Le but de mon projet de doctorat est la recherche de chitosanases thermostables qui peuvent mener la réaction d'hydrolyse du chitosane à de hautes températures. La procédure mise au point pour isoler ces chitosanases était planifiée pour moduler l'effet antimicrobien du chitosane qui augmente avec son poids moléculaire. Les objectifs spécifiques de ce projet sont, mettre au point un nouveau dosage de Csn, purifier, caractériser et cloner le gène des chitosanases les plus thermostables sélectionnées et mettre au point un milieu de production de chitosanase. La première étape du projet est la recherche de nouvelles chitosanases thermostables, via un criblage ciblé de bactéries productrices de chitosanases. En effet, une nouvelle méthode d'enrichissement était utilisée par l'ajout de chitosane de différents poids moléculaires à notre source bactérienne, soit les composts. La deuxième étape, est la réalisation d'un dosage de l'activité chitosanase en utilisant le soluble-dyed Remazol Brillant Bleu-Chitosane (sRBB-C) qui a été mise au point pour détecter à grande échelle une activité chitosanase de manière facile et rapide. Enfin, la troisième étape est un test de thermostabilité en présence de substrat, appliqué à des chitosanases choisies, pour sélectionner les plus performantes à l'étape de la purification. Parmi le lot de chitosanases testées, la chitosanase notée Csn1794 s'est distinguée par sa thermostabilité à 70 degrés C, ainsi elle a été retenue pour des études plus approfondies. Les études biochimiques réalisées sur la Csn1794 après purification ont révélé qu'elle a un poids moléculaire de 40 kDa, un pH optimal de 4.8 et des K[indice inférieur m] et k[indices inférieurs cat] de 0.042 mg/ml et 7588 min[indices supérieurs -1] respectivement. Le temps de demi-vie de la Csn1794 en présence de chitosane est plus de 20 heures à 70 degrés C. L'activité de la Csn1794 varie légèrement avec le degré d'acétylation du chitosane, elle hydrolyse la carboxyméthyl-cellulose, mais pas la chitine. Le clonage du gène de la Csn1794 par génétique inverse a permis de déterminer sa séquence. Ce gène codé pour une protéine de 441 acides aminés. La Csn1794 appartient à la famille 8 des glycosides hydrolases (GH8). Le rang taxonomique de l'isolat produisant la Csn1794 a été déterminé par des méthodes classiques ainsi que par des tests de biologie moléculaire. Les résultats obtenus indiquent qu'il s'agit d'un isolat appartenant à une espèce non caractérisée appartenant au genre Paenibacillus qu'on a appelé Paenibacillus sp. 1794. Enfin, la méthode de plan d'expériences était utilisée pour mettre au point le milieu de production de la Csn1794. Les essais réalisés par les plans d'expériences Plackett-Burman ont permis non seulement de définir un milieu de base pour la production de la Csn1794, mais aussi les oligosaccharides et le sucrose se sont distingués comme facteurs à effet nettement positif sur la production de la Csn1794. Les essais par plans d'expérience Box-Hunter ont permis l'étude d'interactions entre les différents facteurs dont le niveau était déterminé par les plans Taguchi. Les résultats obtenus indiquent qu'en plus de milieu de base, l'ajout de 10g/l de glucosamine, 7g/l d'oligosaccharide et 4g/l de sucrose constitue la meilleure combinaison pour un milieu qui permet de produire une moyenne de 7U/ml de Csn1794 d'une manière constante. En conclusion, nous disposons d'une nouvelle chitosanase thermostable, facile à produire et à purifier, qui sera un outil adéquat pour l'application au niveau industriel. Ceci va non seulement permettre de mener le processus d'hydrolyse de chitosane à haute température, mais aussi d'utiliser de grandes concentrations de substrat sans que la viscosité ne devienne excessive. Au niveau de la recherche fondamentale, la Csn1794 peut nous apporter plus d'informations d'une part, sur la thermostabilité des enzymes et d'autre part, sur les enzymes de la famille GH8, notamment les chitosanases.

