Explorer les caractéristiques à l'échelle nanométrique de la matière et la combiner avec d’autres matériaux, permettent la fabrication de nouveaux objets avec des fonctionnalités améliorées, pour une utilisation potentielle dans le domaine biomédical, la catalyse, l'ingénierie, l'électronique, la biotechnologie, etc… Les argiles anioniques, également appelées des Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL), constituent une catégorie de matériaux hydrotalcite qui possèdent une grande variété de compositions et une capacité d'auto-assemblage. Lorsque ces HDL sont utilisés en présence de systèmes biologiques, ils agissent comme des matériaux soft, sans effet significatif sur les biomolécules constitutives. Dans ce contexte, le sujet de thèse porte sur la conception de matériaux HDL nanostructurés, leur caractérisation physico-chimique et leur utilisation en photocatalyse, biomédecine et biochimie. La première partie de ce travail aborde la fabrication de nanoparticules auto-assemblées (NP) sous forme de matériaux Au, In, Ag et Ga sur ZnHDLs en utilisant la co-précipitation suivie par une étape de reconstruction/imprégnation. Les techniques de caractérisation utilisées ont montré que les nouveaux matériaux avaient une structure hydrotalcite, qu'ils étaient cristallins et que, après reconstruction, la structure initiale était récupérée. Les nanomatériaux NP/HDL ont montré une activité de photodéposition élevée lorsqu'ils étaient irradiés sous une lumière solaire simulée et étaient capables de photodégrader des polluants organiques tels que le phénol, le p-nitrophénol, l'acétophénone et le diclofénac. L'amélioration des performances des matériaux hybrides néoformés, par rapport à leurs matériaux d'origine, est une conséquence de la formation d'une séparation superficielle entre les NP dispersés et la surface d'argile, ce qui conduit à une diminution du taux de recombinaison. La seconde partie de cette thèse étudie les interactions entre les matériaux ayant pour base HDL ou Au/HDL et l'enzyme Peroxydase de raifort (HRP). Les résultats ont montré que les produits HDL résultant de la calcination de l’argile à 550° C sont capables d’immobiliser l’enzyme par adsorption, avec reformage de la structure en couches. Les données cinétiques ont montré que seuls les matériaux sans AuNPs conservent l'activité de l'enzyme, alors que ceux contenant les AuNPs dans leur structure sont « enzymatiquement » inactifs. Le concept de dégradation photo-enzymatique du phénol sous irradiation solaire et en présence de biohybride HRP/HDL a également été confirmé. Le résultat a montré un effet synergique de la dégradation enzymatique et photocatalytique. De plus, il a été démontré que HRP peut influencer la libération de particules d’Au de la surface des Au/HDL lors de la formation de complexes HRP-AuNPs. Dans une seconde étude, le cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) a été régénéré à partir de NAD+ en présence de Au/HDL, de lumière solaire et en utilisant de la flavine mononucléotide (FMN) comme médiateur électronique. À une valeur de pH égale à 8, la régénération du NADH était totale dans un intervalle de temps de deux heures. Dans la dernière partie de ce travail de thèse, les interactions entre les matériaux Au/HDL et le virus de l'hépatite B (VHB) ont été étudiées. Les données de cytotoxicité ont montré que les matériaux HDL n’avaient pas d’influence significative sur la viabilité des cellules. De manière remarquable, les formulations Au/HDL ont montré qu’elles peuvent inhiber la prolifération du VHB. Les HDL bruts manifestent une activité antivirale modeste. / Exploring the nano scale features of the matter and combining together different materials, novel composites with enhanced features can be fabricated, for their further utilization in biomedicine, catalysis, engineering, electronics, biotechnology and others. The anionic clays, also called layered double hydroxides (LDHs) are a category of hydrotalcite composites which possess high compositional variety, able to self-assembly. When used in presence of biological systems, they act as soft materials, with no significant effect over the constituent biomolecules. In this context, the thesis subject deals with the design of nanostructured composites LDHs type, for their further physicochemical characterization and utilization in photocatalysis, biomedicine and biochemistry. The first part of this work approaches the fabrication of self-assembled nanoparticles (NPs) as Au, In, Ag, and Ga on ZnLDHs materials by using co-precipitation, followed by reconstruction or impregnation synthesis methods. The applied characterization techniques proved that the novel materials have a hydrotalcite structure, they are crystalline and after reconstruction, the initial structure is recovered. The nanomaterials NPs/LDHs showed high photo-response activity when irradiated under simulated solar light and they were able to photodegrade organic pollutants as phenol, p-nitorphenol, acetophenone and diclofenac. The enhancement of hybrids performance, compared with their parent materials, is a consequence of the formation of surface separation between dispersed NPs and clay surface, which leads to recombination rate decrease. The second part of this thesis investigates the interactions between the LDHs or Au/LDHs based materials and Horseradish Peroxidase (HRP) enzyme. The results proved that the LDHs products resulted after clay calcination at 550 °C are capable to immobilize the enzyme via adsorption, with layered structure reformation. The kinetic data showed that only the materials without AuNPs retain the enzyme activity, while those with AuNPs in their structure are enzymatically inactive. The concept of photo-enzymatic degradation of phenol under solar irradiation and in presence of HRP/LDH biohybrid was also confirmed. The result was expressed as the synergetic effect between the enzymatic and the photocatalytic degradation. Furthermore, it was demonstrated that HRP can mediate the gold release from Au/LDH surface through HRP-AuNPs complex formation. In a separate study the nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) cofactor was regenerated from NAD+ in presence of Au/LDH, solar light and using flavin mononucleotide (FMN) as an electron mediator. At a pH value of 8, the NADH regeneration was total in a time interval of two hours. In the last section of this work, the interactions between Au/LDHs materials and hepatitis B virus (HBV) were investigated. The cytotoxicity data have been demonstrated that the LDHs materials had no significant influence over cells viability. Remarkably, the Au/LDHs formulations have shown that they can inhibit the HBV proliferation. The parent LDHs materials manifest a modest antiviral activity.

