Ce mémoire porte sur l’étude de pyrophosphates de calcium hydratés (CPP : Ca2P2O7•nH2O), composés rencontrés dans des micro-calcifications pathologiques associées à l’arthrose et, dans certains cas, responsables d’arthropathie destructive. Ces cristaux, présents dans les articulations de patients arthritiques, possèdent un fort potentiel inflammatoire susceptible d’engendrer une dégradation aigüe du cartilage. Cependant, les mécanismes de formation des phases de CPP et d’activation de leur potentiel inflammatoire n’ont pas encore été entièrement décrits. Nous nous sommes intéressés à l’étude des conditions de formation des différentes phases de pyrophosphates de calcium hydratés in vitro ainsi qu’à la caractérisation fine de chacune des phases d’intérêt biologique avec des outils de laboratoire et de grands instruments afin de mieux comprendre leurs propriétés physico-chimiques et d’améliorer leur identification in vitro et in vivo. Dans un premier temps, un protocole de synthèse a été établi permettant la synthèse de quantités importantes de chacune des phases pures de CPP (CPP amorphe, CPP dihydratés monoclinique et triclinique et CPP tétrahydraté). Les conditions de synthèse associées à la formation de chacune de ces phases, pH et température notamment, ont été explorées. Des échantillons purs ont été utilisés comme références pour les différentes études physico-chimiques et structurales qui ont ensuite été menées. Les échantillons de référence ont été caractérisés finement, d’un point de vue structural avec notamment la résolution de plusieurs structures cristallines (diffraction des rayons X et des neutrons, sur poudre et monocristal) mais aussi au travers de différentes analyses spectroscopiques (spectroscopies FTIR et Raman, RMN du solide) et d’analyses de la morphologie des cristaux (microscopies électroniques à balayage et en transmission, diffraction électronique). Chacune de ces analyses complémentaires, couplées à des modélisations ab initio, a permis de préciser les hypothèses suggérant un rôle de la surface des cristaux dans le potentiel inflammatoire de ces phases. Une troisième partie est consacrée à l’exploration de différentes techniques de synthèse mettant en œuvre différents milieux (cristallisation en solution et en gel). Ces expériences ont permis d’établir des comparaisons avec les processus de formation observés in vivo et d’évolution in vitro à haute température des phases de CPP. Finalement des études ex vivo de cartilages calcifiés seront présentées, mettant en évidence les avantages de ces techniques de caractérisation de laboratoire comme outils de diagnostic. Ce travail permet ainsi de préciser les mécanismes physico-chimiques liés aux différentes phases de CPP in vitro et in vivo afin de mieux comprendre la formation de ces phases et leur potentiel inflammatoire associé, tout en améliorant les possibilités de diagnostic des arthropathies microcristallines. / The present work concerns the study of hydrated calcium pyrophosphates (CPP: Ca2P2O7•nH2O), a group of phases detected in pathological microcalcifications and associated with arthritis. These crystals are frequently observed in the synovial fluid of arthritic patients and they were described as having a high inflammatory potential which could induce a severe degradation of cartilage. However, the mechanisms involved in the formation of the CPP crystals and the activation of their inflammatory potential are not fully understood. This work is focused on the study of the synthesis conditions of CPP in vitro and on the fine characterization of CPP phases of biological interest using laboratory equipments and large-scale facilities. The aim of this work was to describe the physico-chemical properties of these materials, including inflammatory potential, and to improve their identification in vivo and in vitro. First, a synthesis protocol was designed for the production of significant amounts of pure samples for each of the CPP phases (amorphous CPP, monoclinic and triclinic dihydrated CPP and tetrahydrated CPP). Different conditions, including pH and temperature, were studied to achieve the synthesis of reference materials. These samples were precisely characterized using complementary techniques to determine their crystalline structures (powder and single crystal X-ray diffraction and neutron diffraction) as well as using spectroscopic (FTIR and Raman spectroscopies, MAS-NMR) and morphologic analyses (SEM, TEM and electron diffraction). These analyses, combined with ab initio modeling, clarified the hypotheses concerning the role of the crystal surface on the adsorption properties of CPP crystals and their inflammatory potential. The third part of this thesis is focused on the study of CPP synthesis conditions, by using different experimental setups to study crystallization in solution and in gel. A comparison with in vivo formation processes and in vitro high temperature evolution phenomena of these phases was established based on the results of these experiments. Finally, ex vivo analyses of pathological cartilage are presented, highlighting the advantages of different laboratory characterizations as medical diagnostic tools. This work contributes to clarify the physico-chemical characteristics of CPP phases in vitro and in vivo, to improve the knowledge on the formation and the evolution of these phases, their properties including inflammatory potential, and to facilitate their identification in vivo.

