Aujourd'hui, un grand nombre de nouvelles molécules peuvent être synthétisées à partir de la biomasse. Les tensioactifs dérivés de sucre sont notamment considérés comme une alternative aux tensioactifs fossiles en raison de leur biodégradabilité et de leur biocompatibilité. Cependant, les études associant la caractérisation physico-chimique et les propriétés biologiques de ce type de tensio-actifs sont limitées. Il est ainsi difficile de prédire les propriétés d'un tensioactif à partir de sa structure chimique. L'établissement d'une méthodologie permettant de relier la structure des surfactants à leurs propriétés apparait pertinent. Dans ce travail, quatre surfactants dérivés de sucre ayant chacun une chaîne C8 liée à une tête glucose ou maltose par un groupe amide ont été caractérisés par leurs propriétés tensio-actives dans différentes solutions (eau et milieu biologique). Leurs interactions avec des protéines ont également été analysées. Concernant l'évaluation des propriétés biologiques, des tests de cytotoxicité/irritation ont été effectués sur trois modèles in-vitro : 1) modèle cellulaire 20 (cellules L929 cultivées en monocouche), Il) modèle cellulaire 30 (cellules L929 cultivées dans un gel de collagène), Ill) épiderme humain reconstitué. Les résultats indiquent que les quatre surfactants synthétisés présentent de bonnes propriétés tensio-actives et trois d'entre eux sont moins cytotoxiques que des tensioactifs de référence. Plusieurs hypothèses permettant de relier la structure chimique des molécules à leurs propriétés physico-chimiques et biologiques ont été proposées. Des travaux futurs permettront d'enrichir la base de données sur les relations structure-propriétés des tensioactifs issus de la biomasse, et de l'utiliser pour synthétiser des surfactants présentant des propriétés adaptées aux applications envisagées. / Nowadays, a wide variety of new molecules can derive from biomass. Among them, the family of sugar-based surfactants, which are considered as alternatives to fossil-based surfactants, due to their relatively high biodegradability and biocompatibility, exhibit interesting properties both in terms of their self-assembly and their ability to induce biological responses. In the study, for the purpose to analyse these properties, different methodologies have been established. In this work, physico-chemistry and cellular biology methodologies are associated to analyse the properties of pre-selected molecules characterized by gradua) structure modifications. Firstly, we have screened synthesized sugar-based surfactants according to their solubility and their ability to reduce surface tension of water. Four pre-selected molecules, with a C8 chain linked to a glucose or maltose head through an amide functional group, either under the form of carbamoyl (carbohydrate scaffold bearing the carbonyl) or alkylcarboxamide (the alkyl chain bearing the carbonyl), were then dissolved in water/ cell culture media for surface tension measurements. Their behaviors in solutions were characterized by Krafft points, Critical Micellar Concentrations or self-assembling properties through different methods. To evaluate the cytotoxic/ irritant effects of these molecules on cells and tissues, 3 in-vitro models were established: I) 2D cell culture mode! (L929 cell monolayer) II) 3D ce!! culture mode! (L929 cells embedded in collagen gel) and III) Reconstituted human epidermis (differentiated human keratinocytes). Corresponding experiments were carried out on these models with increasing complexity. Results show that the synthesized sugar-based surfactants, GlulamideC8, Glu6amideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 can reduce the surface tension of water solution to the came level as standard surfactants (Tween 20 and Hecameg). In the meantime, GlulamideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 present Iess cytotoxicity effects on L929 cells both in the monolayer model and the 3D mode! than Tween 20 and Hecameg. All synthesized and standard surfactants (GlulamideC8, Glu6amideC8, Gu6amideC8', MallamideC8, Tween 20 and Hecameg) have no significant cytotoxic/ irritant effects on reconstituted human epidermis at 1000 ig/mL after 48 h of topical application. Discussions have been made according to the results of experiments to establish possible structures/ physico-chemical properties - cytotoxicity relationships of these surfactants.

