer und bei Lichtexposition instabil war. Zudem wurde die Substanz in Gegenwart von Maus-Mikrosomen und in menschlichem Plasma abgebaut. Die VAS-Substanzen enthalten eine Oxazol-Ringstruktur, die über einen Thioether mit dem Triazolopyrimidin-Gerüst verbunden ist. Diese Strukturelemente sind für die Wirksamkeit der Substanzklasse verantwortlich, sind jedoch auch hydrolyseempfindlich und anfällig für weitere Abbaureaktionen. Zudem schädigte VAS3947 die Membranintegrität in den Permeabilitätsversuchen und die Zytotoxizitätsuntersuchungen in HEK-293 und HEP-G2 Zellen ergaben IC50-Werte im gleichen Konzentrationsbereich wie in Aktivitätsuntersuchungen berichtet. Zusammenfassend wurde aufgezeigt, dass die VAS-Substanzen weder ein geeignetes Modell für die Untersuchung reaktiver Sauerstoffspezies sind, noch geeignet für die weitere präklinische Entwicklung

The objectives of this project were to investigate the critical factors impacting the physicochemical and antibacterial properties of β-chitosan based films derived from jumbo squid (Dosidicus gigas) pens, and to evaluate the feasibility of improving water solubility of β-chitosan through Maillard reaction. The studies examined the effect of molecular weight (1,815 and 366 kDa), acid (formic, acetic, propionic, and lactic acid), and plasticizer (glycerol and sorbitol) on the film properties, as well as reducing sugar (fructose and glucosamine) and heat treatment (high temperature short time (HTST), low temperature long time (LTLT)) on water solubility of chitosan. Results on β-chitosan were compared with α-chitosan in both studies. Tensile strength (TS) and elongation (EL) of β-chitosan films were influenced by molecular weight (Mw), acid and plasticizer types (P < 0.05). High molecular weight (Hw) β-chitosan films had an overall TS of 44 MPa, 53% higher than that of low molecular weight (Lw) β-chitosan films (29 MPa) across all acid types used. The mean TS of β-chitosan acetate and propionate films (43 and 39 MPa) were higher (P < 0.05) than that of β-chitosan formate and lactate films (34 and 29 MPa). Films incorporated with plasticizer (32 MPa) had lower TS than those without plasticizer (48 MPa). Mean EL of Hw β-chitosan films was 10% versus approximately 4% in Lw β-chitosan films. Formate and acetate films had higher EL than that of propionate film. Glycerol and sorbitol increased (P < 0.001) EL 151% and 106% compared with the films without plasticizer, respectively. Water vapor permeability (WVP) of the films was affected by acid and plasticizer. Formate films (34 g mm/m² d KPa) had higher WVP than other acid films. Adding plasticizer increased (11% to 31%) WVP of propionate films except the Lw β-chitosan propionate film with sorbitol. The antibacterial activity of Lw β-chitosan and α-chitosan films delayed (P < 0.05) the proliferation of E. coli, where lactate films showed the strongest effect. The growth of L. innocua at 24 h was completely (P < 0.05) inhibited by chitosan films except Hw β-chitosan acetate film. A soft and cotton-like water soluble chitosan with mesopores was acquired after freeze-drying the Maillard reacted chitosan-sugar solution. The yield of β-chitosan-derivatives (8.48%) was 1.21 times higher than that of α-chitosan products (7.00%) (P < 0.01). Heat treatment only affected the yield of chitosan-glucosamine derivatives. Sugar type did not indicate any impact on the yield of the chitosan-derivative products in general (P > 0.05). The solubility was affected by sugar type (P < 0.01) only occurred in the β-chitosan products prepared with LTLT (P<0.05), where β-chitosan-fructose derivatives (9.56 g/L) had higher solubility than the glucosamine (5.19 g/L).LTLT treatment had given all chitosan-derivatives a higher solubility (8.44 g/L) than HTST (3.83 g/L) did (P<0.001). The results from this study demonstrated the feasibility of creating β-chitosan based film from jumbo squid pens with similar mechanical, water barrier and antibacterial properties compare to α-chitosan films as a food wrap and controlled the properties with several important factors, and developing water soluble chitosan through Maillard reaction that possess the potential as functional substance in a wider range of applications.
Graduation date: 2012