[pt] Alguns óleos crus brasileiros formam emulsões estáveis, mesmo contendo baixo teor de asfaltenos, os quais são reconhecidos como os principais surfactantes naturais do petróleo. Este trabalho visou compreender os fatores que contribuem na formação e estabilização dessas emulsões através da caracterização de frações com atividade interfacial: os materiais interfaciais (IM) e os ácidos naftênicos (NA). Para isso, tais frações foram extraídas de três óleos crus brasileiros com API entre 21 e 30 graus, permitindo a caracterização da sua composição química e estrutura coloidal. Além disso, estas frações e os óleos residuais de suas extrações foram usados para preparar emulsões água-em-óleo (A/O). A caracterização química realizada por análise elementar, espectroscopia de infravermelho, ressonância magnética nuclear e espectrometria de massas, mostrou que os IM podem ser compostos por saturados, aromáticos, resinas e asfaltenos e NA por saturados e aromáticos. Porém, são enriquecidos em compostos aromáticos e com grupos polares, como ácidos carboxílicos, aminas, sulfóxidos e sulfônicos, em relação aos seus óleos de origem. Ainda assim, a fração de NA não apresentou um papel relevante nas emulsões. Já os compostos anfifílicos presentes nos IM são capazes de formar agregados coloidais caracterizados pela técnica de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) e promover a formação de emulsões, mas não são suficientes para garantir sua estabilização. A remoção dos IM aumentou a auto-organização dos agregados no óleo cru residual e a estabilidade das emulsões, o que parece ter mais relação com propriedades reológicas do que com a atividade interfacial dos compostos. / [en] Some Brazilian crude oils form stable emulsions, even containing alow content of asphaltenes, recognized as the main natural surfactants in petroleum. This work aimed to understand the factors contributing to theformation and stabilization of these emulsions through the characterization of fractions with possible interfacial activity: interfacial materials (IM) and naphthenic acids (NA). For this, these fractions were extracted from three Brazilian crude oils with API between 21 and 30 degrees, allowing the characterization of their chemical composition and colloidal structure. Furthermore, these fractions and the residual oils from their extractions were used to prepare water-in-oil (W/O) emulsions. Chemical characterization carried out by elemental analysis, infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance, and mass spectrometry, showed that IM can be composed of saturates, aromatics, resins, and asphaltenes and NA by saturates and aromatics. However, they are enriched in aromatic compounds and polar groups, such as carboxylic acids, amines, sulfoxides,and sulfonic acids, concerning their original oils. Nevertheless, the NAfraction did not play a relevant role in emulsions. The amphiphilic compounds present in IM can form colloidal aggregates characterized by the small-angle X-ray scattering (SAXS) technique and promote the formation of emulsions. Still, they are not sufficient to guarantee their stabilization. The removal of IM increased the self-organization of aggregates in the residual crude oil and the stability of emulsions, which seems to be more related to rheological properties than to the interfacial activity of the compounds.

Synthèse et étude de nouveaux NHC-Boranes pour leurs propriétés énergétiques et leurs rôles en tant que photo co-amorceurs pour la photopolymérisation en émulsion.Depuis la première synthèse de complexes N-Hétérocycliques Boranes (NHC-Borane) stables en 1993, une étude plus générale de propriétés et réactivité n’a débuté que dans le milieu des années 2000. Les domaines d’applications de ces composés qui sont des paires de Lewis vont de la synthèse organique (agent réducteur, hydroboration de liaisons multiples) en passant par la chimie radicalaire (remplacement de l’hydrure de tributylétain, hydroboration) ou même en tant qu’amorceur ou co-amorceur de polymérisations.L’objet de cette thèse était d’étendre l’application des NHC-Boranes dans deux domaines précis. Un premier axe porte sur les propriétés hypergoliques amenées par leurs structures inédites. Un second est consacré à l’amorçage de réactions de polymérisations en émulsion et l’obtention de particules hybrides sous irradiation visible.Nous avons choisi et synthétisé de nouvelles cibles polyazotées qui ont montré des propriétés énergétiques potentiellement intéressantes pour l’usage de NHC-Boranes en propulsion solide. L’étude mis en évidence des différentes de réactivités en fonction du squelette du carbène utilisé. De plus, un nouveau type de carbène borane pouvant être utilisé dans différents domaines a été synthétisé.Nous avons aussi amélioré la compréhension du système de photoamorçage déjà proposé en polymérisation en émulsion dans le visible. Des points clés, sur la conception du système et du réacteur ont été améliorés. Nous avons aussi pu remplacer le tensioactif utilisé pour proposer la première photopolymérisation en émulsion Pickering. Il en résulte des latex stables, composés de particules hybrides pouvant former des films potentiellement anti-UV. L’excitation dans le visible, pourrait être utilisée dans le but de réduire les coûts énergétiques et même former d’autres particules inédites en évitant la dégradation de composés thermo ou UV-sensibles / Study and synthesis of new NHC-Boranes usable as hypergolic fuels and as photo co-initiators for radical emulsion photopolymerizationsThe first N-Heterocyclic Carbene Borane complex (NHC-Borane) was synthetized in 1993, but we had to wait until the mid-2000s before chemists investigated their properties and reactivity. The applications of NHC-Boranes range from organic chemistry (where they are used as reducing agents or for the hydroboration of multiple bonds) to radical chemistry (as replacement of te tributyltin hydride) and radical polymerizations (initiators and co-initiators). We designed and synthetized new Nitrogen-rich NHC-Boranes. The latter are hypergolic and might serve as fuels for solid propulsion. We managed to synthetize several new classed of NHC-Borane which was or could be used in different fields. We also deepened our understanding of the visible light-induced emulsion polymerization, where the NHC-Boranes serve as co-initiators. We could optimize the process and then replaced the surfactant by an inorganic sol to propose the first Pickering emulsion photopolymerization. Stable latexes of hybrid particles have been generated which might be used as sunscreen films, to reduce the energetic footprint of the reactions and/or to access particles made of heat- or UV-sensitive materials