Les biomatériaux de type hydrogel ou organogel obtenus à partir de molécules de faible masse molaire suscitent de plus en plus un vif intérêt autant sur le plan fondamental que sur le plan applicatif. Le travail, exposé ici, a pour objectif de synthétiser des composés amphiphiles présentant des variations de structure afin de pouvoir établir des relations entre la structure de ces composés et leurs propriétés gélifiantes. Nous avons été amenés à synthétiser des composés (bimodulaires et trimodulaires) avec et sans motif de jonction de type polyoxyéthylénique entre la partie peptidique et le module hydrophobe. Dans un deuxième temps, d?autres molécules amphiphiles gélifiantes ont été préparées, en substituant le motif polyoxyéthylénique par une entité dérivée du glycérol, pour permettre d'obtenir des composés d'origine renouvelable mais également pour diversifier la source de matières premières. Les composés visés ont été obtenus et leur comportement en solution a été étudié par différentes techniques (tensiométrie, conductimétrie, infrarouge,...). Certains d'entre eux, présentant des propriétés gélifiantes, associés aux sels de bore, ont été utilisés pour préserver le matériau bois (Pin Sylvestre). Les essais effectués se sont révélés concluant en termes de réduction du lessivage du bore car les tests avec Poria Placenta (champignon) cultivé sur un milieu gélosé ou avec les Réticulitermes Flavipès (termites) ont montré qu'un bois traité par l'association « borax-hydrogel » reste protégé même après lessivage / Biomaterials hydrogel or organogel obtained from low molecular weight molecules give rise to an increasing interest both in terms on the fundamental and application domain. The work outlined here, aims to synthesize amphiphilic compounds with structural changes in order to establish relationships between the structure of these compounds and their gelling properties. We were asked to synthesize compounds (bimodular and trimodular) with and without cause polyoxyethylene type junction between the peptide and the hydrophobic unit. In a second step, other gelling amphiphilic molecules were prepared by substituting the polyoxyethylene pattern derived by an entity glycerol, allowing to obtain compounds from renewable sources but also to diversify the source of raw materials. The target compounds were obtained and their behavior in solution has been studied by different techniques (tensiometry, conductivity, infrared,...). Some of them, with gelling properties, associated with boron salts have been used to preserve the wood material (Scots pine). The tests proved conclusive in terms of reducing the leaching of boron as tests with Poria placenta (mushroom) grown on an agar medium or with Reticulitermes flavipes (termite) showed that wood treated with the association "borax-hydrogel" is protected even after leaching

Ce travail de thèse décrit l'élaboration de copolymères amphiphiles obtenus par couplage de deux homopolymères. La synthèse des copolymères s'est effectuée en deux étapes. Dans un premier temps, des homopolymères de type poly(2-méthyl-2-oxazoline) (P(MOx)) et poly(acrylate de tert-butyle) (P(At-Bu)) ont été préparés par polymérisation par ouverture de cycle cationique (CROP) et par polymérisation radicalaire contrôlée de type RAFT ou ATRP, respectivement. Puis les copolymères amphiphiles diblocs ont finalement été obtenus par une réaction de couplage polymère-polymère de type cycloaddition de Huisgen. Une étude physico-chimique de ces copolymères dans l'eau a mis en évidence la présence d'agrégats qui présentent une morphologie sphérique, des tailles inférieures à 100 nm et des concentrations d'agrégation critique de l'ordre de 10-6 mol.L-1.Les connaissances acquises sur la synthèse et l'étude des copolymères à blocs amphiphiles ont également permis le développement de copolymères greffés amphiphiles poly(-caprolactone)-g-poly(2-méthyl-2-oxazoline) (PCL-g-P(MOx)), constitués d'un bloc hydrophobe PCL sur lequel des chaînes hydrophiles P(MOx) ont été greffées. L'étude du comportement de ces copolymères dans l'eau montre la formation d'agrégats avec des caractéristiques proches de celles obtenues pour les copolymères diblocs amphiphiles. Un autre point intéressant est que la P(MOx) permet de solubiliser la PCL dans l'eau.Ces deux études illustrent l'apport de la chimie macromoléculaire pour la préparation de structures amphiphiles parfaitement définies qui s'organisent en phase aqueuse en agrégats. Ces derniers pourraient notamment être utilisés dans le domaine biomédical. / This manuscript deals with the synthesis of amphiphilic diblock copolymers obtained by the coupling of both