Rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) is one of the most common ligamentous injuries of the knee. Post rupture, the ACL does not heal on itself due to poor vasculature and hence surgical intervention is required to treat the ACL. Current surgical management of ACL rupture consists of reconstruction with autografts or allografts. However, the limitations associated with these grafts have prompted interest in tissue engineered solutions that combine cells, scaffolds and stimuli to facilitate ACL regeneration. This thesis describes a ligament tissue engineering strategy that involves incorporating biomolecules within fibers-based electrospun meshes which mimics the extra-cellular matrix microarchitecture of ligament. However, challenges exist with incorporation of biomolecules. Therefore, the goal of this research project was to develop two techniques to incorporate biomolecules within electrospun meshes: (1) co-axially electrospinning fibers that support surface-grafting of biomolecules, and (2) co-axially electrospinning fibers decorated with biomolecule-loaded microspheres. In the first approach, chitosan was co-axially electrospun on the shell side of poly caprolactone (PCL) and arginine-glycine-aspartate (RGD) was attached to the electrospun meshes. Bone marrow stromal cells (BMSCs) attached, spread and proliferated on these meshes. In the second approach, fluorescein isothiocyanate labelled bovine serum albumin (FITC-BSA) loaded chitosan-alginate (CS-AL) microspheres were fabricated. The effects of cation to alginate ratio, type of alginate and concentration of CaCl2 on microsphere size, FITC-BSA loading and release were systematically evaluated. The CS-AL microspheres were then incorporated into the sheath phase of co-axially electrospun meshes to achieve microsphere-decorated fiber composite meshes. The results from these model study suggest that both approaches are tractable for incorporating biomolecules within fibers-based electrospun meshes. Both these approaches provide platform for future studies that can focus on ligament-relevant biomolecules such as FGF-2 and GDF-5. / Master of Science

Due to the limited regenerative capacity of the central nervous system (CNS) upon injury, regenerative medicine and tissue engineering strategies show great promise for treatment. These aim to restore tissue functions by combining principles of cell biology and engineering, using biomaterial scaffolds which can help in recapitulating the 3D environment of the brain and improving cell survival after grafting. Stroke and TBI are severe forms of disruptions of brain architecture, and two of the leading causes of mortality and morbidity worldwide, as no effective treatments are available. Several studies report how neural stem cells (NSCs) are able to improve functional recovery upon transplantation. However, the efficacy of these treatments is limited because of the mortality these cells are subject to after transplantation. In this context, the transplantation of mesenchymal cells (MSCs) has shown beneficial effects by secreting molecules and factors that help in the healing process. In this study, we tested alginate-based hydrogels as candidates to support human NSCs and MSCs transplantation into the brain, in the view of exploiting the beneficial effects of both and analyzing whether their combined use could have a synergistic effect. In the first part, we studied the suitability of alginate-based scaffolds for the three-dimensional encapsulation and culture of hNSCs and hMSCs. We analyzed their ability to support cell survival, and we evaluated whether changes in their concentration or modifications with ECM molecules could influence cell viability. We showed that the best survival conditions are found when using an RGDs-functionalized alginate scaffold at a low concentration (0.5% w/v). We then worked on the identification of the best conditions for MSCs culture and the definition of coculture conditions. Since serum is necessary for MSCs, but it is reported to induce glial differentiation of NSCs, we explored two different experimental setups. On one hand, we investigated the feasibility to exploit biomaterials to create "compartmentalized" cocultures that would at least partially retain serum. In parallel, we positively observed that MSCs can survive, proliferate and maintain their stemness even in absence of serum, supporting the hypothesis that the use of “compartmentalized” coculture systems would likely be exploitable for MSCs culture. Finally, we tested the reported beneficial effects of MSCs in our 3D culture system, in which NSCs do not show a great viability. Encapsulated NSCs were cultured on an MSCs monolayer, and we analyzed cell survival, proliferation, differentiation and stemness retention. Gene expression analyses highlighted that NSCs maintain stemness characteristics, but we were not able to observe any improvement in NSCs survival in coculture, with respect to standard culture. In the last part of the project we decided to test our system for tissue engineering approaches, exploiting axotomized brain organotypic slices (OSCs). We evaluated the presence of cells 7 days after transplantation, their integration in the OSCs and glial response. Preliminary results suggest that the biomaterial does not cause activation of glial cells, although stem cells do not seem to migrate out of scaffold and integrate into the brain slice.