abstract: Polymer-gold composite particles are of tremendous research interests. Contributed by their unique structures, these particles demonstrate superior properties for optical, catalytic and electrical applications. Moreover, the incorporation of “smart” polymers into polymer-gold composite particles enables the composite particles synergistically respond to environment-stimuli like temperature, pH and light with promising applications in multiple areas. A novel Pickering emulsion polymerization route is found for synthesis of core-shell structured polymer-gold composite particles. It is found that the surface coverage of gold nanoparticles (AuNP) on a polystyrene core is influenced by gold nanoparticle concentration and hydrophobicity. More importantly, the absorption wavelength of polystyrene-gold composite particles is tunable by adjusting AuNP interparticle distance. Further, core-shell structured polystyrene-gold composite particles demonstrate excellent catalyst recyclability. Asymmetric polystyrene-gold composite particles are successfully synthesized via seeded emulsion polymerization, where AuNPs serve as seeds, allowing the growth of styrene monomers/oligomers on them. These particles also demonstrate excellent catalyst recyclability. Further, monomers of “smart” polymers, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAm), are successfully copolymerized into asymmetric composite particles, enabling these particles’ thermo-responsiveness with significant size variation around lower critical solution temperature (LCST) of 31°C. The significant size variation gives rise to switchable scattering intensity property, demonstrating potential applications in intensity-based optical sensing. Multipetal and dumbbell structured gold-polystyrene composite particles are also successfully synthesized via seeded emulsion polymerization. It is intriguing to observe that by controlling reaction time and AuNP size, tetrapetal-structured, tripetal-structured and dumbbell-structured gold-polystyrene are obtained. Further, “smart” PNIPAm polymers are successfully copolymerized into dumbbell-shaped particles, showing significant size variation around LCST. Self-modulated catalytic activity around LCST is achieved for these particles. It is hypothesized that above LCST, the significant shrinkage of particles limits diffusion of reaction molecules to the surface of AuNPs, giving a reduced catalytic activity. Finally, carbon black (CB) particles are successfully employed for synthesis of core- shell PNIPAm/polystyrene-CB particles. The thermo-responsive absorption characteristics of PNIPAm/polystyrene-CB particles enable them potentially suitable to serve as “smart” nanofluids with self-controlled temperature. Compared to AuNPs, CB particles provide desirable performance here, because they show no plasmon resonance in visible wavelength range, whereas AuNPs’ absorption in the visible wavelength range is undesirable. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemical Engineering 2015

L’objectif de cette thèse consiste à mettre en place un système d’émulsion catalysé par des nanoparticules de Pickering afin de synthétiser des tensioactifs bio sourcés. Pour cela nous nous sommes intéressés à des matériaux mésoporeux fonctionnalisés (de type MCM-41). Ces matériaux favorisent la formation des émulsions tout en catalysant la réaction.Après une étude bibliographique sur le glycérol, les tensioactifs, les émulsions de Pickering et les matériaux mésoporeux, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à la fonctionnalisation de ces matériaux. Puis après les avoir caractérisés, nous les avons testés dans des réactions modèles biphasiques (acétalysation et hydrolyse d’ester). Enfin, nous avons terminé cette étude en testant ces catalyseurs dans notre réaction cible (éthérification du glycérol par des alcools gras). La MCM-41 a été synthétisée en utilisant un chauffage micro-onde.Les fonctions greffées sur nos matériaux ont permis de faire varier la balance hydrophile hydrophobe de nos matériaux tout en leur fournissant une fonction catalytique. Les nanoparticules ont été caractérisées par leur ATG, BET, DRX, analyse élémentaire, acidité et tailles des particules.Des catalyseurs à base d’Aerosil® 200 et de Nanoparticules de carbone ont également été testés.Une longue chaine alkyke (C18) et des nanoparticules de petites tailles (Aerosil® 200 et nanoparticules de carbone) favorisent la stabilité des émulsions. Cependant la présence de pores dans nos matériaux n’apporte pas d’avantage catalytique déterminant. / The objective of this work is the conception of emulsion catalysed by Pickering nanoparticles inorder to synthetize biosurfactant. Our strategy was based on functionalised mesoporous materials(MCM-41). These materials combine both emulsion stabilisation and reaction catalysis.After a bibliographic study on glycerol, surfactants, Pickering emulsions and mesoporousmaterials; our strategy was to functionalise these materials. After charaterisation, these materialswere tested in bipohasic model reactions (acetalysation and ester hydrolysis). We come to the end of this study by testing these catalysts in our target reaction (glycerol etherifaction from fattyalcohol).The MCM-41 was synthetized by using a microwave heating. The grafted functions on our materials can both make several hydrophilic-hydrophobic materialsas possible and provided them some catalytic functions. The nanoparticles were characterized byTGA, BET, XRD, elemental analysis, acidity and particle size.Catalyst from Aerosil® 200 and carbon nanoparticles were also tested. A long alkyl chain (C18) and small nanoparticles (Aerosil® 200 and carbon nanoparticles) supportthe emulsion’s stability. Nevertheless, the porous inside our materials is not interesting on acatalytic point of view.

