Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Le but de ce mémoire est de développer des substrats biologiques pour le Bio-SECM. Cette nouvelle méthode analytique est en émergence et elle est intéressante puisqu'elle permet des études électrochimiques appliquées aux systèmes biologiques, comme des cellules cancéreuses. Pour se faire, les cellules biologiques doivent être immobilisées sur des plastiques biocompatibles fonctionnalisés de façon à ce que les cellules soient disposées en ligne droite. En effet, si les cellules ont toujours la même disposition, la localisation par l'électrode est plus facile et rapide. Il s'agit donc d'un projet multidisciplinaire réunissant la biologie (culture cellulaire), la toxicologie et la chimie de surface. Afin de s'assurer de l'adhésion cellulaire, les surfaces de 2 plastiques, le Zeonor® 1060R et le polystyrène, sont modifiées par un traitement au plasma d'oxygène. Ceci permet l'ajout de groupements fonctionnels polaires contenant au moins un atome d'oxygène ce qui charge la surface et la rend hydrophile. Afin de vérifier si le traitement est efficace, des mesures d'AFM, de XPS et d'angles de contact sont effectuées. Ensuite, pour s'assurer de la biocompatibilité des surfaces, la vérification de l'état cellulaire est faite par microscopie à fluorescence en utilisant 3 fluorophores: l'Alexa fluor 488 couplé à l'Annexin V (début d'apoptose), le Hoechst 33258 (apoptose avancée) et l'iodure de propidium (nécrose). Enfin, l'adhésion de cellules alignées est faite grâce à des méthodes de lithographie, soit la photolithographie et la lithographie molle. Ces procédés permettent d'obtenir un moule de PDMS contenant des canaux microfluidiques dans lesquels les cellules sont injectées. Les principaux résultats montrent que les deux plastiques peuvent devenir hydrophiles suite au traitement au plasma puisqu'ils présentent des groupements carboxyliques et hydroxyliques à leur surface. Aussi, ils sont biocompatibles et même si la division cellulaire semble plus efficace sur le polystyrène, le Zeonor permet de former des lignes de cellules pouvant servir aux analyses électrochimiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cellules, Lithographie, Biocompatibilité, Fluorescence, Électrochimie.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail présente l’application et l’optimisation du procédé de nanocristallisation superficielle (Surface Mechanical Attrition Treatment ou SMAT) et du procédé duplex SMAT/nitruration sur l’alliage de titane Ti6A14V utilisé en chirurgie orthopédique. Le SMAT permet d’améliorer les propriétés mécaniques d’un matériau grâce à la formation d’une couche déformée en surface composée de très petits grains. Le procédé de nitruration quant à lui, augmente la résistance à l’usure d’un matériau par diffusion d’azote et création de nitrures à la surface d’un matériau. La comparaison de la résistance à l’usure du Ti6Al4V traité par différentes conditions de SMAT et de nitruration ont permis de restreindre l’étude à une condition (nommée C1). Ainsi, les mesures de rugosité ont montré une diminution de la rugosité des échantillons traités par SMAT (avec et sans nitruration) ainsi qu’une augmentation de la dureté en surface. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point une méthodologie pour caractériser la microstructure des échantillons traités par SMAT C1 et traités par SMAT-nitrurés par microscopie électronique (MEB et MET). Ces études ont révélé que le traitement SMAT crée une zone déformée d’environ 60 μm avec des grains plus petits que dans le Ti6A14V brut, avec notamment des grains de 50 nm de diamètre en extrême surface. Lorsque le SMAT est couplé à la nitruration à basse température (375°C), l’épaisseur de la couche nitrurée diminue jusqu’à 20 μm tout en conservant des fins grains. En revanche, à haute température (730°C), la microstructure du SMAT est remplacée par des gros grains et des analyses par DRX indiquent que des nitrures se sont formés. L’augmentation de la dureté constatée peut être soit liée à la nanocristallisation générée par le SMAT, soit à