hydrophobic and hydrophilic homopolymers. The copolymers were achieved in two steps. On the one hand, homopolymers poly(2-methyl-2-oxazoline) P(MOx)s and poly(tert-butyl acrylate)s (P(At-Bu) were synthesized by cationic ring opening polymerization (CROP) and by Reversible Addition-Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization and atom transfer radical polymerization (ATRP), respectively. Finally, amphiphilic diblock copolymers were achieved by Huisgen's cycloaddition. Physical chemistry studies in water proved the formation of aggregates. The latter had a spherical morphology, sizes below 100 nm and critical aggregation concentration around 10-6 mol.L-1.Knowledge acquired on the synthesis and the study of amphiphilic block copolymers led to the development of poly(-caprolactone)-g-poly(2-methyl-2-oxazoline) (PCL-g-P(MOx)) amphiphilic graft copolymers, made of a hydrophobic PCL grafted with hydrophilic P(MOx) moieties. The study of aqueous solution of such copolymers showed the formation of aggregates with characteristics close from those obtained for the diblock copolymers. Another interesting point is that P(MOx) permitted the solubilization of PCL in water.The reported work illustrated the importance of macromolecular chemistry for the obtaining of amphiphilic copolymers with controlled molecular weight and narrow molar mass distributions which self-assemble in water. Such kind of materials could be used in the biomedical field.

Ces travaux décrivent la synthèse de nanoparticules stabilisées par des polyélectrolytes d’originesynthétique (poly(acide (méth)acrylique)) ou naturelle (alginate) par polymérisation radicalairecontrôlée (PRC) de type RAFT en émulsion. Ce procédé est basé sur l’utilisation d’un polymèrehydrophile obtenu par RAFT (macroRAFT) qui est réactivé dans l’eau pour la polymérisation d’unmonomère hydrophobe. Des copolymères à blocs amphiphiles sont ainsi générés et s’auto-assemblent in situ pour former des nanoparticules. Dans un premier temps, nous avons cherché à conduire l’ensemble du procédé en milieu aqueux. Des études ont ainsi été menées sur la polymérisation RAFTdans l’eau de l’acide acrylique et de l’acide méthacrylique. Des homopolymères bien définis ont été obtenus sur une large gamme de conditions, puis ont été utilisés comme macroRAFTs pour la polymérisation en émulsion de monomères hydrophobes. Des nanoparticules stables constituées de copolymères à blocs amphiphiles bien définis ont été produites. Il a été montré que le contrôle de la polymérisation et la nucléation dépendaient fortement du pH, mais qu’une bonne stabilité colloïdale était néanmoins observée dans tous les cas. Ce procédé "one-pot " a ensuite été extrapolé à la synthèse de particules stabilisées par des copolymères hydrophiles de N-acryloylmorpholine (NAM) et de macromonomères d’alginate. Des nano-objets aux morphologies variées ont été obtenus. Afin de mieux appréhender la formation de ces morphologies, un système modèle employant un copolymère hydrophile de NAM et de macromonomère de polyNAM obtenu par polymérisation RAFT a été étudiépour la polymérisation en émulsion du styrène. / This work describes the synthesis of nanoparticles stabilized by polyelectrolytes from synthetic(poly((meth)acrylic acid)) or natural (alginate) source by controlled free radical polymerization (CRP),namely RAFT, in emulsion. This process is based on the use of a hydrophilic polymer prepared by RAFT (i.e. macroRAFT) which is reactivated in water for the polymerization of a hydrophobic monomer. The formation of amphiphilic block copolymers which self-assemble in situ leads to the formation of nanoparticles. Firstly, we tried to perform the whole process in water. The RAFT polymerization of acrylic acid and methacrylic acid was studied in this context. Well-defined homopolymers were obtained under a large range of conditions, and further used as macroRAFTs in emulsion polymerization of hydrophobic monomers. Stable nanoparticles composed of well-defined amphiphilic block copolymers were produced. It was shown that the control of the polymerization and the nucleation were strongly dependent on the pH. Nevertheless, a good colloidal stability wasobserved in all cases. This “one-pot” process was then extrapolated to the synthesis of particles stabilized by hydrophilic copolymers of N-acryloylmorpholine (NAM) and alginate macromonomer. Nano-objects with various morphologies were obtained. In order to better understand the formation of these morphologies, a model system using a hydrophilic copolymer of NAM and a polyNAM macromonomer obtained by RAFT polymerization was studied in styrene emulsion polymerization.