In der heutigen chemisch-pharmazeutischen Industrie sind Biokatalysen nicht mehr wegzudenken. Abhängig von der zu realisierenden Biotransformation, wurden signifikante Limitationen vor allem bei der Umwandlung von hydrophoben Substraten identifiziert. Wässrige und organische Einphasenreaktionssysteme treffen hier sehr schnell an ihre Grenzen, sodass nur geringe Ausbeuten realisierbar sind. Eine Alternative stellen mehrphasige Reaktionssysteme dar, wobei hier grundlegend klassische 2-Phasensysteme und Emulsionen unterschieden werden können. Mit Hilfe dieser alternativen Systeme können die bereits genannten Limitationen überwunden werden. Pickering Emulsionen stellen einen Spezialfall der klassischen Tensid stabilisierten Emulsion dar, wobei hier Nano- und Mikropartikel als Stabilisatoren die Tenside an der Tröpfchengrenzfläche ersetzen. Pickering Emulsionen stellen hoch dynamische Systeme dar und trotz kontinuierlicher Forschung auf diesem Gebiet bleiben bisher grundlegende Frage ungeklärt: Welche Parameter für bioaktive w/o Pickering Emulsionen wie Lösungsmittelkomposition, deren Phasenverhältnis, Partikelcharakteristika und -menge, Dispergierverfahren, als auch die Biokatalysatorkonzentration haben auf die Dispersität und Stabilität der Pickering Emulsionen den größten Effekt? Lässt sich eine Vielzahl von Biokatalysatoren in diesem Reaktionssystem einsetzen? Kurzum, eignen sich Wasser in Öl (w/o) Pickering Emulsionen als universelle Reaktionssysteme für effiziente Biokatalysen und stellen somit eine Plattformtechnologie dar? In dieser Studie konnte gezeigt werden, nahezu alle organischen Lösungsmittel, insbesondere leicht wassermischbare Vertreter, können w/o Pickering Emulsionen ausbilden. Ebenso ist eine Stabilisierung sowohl durch Naturstoffpartikel als auch durch hydrophobe und hydrophile Silicon-Compositpartikel realisierbar. In einer umfassenden Charakterisierung der typischen Stellräder für Emulsionen wurden kommerziell erhältliche Lipasen als bioaktive Komponenten zugesetzt, da diese die meistgenutzten Biokatalysatoren in diesem System darstellen. Die Veränderungen der Emulsionsstabilität und Tröpfchengrößen, als Maß der Dispersität, wurden über 24 Stunden erfasst. Hierbei wurde ein maßgebender Einfluss der Proteinkomponente gegenüber allen anderen Parametern wie Partikelmenge, Phasenverhältnis und Dispersionsgeschwindigkeit festgestellt. Proteine mit ihrer amphiphilen Oberflächenbeschaffenheit sind somit nicht nur als Biokatalysatoren, sondern auch als zusätzliche Nanopartikel zu betrachten, die gemeinsam mit hydrophoben Partikeln einen synergetischen und normalisierenden Effekt auf Tröpfchengrößen und Emulsionsstabilität ausüben. Jedoch waren durch Proteinzugabe auch negative Effekte wie Nicht-Etablierung der Emulsion oder eine Phasenumkehr im zeitlichen Verlauf auslösbar, wenn eine Grenzkonzentration überschritten wurde. Hinsichtlich der (bio)chemischen Charakterisierung von enzymbeladenen w/o Pickering Emulsionen konnte deutlich gezeigt werden, kleinere Tröpfchendurchmesser führen zu erhöhten Enzymaktivitäten und besseren Ausbeuten. Im moderat gerührten Batchreaktor wurde die volumetrische Raum-Zeit-Ausbeute um 500% bis 1100% gegenüber dem konventionellen 2 Phasen- und mikroaquatischen Reaktionssystem verbessert. Beim Einsatz von ganzen Zellen im Vergleich zum freien Enzym wurde mit normierter Biokatalysatoraktivität eine Verbesserung auf 130% bis 220% erzielt. Als beste Herstellungsmethodiken konnten das Dispergieren über Schütteln und Zahnkranzdispergierer ermittelt werden. Grenzflächentoxizität, als oft diskutierter Vorgang in Mehrphasensystemen, spielte auch in bioaktiven w/o Pickering Emulsionen eine wichtige Rolle. Es konnte gezeigt werden, hydrophilere Lösungsmittel, wie 2 Methyltetrahydrofuran, sorgten für eine minimierte Grenzflächendenaturierung der Proteine. Hingegen denaturierten hydrophobere Vertreter wie Cyclopentylmethylether und Cyclooctadien einen erheblichen Anteil des gelösten Proteins an der Grenzfläche. Eine eventuelle Kontamination der organischen Produktphase mit gentechnisch veränderten Enzymen durch assimiliertes Protein wurde ebenfalls untersucht. Es konnten geringe gelöste Proteinmengen festgestellt werden, wobei die Spannweite der gelösten Mengen 1 – 4% der Proteingesamtmenge betrug. Hydrophobere Lösungsmittel nahmen generell weniger Protein auf. Für die Evaluation der Verteilung von Substraten und Produkten zwischen beiden flüssigen und der festen Phase der Pickering Emulsion wurden exemplarisch das hydrophilste Substrat und das hydrophobste Produkt getestet. Es wurde keine signifikante Diffusion der gelösten Stoffe in die wässrige bzw. feste Phase ermittelt, insofern konnte eine dauerhaft hohe Bioverfügbarkeit der Substrate in der organischen Phase angenommen werden. Im gerührten Batch konnte eine Übertragung von Ionen zwischen den Dispersionströpfchen nur mit Hilfe von gelstabilisierten Dispersionströpfchen Einhalt geboten werden. Über derartige Modifikationen kann nun auch der Einsatz von mehreren Biokatalysatoren mit verschiedenen pH-Optima und Puffer-Präferenzen verwirklicht werden. Weiterhin konnte die disperse Phase auch gegen stark eutektische Lösungsmittel ausgetauscht werden, sodass Pickering Emulsionen auch als annähernd wasserfreie Reaktionssysteme nutzbar erschienen. In der Risiko- und Anwendungsanalyse über drei Enzymklassen mit drei als „grüner“ klassifizierten Lösungsmitteln in abgestuften Hydrophobizitäten, erwies sich Cyclopentylmethylether als das Lösungsmittel der Wahl für die Etablierung bioaktiver w/o Pickering Emulsionen. Bei der Anwendung verschiedener Biokatalysator-Phänotypen in verschiedenen Reaktionssystemen und Lösungsmitteln, kristallisierten sich bioaktive w/o Pickering Emulsion in Cyclopentylmethylether als produktivstes System heraus. Jedoch wurden bei allen Versuchen inaktivierende Vorgänge auf die verschiedenen Biokatalysatoren beobachtet, wobei Enzyme mit einer augenscheinlichen Gleichverteilung von hydrophoben und hydrophilen Aminosäureresten auf ihrer Oberfläche deutlich bessere Ergebnisse zeigten. In der Anwendung von freiem Enzym und Ganzzell-Biokatalysator, bei normierter Gesamtaktivität, resultierten für den Einsatz in bioaktiven Pickering Emulsionen die ganzen Zellen als beste Biokatalysator-Formulierung. Es wurde signifikant höhere Produktivität sowie auch 300% kleinere Tröpfchen der dispergierten Phase erreicht. Die Modularisierung von Biokatalysen gegenüber One-Pot-Synthesen zeigte ebenfalls deutliche Vorteile in den Kennzahlen der durchgeführten Biotransformation, wobei der jeweilige Prozessschritt an den Biokatalysator angepasst und so ein Optimum an Effizienz erreicht werden kann. Auf diese Weise können biokatalytische Umwandlungen kombiniert werden, die sich im One-Pot-System durch Inhibierungen der angewandten Biokatalysatoren ausschließen würden.:Vorwort/ Danksagung I Zusammenfassung III Abstract VII Liste der Publikationen XIV Abkürzungsverzeichnis und Symbole XIV 1 Einleitung 1 1.1 Biokatalysatoren – Generelle Aspekte und spezielle Vertreter 1 1.2 Angewandte Biokatalyse in Ein-und Mehrphasen-Reaktionssystemen 6 1.3 Pickering Emulsionen - Stand der Technik 14 1.4 Zielstellung der Arbeit: Optimierte bioaktive w/o Pickering Emulsionen 16 2 Material & Methoden 17 2.1 Material 17 2.1.1 Geräte & Zubehör 17 2.1.2 Chemikalien & Kits 19 2.1.3 Puffer 21 2.1.4 Enzyme 22 2.2 Proteinchemische Methoden 22 2.2.1 Bestimmung der Proteinkonzentration - BCA-Test 22 2.2.2 Bestimmung der Proteingröße und -reinheit - SDS-Polyacrylamidgelelektro- phorese (SDS – PAGE) 23 2.2.3 Photometrische Aktivitätsbestimmungen in wässrigem Milieu 24 2.2.4 Zusammenfassung Enzym-Charakteristika 27 2.3 w/o Pickering Emulsion – Essentielle Komponenten und Modifikationen 29 2.3.1 Definition des w/o PE-Standardsystems 29 2.3.2 Partikel zur Stabilisierung von w/o Pickering Emulsionen 29 2.3.3 Siliconbeschichtung von hydrophilen Partikeln und Bakterien 31 2.3.4 Bestimmung der Morphologie und Tröpfchengrößenverteilung 32 2.3.5 Lösungsmittelscreening 33 2.3.6 Phasen-Migration von Proteinen 34 2.3.7 Verteilungskoeffizienten von Substraten und Produkten im triphasischen Reaktionssystem Pickering Emulsion 34 2.4 Biokatalyse in Pickering Emulsionen 35 2.4.1 Bioaktive w/o PE - Definition des Standard-Reaktionssystems 35 2.4.2 Biokompatibilität „grüner“ Lösungsmittel 36 2.4.3 GC – Analytik 38 2.5 Statistische Auswertung der Experimente 40 2.5.1 Gewichteter Mittelwert, interne und externe Konsistenz 40 2.5.2 Lösungsmittelscreening: statistische Auswertung 41 3 Ergebnisse und Diskussion 42 3.1 Modifizierung von Nano-, Mikro- und Naturstoffpartikeln durch Siliconbeschichtung und Anwendungsscreening in w/o PE 42 3.1.1 Hydrophobizität der Silicon-Polymere 42 3.1.2 Morphologie von anorganischen Partikel-Materialien mit und ohne Silicon- Beschichtung 43 3.1.3 Morphologie von Naturstoff-Partikeln mit und ohne Silicon-Beschichtung 47 3.1.4 Partikel-Aggregation und Gegenmaßnahmen 51 3.1.5 Partikel-Screening 53 3.2 Charakterisierung von w/o Pickering Emulsionen im gerührten Batch 59 3.2.1 Pickering Emulsionen in biokatalytisch relevanten organischen Lösungs- mitteln 59 3.2.2 Bioaktive w/o PE - Auswirkung von Enzym – und Proteinmengen 66 3.2.3 Bioaktive w/o PE - Effekte der eingesetzten Partikelkonzentrationen 68 3.2.4 Bioaktive w/o PE - Einfluss der Phasenverhältnisse 70 3.2.5 Bioaktive w/o PE - Einfluss der angewandten Dispergiergeschwindigkeit 71 3.2.6 Bioaktive w/o PE - Herstellungsverfahren und Einfluss auf das Enzym 73 3.2.7 Vergleich 2-Phasensystem und bioaktive w/o Pickering Emulsion im gerührten Batch 75 3.2.8 Tröpfchengröße und Einfluss auf Produktbildung des PE-Systems 77 3.2.9 Phasen-Migration von Proteinen - Evaluation von Enzymwechselwirkungen mit dem Reaktionssystem 79 3.2.10 Verteilungskoeffizienten von Substraten und Produkten in den Standard– Reaktionssystemen 81 3.2.11 Protonen-Transfer zwischen zwei dispergierten Phasen in w/o Pickering Emulsionen 82 3.2.12 Alternative DES/o Pickering Emulsionen für wasserfreie Systeme 83 3.3 Bioaktive w/o Pickering Emulsion: Einschritt-Synthesen 84 3.3.1 Lipasenkatalysierte Umesterung in wässrigem Milieu 84 3.3.2 Carboligation mittels Benzaldehydlyase 86 3.3.3 Reduktionen via Alkoholdehydrogenasen 95 3.3.4 Transaminase 106 3.4 Bioaktive w/o Pickering Emulsionen: Mehrschritt-Synthesen 112 3.4.1 One-Pot-Biokatalyse gegen modularisierte Mehrschritt-Chemo-Biokatalyse 112 4 Bioaktive w/o Pickering Emulsionen als Reaktionssystem für Biokatalysen: Zusammenfassung & Bewertung 117 5 Plattform w/o Pickering Emulsion: Schlussfolgerung und Ausblick 130 6 Literatur 131 Anhang 150 Versicherung 150 Abbildungsverzeichnis 151 Tabellenverzeichnis 158 Download Datensammlung 164 A3.1.5 TMODS-Silicat-NP-Benchmark 165 A3.2.1-1 Lösungsmittel-Screening: physiko-chemische Eigenschaften 167 A3.2.1-2 Regressionsanalyse: Qualität PE gegen alle physiko-chemischen Eigenschaften 171 A3.2.1-3 Optimierte Regressionsanalyse: Qualität PE gegen Molekulargewicht, Dichte und Dampfdruck 173 A3.2.3 Auswirkungen von Protein- und Enzymmengen 175 A3.2.4 Effekte der eingesetzten Partikelmengen 175 A3.2.5 Einfluss der Phasenverhältnisse 176 A3.2.6 Einfluss der angewandten Dispersionsgeschwindigkeit/ -energie 176 A3.3.1 Lipasenkatalysierte Umesterung 177

Les microgels sont des particules colloïdales de polymère réticulé gonflées par un solvant. Déformables et poreuses, elles peuvent changer d’état de gonflement lors de l’application d’un stimulus. Ce travail de thèse a pour but de développer de nouveaux concepts tirant profit des propriétés stimulables et de la déformabilité intrinsèque des microgels tout en approfondissant les connaissances sur le comportement de ces objets en solution et aux interfaces. Les microgels de poly(N-alkylacrylamide) sont utilisés comme modèles. Dans un premier temps, notre travail a porté sur l’étude d’un nouveau type de microgels électrochimiluminescents grâce à l’incorporation d’un complexe métallique de ruthénium dans la matrice polymère. A la transition de phase, ces microgels présentent une exaltation de l’intensité ECL jusqu’à 2 ordres de grandeur, en lien avec la distance entre les sites redox. Le concept est ensuite transposé à des microgels sensibles aux saccharides et à des systèmes comportant deux luminophores, un donneur ECL et un accepteur d’énergie pouvant donner lieu à un transfert d’énergie par résonance. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’adsorption de microgels à une interface liquide-liquide plane, en vue de mieux comprendre l’origine de la stabilité des émulsions stabilisées par ce genre d’objets. De façon analogue aux protéines flexibles, les microgels changent de conformation à l’interface, passant d’un état étendu à un état comprimé, à l’origine de variations de l’élasticité interfaciale. Les microgels ainsi adsorbés sont fonctionnalisés de façon régiosélective dans l’eau et permettent de produire des microgels non symétriques, dits Janus, susceptibles de s’auto-assembler. / Microgels are colloidal particles made of cross-linked polymer swollen by a solvent. Soft and porous, they can adapt their swelling degree in response to a stimulus. The main objective of this work is to develop new concepts taking advantage of microgels’ stimuli-responsive properties and intrinsicsoftness while deepening understanding of their properties in solution and at interfaces. Poly(Nalkylacrylamide) microgels are used as a model. Initially our work focused on the study of a new type of electrochemiluminescent (ECL) microgels thanks to the incorporation of a ruthenium complex in the polymer matrix. At the volume phase transition, these microgels exhibit an amplification of the ECL intensity up to 2 orders of magnitude, related to the decrease of the distance between redox sites. This concept is then transposed to saccharides-sensitive microgels and systems bearing two luminophores, an ECL donor and an energy acceptor in order to give rise to resonance energy transfer. The second part of this manuscript is devoted to adsorption of microgels at a planar liquid-liquid interface, to improve knowledge on the origin of the stability of emulsions stabilized by such objects. Such as flexible proteins, microgels can change their conformation at the interface, from an extended to a compressed state, causing variation in the interfacial elasticity. When microgels are adsorbed they can also be functionalized regioselectively in water to produce non-symmetrical microgels, called Janus, able to self-assemble.

Les neurotoxiques organophosphorés sont des agents chimiques qui font partie de la menace NRBC (nucléaire, radiologique, biologique, chimique). Ces agents peuvent pénétrer l'organisme par inhalation, ingestion ou absorption cutanée. La principale voie d'absorption des agents chimiques peu volatils (persistants), tels que le VX et l'ypérite, est la voie cutanée. La décontamination des surfaces cutanées non protégées est donc cruciale pour empêcher une absorption trop importante du toxique et une intoxication. Ce travail s'est attaché à évaluer la capacité de nanoparticules d'oxyde de cérium à adsorber et à dégrader les composés organophosphorés, en utilisant un pesticide organophosphoré, le Paraoxon, et un modèle d'étude in vitro, la peau d'oreille de porc. Les résultats ont montré que la cérine, sous forme de poudre de nanoparticules, dégrade le Paraoxon mais ne permet pas de réduire son absorption à travers la peau. Des formes liquides contenant la cérine (suspension aqueuse, émulsi on de Pickering) ont été développées, pour éviter la dispersion des nanoparticules dans l'air lors de l'utilisation. Elles permettent une élimination plus efficace du Paraoxon, mais l'activité de dégradation de la cérine est très faible. L'influence des conditions de synthèses sur les propriétés physico-chimiques de la cérine en relation avec l'efficacité de dégradation a été étudiée. Les résultats montrent que la surface spécifique est un paramètre clé et que le protocole d'application des décontaminants doit être adapté / The organophosphorus nerve agents form part of chemical agents which pose the NRBC threat (nuclear, radio, biological, chemical). These agents can get into the body by inhalation, ingestion or skin absorption. The main route of chemical agent absorption which are low volatile, as VX or yperite, is the dermal route. Decontamination of unprotected skin areas is crucial to prevent excessive absorption of toxic. This work aimed at evaluating the ability of cerium oxide nanoparticles to adsorb and degrade organophosphorus compounds by using an organophosphorus pesticide, Paraoxon, and an in vitro model, pig-ear skin. The results showed that ceria, in powder form, degraded the Paraoxon but did not allow reducing its absorption through the skin. Liquid forms containing ceria (aqueous suspension, Pickering emulsion) have been formulated in order to avoid the dispersion of particles in the air during its use. While liquid formulations allow more efficient removal of Paraoxon during decontamin ation process, the degradation activity of ceria was low. The influence of the synthesis conditions on the physicochemical properties of ceria linked to degradation efficiency of nanoparticles has been studied. The results showed that specific surface area is the key parameter and that the application protocol of decontaminants must be adapted

Les neurotoxiques organophosphorés sont appelés agents chimiques de guerre car ils sont une menace à la fois pour les militaires et pour les populations civiles. La voie percutanée est l’une des principales voies d’entrée pour ces agents, et plus particulièrement pour le VX, très peu volatil. La décontamination des surfaces exposées est alors cruciale afin d’éviter l’intoxication des victimes. En cas d’attentat terroriste, le cuir chevelu humain pourrait être un site préférentiel d’exposition. Cette partie du corps, riche en follicules pileux, pourrait nécessiter des produits et des processus de décontamination adaptés. Ce travail est divisé en 4 parties : 1) Validation d’un modèle de peau in vitro pour le cuir chevelu humain ; 2) Détermination des stratégies de décontamination ; 3) Formulation de nouveaux systèmes de décontamination ; 4) Évaluation de leur efficacité de décontamination. La peau d’oreille de porc est un modèle pertinent pour l’étude de la pénétration percutanée in vitro du VX à travers le cuir chevelu humain. La peau de dessus de tête de porc représente un bon modèle de cuir chevelu humain pour l’étude de l’affinité du VX avec la tige pilaire. L’étude de distribution du VX selon différents temps d’exposition a montré que la majorité du toxique reste à la surface de la peau jusqu’à 2h d’exposition. Il est donc intéressant de décontaminer la peau même après 2h d’exposition aux agents chimiques de guerre. Les microémulsions comprenant un actif détoxifiant (oxime) sont les systèmes les plus efficaces car ils pénètrent en profondeur afin de venir détruire le toxique in situ dans la peau. Les poudres et les émulsions de Pickering ont une action de surface et permettent d’extraire le toxique présent à la surface de la peau et dans les couches superficielles. Les résultats de nos études in vitro ont montré que ces formulations sont significativement plus efficaces que la terre à foulon pour une décontamination après 45 min d’exposition au VX / Organophosphorous nerve agents are designed as chemical warfare agent because they represent a threat both for the military and the civilians. Due to its low volatility, VX mainly remains in its liquid form and mostly presents a contamination by skin contact. Decontamination of exposed body surface is therefore crucial to prevent victims' poisoning. In case of terrorist acts, civilian human scalp could be a preferential site of exposure. This body region, rich in hair follicles, may require adapted decontamination products and procedures. The aims of this work are: 1) Validation of a relevant in vitro human scalp skin model; 2) Determination of decontamination strategies; 3) Formulation of new decontamination systems; 4) Evaluation of their decontamination efficacy. Pig ear skin is a relevant model when studying the in vitro percutaneous penetration of VX through human scalp. Pig skull roof skin could be used when studying the affinity of VX for hair. This study has shown that most of the nerve agent remains on the skin surface up to 2h of exposure, which means that it is worth decontaminating even if contamination occurred 2h before. Microemulsions loading a detoxifying agent (oxime) are the most efficient systems because they are able to penetrate deeper into the skin to neutralize the agent in situ. Adsorbing powders and Pickering emulsions could interact with the agent present on the skin surface and in the superficial layers. Our results from the in vitro experiments have demonstrated that these formulations are more efficient than Fuller's earth for skin decontamination after 45 min of VX exposure