la présence de nitrures à haute température. Enfin, des tests préliminaires de biocompatibilité indiquent que le Ti6A14V traité par SMAT reste biocompatible puisque les cellules MG 63 utilisées ont adhéré et proliféré sur les échantillons traités par SMAT. Nous avons également exploré la possibilité d’améliorer la biocompatibilité du Ti6A14V en le revêtant de matériaux bioactifs comme l’hydroxyapatite (HAP) ou le bio verre. / This work presents the application and the optimization of the surface nanocrystallization process (Surface Mechanical Attrition Treatment or SMAT) and the duplex SMAT/nitriding process to the titanium alloy Ti6A14V used in orthopedic surgery. On the one hand, the SMAT improves the mechanical properties of a material through the formation at the surface of a deformed layer composed of very small grains. The nitriding process increases the wear resistance of a material by diffusion of nitrogen and creation of nitrides in the surface of a material. The comparison of wear resistance of Ti6A14V treated by different conditions of SMAT and nitriding has allowed us to limit our study to the condition referred to as C1. Thus, roughness measurements showed a decrease of roughness and an increase in hardness of the surface for the C1-SMAted and SMATed/nitrided samples compared to untreated Ti6A14V. In a second step, we have developed a methodology to characterize the microstructure of C1 SMATed and SMAT-nitrided samples by electron microscopy (SEM and TEM). These studies revealed that the C1 treatment created a deformed area of about 60 μm thick with smaller grains than the untreated Ti6Al4V samples, in particulars with about 50 nm diameter grains in the extreme surface. When SMAT and low temperature nitriding (375 ° C) were combined, the thickness of the deformed layer decreased to 20 μm but the small grains remained. On the contrary, at high nitriding temperatures (730 °C), the microstructure of SMAT was replaced by coarse grains whilst XRD analyses indicated that nitrides formed. We assume that the improvement in hardness is either related to the nanocrystallization generated by SMAT or to the presence of nitrides at 730 ° C. Finally, preliminary biocompatibility tests have indicated that SMATed Ti6Al4V is biocompatible since the MG-63 cells we used adhered and proliferated on SMATed surfaces. Additionally, we have also explored the coating of Ti6A14V with bioactive materials (hydroxyapatite and bioglass) to improve its biocompatibility.

La modification d’oligonucléotides est un domaine attrayant de la chimie organique. De nombreuses études se sont intéressées à la génération de liens internucléosidiques artificiels à visée thérapeutique, diagnostic ou encore pour des applications en chimie prébiotique. Ce manuscript de thèse rapporte la synthèse et l’étude de biocompatibilité d’acides nucléiques modifiés à leurs extrémités 5’ par un acide boronique. Les comportement des oligomères boroniques a été évalué en présence de différentes classes d’enzymes telles que les ligases, les polymérases ou encore les phosphodiestérases. Les résultats de biocompatibilité obtenus en présence de ces enzymes nous ont permis d’utiliser ces acides nucléiques modifiés comme de réels outils de diagnostic pour réaliser de la détection de point de mutation ou encore de la détection de péroxynitrite in-cellulo. / The modification of oligonucleotides is an attractive field of organic chemistry. Many studies have focused on the generation of artificial internucleoside linkages for therapeutic, diagnostic or for applications in prebiotic chemistry. This thesis manuscript reports the synthesis and study of nucleic acids biocompatibility modified at their 5 'ends by a boronic acid function. The behavior of boronic oligomers was assessed in the presence of different classes of enzymes, such as ligases, polymerases or phosphodiesterases. The biocompatibility results obtained in the presence of these enzymes allowed us to use these modified nucleic acids as real diagnostic tools to achieve mutation point detection or detection of peroxynitrite in-cellulo.