Les composés dits 'bionano' (bionanocomposites) apparaissent comme un nouveau groupe de matériaux hybrides nano-structurés. Ils sont issus de la combinaison de polymères naturels et de solides inorganiques et sont de l'ordre du nanomètre dans au moins une direction. Ces matériaux hybrides conservent les structures et les propriétés fonctionnelles des polymères et matériaux inorganiques dont ils sont composés. Parallèlement, la présence de biopolymères permet de diminuer les risques environnementaux et de santés publiques liés aux nano-matériaux. Les propriétés inhérentes aux biopolymères (biocompatibles' et biodégradables) ouvrent des perspectives intéressantes pour ces matériaux hybrides en particulier dans les domaines de la médecine regénérative et en génie de l'environnement. La production de bionanocomposites de taille plus importante, que les nanoparticules qu'ils renferment, permet d'éviter les effets nocifs potentiels des nanoparticules (NPs) pour les organismes vivants et plus particulièrement pour l'homme. L'association de biopolymères et de nano-solides inorganiques permet la conception de bionanocomposites multifonctionnels qui peuvent être synthétisés et utilisés pour des applications dans des domaines variés. Cette thèse se propose d'étudier principalement (i) ma présence d'arsenic et d'antibiotiques dans les sources d'eau potable en Chine; (ii) l'évaluation d'un nouveau bionanocomposites, à savoir le CGB (chitosan goethite bionanocomposite), dans la décontamination des eaux contenant des espèces inorganiques d'arsenic; (iii) l'évaluation d'argiles comme adsorbants de décontamination de la gentamicine (un antibiotique aminoglycoside ) présent dans l'eau de même que celle de bionanocomposés fait d'argiles riches en gentamicine de polymères de methycelluloses hydroxypropyles Gt-Mt-HPMC (gentamicin-montmorillonite- hydroxypropyl methycellulose) utilisés comme pansement contre les infections qui ont lieu suite à des brûlures. / Bionanocomposites represent an emerging group of nano-structured hybrid materials. They are formed by the combination of natural polymers and inorganic solids and show at least one dimension on the nanometer scale (Darder et al., 2007). These hybrid materials retain the structural and functional properties of nano-structured materials. Meanwhile, the presence of biopolymer can reduce the public health and environmental risk of nano-sized material. The properties inherent to the biopolymers, that is, biocompatibility and biodegradability, open new prospects for these hybrid materials with special incidence in regenerative medicine and in environmental engineering (Darder et al., 2007). Fabrication of large-sized bionanocomposites, rather than nano-sized particles, can prevent possible harmful nanoparticles (NPs) intake by humans and living things. Synergistic assembling of biopolymers with inorganic nano-sized solids leads to multifunctional bionanocomposites which can be synthesized and applied in several areas for designed purposes. This thesis focuses on (i) the presence of toxic arsenic and antibiotics in Chinese drinking water sources; (ii) evaluation of a novel tailored bionanocompsite, namely chitosan goethite bionanocomposite (CGB), as removal agent for inorganic arsenic species from water; (iii) using clay mineral as adsorbent for removing gentamicin, an aminoglycoside antibiotic, from water, and assembling gentamicin-loaded clay with biopolymer hydroxypropyl methycellulose leading to a bionanocomposites film, namely gentamicin-montmorillonite- hydroxypropyl methycellulose (Gt-Mt-HPMC), to be used as burn wound dressing.

Le chitosane présente des propriétés biologiques (biocompatibilité, biorésorbabilité, bioactivité) idéalement adaptées à des applications en ingénierie tissulaire. Dans cette étude partenariale (Programme ANR TECSAN 2010 ChitoArt), nous avons travaillé à l'élaboration d'hydrogels physiques de chitosane à propriétés physico-chimiques et biologiques variées et contrôlées, sans utilisation d'agents de réticulation externes. Ces hydrogels sont envisagés sous forme de tube mono ou pluri-membranaires pour une utilisation en tant que substituts vasculaires de petit diamètre (<6mm). En effet, l'ingénierie vasculaire présente, encore de nos jours, de nombreuses limitations lorsqu'il est question de vaisseaux de petits calibres. Notre démarche consiste en la modulation des paramètres structuraux (degré d'acétylation, masse molaire) et environnementaux (concentration du bain de gélification, du collodion) intervenants dans le procédé d'élaboration des hydrogels pour atteindre les critères physiques, biologiques et mécaniques compatibles avec cette application. L'étude morphologique des hydrogels par Cryo-Microscopie Électronique à Balayage (Cryo-MEB), via une méthode de préparation originale a permis une meilleure compréhension de l'organisation micro-structurale et multi-échelle des hydrogels de chitosane. Cette approche fondamentale a été couplée à une évaluation in vivo des propriétés biologiques des hydrogels ainsi qu'a des caractérisations mécaniques des substituts vasculaires. En particulier, l'évaluation de la suturabilité de nos substituts a mené au développement d'une formulation donnant lieu à des hydrogels physiques de chitosane suturables ayant fait l'objet d'un dépôt de brevet (N° de dépôt FR1363099). Le contrôle et la modulation des paramètres d'élaboration des hydrogels ont permis l'obtention de substituts vasculaire cellularisables et respectant les exigences (suture, compliance, résistance à l'éclatement) concernant leur implantation in vivo / Chitosan presents biological properties (biocompatibility, bioresorbability, bioactivity) ideally suited for tissue engineering. In this partnership study (ANR TECSAN 2010 ChitoArt program), we worked at the elaboration of