Les tendons sont des tissus qui réagissent aux stimuli mécaniques externes. Des stimulations mécaniques inadéquates imposées au tendon engendrent des lésions dans le tendon. Plusieurs études ont été réalisées pour comprendre la mécanobiologie des tendons. Celles-ci ne sont malheureusement pas complètes. Le but de ce projet de maîtrise était donc d'approfondir nos connaissances des mécanismes régissant l'évolution du tendon suite à certaines stimulations mécaniques. Précisément, l'objectif de cette maîtrise était de découpler les trois modes d'évolution (l'amélioration, la dégradation mécanique et la dégradation enzymatique de la matrice extracellulaire) pour deux types de chargement: une sous-stimulation et une sur-stimulation mécanique. Pour chacune de ces deux conditions de stimulation, nous avons étudié la variation de l'état du tendon pour trois types de condition de culture du tendon: (1) D-PBS avec inhibiteurs de protéases, (2) milieu de culture avec inhibiteurs de protéases et (3) milieu de culture sans inhibiteurs de protéases. Cela a permis de mettre en lumière les trois modes de d'évolution individuellement. En effet, l'évolution de l'état du tendon peut être approximée par l'équation suivante: évolution = DM - DE + A où DM = dégradation mécanique, DE = dégradation enzymatique et A = amélioration. Avant de pouvoir effectuer ces expériences, nous avons élaboré des protocoles de caractérisation et de stimulation mécanique minutieux. Ces protocoles devaient assurer un contrôle des conditions de culture (ex.: contamination, condition de culture stable,...), des stimulations et des caractérisations mécaniques (ex.: changement du milieu de culture, test de relaxation, test dynamique,...). De cette façon, nous nous assurions que les paramètres de notre expérience n'influençaient pas nos résultats. L'étude, a principalement montré que la contribution relative des trois mécanismes d'évolution diffère selon le type de stimulation imposée.

Les procédés de transformation de biomasse lignocellulosique en bioéthanol de seconde génération sont actuellement des sujets de recherche très répandus mais ne sont toujours pas compétitifs avec ceux de la première génération. Les facteurs clés limitants sont : l’efficacité et les coûts du prétraitement, les rendements de l’hydrolyse enzymatique, et la co-fermentation C5-C6. Un procédé continu de déconstruction de la matière végétale, compactant un prétraitement thermo-mécano-chimique utilisant un agent alcalin avec une introduction d’enzymes en extrusion bi-vis, appelé bioextrusion, est développé dans cette étude. Il permet de préparer la matière cellulosique à un haut taux de matière sèche (>20%), à une saccharification et une fermentation pouvant être simultanées (SSF). Le traitement continu peut extraire une grande part des hémicelluloses (jusqu’à 97%) et des lignines (>50%) et améliorer l’accessibilité de la cellulose tout en initiant sa dépolymérisation par des cocktails enzymatiques pendant la bioextrusion. Plusieurs matières premières (Résidu de maïs doux, Bagasse d’agave bleue, Résidu d’huilerie de palme, Paille d’orge, Résidu d’Eucalyptus, Sarments de vigne et Bagasse de canne à sucre) ont été caractérisées et leurs comportements vis-à-vis du procédé ont été comparés. L’évolution de la composition de ces matières à travers le procédé et leur hydrolysabilité ont été étudiées. Suite au traitement, une augmentation du rendement de saccharification dans un réacteur (24h de temps de réaction à 20% de consistance) a été obtenue pour ces matières (jusqu’à 85% des C6 théoriques et 70% des C5-C6 théoriques). Les rendements de fermentation non optimisés atteignent un maximum de 85% théorique des sucres C6 convertis, 65% théorique des C5-C6 convertis, et une concentration d’éthanol de 15g/100g extrudat sec. Le procédé de production d’éthanol dans son ensemble (avec addition de l’énergie de la valorisation des coproduits) atteint un ratio « énergie consommée/produite » de 0.5-0.6. Le nouveau procédé présente ainsi les avantages de minimiser la consommation d’énergie par l’application de faibles températures, de minimiser la consommation d’eau par l’utilisation de faibles ratios liquide/solide, de ne pas produire d’inhibiteurs de fermentation et d’être rapide, compact, continu et adaptable sur différentes biomasses. / Lignocellulosic biomass transformation processes in order to produce second generation bioethanol are actually widely studied all around the world but still not yet competitive compare to the first generation. The limiting key factors of the different processes are: the pre-treatment efficiency and costs, the enzymatic hydrolysis yields, and the co-fermentation C5-C6. A continuous plant matter deconstruction process, compacting a thermo-mechanico-chemical pre-treatment using alkali solution with an enzymes injection in twin-screw extruder, called bioextrusion, is developed in this study. It allows preparing the cellulosic material at a high dry matter content (>20%), to a possible simultaneous saccharification and fermentation (SSF). This continuous treatment may extract a big part of hemicelluloses (until 97%) and lignin (>50%) and configures cellulose to a better accessibility and a start of its depolymerisation by enzymes cocktail during the bioextrusion. Several raw matters (Sweet Corn Cob and Spathe, Blue Agave Bagass, Oil Palm Empty Fruit Bunch, Barley Straw, Eucalyptus Residue, Grape Pruning Residue and Sugarcane Bagass) have been characterized and theirs behaviours toward to the process were compared. Evolutions of these matters compositions throughout the process and their hydrolysability have been studied. Further to the treatment, an improvement of the saccharification yields in reactor (24h reaction time at 20% consistency) has been obtained on these matters (until 85% of theoretical C6 and 70% of theoretical C5-C6). The not optimized fermentation yields reach a maximum of 85% of theoretical converted C6 sugars, 65% of theoretical converted C5-C6 sugars, and an ethanol concentration of 15g/100g dry matter extrudate. The whole ethanol production process (with addition of energy from the recovery of the by-products) is achieved with a “consumed/produced energy” ratio of 0.5-0.6. The new process presents the advantages to minimize the energy consumption by operating low temperatures, to minimize water consumption by working at low liquid/solid ratio, to not produce fermentation ‘s inhibitors and to be quick, compact, continuous and adaptable to different biomasses.

Dans des travaux précédents, les liens amides de la Leu-enképhaline, un pentapeptide endogène agoniste des récepteurs opioïdergiques, ont été substitués séquentiellement et systématiquement par des alcènes trans, des esters, des N-méthylamides et des thioamides. Des essais pharmacologiques sur l’affinité et sur l’activité (inhibition de la contraction du mouse vas deferens et phosphorylation de ERK 1 et ERK 2) des composés peptidomimétiques résultants envers le récepteur opioïdergique δ ont démontré que la substitution de l’amide 1 par un alcène, la substitution de l’amide 2 par un thioamide et la substitution de l’amide 4 par un ester, un N-méthylamide ou un thioamide sont des modifications tolérées pour l’obtention de composés ayant une activité agoniste. Cet ouvrage traite de la conception, de la synthèse et de la caractérisation chimique, pharmacologique et physico-chimique de molécules peptidomimétiques dotées de plusieurs de ces isostères (à la même position que celle menant à des composés actifs). Un composé peptidomimétique de la Leu-enképhaline a aussi été synthétisé en substituant l’amide 3 par un fluoroalcène, un isostère jusqu’ici inexploré par notre laboratoire. Les résultats démontrent que les molécules peptidomimétiques dotées de plus d’un isostère gardent, dans certains cas, une bonne affinité pour le récepteur δ. Cependant, des pertes au niveau de l’activité sont observées dans la majorité des cas. D’un point de vue pharmacocinétique, l’approche a permis la synthèse de composés peptidomimétiques ayant un profil plus favorable que celui de la Leu-enképhaline. En effet, tous les composés synthétisés ont démontré une lipophilicité et une résistance enzymatique (sauf dans un cas) accrue par rapport à la Leu-enképhaline.

Une série d'homopolymères tels que poly(L-lactide) (PLLA), poly(triméthylène carbonate) (PTMC), poly (e-caprolactone) (PCL) et les copolymers ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycles de monomère appropriés en utilisant du zinc lactate ou octanoate d'étain comme catalyseur. Leurs propriétés thermiques, dégradation hydrolytique, dégradation enzymatique, propriétés mécaniques et comportement à mémoire de forme ont été étudiées à l'aide de DSC, RMN, SEC, ESEM, DMA et machine à traction Instron. Les copolymères de triméthylène carbonate et DL-lactide (PTDLA) peuvent être dégradés non seulement par simple hydrolyse, mais aussi par la protéinase K. Le copolymère PTDLA composé de 50/50 TMC/LA est très élastique, Tg servant de température de transition entre les formes temporaire et permanente. Le PTMC ne peut pas être dégradé par simple hydrolyse ou par la protéinase K, mais peut être dégradé par les lipases de Candida Antarctica et Hog Pancreas. La biocompatibilité des PLLA, PTMC, PCL, PTLLA, PTDLA et PTCA a été évaluée par des expériences d'hémolyse, adhésion des plaquettes, MTT et culture cellulaire. Les résultats montrent des tous les polymères présentent très bonnes propriétés hémolytiques et anti-coagulantes, bonne adhésion, propagation et prolifération des cellules. / A series of homopolymers such as poly(L-lactide) (PLLA), poly(trimethylene carbonate) (PTMC), poly(e-caprolactone) (PCL) and various copolymers were synthesized by ring opening polymerization of appropriate monomer feeds using zinc lactate or stannous octoate as catalyst. Their thermal properties, hydrolytic degradation, enzymatic degradation, mechanical properties and shape memory behavior were investigated by using DSC, NMR, SEC, ESEM, DMA and Instron tensile instrument. Among the various polymers, copolymers of trimethylene carbonate and DL-lactide (PTDLA) can be degraded not only by pure hydrolysis, but also by proteinase K. PTDLA composed of the same TMC and LA contents is highly elastic, Tg acting as the switch temperature between temporary and permanent shapes. PTMC cannot be degraded by pure hydrolysis or by proteinase K, but can be degraded by lipases from Candida Antarctica or Hog Pancreas. The biocompatibility of PLLA, PTMC, PCL, PTLLA, PTDLA and PTCA was evaluated from haemolysis experiments, platelet adhesion, MTT assay and cell culture. The results showed that all the polymers present outstanding haemolytic and anti-coagulant properties, and good cellular adhesion, spreading and proliferation.

Cette thèse s’est articulée autour de l’élaboration de revêtements surfaciques à base de polymères et de composants naturels. Dans un premier projet, des surfaces mécano-sensibles pour des applications de libération de molécules bioactives ont été élaborées. Des films de multicouches polyélectrolytes constitués d'une strate « réservoir » permettant le chargement d’une molécule bioactive, le paclitaxel, et d'une strate « barrière » mécano-sensible recouvrant ce réservoir et confinant le paclitaxel ont été élaborés. Lors de la mise sous étirement du film, la barrière est rendue perméable vis-à-vis d'une enzyme présente dans le surnageant. Cette enzyme induit ensuite la dégradation enzymatique du « réservoir » et la libération du paclitaxel. Dans un second projet, des substrats cellulaires nourriciers ont été réalisés à partir de films minces de gélatine réticulés mimant la matrice extracellulaire. Ces films peuvent être chargés: 1) en facteurs de croissance, ce qui permet de s'affranchir ensuite de l'ajout de ces molécules dans le milieu de culture; 2) en nanoparticules afin de moduler les propriétés mécaniques des films; 3) en agents antimicrobiens pour assurer une stérilité de la culture cellulaire. Ainsi, ces substrats aux propriétés biochimiques et biophysiques modulables permettent un contrôle précis du microenvironnement cellulaire. / This PhD work is about designing surface coatings with polymers and natural compounds. In the first project, mechanosensitive surfaces have been developed for drug release applications. Polyelectrolyte multilayer films have been designed with i) one reservoir strata for the loading of a bioactive molecule, paclitaxel, and ii) one mechanosensitive barrier strata on top of the reservoir to confine the molecule. When a mechanical stretch is applied on the structure, the barrier becomes permeable and enables the diffusion of an enzyme within the film.This enzyme degrades the reservoir strata and triggers the release of paclitaxel. In a second project, ECM-mimicking feeder substrate has been developed with crosslinked gelatin thin films. These films can be loaded with: i) growth factors to prevent any further addition of these compounds in the culture medium; ii) nanoparticles to modulate mechanical properties of the substrate; iii) antimicrobial agents to ensure sterility during cell culture experiments. Finally, these substrates have some biochemical and biophysical tunable properties that enable the precise control of cell microenvironment.