Chronic nerve recording and stimulation can be performed by means of nerve cuff electrodes in both animals and humans. These extraneural electrodes have been used not only for fundamental research but also for rehabilitation purposes as part of a neuroprosthetic device. They have therefore contributed to our knowledge of the nervous system and also allowed partial motor and sensory rehabilitation. However, the performance of existing nerve cuff electrodes remains limited and their designs must be improved. The main drawbacks of cuff electrodes are their poor selectivity and the morphological modifications they induce to surrounding tissue. Their selectivity is mainly dependant on the number of contacts which is limited by the hand-made manufacturing process. The morphological modifications are determined by the tissue-electrode interactions. A new spiral cuff nerve electrode is proposed to improve the selectivity and lessen the tissue reaction. The manufacture of this new electrode, based on photolithographic metal deposition technology, should allow for an increased number of contacts. Additionally, this electrode has self-sizing properties that potentially lowers the implant-induced tissue reaction. The present work aims to study the interactions between the electrode and implanted tissue in an attempt to better characterise the tissue reaction and to further control it. Firstly, the interactions between connective tissue and the laser-irradiated-platinum-metallised silicone rubber are assessed both with in vitro and in vivo methods. The cytocompatibility and biocompatibility of silicone is not altered by the platinum deposition process, suggesting that this new biomaterial can be used to manufacture cuff electrodes that can safely be implanted for chronic studies. The mechanical biocompatibility of spiral cuff nerve electrodes is then investigated by morphological, immunohistochemical and western-blots analyses. The peri-operative, acute and chronic events that are related to the implantation are studied. The results show that the commonly described fibrotic reaction surrounding the implant is preceded by an important early epineurial inflammation. Additionally, cytokines involved in this tissue reaction are identified and include the pro-inflammatory cytokine TNF-alpha and pro-fibrotic cytokine TGF-beta1. In continuation of the biocompatibility testing, cytokine neutralisation through monoclonal antibodies is proposed as a way to control some of the cuff electrode-induced tissue modifications. Immunohistochemistry and morphometry are used to demonstrate the feasibility of such a control. Results show that a single systemic injection of TNF-alpha neutralising antibodies is sufficient to reduce the early inflammatory reaction occurring in the epineurial compartment but not the subsequent fibrosis. The success of an implanted neuroprosthesis is fully dependant upon the interaction between the electrode and the surrounding tissue. This study suggests that, when trying to improve the design of an electrode, one should also consider the modulation of the tissue reaction as a convenient way to enhance the implanted electrode's long-term performance. / L'enregistrement et la stimulation chroniques de nerfs peuvent être réalisés au moyen d'électrodes neurales à manchon, aussi bien chez l'animal que chez l'homme. Ces électrodes extra-neurales ont été utilisées non seulement dans le cadre de recherches fondamentales mais aussi à des fins de réhabilitation au sein d'un dispositif neuro-prosthétique. Elles ont ainsi contribué à notre connaissance du système nerveux et ont parfois permis une restauration sensorielle et motrice partielle. Les performances des électrodes existantes demeurent cependant limitées et leur design doit être amélioré. Les principales faiblesses de ces électrodes à manchon sont leur sélectivité, insuffisante, et les modifications morphologiques qu'elles induisent au sein des tissus implantés. La sélectivité des électrodes dépend principalement du nombre de contacts que limite un procédé de fabrication manuel. Les modifications morphologiques sont, quant à elles, déterminées par les interactions entre les tissus et l'électrode. Une nouvelle électrode neurale, dite à manchon spiral, est proposée qui devrait accroître la sélectivité et réduire la réaction tissulaire. La fabrication de cette nouvelle électrode, basée sur la technologie de déposition photolithographique de métaux, devrait permettre d'augmenter le nombre de contacts. De plus, en raison de son aptitude à s'adapter au diamètre du nerf, cette électrode devrait potentiellement limiter la réaction tissulaire induite par l'implant. Le but de ce travail est d'étudier les interactions entre l'électrode et les tissus implantés afin de mieux caractériser la réaction tissulaire et, ultérieurement, la contrôler. Dans un premier temps, les interactions entre les tissus conjonctifs et le silicone après son irradiation au laser et sa métallisation sont testées au moyen de méthodes in vitro et in vivo. La cyto-compatibilité et la biocompatibilité du silicone ne sont pas altérées pas le procédé de dépôt du platine. Ceci suggère que ce nouveau biomatériau convient à la manufacture d'électrodes à manchon qui pourront être implantées chroniquement de façon sûre. Dans un second temps, la biocompatibilité mécanique des électrodes à manchon spiral est examinée au moyen d'analyses morphologiques, immunohistochimiques et de western-blots. Les événements péri-opératoires, aigus et chroniques liés à l'implantation sont étudiés. Les résultats montrent qu'une importante réaction inflammatoire précoce précède la réaction fibrotique autour de l'électrode, classiquement décrite après une implantation. De plus, une partie des cytokines impliquée dans la réaction tissulaire est identifiée: la cytokine pro-inflammatoire TNF-alpha et la cytokine pro-fibrotique TGF-beta1. Dans la continuité des études de biocompatibilité, la neutralisation de cytokine au moyen d'anticorps monoclonaux est proposé comme moyen de contrôle de modifications tissulaires induite par l'électrode à manchon. L'immunohistochimie et la morphométrie sont utilisées pour démontrer la possibilité d'un tel contrôle. Le résultats montrent qu'une seule injection systémique d'anticorps anti-TNF-alpha est suffisante pour réduire la réaction inflammatoire précoce dans le compartiment épineurial mais pas la fibrose subséquente. Le succès d'une neuroprothèse implantable dépend entièrement des interactions entre l'électrode et les tissus environnants. Cette étude suggère que, lors des tentatives d'amélioration du design des électrodes, la modulation de la réaction tissulaire devrait être considérée comme un moyen aisé d'augmenter les performances à long terme des électrodes implantées.