physical chitosan hydrogels presenting various and controlled physicochemical and biological properties, without any external crosslinkers. These hydrogels are envisioned under mono- or poly-membranous tubes for small diameter vascular substitutes (<6mm) purposes. Indeed, vascular engineering presents, even today, numerous limitations for small calibre vessels. Our strategy consists in the modulation of both structural (degree of acetylation, molar mass) and environmental (neutralization bath and collodion composition and concentration) parameters involved in hydrogels elaboration process in order to reach physical, biological and mechanical requirements suitable for this application. The study of hydrogels morphology by Cryo-Scanning Electron Microscopy (Cryo-SEM), using an original sample preparation method led to a better comprehension of chitosan hydrogels fine structure and multi-scale organization. This fundamental approach was conducted through the in vivo biological evaluation of hydrogels but also to mechanical characterizations of vascular substitutes. In particular, our substitutes were evaluated in term of suture retention resulting in the development of a formulation that led to suturable physical chitosan hydrogels, which were protected by a patent (Deposit number: FR1363099). Hydrogels elaboration parameters control and modulation have resulted in the development of colonisable vascular substitutes matching their in vivo implantation requirements (suture retention, compliance, burst pressure)

Le traitement de la corrosion constitue un enjeu économique, environnemental et de sécurité sanitaire. Plus largement utilisée à l’échelle industrielle, la protection par revêtements consiste à isoler le métal du milieu agressif par une couche adhérente, continue et imperméable. Ils doivent répondre à trois propriétés majeures : 1) être fortement adhérent au substrat métallique, 2) posséder de bonnes propriétés barrière pour limiter la pénétration de l’eau et des espèces agressives et 3) apporter un rôle d’inhibition de la corrosion. Cependant, la protection des surfaces métalliques par les techniques actuelles génère une pollution notable liée à l’usage de chromates. L’utilisation de polymères biosourcés et solubles en milieu aqueux serait un challenge et contribuerait à préserver l’environnement. Les polysaccharides comme le chitosane sont des macromolécules biodégradables et respectueuses de l'environnement possédant des propriétés d’anticorrosion et sont donc des alternatives envisageables. Ces travaux de thèse portent sur le développement de revêtements anticorrosion à base de chitosane. Le chitosane possède deux points faibles pour être utilisé comme revêtement contre la corrosion : 1) une adhésion insuffisante sur la surface des matériaux et 2) un caractère hydrophile. En conséquence, le chitosane a été modifié chimiquement afin d’augmenter son adhésion et ses propriétés barrières. Afin d’améliorer son adhésion sur des substrats métalliques, des groupements de type acide phosphonique ont été ajoutés via la réaction de Kabachnik-Fields sur le chitosane. L’élaboration d’un chitosane possédant des fonctions catéchol a été également discutée. Dans un premier temps, le chitosane modifié a été testé et caractérisé par spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) en tant qu’inhibiteur de corrosion puis des revêtements à partir de ce même chitosane ont été réalisés et leurs protections contre la corrosion ont été évaluées. Deux approches de mise en forme des revêtements ont été testées : par dip-coating et par la technique Layer-by-Layer (LbL). Différentes voies de fonctionnalisation du chitosane ont également été présenté afin d’augmenter les propriétés barrière du revêtement. La chimie de phthaloylation du chitosane a été décrite puis le greffage de chaînes hydrophobes a été étudié. / Corrosion treatment is an economic, environmental and health safety issue. More widely used on an industrial scale, coating protection consists in isolating the metal from the aggressive medium by an adherent, continuous and impermeable layer. They must have three major properties: 1) be strongly adherent to the metallic substrate, 2) have good barrier properties to limit the penetration of water and aggressive species and 3) provide a role in inhibiting corrosion. However, the protection of metal surfaces by current techniques generates significant pollution due to the use of chromates. The use of bio-based and soluble polymers in aqueous media would be a challenge and would contribute to preserving the environment. Polysaccharides such as chitosan are biodegradable and environmentally friendly macromolecules with anticorrosive properties and are therefore possible alternatives. These theses focus on the development of anticorrosion coatings based on chitosan. Chitosan has two weak points for use as a coating against corrosion: 1) insufficient adhesion on the surface of the materials and 2) hydrophilicity. As a result, chitosan has been chemically modified to increase its adhesion and barrier properties. In order to improve its adhesion on metal substrates, phosphonic acid groups have been added via the Kabachnik-Fields reaction on chitosan. The development of a chitosan with catechol functions was also discussed. Initially, the modified chitosan was tested and characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as a corrosion inhibitor and coatings based on the same chitosan were made and their corrosion protection evaluated. Two approaches of coating elaborations were tested: dip-coating and Layer-by-Layer (LbL). Different ways of functionalizing chitosan have also been presented to increase the barrier properties of the coating. Phthaloylation chemistry of chitosan was described and hydrophobic chain grafting was studied.