L’objectif principal de ce travail de thèse est de synthétiser par polymérisation RAFT en milieux homogène et hétérogène des copolymères à blocs amphiphiles de structure bien contrôlée. Un procédé simplifié, « ont pot » a donc été développé pour synthétiser ces copolymères et les auto-assembler en particules dans l’eau. Cette méthode dite de « l’auto-assemblage induit par la polymérisation » (PISA) permet de synthétiser en quantité des copolymères à blocs amphiphiles en milieux aqueux sans aucune étape de purification intermédiaire. Dans ce procédé, deux étapes successives sont effectuées dans le même réacteur. La 1ère étape a pour but de synthétiser des agents RAFT macromoléculaires hydrophiles (macroRAFTs) par polymérisation en solution dans l’eau. Ces macroRAFTs fonctionnalisés par un groupement trithiocarbonate sont ensuite utilisés dans le même réacteur comme agents de contrôle etprécurseurs de stabilisants pour la polymérisation en émulsion du monomère hydrophobe directement dans l’eau. Lors de cette 2nde étape, des copolymères à blocs amphiphiles sont formés et s’auto-assemblent sous forme de particules aux morphologies variées (sphères, filaments et vésicules). Nous avons alors étudiés les différents paramètres (pH, température de polymérisation en émulsion, nature des monomères hydrophobe et hydrophile, taux de solide, masses molaires des blocs hydrophobe et hydrophile, etc)gouvernant la formation de morphologies spécifiques. Un objectif supplémentaire a été l’étude du comportement viscoélastique linéaire des suspensions de ces nano-fibres polymère à une température inférieure (25°C) ou supérieure (130°C) à la température de transition vitreuse (Tg) du coeur polystyrène des nano-fibres. A T < Tg, les nano-fibres sont parfaitement rigides et obéissent à une dynamique brownienne de bâtonnets. En effet, les lois d’échelles déduites du comportement viscoélastique de ces suspensions obéissent aux lois prédites par Doi-Edwards. En revanche, ces nano-fibres sont flexibles pour T > Tg et ont une dynamique Brownienne de chaînes polymères en solution. / The aim of this work was synthesis of well-defined amphiphilic block copolymers in homogenous and heterogenous media using RAFT polymerization (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) and to study their self-assemblies in water. A one-pot process in water was developed for the synthesis of amphiphilic block copolymers that simultaneously to their growth self-assembled into nano-particles. This method called “polymerization-induced self-assembly” (PISA) allows the synthesis of large quantities of amphiphilic block copolymers in aqueous media without any intermediate purification step. During this process, two successive polymerization steps are performed in the same reactor. The first step consists in the synthesis of the hydrophilic macromolecular RAFT agents (macroRAFT agents) possessing a trithiocarbonate reactive group via RAFT in water. Without purification, these macroRAFT agents are reactivated for the polymerization of a hydrophobic monomer in the same reactor via RAFT emulsion polymerization. The resulting amphiphilic block copolymers self-assembled into nano-objects with various morphologies (spherical micelles, nanofibers and vesicles). Different parameters (pH, temperature, natureof hydrophilic and hydrophobic monomers, solids contents, molar masse of hydrophilic and hydrophobic blocks, etc) control these morphologies. Besides, the viscoelastic properties of polymeric nanofibers suspensions were studied as a function of the temperature. Below the Tg of polystyrene core at 25°C, the scaling law from viscoelastic behavior of these nanofiber suspensions the Doi−Edwards theory on the Brownian dynamics of rigid rods. Above Tg at 130°C, the nanofibers are flexible and it observed that their dynamics obey the power laws for polymer chains in solution.