Cette thèse porte sur la cristallisation bidimensionnelle de particules dipolaires. La première partie concerne les systèmes à un composant. L’idée d’utiliser des matériaux granulaires secs comme substituts de suspensions colloïdales mouillées y est exploitée pour aborder le phénomène de cristallisation. Des systèmes granulaires athermaux bidimensionnels sont alors exposés à un bruit mécanique extérieur conduisant à un mouvement de type brownien des grains. En utilisant des interactions interparticulaires répulsives via un champ magnétique externe imposé, on montre que la microstructure observée dans les suspensions colloïdales peut être retrouvée quantitativement à l’échelle macroscopique. A cette fin, des expériences sur des granulaires (réalisées au laboratoire GRASP à Liège) et sur des systèmes colloïdaux constitués de particules magnétiques ainsi que des simulations numériques sont effectuées et comparées. Un excellent accord pour toute la gamme de couplage dipolaire est obtenu pour les fonctions de distribution de paires ainsi que pour les fonctions de corrélation orientationnelles. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour explorer efficacement et aisément les transitions de phase, la cristallisation, la nucléation, etc. dans des géométries confinées. Le second volet de cette thèse concerne les systèmes à deux composants. Des mélanges binaires constitués de particules pourvues de moments dipolaires similaires sont examinés. En utilisant des simulations Monte Carlo, une analyse structurale détaillée basée sur les fonctions de distribution de paires partielles et les clichés de microstructures est présentée pour un couplage dipolaire fort. Pour une composition équimolaire, la coexistence entre des super-réseaux triangulaires avec une stoechiométrie AB2 et A2B est mise en évidence, où A(B) dénote les grands (faibles) moments dipolaires. Ce résultat est en très bonne adéquation avec les prédictions théoriques à température nulle / This thesis deals with two-dimensional crystallization of dipolar particles. The first part of the manuscript treats one component systems. There, the idea of using excited dry granular media as substitutes of wet colloidal suspensions is exploited to tackle the problem of crystallization. Athermal two-dimensional granular systems are exposed to external mechanical noise leading to Brownian-like motion. Using tunable repulsive interparticle interaction via an external imposed magnetic field, it is shown that the same microstructure as that observed in colloidal suspensions can be quantitatively recovered at a macroscopic scale. To that end, experiments on granular (realized by the GRASP group in Liège) and colloidal systems made up of magnetized particles as well as computer simulations are performed and compared. Excellent agreement throughout the range of the dipolar coupling is found for the pair distribution as well as the bond-orientational correlation functions. This finding opens new ways to efficiently and very conveniently explore phase transitions, crystallization, nucleation, etc in confined geometries. The second part of this thesis addresses two component systems. Binary mixtures made up of particles carrying similar dipole moments are investigated. Using Monte Carlo simulations, a detailed structural analysis based on partial pair distribution functions and microstructure snapshots is presented for high dipolar coupling. At equimolar composition, the relevance of the coexistence of triangular superlattices with stoichiometry AB2 and A2B is revealed, with A(B) standing for the large(small) dipole moments. This finding is in excellent qualitative agreement with the zero temperature theoretical predictions

Les polymères semi-cristallins sont des matériaux d’importance industrielle due à leurs résistances thermiques et chimique ainsi qu’à leurs propriétés mécaniques. De ce fait, l’étude de modèles visant à moduler la cristallinité constitue un domaine de recherche académique d’intérêt. Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Josée Brisson a étudié les processus de cristallisation avec des systèmes de copolymères rigides-flexibles. Cette approche a pour but d’introduire à intervalle régulier des espaceurs. Ceux-ci permettront d’induire un repliement de chaîne qui favorisera la formation de la phase cristalline. Plusieurs études avec des espaceurs aliphatiques ont déjà démontré que ceux-ci ne diminuent pas de façon significative la cristallinité de polymères rigides tels que le polyétheréthercétone (PEEK). Le présent projet a pour but l’étude d’espaceurs plus rigides dans le but de forcer le repliement de chaîne. Pour étudier ceux-ci, des espaceurs de type ortho-, méta- et para- xylène ont été utilisés. De cette façon, il sera possible de regarder l’effet de la géométrie du groupement semi-rigide sur la cristallisation du polymère.