Ce projet vise à proposer des nouveaux candidats médicaments pour lutter contre les infections parasitaires cutanéo-muqueuses qui représentent un problème de santé majeur. C’est notamment le cas de la Trichomonose urogénitale et la leishmaniose cutanée.Malheureusement, l’administration systémique de première intention par le métronidazole (MTZ) pour traiter la trichomonose urogéntitale occasionne des problèmes de résistances et des effets secondaires indésirables. Ainsi, nous avons développé de nouvelles stratégies thérapeutiques en ciblant à la fois les mécanismes pharmacologiques et physiques de l’infection par Trichomonas vaginalis. Après avoir réussi à augmenter la solubilité apparente du MTZ dans l’eau en utilisant une beta-cyclodextrine méthylée, nous l’avons formulé dans un hydrogel thermosensible et mucoadhésif composé de pluronic® F127 et d’un biopolymère cationique et mucoadhésif, le chitosane. Cette formulation est spécifiquement adaptée à une application topique tout en offrant un contrôle de la libération du MTZ et une réduction de son passage systémique à travers la muqueuse vaginale. La viscosité élevée de l’hydrogel à température corporelle nous a conduit à étudier son effet sur la mobilité du protozoaire Trichomonas vaginalis. Il s’agit d’une stratégie physique d’immobilisation du parasite en parallèle à la chimiothérapie par le MTZ. Le suivi des trajectoires des parasites par vidéo-microscopie a montré la capacité de l’hydrogel seul ou en association avec le chitosane à immobiliser complètement T. vaginalis et à inhiber son attachement à la muqueuse. Ces évaluations ont été réalisées chez la souris. Cependant, le chitosane seul n’a pas permis d’immobilier les parasites et n’a pas montré une activité anti-T. vaginalis propre. Dans ce contexte, nous nous sommes inspirés des travaux antérieurs menés par notre équipe sur le développement de formulations à base de chitosane, et plus particulièrement des nanoparticules (NPs) composées de poly(isobutylcyanoacrylates) recouvertes de chitosane. Ces NPs ont une activité trichomonacide propre, même sans rajouter des substances actives, alors que des NPs sans chitosane étaient inactives. Nous avons étudié le mécanisme d’action et nous avons montré une meilleure internalisation des NPs lorsqu’elles étaient recouvertes de chitosane. Ces NPs ont provoqué des altérations morphologiques drastiques de la membrane du parasite. Cette activité pourrait être due en partie à l’interaction électrostatique entre la surface de T. vaginalis chargée négativement et les NPs recouvertes de chitosane cationique.Dans le but d’élargir le champ des applications de ces NPs à d’autres parasites, nous nous sommes intéressés à l’évaluation de leur effet anti-leishmanien vis-à-vis de Leishmania major. En effet, le chitosane connu pour ces propriétés cicatrisantes nous a paru particulièrement adapté pour cette pathologie. Nous avons ainsi montré in vitro et in vivo que les NPs recouvertes de chitosane avaient une activité anti-L. major propre, sans ajouter de substances actives. Dans un deuxième temps, nous avons décidé de nous orienter vers des particules de formes allongées et d’évaluer leur activité anti-leishmanienne. Ces particules appelées « plaquettes » sont constituées d’assemblages de chitosane hydrophobisé avec l’acide oléique et l’alpha-cyclodextrine dans l’eau. Cette stratégie nous a paru intéressante pour améliorer l’interaction des plaquettes avec la membrane de L. major, vue que ces parasites sont également de morphologie non-sphérique. Les résultats histologiques et immunohistochimiques des lésions cutanées ont montré une diminution significative du granulome inflammatoire et une réduction de la charge parasitaire par rapport à l'amphotéricine B seule utilisée comme référence.En conclusion, au cours de cette thèse, plusieurs formulations ont été développées et ont montré des efficacités biologiques en agissant sur des mécanismes pharmacologiques et/ou physiques des parasites. / This project aims at developing new therapeutic strategies against parasitic muco-cutaneous infections such as urogenital trichomonosis and cutaneous leishmaniasis which still represents a major health problem worldwide.Unfortunately, metronidazole (MTZ) is a first-line systemic treatment for urogenital trichomoniasis that causes resistance and side effects. We have thus developed new strategies by acting on both the pharmacological and the physical mechanisms of Trichomonas vaginalis infection. After a successfull increase of the apparent solubility of MTZ in water using a methylated -cyclodextrin, we formulated it in a thermosensitive and mucoadhesive hydrogel composed of pluronic® F127 and a cationic and mucoadhesive biopolymer, chitosan. This formulation is specifically adapted for topical application providing a control of MTZ release and reduction of its systemic passage through the vaginal mucosa.Then, the ability of the high viscosity hydrogel to immobilize T. vaginalis was investigated by video-microscopy. Monitoring the trajectories of each parasite by multiple particle tracking showed the ability of the hydrogel alone or in combination with chitosan to completely immobilize T. vaginalis and to inhibit parasite attachment to the mucosa. These evaluations were performed on mice experimental model. However, chitosan alone did not allow parasite immobilization and did not show any anti-T. vaginalis activity. In this context, we were inspired by previous works conducted by our team on the development of formulations based on chitosan, and more particularly nanoparticles (NPs) composed of poly(isobutylcyanoacrylates) coated with chitosan. These NPs have their own trichomonacidal activity, even without adding active substances, while NPs without chitosan were inactive. Investigated of the mechanism of the activity showed better internalization of NPs when coated with chitosan. These NPs caused drastic morphological alterations on the parasite membrane. This activity could be due to the electrostatic interaction between negatively charged T. vaginalis surface and cationic chitosan coated NPs.In order to broaden the applications of these NPs to other parasites, we were interested in evaluating the anti-L. major activity of NPs coated or not with chitosan. Indeed, chitosan known for its healing properties could be particularly adapted for this pathology. We thus showed in vitro and in vivo that NPs coated with chitosan had intrinsic anti-L. major activity without adding any drug. In a second step, we decided to design chitosan elongated particles and to evaluate their anti-leishmanial activity. These particles called "platelets" are composed of chitosan hydrophobically-modified with oleic acid and cyclodextrin in water. This strategy could be interesting to improve the interaction of platelets with the L. major membrane, as these parasites had also non-spherical morphology. The histological and immunohistochemical results of skin lesions showed a significant decrease in inflammatory granuloma and a reduction in parasitic load compared with amphotericin B alone, used as a reference.In conclusion, during this thesis, several formulations were developed and showed biological activities by acting on pharmacological and/or physical mechanisms of the parasites.

Après une perte importante d’un tissu cartilagineux, plusieurs possibilités s’offrent aux chirurgiens pour remplacer cette perte tissulaire. Parmi, cela nous trouvons, les greffes autologues ou allogéniques et l’utilisation de polymères biocompatibles. Sans oublier que jusqu’aujourd’hui, les propriétés et la structure du cartilage natif n’ont pas été entièrement imitées par l’ingénierie tissulaire. Étant donné les limitations des méthodes actuelles, telles que : la pénurie des donneurs, l’immunogénicité des greffons allogéniques, et le manque d’intégration des polymères l’ingénierie tissulaire du cartilage pourrait constituer une excellente alternative aux méthodes actuelles. Nos objectifs pour cette thèse sont (i) de produire une matrice composite constituée de polymères naturels; (ii) d’évaluer les propriétés physicochimiques de ces matrices composites, et (iii) d’évaluer les propriétés biologiques de ces matrices pour la production de tissu cartilagineux. Nous avons réalisé qu’une combinaison des deux biopolymères, le collagène et le chitosane, nous a permis d’obtenir une matrice avec des propriétés mécaniques et biologiques renforcées en comparaison à une matrice de collagène seul. La caractérisation physicochimique de nos matrices nous a permis de mieux comprendre les types de réactions chimiques produites entre les deux polymères et les différents autres constituants de la matrice utilisés pour des fins mécaniques, tel que le glutaraldéhyde, et pour des fins biologique, s tels que l’acide glutamique et la glycine. En second lieu, nos résultats portant sur la caractérisation biologique nous ont permis de confirmer que nos matrices composites produites, ensemencées de chondrocytes, favorisent l’adhésion et la prolifération de ces cellules. Nos résultats démontrent de façon tangible l’efficacité d’une combinaison entre le collagène et le chitosane pour la régénération in vitro de tissus cartilagineux. Ces résultats devront être confirmés in vivo en utilisant un modèle animal afin de confirmer la pertinence des membranes composite à base de collagène et de chitosane pour des applications biomédicales, dont le remplacement du cartilage endommagé. / Given the large number of patients suffering from cartilage damage, with different degrees of severity affecting all ages, a wide range of approaches has been designed. These include autologous or allogeneic grafts, the implementation of polymers, etc. However, each of these cartilage replacement do have significant limitations, such as the scarcity of donors, the risk of infection and disease transmission, the immunogenicity of the polymer implants and their reduced integration with native tissue. To overcome these limitations, tissue engineering cartilage could be an excellent alternative. The objectives of our studies are (i) to produce a natural composite matrix containing collagen and chitosan, (ii) evaluate the physicochemical properties of these composite matrices, and (iii) investigate the biological properties of these matrices for the production of cartilage tissue. Our structural and ultrastructural analyses demonstrated that collagen porous membrane can be coated with chitosan at different concentration leading to the formation of a natural composite matrix. The physicochemical characterization confirmed the chitosan interaction with collagen leading to a mechanically stable matrix that can easily be handled. It is also important to mention that the use of cross-linker such as glutaraldehyde improved the mechanical properties of the composite matrix. These designed composite matrixes were biocompatible allowing cell adhesion and growth. These biological activities were improved when composite matrix was pre-treated with glutamic acid and glycine. Such matrix offered appropriate condition allowing the adhesion and growth of chondrocytes. Overall, we were able to design a composite matrix by combining collagen membrane and chitosan solutions. Although very interesting, our in vitro data should be confirmed by in vivo studies using an animal model, prior to clinical applications.

Depuis la préhistoire, plusieurs matériaux ont été utilisés pour fabriquer des instruments et des appareils de santé. Au cours des dernières décennies, avec l’apparition du terme « biomatériau », les matériaux ont été conçus pour contrôler des réactions biologiques spécifiques, pour augmenter la durée de vie des biodispositifs et la qualité de vie des patients dans le monde. Cependant, indépendamment de la nature du matériau, ou au sens strict du biomatériau, et de la fonction remplie, ils sont susceptibles aux phénomènes de surface causés par son environnement. Certains phénomènes intéressants incluent l’action des protéines, des électrolytes et des cellules sur les surfaces métalliques. Ces interactions peuvent entraîner le développement de complications telles que la formation de thrombus, la corrosion et la calcification, qui affecteront le fonctionnement des dispositifs, et la contamination bactérienne qui peut transformer la surface en vecteur de propagation de maladies. Des recherches ont exploité des stratégies de modification de surface pour minimiser ou éviter ces complications. Ces approches demandent du temps et des efforts pour développer une surface efficace pour chaque cas. Sur cette base, l’objectif principal de ce travail était de concevoir et de développer des revêtements à base de chitosane à utiliser dans le revêtement de surfaces métalliques et de dispositifs utilisés dans le système de santé et de modifier ces surfaces pour moduler la réponse biologique. Pour atteindre cet objectif, le projet de recherche a été divisé en trois parties. La première était le greffage du chitosane utilisant de la dopamine comme ancre. La deuxième était le développement d’un greffage original en une étape remplaçant la dopamine par l’acide caféique. La dernière était la modification du revêtement de chitosane pour moduler la réponse biologique de la surface. À chaque étape, les surfaces revêtues ont été caractérisées par analyses biologiques et physico-chimiques. Les résultats ont démontré que la méthodologie développée produisait des revêtements de chitosane qui possédait des réponses biologiques et des performances physico-chimiques favorables et qui pouvait être modifiés pour améliorer ou conférer la propriété souhaitée. De plus, cette méthodologie permet de produire une plateforme capable d’être appliquée sur une large gamme de complications en raison de sa modulabilité. Cela représente une diminution de la consommation de temps pour créer une nouvelle surface à partir du zéro pour chaque situation. / Since prehistoric times, several materials have been used to make health instruments and devices. In recent decades, with the appearance of the term "biomaterial", materials have been designed to control specific biological reactions, to increase the lifespan of biodevices and the quality of life of patients around the world. However, regardless of the nature of the material, or in the strict sense of the biomaterial, and the function fulfilled, they are susceptible to the surface phenomena caused by its environment. These phenomena include the action of proteins, electrolytes, and cells on metal surfaces. These interactions can lead to the development of complications such as thrombus formation,corrosion, and calcification, which will affect the functioning of the devices, and bacterial contamination, which can transform the surface into a vector for the spread of disease. Researches were made on the use of surface modification strategies to minimize or avoid these complications. These approaches require time and effort to develop an effective surface for each case. On this basis, the main objective of this work was to design and develop chitosan-based coatings to coat metallic surfaces and devices used in the health care system and to modify these surfaces to modulate the biological response. To accomplish this objective, the research project was divided into three parts. The first was the grafting of chitosan using dopamine as an anchor. The second was the development of an original one step graft replacing dopamine with caffeic acid. The last was the modification of the chitosan coating to modulate the biological response of the surface. At each stage, the coated surfaces were characterized by biological and physicochemical analyzes. The results obtained showed that the developed methodology produced chitosan coatings that had favorable biological responses and physicochemical performances, and that it could be modified to improve or confer the desired property. Besides, this methodology makes it possible to produce a platform able to be applied to many complications due to its modularity. It represents a reduction in the consumption of time to create a new surface from scratch for each situation.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / L'objectif principal de cette thèse est de développer un échafaudage à cellules ouvertes qui ne nécessite pas de traitement supplémentaire avec des solvants pour offrir une bonne adhérence interfaciale et favoriser la prolifération des ostéoblastes. Pour atteindre cet objectif, diverses étapes ont été suivies et discutées dans les différents chapitres de la thèse. Au chapitre 2, la technique de moulage par compression a été utilisée pour développer une mousse à cellules ouvertes en acide polylactique (PLA) en utilisant la technique de plan d'expérience (Design of Experiments, DoE, en anglais). Les travaux réalisés ont montré que la structure cellulaire de la mousse développée était affectée par les trois paramètres de procédé suivants : le temps de moussage, la température d'ouverture du moule et la concentration massique de l'agent de moussage, l'azodicarbonamide (ADA). Une équation de régression reliant la taille moyenne des cellules à ces trois paramètres a été développée à partir du DoE, et l'analyse de variance (ANOVA) a été utilisée pour trouver les meilleurs paramètres d'ajustement correspondant aux données expérimentales. Au chapitre 3, nous avons développé et analysé une variété d'échafaudages à cellules ouvertes composés de chitosane (CS) et de copolymère chitosane greffé PLA (CS-g-PLA) dispersés à l'intérieur de la matrice PLA. Les résultats ont démontré une dégradation hydrolytique des échafaudages composites PLA/CS, ce qui n'était pas le cas pour les échafaudages PLA/CS-g-PLA modifiés qui présentaient une bonne stabilité hydrolytique. Par conséquent, par rapport aux échafaudages PLA/CS non compatibilisés, les échafaudages PLA/CS-g-PLA ont démontré une adhésion et une prolifération élevées des ostéoblastes après trois et cinq jours de culture cellulaire. Enfin, nous avons montré au chapitre 4 des résultats expérimentaux sur le développement, par la technique de moulage par compression, d'échafaudages poreux à cellules ouvertes en PLA sans l'utilisation de solvants additionnels. L'originalité de ce travail consiste à utiliser un composite moussant chimique spécialement préparé, que nous avons nommé CFCO, dans lequel le copolymère CS-g-PLA a été ajouté à différentes concentrations dans un mélange de PLA et d'ADA utilisé comme agent chimique de moussage. Lors du moussage des échafaudages à base de PLA à l'aide de ce CFCO spécial, le copolymère CS-g-PLA, qui est un composant du CFCO, migre à la surface des pores générés et y est immobilisé. La localisation du copolymère CS-g-PLA à la surface des pores a été confirmée par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie confocale. Pour une concentration de copolymère CS-g-PLA de 6,90 % en poids, le fait que le copolymère ait été maintenu exposé à la surface des pores a conduit à une prolifération cellulaire d'environ 52 % supérieure à celle obtenue avec l'échantillon témoin de PLA pur, et de 28 % supérieure à celle obtenue avec 10 % en poids de CS-g-PLA dispersé à l'intérieur de la matrice PLA. / The main objective of this thesis is to develop an open-cell scaffold without the need of any further solvent treatment to provide a good interfacial adhesion and proliferation properties for osteoblast cells. To attain this objective, different steps were followed and discussed in the following chapters. In chapter 2, a compression molding technique was used to develop a polylactic acid (PLA) open-cell foam morphology using a design of experiments (DoE) methodology. It was observed that the cellular structure was affected by three molding parameters: the foaming time, mold opening temperature, and the weight concentration of azodicarbonamide (ADA) blowing agent. The analysis of variance (ANOVA) was performed to identify the optimal fitting parameters based on the experimental data, and a regression equation relating the average cell size to the three mentioned processing parameters was developed from the DoE. The analysis of variance (ANOVA) was used to find the best dimensional fitting parameters based on the experimental data. In chapter 3, we developed and analyzed a variety of open-cell scaffolds composed of chitosan (CS) and CS-g-PLA copolymer dispersed inside the PLA matrix. The corresponding results demonstrated an hydrolytic degradation of PLA/CS composite scaffolds, which was not the case for the modified PLA/CS-g-PLA scaffolds that showed a good hydrolytic stability. Consequently, compared to uncompatibilized PLA/CS scaffolds, compatible PLA/CS-g-PLA scaffolds demonstrated high osteoblast cell adhesion and proliferation after three and five days of cultured cells. Finally, we showed in chapter 4 experimental results on the development, by compression molding, of solvent-free PLA open-cell porous scaffolds. The originality consists of using a specially prepared chemical foaming composite, that we named CFCO, in which CS-g-PLA copolymer was added at various concentrations into a mixture of PLA and ADA used as chemical foaming agent. During the foaming of the PLA-based scaffolds using this special CFCO, the CS-g-PLA copolymer, which is a component of the CFCO, is projected toward the surface of the generated pores and immobilized there. The localization of CS g-PLA copolymer on the surface of the pores was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) and confocal microscopy. For CS-g-PLA copolymer concentration of 6.90 wt.%, the fact that it was kept available on the surface of the pores led to osteoblast cells proliferation about 52% higher than that obtained with the pure PLA control sample and 28% higher than that obtained with 10 wt.% CS-g-PLA dispersed inside the whole PLA matrix.

L'une des meilleures alternatives actuelles pour prévenir et/ou réduire les déchets d'emballages est le recours aux polymères renouvelables et biodégradables. Ainsi, il existe un intérêt croissant d'améliorer les emballages existants tels que les emballages multicouches plastiques. Ces derniers contiennent différentes couches de polymères, chacune répondant à un besoin différent comme barrière aux gaz, propriétés mécaniques, qualité du scellage, etc. Pour assurer une barrière à l'oxygène, les polymères utilisés sont généralement des polymères très peu perméables tel que l'alcool éthylène vinylique (EVOH) et le nylon. Cela présente toutefois des inconvénients tels que le coût et la non recyclabilité de l'emballage. Rapportés comme étant les matériaux du 21ème siècle, les polymères nanocomposites (PNCs) sont des alternatifs prometteurs à ces matériaux d'emballages plastiques en raison de leurs caractéristiques écologiques favorables. C'est dans cette optique qu'on a développé dans ce travail des films d'emballages bicouches et quadricouches dégradables à haute barrière à l'oxygène à base de l'alcool polyvinylique (PVA), le chitosane (CS) et d'argile (montmorillonite, MMT). Ce dernier a été choisi comme charge en raison de sa disponibilité et de son prix abordable. En utilisant la technique de dépôt 'Layer-by Layer (LbL)', deux types de films avec du PVA comme couche principale sont développés; l'un avec la MMT et l'autre avec le CS. Les films bicouches et quadricouches étudiés diffèrent non seulement par le nombre de couches de l'unité répétitive (deux et quatre respectivement) mais aussi de la teneur en MMT et en CS dans chaque films. Les films obtenus sont caractérisés par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X à grand angle (WAXD), etc. Cette dernière a révélé que les films obtenus par la méthode 'Spin coating-LbL' présentent une bonne orientation de la macromolécule et des nanoplaquettes de MMT avec des interactions électrostatiques intéressantes. Les études de l'angle de contact (CA) et de la perméabilité à l'oxygène (PO) ont montré que les films quadricouches sont plus hydrophobiques avec des valeurs de PO considérablement réduites. Par conséquent, ils sont des candidats prometteurs pour une application dans l'emballage alimentaire. / One of the best alternatives to reduce current packaging waste is the use of biodegradable polymers. Thus, with the urgent need for green materials, there is a growing interest for the improvement of the existing packaging, such as the multilayer packaging. This packaging has different layers of polymers, each one fulfilling a different need like gas barrier, mechanical properties, and saleability. To ensure the oxygen barrier, a higher barrier polymer, like ethylene vinyl alcohol (EVOH) and Nylon, is generally used. This, however, has some drawbacks, such as the cost and the non recyclability of the packaging. Reported as the materials of the 21st century, polymer nanocomposites (PNCs) are promising alternatives to these plastic packaging materials due to their favorable ecological characteristics. To this aim, we have focused in this work on the development of multilayer films using spin coating assisted layer-by layer assembly technique (LbL). To provide a deeper understanding of the effect of macromolecule and nanoclay platelets orientation on barrier properties, two polymers were chosen to study hydrogen bonding based films: polyvinyl alcohol (PVA) and chitosan (CS). MMT was chosen as a filler because of its availability and affordable price. Using the LbL deposition technique, two different structures, bilayers and quadlayers films were investigated, which differ in the layers number of the repetitive unit (two and four, respectively). Two types of films were developed: PVA/MMT and PVA/CS. For the bilayer structures, two layers were deposited, one composed of PVA and one of MMT for PVA-MMT films and one of PVA and one of CS for PVA-CS films. For the quadlayer structure, four alternated layers are prepared; two composed of PVA and two of MMT for PVA-MMT-PVA-MMT films, and two composed of PVA and two of CS for PVA-CS-PVA-CS films. All films were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), wide-angle X-ray diffraction (WAXD), etc. The WAXD characterization showed a parallel orientation of the macromolecule and of MMT clay nanoplatelets. The contact angle (CA) and oxygen permeability (PO) characterizations showed that all quadlayers films are hydrophobic and their permeabilities are reduced compared to neat PVA. Therefore, as results, quadlayers films appear to be good candidates for food packaging applications.

La corrosion est un phénomène spontané et inévitable qui engendre de nombreux problèmes ayant de sérieux impacts économiques et environnementaux. Les alliages à base de fer, largement utilisés dans l'industrie, sont particulièrement sensibles aux milieux corrosifs naturels tels les environnements marins. La corrosion induite par l'eau de mer entraîne la dégradation rapide des ouvrages métalliques qui y sont exposés et met conséquemment en péril leur bon fonctionnement. Actuellement, les techniques de protection contre la corrosion qui sont employées pour ralentir la vitesse de corrosion ne sont pas efficaces dans toutes les situations et certaines de ces méthodes ont des conséquences néfastes sur l'environnement (ex : utilisation d'inhibiteurs de corrosion toxiques). Par souci de préservation des écosystèmes naturels, la recherche de solutions écologiques de protection contre la corrosion croît en importance. Le chitosane (CS) est un polymère naturel de glucosamine qui présente des caractéristiques physico-chimiques particulièrement intéressantes dans une perspective d'interactions avec les métaux. Aucune étude jusqu'à ce jour ne s'est intéressée au potentiel du CS pour la protection des métaux soumis aux conditions marines. Le présent travail évalue dans un premier temps l'efficacité d'un dérivé de CS comme inhibiteur de la corrosion du fer. Ainsi, la diminution du courant d'oxydation du fer en présence de N-(2-carboxylate)benzoylchitosane de sodium a démontré la capacité de ce dérivé de CS à diminuer la vitesse de corrosion du métal. Les résultats obtenus se traduisent notamment par une augmentation considérable de la résistance à la corrosion localisée induite par les chlorures. Dans un deuxième temps, des revêtements de CS ont été formés par un processus de déposition électrochimiquement induit. La formation de films de CS uniformes a constitué un défi important dans cette étude et il a été démontré que l'étape de neutralisation du revêtement est cruciale. Différentes techniques d'analyses de surface comme la microscopie électronique à balayage et l'ellipsométrie ont été employées afin de caractériser les films de CS électrogénérés. Enfin, l'évaluation de l'effet d'un revêtement de CS sur un substrat de fer a prouvé qu'il constitue une barrière physique efficace qui empêche les espèces corrosives présentes dans l'eau d'atteindre la surface métallique à protéger.