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As a promising pH-triggerable molecular switch, trans -2-aminocyclohexanol (TACH) has a variety of applications. By introducing two hydrocarbon tails, multiple TACH-based lipids (flipids) have been designed and studied that are able to perform a drastic conformational flip upon protonation, loosening the stacking of hydrocarbon tails in lipid bilayers. Liposomes constructed from such flipids (fliposomes) can be disrupted by this acid-triggered conformational flip to cause a rapid release of a cargo specifically in areas of increased acidity (such as inflammation or ischemic tissues, solid tumor, and endosome pathway). A library of flipids has been built based on structural modifications of both amino headgroups and hydrophobic tails. A series of fliposomes have been constructed and their colloidal stability, capacity and pH-dependent leakage were investigated. A good correlation between the conformational switch of flipids studied by 1 H-NMR and the fliposomes' leakage indicated that the former is a cause for the latter. The obtained results showed that all the properties of fliposomes can be manipulated by selection of the amino headgroups structure and basicity, and the length and shape of hydrophobic tails, by using mixtures of different flipids or fliposomes, and by changing the content of flipids while constructing fliposomes. As a result, we prepared the pH-triggerable fliposomes with extraordinary characteristics: high stability in storage combined with instant release of their cargo in response to a weakly acidic medium. Fliposomes encapsulating the anticancer drug methotrexate (MTX) were applied to HeLa cells and demonstrated much higher cytotoxicity than the free drug and negative controls, indicating that they could conduct more efficient cellular delivery of MTX. The MTX-loaded fliposomes inhibited tumor growth in B16F1-melanoma-bearing nude mice compared to the control group, suggesting the anticancer activity of MTX delivered by pH-triggerable fliposomes in vivo. The results of research demonstrated the potential of fliposomes to serve as a viable drug delivery system.

Specific interactions of ligands with receptors is one of the approaches for active targeting of anticancer drugs to cancer cells. Over expression of integrin receptors is a physiological manifestation in several cancers and is associated with cancer progression and metastasis, which makes it an attractive target for cancer chemotherapy. The peptide sequence for this integrin recognition is the Arg-Gly-Asp (RGD). Self-assembly offers a unique way of presenting ligands to target receptors for recognition and binding. This study focuses on development of integrin specific peptide amphiphile self-assemblies as carriers for targeted delivery of paclitaxel to α v β 3 integrin overexpressing cancers. Amphiphiles composed of conjugates of different analogs of RGD (linear, cyclic or glycosylated) and aliphatic fatty acid with or without 8-amino-3,6-dioxaoctanoic acid (ADA) as linker were synthesized and characterized. The amphiphiles exhibited Critical Micellar Concentration in the range of 7-30 μM. Transmission electron microscopy images revealed the formation of spherical micelles in the size range of 10-40 nm. Forster Resonance Energy Transfer studies revealed entrapment of hydrophobic dyes within a tight micellar core and provided information regarding the cargo exchange within micelles. The RGD micelles exhibited competitive binding with 55% displacement of a bound fluorescent probe by the cyclic RGD micelles. The internalization of fluorescein isothiocynate (FITC) loaded RGD micelles was significantly higher in A2058 melanoma cells compared to free FITC within 20 minutes of incubation at 37°C. The same micelles showed significantly lower internalization at 4°C and on pretreatment with 0.45M sucrose confirming endocytotic uptake of the RGD micellar carriers. The IC50 of paclitaxel in A2058 melanoma cells was lower when treated within RGD micelles as compared to treatment of free drug. On the other hand, IC50 values increased by 2 to 9 fold for micellar treatment in comparison to free drug in Detroit 551 cells. In A2058 melanoma xenograft mice model, the Paclitaxel-RGD micelles exhibited a significant inhibition of tumor growth in comparison to control treatment for both alternate day and twice weekly treatments. The studies showed the feasibility of using the non covalent peptide based self-assemblies as vehicles for targeted delivery in cancer.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal