A comprehensive study of the erosion mechanism of porous hybrid particles for biomedical applications

Abstract
Hybrid porous particles named Metal Organic Frameworks nanoparticles (MOFs) are promising candidates for the delivery of active molecules in the biomedical field. Among a large variety of MOFs, the micro/mesoporous iron (III) trimesate MIL-100(Fe) (MIL stands for Materials of Lavoisier Institute) are the particles of choice, thanks to : i) their high drug payloads (up to 30 wt%) of both hydrophilic and hydrophobic drugs ; ii) their controlled release properties ; iii) convenient surface modifications and (iv) biocompatible and biodegradable nature. Once administered in the living organism, MOFs should present a good stability during circulation, until they reach their target. Once targeting is achieved, they should degrade and release their cargo, without inducing any cytotoxicity in the body. This thesis focus on the study of the fine balance between stability and degradation, through in depth investigations of the degradation mechanisms.
While MIL-100(Fe) particles are stable in aqueous and ethanolic solutions, they are rapidly degraded under simulated physiological conditions, releasing a significant amount of their constitutive trimesate ligand. More precisely, when MOFs are incubated in phosphate buffer saline (PBS), phosphate ions strongly coordinate to the iron (III) acid Lewis sites of the framework, initiating degradation. Previous studies showed that MOFs degrade without size modifications and that they have a pH and degradation-dependent aggregation. It is therefore of main interest to study the influences of the main parameters involved in MOFs degradation (the pH of the media, the size and the presence of defaults in the crystalline structures, the presence of loaded drugs in the pores and/or the presence of coating layers). The primary objective of this thesis was the rigorous study of these parameters to gain a deeper vision of the MIL-100(Fe) MOF degradation mechanisms. To do so, first, MOFs crystals of around 50 μm (microMOFs) of different crystallinity degrees were successfully synthesized and studied by an innovative in situ technique. AFM in liquid was the method of choice to follow in real time and at nanoscale resolution, morphological, dimensional and mechanical changes of microMOFs surface in media of different compositions and upon in situ modification of the pH. This method proved to be a powerful tool by highlighting some of the main parameters attributed to MOFs degradation (pH of the media, size and crystallinity degree of the particles). It paved the way for further studies of smaller particles (nanoMOFs), mainly used in drug delivery applications. In situ ellipsometry was selected to study the degradation mechanism of thin films of nanoMOFs, fabricated by a dip coating process. The developed in situ technique was used to analyze the interactions of MIL-100(Fe) nanoMOFs with the external medium (PBS with or without protein) at undersaturated conditions to mimic the in vivo conditions of the organism. After having explored the important parameters that regulate the degradation of empty micro- and nanoMOFs, a series of drugs containing different functional groups was chosen as molecules of interest for the study of host-guest interactions with the nanoMOFs. The affinity of the groups with the iron sites of the framework were assessed by Density Functional Theory (DFT) modelling, which helped to gain a better understanding over the intermolecular interactions, crucial parameters for the stability of the particles. Overall, the sum of techniques used for this thesis brought new insights into the degradation mechanism of iron-based carboxylate porous particles for their use as therapeutic vectors.

Résumé :
Les particules hybrides poreuses nommées Metal Organic Frameworks (MOFs) sont des candidats prometteurs pour l’administration de molécules actives dans le domaine biomédical. Parmi une grande variété de MOFs, le trimesate de fer (III) micro/mésoporeux MIL-100(Fe) (MIL signifie Matériaux de l’Institut Lavoisier) sont les particules de choix, grâce à leur capacité d’incorporer de médicaments à la fois hydrophiles et hydrophobes, (ii) leur libération ciblée et contrôlée et (iii) leur nature biocompatible et biodégradable. Une fois les MOF administrées dans l’organisme vivant, elles devraient présenter une bonne stabilité pendant la circulation, jusqu’à ce qu’elles atteignent la cible concernée. Une fois la cible atteinte, ils doivent se dégrader et libérer la molécule active, sans induire de cytotoxicité dans l’organisme. Si les particules de MIL-100(Fe) sont stables dans les solutions aqueuses et éthanoliques, elles se dégradent rapidement dans des conditions physiologiques simulées, libérant une quantité importante de leur ligand trimesate constitutif. Plus précisément, en présence d’une solution saline tampon de phosphate (PBS), les ions phosphates se coordonnent fortement aux sites de Lewis acides du fer (III) du MOF, ce qui initie la dégradation. Il a été montré par ailleurs que les particules MIL-100(Fe) de taille micrométrique se dégradaient avec formation d’une couronne inorganique fragile autour d’un cœur intacte, sans cependant aucune modification de leur taille initiale. Par ailleurs, les mêmes MOFs s’agrègent d’une manière pH-et dégradation dépendante. Il a été conclu que le mécanisme de dégradation des MOF à base de MIL-100(Fe) dépend fortement de la composition du milieu externe, mais les paramètres impliqués n’ont pas été explorés de manière systématique. L’objectif principal de cette thèse est l’étude des paramètres principaux (pH du milieu, taille et qualité de cristaux MOF, présence de molécules actives incorporées dans les pores et/ou d’un recouvrement) afin d’avoir une vision plus approfondie des mécanismes de dégradation des particules MIL-100(Fe). Pour cela, en première étape, des particules de grande taille (microMOFs d’environ 50 μm) ont été synthétisées et étudiées avec succès par une technique in situ innovante, L’AFM en liquide. Cette méthode de choix a permis de suivre en temps réel et avec une résolution nanométrique les changements morphologiques, dimensionnels et mécaniques de la surface des microMOFs en contact avec divers milieux liquides et suite à un changement in situ du pH. L’AFM en liquide a permis de mettre en évidence des principaux paramètres attribués à la dégradation des MOF (pH du milieu, taille et qualité des cristaux MOF) et a ouvert la voie à d’autres études sur des particules plus petites (nanoMOFs), d’intérêt en nanomédecine. L’ellipsométrie in situ a permis d’étudier le mécanisme de dégradation des nanoMOF déposés en couches minces sur un support. Cette technique a fourni des données cruciales sur les interactions des nanoMOF avec le milieu externe (PBS avec ou sans protéine) dans des conditions de sous-saturation afin de mimer les conditions in vivo dans l’organisme. Après avoir exploré les paramètres importants qui contrôlent la dégradation des micro et nanoMOF vides, une famille principes actifs (prednisolone, prednisolone sulfatée et prednisolone phosphorylée) a été choisie pour l’encapsulation, afin d’étudier leurs interactions de type hôte-invité avec les nanoMOF. L’affinité des groupements fonctionnels avec les sites de fer du MOF a été étudiée par modélisation moléculaire (DFT) ce qui a permis de mieux comprendre les interactions mis en jeu lors de la dégradation. Dans l’ensemble, les techniques complémentaires utilisées dans cette thèse ont fourni des renseignements nouveaux sur le mécanisme de dégradation des particules poreuses de carboxylate de fer en vue de leur utilisation comme vecteurs thérapeutiques.