L'état de surface est l'un des paramètres les plus importants pour déterminer la biocompatibilité d'un dispositif médical implantable, tout changement à la surface une fois en contact avec les tissus corporels peut avoir un impact sur la réponse biologique (cytotoxicité, inflammation, irritation, thrombose ... etc.). Pendant le stockage, l’exsudation des additifs peut se produire à la surface des polymères et modifier leurs propriétés. Dans cette étude, nous utilisons du polyuréthane à base de cathéter (Pellethane®), en raison de ses nombreuses applications dans le domaine des dispositifs médicaux, pour évaluer l'impact d’exsudation des additifs sur la biocompatibilité. L'impact des traitements de stérilisation et d'oxydation sur le phénomène d’exsudation a été étudié. L'étude a été réalisée sur du polyuréthane utilisé dans la fabrication de cathéters sur lesquels l’exsudation de cristaux d’additifs a déjà été observée. La stérilisation par rayonnements ionisants (bêta, gamma) a été réalisée sur ce matériau et les échantillons ont été soumis à différents types de processus d'oxydation (UV, H2O2 et action des macrophages). La viabilité des cellules endothéliales a été étudiée. Une évaluation préliminaire de l'hémocompatibilité a été réalisée par la mesure de l'hémolyse du sang total, ainsi que par l'adhésion des plaquettes en contact avec les différents échantillons de PU. L'étude de la production pro-inflammatoire d'IL-alpha; et de TNF-alpha; par des macrophages en contact avec des échantillons a également été rapportée. / Surface state is one of the most important parameter determining the biocompatibility of animplantable medical device, any change on the surface once in contact with body tissues canimpact the biological response (Cytotoxicity, inflammation, irritation, thrombosis …etc). During storage, the blooming of additives may occur on the surface of polymers and modify their properties. In this study, we use (Pellethane®) catheter-based polyurethane, because of its many applications in the field of medical devices, to evaluate the impact of additives blooming on the biocompatibility. The impact of sterilizing and oxidation treatments on blooming was studied. The study was realized on polyurethane used in the fabrication of catheters on which the blooming of antioxidant crystals has been previously observed. Sterilization by ionizing radiations (beta, gamma) was performed on this material and samples were submitted to different kinds of oxidation process (UV, H2O2 and macrophages action). Endothelial cells viability was studied. A preliminary haemocompatibility evaluation was performed through the measurement of whole blood hemolysis, as well as platelet adhesion in contact with the different PU samples. The study of the pro-inflammatory IL-alpha; and TNF-alpha; production by macrophages in contact with samplesis also reported.

L’objectif de cette étude était de vérifier la biocompatibilité entre les mycètes du fromage Camembert et les bactéries lactiques (probiotiques ou d’affinage). La plupart des souches fongiques utilisées ont été isolées de laits en provenance du terroir québécois et deux laits d’origines différentes ont servi pour la fabrication de caillés modèles. La spectrophotométrie automatisée (SA) a été employée pour présélectionner des mélanges de souches mycéliennes et bactériennes biocompatibles. Des milieux à base de lait furent fermentés par des mycètes et étaient ensuite inoculés avec les bactéries. La croissance préalable des mycètes stimulait ou inhibait les bactéries, mais les effets étaient mineurs et variaient selon les souches. Par la suite, afin de confirmer ces résultats, des caillés modèles ont été inoculés simultanément par des combinaisons de bactéries et de mycètes. L’absence d’inhibition des bactéries par les mycètes observée en SA a été confirmée, mais les interactions en caillé modèle différaient de celles notées en SA en raison de l’évolution différente du pH dans les deux séries expérimentales. Finalement, des fromages Camembert probiotiques ont été fabriqués avec des souches du terroir et commerciales. Le Camembert s’est révélé un aliment intéressant pour favoriser la survie des bactéries lactiques. Par contre, aucun mélange de souches fongiques n’a été systématiquement meilleur qu’un autre pour stimuler la viabilité des probiotiques. / This study was carried out to verify the biocompatibility between the mycetes of Camembert cheese and lactic cultures (probiotic and ripening strains). Most of the fungi strains used had been isolated from different milk sources over the province of Quebec (Canada) and two different kinds of milk were used to produce cheese slurries. Automated spectrophotometry (AS) was employed to screen some biocompatible pairings of mycete and bacterial strains. A milk medium was fermented by yeasts and moulds and then inoculated with bacteria. The previous growth of the mycetes was sometimes stimulatory and sometimes inhibitory, but the effects were minor and varied as a function of the strains. Subsequently, to confirm these AS results, cheese slurries were inoculated simultaneously with different strains combinations. Finally, pilot scale Camembert cheese was produced to verify its ability to support probiotic bacterial cultures viability. The absence of inhibition of the bacteria by the mycetes in SA was confirmed, but the interactions in the cheese slurries differed from those noted in AS because of the different pH patterns in the two experimental series. Camembert was shown to have potential to favour the viability of probiotic bacterial strains during ripening and storage. However, no mycete mix was systematically better than another to stimulate this viability.

L’ingénierie tissulaire est une approche qui vise à combler le besoin de remplacements d’organes. Ceci est d’autant plus vrai pour les artères, dont le besoin de remplacements résulte en partie de la prévalence des maladies cardiovasculaires dans le monde industrialisé. Pour ce faire, nous croyons qu’une des alternatives les plus prometteuse implique l’utilisation d’une structure permettant l’échafaudage tridimensionnel de cellules lors de la régénération. Le collagène possède plusieurs caractéristiques qui font en sorte qu’il peut être un matériau convenable à la fabrication de cette structure. Au cours de ce projet, un procédé d’extraction et de mise en solution de collagène type I à partir de queues de rat a été choisi et validé. Ce collagène a été caractérisé par rapport à ses propriétés moléculaires et ses performances mécaniques, biologiques et hématologiques. Suivant cette validation, une méthode pour produire des gels en forme de disques et de tubes ensemencés de cellules vasculaires a été élaborée. Ces structures ont été caractérisées quant à la viabilité des cellules dans le gel, la capacité des gels à être manipulés ainsi qu‘à leurs propriétés hématologiques, en milieu humide. Ce projet constitue une base pour des recherches futures visant à améliorer la fonctionnalité et les propriétés structurales des artères régénérées à base de collagène. / Tissue engineering provides insight into solving the organ shortage. This is especially the case for small diameter vascular substitutes, with which a shortage is due in part to the prevalence of cardiovascular disease in the industrialized world. For this, in our opinion, one of the most appropriate approaches involves using a structure to guide the cells during the regeneration phase. Collagen has many characteristics that make it suitable as a scaffold material for vascular tissue engineering. Two slightly different methods for extracting and processing collagen type I from rat tail were compared with respect to the molecular structure of the collagen molecule, the mechanical properties of thin films obtained from solvent evaporation and preliminary cellular viability with fibroblasts seeded on these same collagen films. One of the above methods was chosen and this collagen was then characterized with respect to cellular viability with smooth muscle cells and endothelial cells and also with blood contact assays. A method for producing three-dimensional gels seeded with vascular cells was developed. Cell distribution and viability, preliminary compliance testing and blood contact assays were performed on these gels. This project has provided the basis for further studies in order to maximize cell functionality and the structural properties required for implantation of collagen-gel-based vascular grafts.