Bien que la polymérisation contrôlée ou vivante de chaînes flexibles soit bien établie, contrôler la polymérisation de monomères rigides, qui sont souvent synthétisés par polycondensation, reste un défi. Dans le présent travail est présentée la synthèse de poly(éthercétones) aromatiques basée sur les travaux de Hayakawa et al. De courts segments rigides ont été obtenus et polymérisés en présence de chaînes aliphatiques afin d'obtenir des poly(éthercétones) rigides flexibles. La longueur du bloc flexible est très courte et d'une taille spécifique. Ces polymères sont aussi appelés «polymères charnières» étant donné qu'ils ont tendance à se replier le long de la chaîne aliphatique, laquelle agit comme une charnière, sans pour autant entraîner une ségrégation de phase observable. Dans la présente étude, différentes longueurs de poly(éthercétones) aromatiques ont été synthétisées. Les structures aromatiques sont utilisées comme blocs rigides du polymère, alors que les chaînes aliphatiques de 4 à 10 atomes de carbone servent de segments flexibles. Ces longueurs de chaîne ont été choisies de façon à favoriser la cristallisation par repliement de chaîne. Les polymères obtenus ont été cristallisés et analysés en utilisant la diffraction des rayons X et la diffraction électronique. Finalement, l'effet de la chaîne flexible et du bloc rigide sur les résultats de la cristallisation, de la morphologie et de la cristallinité de ces polymères sera discuté.

L'amylose (chaîne linéaire de glucoses) est l'un des deux constituants de l'amidon, l'autre étant l'amylopectine (chaîne ramifiée de glucoses). Étant donné que l'amylose peut maintenant être créée de façon synthétique, ceci à partir d'une polymérisation enzymatique, il devient alors possible d'étudier l'amylose d'une façon très détaillée. L'amylose ainsi créée imite en quelque sorte ce que la nature fait. La structure cristalline de l'amidon est très intéressante puisqu'elle est très complexe. Trois différentes formes cristallines la constituent : A, B et V. Les formes A et B sont des doubles hélices alors que la forme V s'agence en hélice simple. C'est un peu dans l'optique de recréer ce que la nature fait, que des tentatives de lier deux unités d'amylose ont été effectuées. La liaison effectuée ressemblera ainsi à l'embranchement dans l'amidon. Donc, en variant la longueur et la nature du lien entre les deux unités d'amylose, il sera peut-être possible d'observer différentes propriétés et même d'induire une forme cristalline particulière.

La cristallinité d’un matériau peut largement influencer les propriétés de ce dernier, notamment la résistance mécanique, chimique et thermique. Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Josée Brisson a étudié les processus de cristallisation avec un système de copolymères rigides-flexibles. Cette approche a pour but d’induire à la fois une flexibilité dans la chaîne pour faciliter le repliement à des endroits précis et une rigidité pour favoriser les interactions favorables à la cristallisation. Cette approche a permis notamment d’étudier les processus de cristallisation et de faire cristalliser un dérivé du poly(éthersulfone) (PES) qui nécessite généralement des conditions rigoureuses. Le présent projet portera sur l’utilisation d’un comonomère azobenzène pouvant se photo-isomériser sous irradiation lumineuse pour induire une flexion dans la chaîne et étudier si le changement de conformation peut influencer la cristallisation du polymère.

L’estrogène le plus actif, soit l’œstradiol (E2), stimule la prolifération des cellules du cancer du sein, alors que la dihydrotestostérone (DHT), qui est l’androgène le plus actif, prévient la croissance des cellules du cancer du sein hormonodépendant dans certaines concentrations et conditions physiologiques. Il a été rapporté que la 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase de type 7 (17β-HSD7) détient deux activités enzymatiques. La première activité est la réduction de l’E1 en E2 et la seconde activité est l’inactivation de la DHT en 3β-diol qui pourrait permettre de jouer un rôle dans la cancérogenèse des cellules tumorales du cancer du sein hormonodépendants. À ce jour, très peu d’informations sont disponibles à propos des activités catalytiques de cette protéine et aucune structure tridimensionnelle n’est disponible pour mieux comprendre l’implication et les mécanismes enzymatiques de la 17β-HSD7 dans la stéroïdogenèse. Dans cette étude, nous avons développé un protocole permettant l’expression et la purification de la 17β-HSD7 active et stable à partir d’un système bactérien. Nous avons aussi déterminé les paramètres de cinétique enzymatique à l’état stationnaire et nous avons obtenu des conditions de cristallisation qui ont permis d’obtenir des cristaux préliminaires. Les résultats de cinétique enzymatique ont démontré que la 17β-HSD7 réduit l’E1 en E2 et la DHT en 3β-diol à des vitesses de conversion et des spécificités de même ordre. De plus, nous avons confirmé que l’inhibition de la 17β-HSD7 avait un impact aussi important dans la diminution de la vitesse de conversion de l’E1 en E2 que l’inhibition de la 17β-HSD1 dans des lignées cellulaires de tumeurs du sein hormonodépendant. Aussi, la 17β-HSD7 est beaucoup plus spécifique pour la réduction de la DHT que la 17β-HSD1 a une activité réductrice de la DHT. Ces résultats mettent en évidence le rôle de la 17β-HSD7 dans la carcinogenèse du cancer du sein. / The most potent estrogen, estradiol (E2), stimulates proliferation, while the dihydrotestosterone (DHT) prevents it in estrogen dependent breast cancer cells. It brought reported that 17ß-HSD7 has two major reduction activities which can reduce E1 to E2 and inactivate the DHT to 3ß-diol. To this day, the detailed kinetic parameters and crystalline structure of the 17ß-HSD7 are unknown and theses knowledge allow a better understand of is implication in steroidogenesis. In this study, a purification protocol was developed to obtain pure 17ß-HSD7 in bacterial system to determine the steady state kinetic parameters of the 17ß-HSD7, and also its crystallization condition. Firstly, we were able to express and purify the 17ß-HSD7 in E. coli at purity over 95%. Secondly, the results of enzymatic kinetics demonstrated that the 17ß-HSD7 reduced both steroids at similar rates. Finally, the crystallization conditions were determined to growth some preliminary crystals of the 17ß-HSD7. Furthermore, we were able to confirm that the inhibition of the 17ß-HSD7 had a higher impact in to decrease the conversion of E1 in E2 than the inhibition of the 17ß-HSD1 in breast cancer cell lines. At the same time the 17ß-HSD7 demonstrates an effect on DHT reduction much more important than the 17ß-HSD1. These results highlight the role of the 17ß-HSD7 in the carcinogenesis of the breast cancer.

Le poly(acide lactique), PLA, est un polymère biocompatible et biodégradable, qui peut être produit à partir de ressources renouvelables. En conséquence, il a soulevé une attention toute particulière en tant que remplacement éventuel des polymères à base de pétrole. C’est un polyester aliphatique ayant des propriétés telles que module élevé, haute résistance, biocompatibilité et est donc un matériau prometteur pour diverses applications telles que les implants, l’encapsulation de médicaments et l'emballage. A cause de sa faible température de transition vitreuse, le PLA a une faible résistance thermique et les applications sont donc limitées à celles qui ne sont pas associées à des températures élevées. En outre, ce polymère souffre d'un faible degré de cristallinité. L'augmentation du taux de cristallinité dans de nombreuses techniques de mise en forme, telles que le moulage par injection, est nécessaire. Il y a plusieurs façons d'augmenter le niveau de cristallinité du PLA. Ces procédés comprennent l'utilisation d'agents nucléants, de plastifiants, ou de combinaisons d'agents plastifiants et de nucléation. La cristallisation du PLA à l'état fondu se présente sous deux formes cristallines légèrement différentes connues sous les noms α et α'. Cette étude compare la capacité d'auto-nucléation de ces deux formes cristallines par auto-nucléation. Ceci est réalisé en comparant les températures de cristallisation lors du refroidissement des échantillons préalablement cristallisés à diverses températures, puis de nouveau chauffé à une température dans la plage de fusion partielle du PLA. Dans la deuxième étape, l'effet des paramètres cinétiques et le poids moléculaire du PLA sur l'efficacité de nucléation des PLA phases cristallines a été étudié. Cette partie de l’étude ouvre une nouvelle voie pour comprendre le rôle des modifications cristallines du PLA qui mènent aux conditions optimales pour la cristallisation du PLA. La mise en forme des polymères implique des contraintes de cisaillement et d’élongation, ce qui implique une cristallisation induite par l’écoulement et la solidification qui s’en suit. Les propriétés mécaniques des produits finals dépendent du degré de cristallisation et de la nature des cristaux formés. Par conséquent, l'optimisation du procédé nécessite une bonne compréhension de la façon dont l’écoulement influence la cristallisation. Le type d'écoulement peut jouer un rôle important sur la cristallisation. Par exemple, l'écoulement élongationnel provoque l’orientation et l’étirement des molécules dans le sens de l'extension, comme dans le cas de la mise en forme de fibres et le soufflage de film, en aidant le processus de cristallisation induite par l'écoulement. Une littérature abondante existe sur la ii cristallisation des thermoplastiques classiques induite par l'écoulement. Cela dit, moins d'attention a été accordée à l'effet de l'écoulement de cisaillement et d'allongement sur la cristallisation du PLA. Comme étudié dans la dernière partie de ce document, l'effet du poids moléculaire sur la cristallisation induite par cisaillement du PLA est rapporté. Pour cela, trois différents PLA à faible, moyen et haut poids moléculaire ont été préparés par réaction d'hydrolyse. Ensuite, en utilisant un rhéomètre oscillatoire, l’effet du cisaillement sur la cinétique de cristallisation du PLA a été examiné. / Abstract : Poly(lactic acid), PLA, is a biocompatible and biodegradable polymer that can be produced from renewable resources. As a result, it has raised particular attention as a potential replacement for petroleum-based polymers. It is an aliphatic polyester with properties such as high modulus, high strength, and biocompatibility and is thus a promising material for various applications such as implants, drug encapsulation, and packaging. In the wake of low glass transition temperature, PLA has a low heat resistance and its application is limited to those not associated with high temperatures. In addition, this polymer suffers from a low degree of crystalinity. Increasing the crystallization rate in many processing operations, such as injection molding, is required. So far, many routes have been found to improve the crystallinity of PLA. These methods include using nucleating agents, plasticizers, and combination of nucleating agents and plasticizers together. PLA crystallization in the melt state results in two slightly different crystalline forms known as α and α’forms. This thesis compares the self-nucleation ability of these two crystal forms by self-nucleation. This is achieved by comparing crystallization temperatures upon cooling for samples previously crystallized at various temperatures and then re-heated to a temperature in the partial melting range for PLA. In the second step, we study the effect of molecular weight of PLA on the nucleation efficiency of PLA crystalline phases. This part of the investigation opens a new pathway to understand the role of PLA crystalline phases on the optimal condition for its crystallization kinetics. Polymer processing operations involve mixed shear and elongational flows and cause polymer molecules to experience flow-induced crystallization during flow and subsequent solidification. The mechanical properties of the final products are significantly dependent upon the degree of crystallization and types of formed crystals. Therefore, optimization of any polymer process requires a good understanding of how flow influences crystallization. The type of flow can play a significant role in affecting crystallization. For example, elongational flow causes molecules to orient and stretch in the direction of extension, as in the case of fiber spinning and film blowing, helping the process of flow-induced crystallization. An extensive body of literature exists on flow-induced crystallization of conventional thermoplastics. Having said that, less attention has been paid to the effect of shear and elongational flow on the PLA crystallization kinetics. As investigated in the final part of this thesis, the effect of iv molecular weight on the shear-induced crystallization of PLA is reported. For this, low, medium and high molecular-weight PLAs were prepared from a high molecular weight one by a hydrolysis reaction. Next, by means of a simple rotational rheometry, effect of the shear flow was examined on the crystallization kinetics of these three PLAs.

Le Polylactide est un polymère biosourcé et biodégradable. Il représente un alternatif potentiel pour certains polymères issus de l’industrie pétrochimique. Néanmoins, il présente une cinétique de cristallisation lente. Dans ce travail, une attention particulière a été portée à la compréhension et la modélisation de la cinétique de cristallisation et la morphologie cristalline induite du PLA. Dans un premier temps, nous avons étudié la cristallisation en conditions statiques du PLA avec et sans agent de nucléation «talc». L’effet du polymorphisme sur les paramètres du modèle d’Avrami est modélisé en conditions isothermes, ensuite la morphologie cristalline induite en fonction de degré de surfusion est discutée pour le PLA avec et sans talc. Dans un second temps, l’effet de la température, le taux et le temps de cisaillement sur la cinétique de cristallisation du PLA et la morphologie cristalline induite est analysée, et la contribution de l’écoulement dans la germination est modélisée. La synergie entre le cisaillement et les particules de talc dans l’amélioration de la cinétique de cristallisation est démontrée par la quantification de la germination thermiquement induite et celle induite par le cisaillement. Enfin, dans le cadre du procédé d’injection, nous avons étudié l’effet de l’histoire thermomécanique et du talc sur les propriétés mécaniques du PLA. L’analyse effectuée a porté sur l’effet des paramètres du procédé d’injection et du talc sur le module de flexion en relation avec la cristallinité induite dans les pièces injectées. / The Polylactide is a biobased, biodegradable polymer. It represents a potential alternative for some polymers from the petrochemical industry. Nevertheless, it has a slow crystallization kinetics. In this work, special attention was paid to the understanding and modeling of the crystallization kinetics and morphology induced crystalline PLA. First, we investigated the crystallization of PLA in static conditions with and without nucleating agent "talc". The effect of the polymorphism on the parameters of the Avrami model is modeled in isothermal conditions, then the induced crystalline morphology as a function of degree of supercooling is discussed for PLA with and without talc. In a second step, the effect of temperature, the rate and the shearing time on the crystallization kinetics of the PLA and the resulting crystal morphology is analyzed, and the contribution of the flow in the germination is modeled. The synergy between the shear and the talc particles in improving the crystallization kinetics is demonstrated by quantification of germination thermally induced and that induced by shear. Finally, as part of the injection process, we studied the effect of thermomechanical history and talc on the mechanical properties of PLA. The analysis focused on the effect of parameters of the injection process and talc on the flexural modulus in relation to the induced crystallinity in the molded parts.

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