Yes / Antibacterial hydrogels have been intensively studied due to their wide practical potential in wound healing. However, developing an antibacterial hydrogel that is able to integrate with exceptional mechanical properties, cell affinity, and adhesiveness will remain a major challenge. Herein, a novel hydrogel with antibacterial and superior biocompatibility properties was developed using aluminum ions (Al3+) and alginate− dopamine (Alg-DA) chains to cross-link with the copolymer chains of acrylamide and acrylic acid (PAM) via triple dynamic noncovalent interactions, including coordination, electrostatic interaction, and hydrogen bonding. The cationized nanofibrillated cellulose (CATNFC), which was synthesized by the grafting of long-chain quaternary ammonium salts onto nanofibrillated cellulose (NFC), was utilized innovatively in the preparation of antibacterial hydrogels. Meanwhile, alginate-modified dopamine (Alg-DA) was prepared from dopamine (DA) and alginate. Within the hydrogel, the catechol groups of Alg-DA provided a decent fibroblast cell adhesion to the hydrogel. Additionally, the multitype cross-linking structure within the hydrogel rendered the outstanding mechanical properties, self-healing ability, and recycling in pollution-free ways. The antibacterial test in vitro, cell affinity, and wound healing proved that the as-prepared hydrogel was a potential material with all-around performances in both preventing bacterial infection and promoting tissue regeneration during wound healing processes. / This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (32070826 and 51861165203), the Chinese Postdoctoral Science Foundation (2019M650239, 2020T130762), the Sichuan Science and Technology Program (2019YJ0125), the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering (sklpme2019-2-19), the Chongqing Research Program of Basic Research and Frontier Technology (cstc2018jcyjAX0807), Chongqing Medical Joint Research Project of Chongqing Science and Technology Committee & Health Agency (2020GDRC017), and the RCUK China-UK Science Bridges Program through the Medical Research Council, and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.

Three-dimensional microextrusion bioprinting has attracted great interest for fabrication of hierarchically structured, functional tissue substitutes with spatially defined cell distribution. Despite considerable progress, several significant limitations remain such as a lack of suitable bioinks which combine favorable cell response with high shape fidelity. Therefore, in this work a novel bioink of alginate-methylcellulose (AlgMC) blend functionalized with egg white (EW) was developed with the aim of solving this limitation. In this regard, a stepwise strategy was proposed to improve and examine the cell response in low-viscosity alginate inks (3%, w/v) with different EW concentrations, and in high-viscosity inks after gradual methylcellulose addition for enhancing printability. The rheological properties and printability of these cell-responsive bioinks were characterized to obtain an optimized formulation eliciting balanced physicochemical and biological properties for fabrication of volumetric scaffolds. The bioprinted AlgMC + EW constructs exhibited excellent shape fidelity while encapsulated human mesenchymal stem cells showed high post-printing viability as well as adhesion and spreading within the matrix. In a proof-of-concept experiment, the impact of these EW-mediated effects on osteogenesis of bioprinted primary human pre-osteoblasts (hOB) was evaluated. Results confirmed a high viability of hOB (93.7 ± 0.15%) post-fabrication in an EW-supported AlgMC bioink allowing cell adhesion, proliferation and migration. EW even promoted the expression of osteogenic genes, coding for bone sialoprotein (integrin binding sialoprotein/bone sialoprotein precursor (IBSP)) and osteocalcin (BGLAP) on mRNA level. To demonstrate the suitability of the novel ink for future fabrication of multi-zonal bone substitutes, AlgMC + EW was successfully co-printed together with a pasty calcium phosphate bone cement biomaterial ink to achieve a partly mineralized 3D volumetric environment with good cell viability and spreading. Along with the EW-mediated positive effects within bioprinted AlgMC-based scaffolds, this highlighted the promising potential of this novel ink for biofabrication of bone tissue substitutes in clinically relevant dimensions.