Tesis por compendio / [ES] El proceso de emulsificación de aceites ricos en compuestos bioactivos permite su mejor aplicación y conservación durante el tiempo de almacenamiento. Entre los diversos mecanismos de emulsificación, se destaca el método de Pickering ya que utiliza nanopartículas sólidas naturales en sustitución de los tensioactivos artificiales. Debido a sus propiedades antioxidantes, no toxicidad y disponibilidad, en este trabajo se estudiaron distintas modificaciones del quitosano para su potencial aplicación como partícula de Pickering. Las modificaciones estudiadas fueron la autoagregación, también denominada desprotonación, y el entrecruzamiento con tripolifosfato de sodio. Se evaluó el comportamiento de estas partículas emulsionando aceite de café tostado, un subproducto de la industria de café con un alto contenido de compuestos bioactivos y compuestos volátiles de interés. Posteriormente, se analizaron las propiedades físico-químicas y la estabilidad de las microcápsulas producidas tras el secado de las emulsiones mediante técnicas de secado por atomización y liofilización. Todas las emulsiones se caracterizaron por tener un comportamiento reológico pseudoplástico, sufriendo desintegración a lo largo del proceso de digestión. Las emulsiones formuladas con nanopartículas de quitosano desprotonadas y menor concentración de aceite mostraron una mejor estabilización y, en consecuencia, una mayor bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos totales. Las diferentes nanopartículas de quitosano se caracterizaron estudiando su carga superficial, distribución del tamaño de partícula, microestructura y afinidad agua/aceite. A medida que se aumentó la concentración de estas partículas, se afectó positivamente la viscosidad de las emulsiones debido a la formación de una red tridimensional en la fase continua. Las nanopartículas obtenidas al entrecruzar quitosano con tripolifosfato de sodio fueron más pequeñas, dando como resultado emulsiones con gotas más pequeñas. Las emulsiones de Pickering que contenían un 10% de aceite de café tostado se secaron por atomización y se liofilizaron utilizando las diferentes nanopartículas de quitosano estudiadas y maltodextrina como agentes portadores. Las microcápsulas obtenidas tuvieron la humedad, actividad del agua y solubilidad adecuada para su manipulación y almacenamiento. La presencia de nanopartículas de quitosano permitió una mayor retención de aceite en las microcápsulas y mayor eficiencia de encapsulación. Los compuestos bioactivos y las propiedades antioxidantes se conservaron mejor durante la liofilización. Por otro lado, las microcápsulas obtenidas por atomización presentaron mayor protección de estos compuestos durante la digestión. Las microcápsulas formuladas con nanopartículas desprotonadas fueron sometidas a almacenamiento durante 30 días a 25 ºC. Durante el almacenamiento, se evaluó la protección contra la oxidación de lípidos y la liberación de volátiles. Las isotermas de sorción de agua de estas muestras se determinaron también previamente en las condiciones de almacenamiento. Ambas muestras presentaron isotermas del tipo II, lo que permitió un buen ajuste del modelo de GAB a los datos experimentales. La determinación del índice de peróxido y del contenido de dienos conjugados dio lugar a valores adecuados durante el almacenamiento, aunque las muestras liofilizadas presentaron una ligera tendencia a la oxidación debido a la mayor cantidad de aceite superficial. Aunque hubo ligeras diferencias entre las muestras secas, todas mostraron menos pérdida de aromas totales (~28%) en comparación con el aceite no encapsulado (~51%) al final del almacenamiento. Así, se concluyó que las nanopartículas de quitosano estudiadas fueron eficientes para encapsular el aceite de café tostado y preservar sus características frente a la acción de agentes externos. / [CA] El procés d'emulsificació d'olis rics en compostos bioactius permet la seua millor aplicació i conservació durant el temps d'emmagatzematge. Entre els diversos mecanismes d'emulsificació, destaca el mètode de Pickering, ja que utilitza nanopartícules sòlides naturals en substitució als tensioactius artificials. A causa de la seua propietat antioxidant, de la no toxicitat i de la disponibilitat, aquest treball va buscar analitzar el quitosà i les seues modificacions com potencials partícules de Pickering. Les modificacions estudiades van ser la autoagregació, també anomenada desprotonació, i l'entrecreuament amb tripolifosfat de sodi. Es va avaluar el comportament d'aquestes partícules emulsionant oli de cafè torrat, un subproducte de la indústria del cafè amb un alt contingut de compostos bioactius i volàtils d'interès. Posteriorment, es van analitzar les propietats fisicoquímiques i l'estabilitat de les microcàpsules produïdes després de l'assecat de les emulsions mitjançant tècniques d'assecatge per atomització i liofilització. Totes les emulsions tenien un comportament reològic pseudoplàstic, sofrint desintegració al llarg del procés de digestió. Les emulsions formulades amb nanopartícules de quitosà desprotonades i menor concentració d'oli van mostrar una millor estabilització i, en conseqüència, una major bioaccesibilitat als compostos fenòlics totals. Les diferents nanopartícules de quitosà es van caracteritzar estudiant la seua càrrega superficial, distribució del tamany de partícula, microestructura i afinitat aigua/oli. A mesura que es va augmentar la concentració d'aquestes partícules, es va afectar positivament la viscositat de les emulsions a causa de la formació d'una xarxa tridimensional en la fase contínua. Les nanopartícules obtingudes a l'entrecreuar quitosà amb tripolifosfat de sodi van ser més menudes, donant com a resultat emulsions amb gotes més menudes també. Les emulsions de Pickering que contenien un 10% d'oli de cafè torrat es van assecar per atomització i es liofilitzaren utilitzant les diferents nanopartícules de quitosà estudiades i maltodextrina com a agents portadors. Les microcàpsules obtingudes van obtenir una humitat, activitat de l'aigua i solubilitat adequada per a la seua manipulació i emmagatzematge. La presència de nanopartícules de quitosà va permetre major retenció d'oli en les microcàpsules i major eficiència d'encapsulació. Els compostos bioactius i les propietats antioxidants es van conservar millor durant la liofilització. D'altra banda, les microcàpsules obtingudes per atomització presentaren major protecció d'aquests compostos durant la digestió. Les microcàpsules formulades amb nanopartícules desprotonades també van ser sotmeses a la prova d'emmagatzematge durant 30 dies a 25°C. Durant l'emmagatzematge, es va avaluar la seua protecció contra l'oxidació de lípids i l'alliberament de volàtils. Per això, les isotermes de sorció d'aigua d'aquestes mostres es van determinar prèviament en les condicions d'emmagatzematge. Les dues mostres van presentar isotermes de tipus II, el que va permetre un bon ajust del model de GAB a les dades experimentals. L'índex de peròxids i el contingut de diens conjugats van resultar en valors adequats durant l'emmagatzematge, encara que les mostres liofilitzades van presentar una lleugera tendència a l'oxidació a causa de la major quantitat d'oli superficial. Encara que va haver lleugeres diferències entre les mostres seques, totes van mostrar menys pèrdua d'aromes totals (~28%) en comparació amb l'oli no encapsulat (~51%) a la fi de l'emmagatzematge. Així, es va concloure que les nanopartícules de quitosà estudiades van ser eficients per encapsular l'oli de cafè torrat i preservar les seues característiques enfront de l'acció d'agents externs. / [EN] The emulsification process of bioactive-rich oils makes possible their better application and preservation over the storage time. Among the many emulsification mechanisms, the Pickering method has been highlighted as it uses natural solid nanoparticles in replacement of artificial surfactants. Due to the antioxidant properties, non-toxicity and availability, this work aimed at studying chitosan modifications to produce potential Pickering particles. The studied modifications comprised self-aggregation, also called deprotonation, and crosslinking with sodium tripolyphosphate. The performance of these particles was evaluated in the emulsification of roasted coffee oil, a by-product of the coffee industry with a high content of bioactive and volatile compounds of interest. Subsequently, the physicochemical properties and stability of the microcapsules produced after drying the emulsions using spray-drying and lyophilization techniques were analyzed. All emulsions were characterized as shear-thinning, being them destabilized over the digestion process. Emulsions formulated with deprotonated chitosan nanoparticles and lower oil concentrations showed better stabilization and, consequently, greater bioaccessibility of total phenolic compounds. The different chitosan nanoparticles were characterized regarding surface charge, particle size distribution, microstructure and oil/water affinity. Deprotonated chitosan nanoparticles had a larger particle size, which resulted in emulsions with larger oil droplets. As the concentration of these particles increased, the viscosity of the emulsions was positively affected by the formation of a three-dimensional network in the continuous phase. The nanoparticles obtained by crosslinking with sodium tripolyphosphate were smaller, resulting in emulsions with smaller droplets. The viscosity of these emulsions was lower and little affected by the concentration of particles. Pickering emulsions containing 10% roasted coffee oil were spray-dried and freeze-dried, using the different studied chitosan nanoparticles and maltodextrin as carrier agents. The resulting microcapsules showed adequate moisture content, water activity and solubility for subsequent handling and storage. The presence of chitosan nanoparticles resulted in greater oil retention in the microcapsules and higher encapsulation efficiency. Microcapsules obtained by spray-drying had a more regular spherical shape, while the microparticles obtained by freeze-drying were larger with irregular morphology. Bioactive compounds and antioxidant properties were more preserved during freeze-drying. On the other hand, spray drying allowed greater protection of these compounds during the in vitro digestion. The spray- and freeze-dried microcapsules formulated with deprotonated nanoparticles were subjected to the storage test for 30 days at 25 ºC. During storage, their protection against lipid oxidation and volatile release were evaluated. The water sorption isotherms of these samples were previously determined under the storage conditions. Both samples presented type II isotherms, which resulted in a good fitting accuracy of the GAB model to the experimental data. The peroxide index and the conjugated dienes content resulted in adequate values during storage, although the freeze-dried samples showed a slightly higher tendency to oxidation due to the higher amount of surface oil. Although slight differences were observed between the dried samples, both of them showed less loss of total volatile compounds (~28%) when compared to the non-encapsulated oil (~51%) at the end of storage. Thus, it was concluded that the studied chitosan nanoparticles were efficient to encapsulate roasted coffee oil and to preserve its characteristics against the action of external agents. / The authors would like to thank the project RTI-2018-099738-B-C22 from the ‘Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades’, the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brazil (CAPES) - (Finance Code 001; Grant number 88887.468140/2019-00) and the São Paulo Research Foundation (FAPESP – Grant number 2016/22727-8) for the financial support. / Franco Ribeiro, E. (2021). Microencapsulation of roasted coffee oil from chitosan nanoparticles-stabilized Pickering emulsions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163234 / TESIS / Compendio