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement. / Biofilms are primarily communities of microorganisms embedded in a complex exopolymer matrix. They are thought to play an important role as diffusive barriers in environmental systems and human health, resulting in increased resistance to disinfectants and antibiotics. Since mass transport in a biofilm is primarily due to molecular diffusion, it is critical to understand the main parameters influencing diffusive fluxes in a biofilm. In this thesis, a Pseudomonas fluorescens biofilm and two model hydrogels, (agarose and calcium alginate), were investigated. Both self-diffusion (Brownian motion) and mutual diffusion coefficients were quantified. Fluorescence correlation spectroscopy was used to measure the self-diffusion coefficients in a ca. 1 m3 confocal volume in the gels or biofilms, whereas a diffusion cell setup was employed for mutual diffusion measurements. In addition, microelectrode voltammetry was used to evaluate Donnan potential of the gels in order to determine its impact on diffusion. For the agarose hydrogel, the combined observations of a decreasing self-diffusion coefficient coupled with increasing mutual diffusion as a function of a decreasing ionic strength have been attributed to the gel’s Donnan potential. Measurements of the Donnan effect (difference of -30 mV between ionic strengths of 10-4 and 10-1 M) and the corresponding accumulation of ions in the hydrogel (13x enhancement with respect to the bulk solution) indicated that electrostatic interactions can strongly influence the diffusive flux of cations, even in a weakly charged hydrogel, such as agarose. Somewhat surprisingly, for a more highly charged gel such as calcium alginate, varying ionic strength and pH resulted in only small changes to the diffusion of charged probes in the hydrogel. These results suggested that the direct effect of the cations on gel structure (due to an induced swelling or compression) was much more effective than the Donnan effect when influencing solute diffusion. Similarly, for a bacterial biofilm, self-diffusion coefficients were virtually constant across a range of examined ionic strengths (10-4-10-1 M) for both negatively and positively charged small solutes (Db/Dw≈85%) and nanoparticles (Db/Dw≈50%), suggesting that the obstruction effect of the biofilms again overwhelmed the charge effect. The results of this work indicated that among the various major factors affecting diffusion in an oligotrophic environmental biofilm (steric exclusion, hydrophobic and electrostatic interactions), obstruction effects appeared to be the most important when attempting to understand the solute diffusion. While charge effects did not appear to be important to the self-diffusion of charged substrates in the alginate hydrogel or bacterial biofilm, they were key to understanding diffusion through another gel, with numerous biomedical and environmental applications, i.e. agarose. These results should be extremely useful when evaluating the bioavailability of the trace contaminants and nanoparticles in the environment.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent essentiellement sur la préparation, le criblage et l’utilisation des catalyseurs hétérogènes à base de polysaccharides. L’objectif principal du projet de thèse a plus particulièrement consisté à évaluer deux polysaccharides : les alginates et le chitosane en tant que supports renouvelables pour la catalyse hétérogène. Ces deux types de polysaccharides ont des structures et des propriétés physico-chimiques très différentes : les alginates sont connus pour être de bons complexants de métaux di ou trivalents de par la présence des fonctions carboxylates dans leur matrice, le chitosane résulte quant à lui de l’assemblage d’unités N-glucosamine pouvant être facilement modifiées chimiquement.Dans un premier temps, nos travaux ont essentiellement portés sur des catalyseurs bimétalliques Mn+ Pd supportés sur alginate dont nous avons évalué l’activité catalytique dans les réactions de couplage C—C de Mizoroki-Heck, Sonogashira et Suzuki-Miyaura. D’une manière générale, seuls les catalyseurs à base de nanoparticules de palladium ont montré une réactivité intéressante pour la catalyse de la réaction de Suzuki-Miyaura. Par la suite, nous avons également étudié les réactions d’oxydations d’alcools catalysées par du palladium (II) complexé à l’alginate. Cette étude nous a permis d’identifier deux catalyseurs actifs vis-à-vis de l’oxydation d’alcools allyliques et benzyliques.Dans un deuxième temps, nous avons développé de nouveaux ligands de type NHC en vue de les greffer sur la matrice chitosane : un ligand NHC pour les réactions de métathèse d’oléfines, et plusieurs ligands NHC de type pincer CNC pour les réactions de couplage C—C dans l’eau. Bien que les performances catalytiques des systèmes hétérogènes correspondant soient limitées, ces travaux ont conduit à l’élaboration de nouveaux ligands amphiphiles construits autour d’un noyau pyrazine porteurs de quatre ligands carbéniques. Après complexation de métaux tels que le palladium ou l’or, ces systèmes conduisent à des nanocatalyseurs ayant des performances catalytiques intéressantes. Enfin, dans un troisième temps, nous avons développé une nouvelle réaction de cyanation décarboxylante pallado-catalysée permettant de transformer en une étape des acides carboxyliques aromatiques en benzonitriles correspondants. Outre son intérêt synthétique, cette réaction présente un grand intérêt pour le marquage isotopique. / This work describes the preparation, screening and use of heterogeneous catalysts based on polysaccharides. The main goal of our project was to evaluate two polysaccharides: alginates and chitosan as renewable supports for heterogeneous catalysis.Alginates are known to form gels with most di- and multivalent cations due to the presence of the carboxylate functions of their matrix. And chitosan is an attractive polysaccharide for application in catalysis owing to the presence of readily functionalizable amino group and its insolubility in organic solvents.First, our work focused on evaluating the catalytic activity of bimetallic Mn+-Pd catalysts supported on alginate in C—C coupling reactions. Among them, one system demonstrated remarkable catalytic properties for the Suzuki-Miyaura coupling. Then, the oxidation of alcohols catalyzed by Alginate-Mn+-Pd2+ catalyst was investigated. Two catalysts demonstrated good activity for oxidation of benzylic and allylic alcohol.In a second time, we developed new NHC ligands in order to anchor them on chitosan: two new NHC ligands for olefin metathesis and several NHC pincer CNC ligands for C—C coupling reactions in water. A palladium complex obtained with one our new ligand bearing long alkyl chains showed good activity in the Suzuki-Miyaura coupling in pure water.Finally, a new palladium (II) catalyzed decarboxylative cyanation reaction was investigated. This methodology is the first example of direct conversion of aryl carboxylic acid into the corresponding aryl nitrile. This reaction is well adapted to labeled compound synthesis.

Élaborer ou structurer des matériaux à l’échelle nanométrique permet d’aborder une physique nouvelle mais également de réaliser des dispositifs fonctionnant sur des principes originaux utilisées dans divers domaines (médecine, énergie, électronique, optique, catalyse..). Ce travail porte sur l’étude de l’assemblage des nanoparticules d’or colloïdales (NPs) en structures d’agrégation mésoscopiques, assisté par le séchage des fluides complexes et de leur manipulation par Microscope à Force Atomique (AFM) sur des surfaces modèles. Une première partie présente la synthèse des NPs d’or et des surfaces moléculaires auto-assemblées sur des substrats rigides. Ensuite, l’étude de la formation des structures d’agrégation assistée par le mouillage et le séchage des fluides complexes ( NPs et polysaccharide) sur des surfaces moléculaires a permis de mettre en évidence le rôle crucial du couplage entre les propriétés de volume singulières de ces fluides, et celles de surface du substrat dans la formation de structures d’agrégation complexes (fractales, et dendrites en particulier). Dans un troisième temps, les travaux abordent à l’étude et la compréhension du vieillissement (dégénérescence et reconstruction) des structures mésoscopiques élaborées. Entre autres résultats, ces travaux ont mis en évidence la nature ‘diffusionnelle’ de la dislocation des structures, laquelle se traduit par la mobilité d’agrégats nanoparticulaires en surface. Afin de mieux appréhender cette problématique de mobilité individuelle et/ou collective (cluster) des NPs, une étude détaillée basée sur la manipulation des NPs par AFM en mode Tapping a été réalisée. L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail de thèse a permis d’une part, i) de proposer de nouvelles approches d’assemblage de macromolécules et de particules, assisté par les phénomènes de mouillage, ii) de comprendre les mécanismes à l’origine de la formation de ces structures d’agrégation complexes (fractales compactes et fibrillaires) sur des substrats homogènes et hétérogènes, et d’autre part, iii) de contrôler la stabilité et le vieillissement de ces structures d’agrégation complexes en vue d’une validation de la fiabilité éventuelle de nanomatériaux issus d’assemblages à base de NPs. / This work deals with the study of the drying-mediated assembly of colloidal gold nanoparticles (Au NPs) in mesoscale aggregation patterns and their manipulation by atomic force microscopy (AFM) on model surfaces. The assembly of NPs in mesoscale and complex aggregation patterns assisted by the wetting and the drying of complex fluids (suspensions of NPs, NPs/biopolymers mixed solutions) on homogeneous and heterogeneous molecular surfaces was studied. This issue is important, both for understanding fundamental processes of self-organization, and for generating new functional mesostructures. The drying of complex fluids often leads to the emergence of highly complex aggregation structures as shown and discussed in this work. The richness and the aesthetics of these complex structures generated by these interfacial phenomena reflect not only the bulk properties of fluids (different sizes and lengths- scales, kinetic changes in state), but more importantly, the coupling between the fluid properties and those of the substrate surface (wetting interactions, confinement, hydrodynamics). In the case of two important heterogeneous fluids which are Au NPs and polysaccharide solutions, these drying-mediated structure formation lead to the genesis of unusually large and highly ramified dendrites aggregation patterns. The growth mechanism and the critical parameters that control the morphogenesis of these complexes structures are addressed in this work. In addition, the aging mechanisms and kinetics of these structures that are metastable and evolve either through direct dislocation via clusters NPs mobility on the surface, or through undulation-induced roughning of the dendrite branches. To better understanding this NPs mobility and thus the dislocation mechanism of the aging, a detailed study based on the manipulation of NPs by atomic force microscopy in tapping mode (AFM) was developed. The threshold dissipated energy to manipulate (move) the NPs can be quantified according to the intrinsic parameters of the particle (size, shape, and chemical nature), the chemical nature and topography of the substrate, and finally the operating and environment conditions. This work enabled us to understand the mechanisms and characterize the critical parameters that may intervene in the dislocation (aging) of NPs-based functional structures, depending on the nature of the environment liquid and the substrate. Finally, this work proposes an approch of evaluation and of monitoring the stability and the aging of these aggregation structures, in particular, those formed from the drying of films and drops of nano-particles solutions (metal nanoparticles, blood: proteins, viruses ...).

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement. / Biofilms are primarily communities of microorganisms embedded in a complex exopolymer matrix. They are thought to play an important role as diffusive barriers in environmental systems and human health, resulting in increased resistance to disinfectants and antibiotics. Since mass transport in a biofilm is primarily due to molecular diffusion, it is critical to understand the main parameters influencing diffusive fluxes in a biofilm. In this thesis, a Pseudomonas fluorescens biofilm and two model hydrogels, (agarose and calcium alginate), were investigated. Both self-diffusion (Brownian motion) and mutual diffusion coefficients were quantified. Fluorescence correlation spectroscopy was used to measure the self-diffusion coefficients in a ca. 1 m3 confocal volume in the gels or biofilms, whereas a diffusion cell setup was employed for mutual diffusion measurements. In addition, microelectrode voltammetry was used to evaluate Donnan potential of the gels in order to determine its impact on diffusion. For the agarose hydrogel, the combined observations of a decreasing self-diffusion coefficient coupled with increasing mutual diffusion as a function of a decreasing ionic strength have been attributed to the gel’s Donnan potential. Measurements of the Donnan effect (difference of -30 mV between ionic strengths of 10-4 and 10-1 M) and the corresponding accumulation of ions in the hydrogel (13x enhancement with respect to the bulk solution) indicated that electrostatic interactions can strongly influence the diffusive flux of cations, even in a weakly charged hydrogel, such as agarose. Somewhat surprisingly, for a more highly charged gel such as calcium alginate, varying ionic strength and pH resulted in only small changes to the diffusion of charged probes in the hydrogel. These results suggested that the direct effect of the cations on gel structure (due to an induced swelling or compression) was much more effective than the Donnan effect when influencing solute diffusion. Similarly, for a bacterial biofilm, self-diffusion coefficients were virtually constant across a range of examined ionic strengths (10-4-10-1 M) for both negatively and positively charged small solutes (Db/Dw≈85%) and nanoparticles (Db/Dw≈50%), suggesting that the obstruction effect of the biofilms again overwhelmed the charge effect. The results of this work indicated that among the various major factors affecting diffusion in an oligotrophic environmental biofilm (steric exclusion, hydrophobic and electrostatic interactions), obstruction effects appeared to be the most important when attempting to understand the solute diffusion. While charge effects did not appear to be important to the self-diffusion of charged substrates in the alginate hydrogel or bacterial biofilm, they were key to understanding diffusion through another gel, with numerous biomedical and environmental applications, i.e. agarose. These results should be extremely useful when evaluating the bioavailability of the trace contaminants and nanoparticles in the environment.

Deux systèmes aqueux à 20°C constitués de protéines globulaires de pois et d’alginate de sodium ont été considérés au cours de cette étude, dans des conditions de solvant fixées à pH 7,2 et 0,1 M NaCl. Dans un premier temps, le comportement de phase de globulines faiblement dénaturées (i) ou pré-agrégées thermiquement (ii) en mélange avec de l’alginate a été comparé à différentes échelles d’observation, en termes de diagrammes de phase et de microstructure analysée par microscopie confocale. Attribuée à un phénomène général d’incompatibilité thermodynamique, la séparation de phase a été décrite tout particulièrement sous des aspects morphologiques et cinétiques à l’échelle microscopique, selon la composition de départ en biopolymères et le mode de préparation des globulines. Par la suite, une gélification de chacun des deux systèmes a été opérée à froid, par libération de calcium ionique in situ à partir d’un sel de calcium de carbonate peu soluble au-dessus de pH 7, sous l’effet acidifiant d’une hydrolyse lente de la glucono-δ-lactone (GDL). L’intérêt d’un tel procédé reposait sur l’obtention de gels remplis à mixtes lorsque l’alginate seul ou l’alginate et la phase protéique pouvaient gélifier en présence de calcium. Des corrélations entre propriétés rhéologiques mesurées en régime dynamique (modules G’ et G’’) et données de microstructure ont été effectuées, par l’intermédiaire de l’analyse de texture d’image selon la méthode de cooccurrence. Chaque mélange témoignait d’une séparation de phase bloquée cinétiquement par sa gélification. Par rapport aux gels d’alginate seul ou gels remplis où l’alginate seul pouvait gélifier via le calcium, les gels mixtes témoignaient d’un effet de synergie remarquable d’un point de vue élasticité finale des gels. Dans le même temps, les globulines pré-agrégées ne montraient pas d’aptitude à la gélification selon le procédé appliqué ici. En outre, des effets ségrégatifs induisaient un enrichissement des protéines et du polyoside dans deux phases coexistantes, renforçant de ce fait des interactions entre biopolymères du même type. Les gels mixtes les plus élastiques présentaient une structure enchevêtrée avec un réseau protéique prédominant. Les observations en microscopie électronique à transmission effectuées par un marquage différentiel des deux biopolymères suggèreraient qu’il puisse se former localement des interactions attractives inter-biopolymères, probablement via le calcium, à l’interface des deux phases initialement immiscibles. Ce pontage consoliderait globalement la cohésion entre les deux réseaux protéique et polyosidique / Two aqueous systems at 20°C in 0.1 M NaCl and pH 7.2 containing globular pea proteins and sodium alginate were investigated in this study. First, phase behavior of (i) either low-denatured mixed globulins or (ii) their thermally pre-aggregated counterparts - alginate mixtures was compared using a multi-scale approach, by means of phase diagram and microstructure analysis by confocal microscopy. Thermodynamic incompatibility was the main driving force leading to phase separation within the mixtures, which presented according to their initial biopolymer composition both different morphological and time-evolution features of coexisting phases. Thereafter, a cold-set gelation for each system was performed, as the slow hydrolysis of glucono-δ-lactone (GDL) acidified the media and mediated the release in situ of calcium ions from calcium carbonate, practically insoluble at pH higher than 7. Such procedure would allow gelation via calcium of alginate only or both alginate and the protein phase, giving rise to filled and mixed gels, respectively. An attempt to correlate rheological measurements (G’, G’’ dynamic moduli) with microstructural data was carried out according to image texture analysis by the cooccurrence method. Phase separation was kinetically entrapped by gelation. Compared to single-alginate gels or native globulins-alginate filled gels where alginate was the only gelling agent via calcium, mixed gels reflected in fact great synergism effect regarding final gel elasticity. Meanwhile, pre-aggregated pea globulins could not form a gel with the gelation procedure of choice here. Besides, stronger segregative effects were evidenced by increasing initial biopolymer composition thus enhancing self-biopolymer interaction in their respective enriched-coexisting phases. The strongest mixed gels displayed entangled structure. According to a differential labelling of each incompatible biopolymer, observations with transmission electron microscopy suggested inter-biopolymer attractive interaction at the interface of coexisting phases, probably via calcium cations. Salt-bridging would reinforce cohesiveness between both protein and alginate networks

Parmi les différentes méthodes de lutte contre les microorganismes pathogènes et/ou altérants en agroalimentaire, l’utilisation de bactéries lactiques (LAB) bioprotectrices s'avère être un outil prometteur pour la préservation des aliments. Ce travail de thèse collaboratif, entre l'équipe PAPC (AgroSup Dijon, Université de Bourgogne) et le laboratoire BioDyMIA (Université Lyon1-Isara Lyon), concerne l'étude de systèmes bioprotecteurs immobilisant des cellules entières de LAB dans une matrice polymérique d'alginate de sodium et de caséinate de sodium pour une activité ciblée contre Listeria spp. Dans un premier temps, la méthodologie mise en œuvre a consisté à sélectionner des souches de LAB bioprotectrices sur la base de leur activité antimicrobienne évaluée par la méthode de diffusion en milieu gélosé contre trois souches de Listeria spp. Quatre souches sur 19 ont ainsi été sélectionnées. Une caractérisation partielle des métabolites antimicrobiens produits par ces 4 souches a ensuite été réalisée en appliquant des traitements thermiques et enzymatiques aux surnageants de culture correspondants pour évaluer si ces traitements altéraient l’activité des métabolites antimicrobiens présents. Une purification et une identification partielle des actifs antimicrobiens de nature peptidique ont été réalisées uniquement pour la souche d'intérêt principale : Lactococcus lactis LAB3. Dans un second temps, une formulation de la matrice polymérique d’immobilisation des LAB sélectionnées a été choisie en réalisant le diagramme de phases du système aqueux alginate de sodium/caséinate de sodium : 1,5 % (m/m) d'alginate de sodium / 4 % (m/m) de caséinate de sodium / 20 % (m/m) bouillon MRS. Cette formulation a permis d'obtenir une matrice composée d’une phase continue riche en alginate et d’une phase dispersée riche en caséinate dans laquelle les cellules de LAB se localisent préférentiellement d’après les observations en microscopie de fluorescence confocale à balayage laser. Suite à l'inclusion des cellules de LAB dans ces matrices liquides et gélifiées d'alginate seul et d'alginate/caséinate, leur cultivabilité et leur activité anti-Listeria ont été suivies à 30°C pendant 12 jours. Ceci a révélé que la cultivabilité et l’activité antimicrobienne des cellules de LAB se maintiennent à des niveaux plus élevés dans les matrices d'alginate/caséinate que dans celles uniquement à base d’alginate. Ces matrices à base d’alginate et de caséinate apparaissent donc comme un système prometteur pour l'immobilisation de LAB bioprotectrices. Leur intérêt pour l’inclusion de LAB a pu être corrélé à leur viabilité et à la structure composite de cette matrice à base de protéines qui favoriserait la production et la libération des métabolites antimicrobiens / Among the various methods to control foodborne pathogenic and/or food spoilage microorganisms in food chain, bioprotective lactic acid bacteria (LAB) appear to be promising tools for food biopreservation. This collaborative study, between PAPC (Agrosup Dijon, University of Burgundy) and BioDyMIA (University Lyon1-Lyon Isara) laboratories, concerned the development of sodium alginate/sodium caseinate polymeric matrices intended to entrap LAB cells selected for their anti-Listeria spp. activity. First, 4 LAB strains from 19 LAB strains were selected for their anti-Listeria spp. activity: this screening was performed by the method of agar diffusion against three Listeria spp strains. Then, antimicrobial metabolites produced by the selected LAB strains were partially characterized by assessing the effect of various thermal and enzymatic treatments on the anti-Listeria spp. activity of their culture supernatants. A partial purification and identification of antimicrobial active peptides produced by the main strain of interest (Lactococcus lactis LAB3) was also performed. A composition of the polymer matrix has been selected by performing the phase diagram of sodium alginate/sodium caseinate system: 1.5% (w/w) sodium alginate / 4% (w/w) of caseinate sodium / 20% (w/w) MRS broth. This formulation provides a rich alginate continuous phase and a rich caseinate dispersed phase in which LAB cells localize according to the study by confocal microscopy. LAB cells were immobilized in liquid and gelled matrices of alginate and alginate/caseinate. Culturability and anti-Listeria activities were measured during a storage at 30°C for 12 days. The alginate/caseinate matrices were more effective in better maintaining LAB cells cultivability and their antimicrobial activity than alginate matrix. This effectiveness seemed correlated with cell viability and the dispersion-like structure of the protein-based system which enhance production and release of antimicrobial metabolites. Thus, this type of polymeric matrix appeared as a promising immobilization system of bioprotective LAB