In order for the vast therapeutic potential of tissue engineering to be realized, inductive three-dimensional (3D) scaffolds that can direct cell behaviour and tissue architecture must be developed. Although a variety of strategies which enable scaffold-based biofactor release are under investigation, the processing conditions typically employed restrict the system architectures and mechanical properties that can be produced.The main objective of this thesis work was to develop an inductive tissue engineering system for in situ 3D gene delivery, utilizing the layer-by-layer deposition technique and a model scaffold. Towards that end, a novel polyelectrolyte multilayer film system composed of glycol-modified chitosan (Glyc-CHI) and hyaluronic acid (HA) was developed and analyzed. This biocompatible Glyc-CHI/HA multilayer system was then modified to incorporate gene delivery lipoplexes, composed of plasmid DNA complexed with Lipofectamine2000TM, in order to facilitate in vitro delivery of a marker gene encoding enhanced green fluorescent protein (EGFP). The system, with and without incoporated gene delivery lipoplexes, was then adapted to be used as a LbL coating on a 3D model porous scaffold system microfabricated from poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). The polyelectrolyte multilayer film system developed in this study exhibited a number of novel and useful features. Glyc-CHI/HA films composed of 5 or more bilayers were displayed significantly increased in vitro cellular adhesion, growth and viability compared to corresponding films consisting of the well characterized unmodified chitosan/HA system, while maintaining many similar physical properties. Meanwhile, multilayers incorporating gene delivery lipoplexes achieved in vitro transfection efficiencies of up to 20% in NIH3T3 and HEK293 cells, and were able to maintain transfection for at least 7 days. PLGA scaffolds LbL-coated with these Glyc-CHI/HA films supported in vitro MC3T3 cell growth and viability for a period of at least 2 weeks at levels similar to, or better than, those achieved in uncoated control scaffolds. A novel imaging technique known as optical coherence phase microscopy (OCPM) was demonstrated to enable in situ, non-invasive, label-free imaging of tissue structure and viability within our 3D tissue engineering scaffolds. Finally, coated PLGA scaffolds incorporating gene delivery lipoplexes were found to support scaffold-based in vitro transfection of HEK293 cells at levels significantly higher than uncoated scaffolds with surface adsorbed lipoplexes. Overall, this thesis work thus serves as an important first step towards using Glyc-CHI/HA multilayer films for controlled delivery of various therapeutic genes in 2D and 3D inductive tissue engineering applications. / Afin de voir l'important potentiel thérapeutique que représente l'ingénierie tissulaire se réaliser, il faut d'abord voir la réalisation de matrices inductrices tridimensionnelles pouvant régir le comportement des cellules de même que l'architecture des tissus. Bien que différentes stratégies permettant la libération de molécules bioactives en matrice soient à l'étude, les conditions de traitement les plus souvent utilisées restreignent l'architecture du système et les propriétés mécaniques qui pourraient être produites.Le principal objectif de cette thèse était de développer un système inducteur d'ingénierie tissulaire pour la libération tridimensionnelle in situ de gènes à l'aide d'une technique de dépôt couche par couche et d'un modèle matriciel. Vers la fin, un nouveau système de pellicule de polyélectrolytes à couches multiples composé de chitosane modifié au glycol (Glyc-CHI) et d'acide hyaluronique avait été conçu et analysé. Ce système biocompatible à couches multiples de Glyc-CHI/HA a ensuite été modifié pour incorporer des lipoplexes issus de la libération de gènes et composés d'ADN plasmidique complexé avec du Lipofectamine2000MC, et ce, afin de faciliter la libération in vitro d'un gène marqueur qui encoderait des protéines à fluorescence verte (GFP). Avec ou sans l'incorporation des lipoplexes issus de la libération des gènes, le système a par la suite été adapté pour servir d'enveloppe couche par couche sur un système de modèle matriciel tridimensionnel et poreux microfabriqué à partir de polyacide lactique coglycolique (PLGA). Le système de pellicule de polyélectrolytes à couches multiples qui a été conçu au cours de cette étude démontrait un certain nombre de nouvelles caractéristiques utiles. Les pellicules de Glyc-CHI/HA composées de 5 bicouches présentaient une adhésion, croissance et viabilité accrues des cellules in vitro comparativement à des pellicules similaires formées du système bien connu de chitosan/HA non modifié, tout en conservant de nombreuses propriétés physiques semblables. On a pu observer que des couches multiples incorporant des lipoplexes issus de la libération de gènes parvenaient à atteindre in vitro un rendement de transfection de 20 % dans les cellules NIH3T3 et HEK293 et étaient en mesure de maintenir cette transfection pendant au moins 7 jours. Il a également été démontré que les matrices de PGLA enrobées de ces pellicules de Glyc-CHI/HA pouvaient appuyer la croissance et la viabilité in vitro de cellules MC3T3 pour une durée minimale de deux semaines, et ce, à des niveaux semblables ou supérieurs à ceux atteints par les matrices témoin non enrobées. Une nouvelle technique d'imagerie nommée microscopie de phase par cohérence optique a permis d'obtenir des images in situ non invasives et dépourvues d'étiquettes de la structure et de la viabilité des tissus à l'intérieur de nos matrices tridimensionnelles d'ingénierie tissulaire. Enfin, on a pu observer que les matrices de PLGA enrobées incorporant des lipoplexes issus de la libération de gènes appuient la transfection in vitro de cellules HEK293 dans la matrice à des niveaux nettement supérieurs à ceux des matrices non enrobées dont la surface a adsorbé des lipoplexes. En général, la présente thèse est un important premier pas vers l'utilisation de pellicules de Glyc-CHI/HA à couches multiples pour la libération contrôlée de divers gènes thérapeutiques dans les applications inductives bi- et tridimensionnelles de l'ingénierie tissulaire.

Magnetic resonance imaging has become an invaluable tool in clinical neurology because of its ability to provide excellent contrast between different soft tissues of the brain, including pathologically altered tissues. Image processing methods can be used to further the detection and quantification of such tissues, as has been the case for the well-studied white matter (WM) lesions in the brains of patients with multiple sclerosis (MS). Considered an immune-mediated disease of the central nervous system, MS has long been believed to be a disease of the WM, though recent studies have shifted the focus to the pathologically altered grey matter (GM) tissue, which is difficult to visualize in vivo. As the appreciation grows for cortical GM pathology in patients with MS, so does the need for imaging methods that capture said pathology and for understanding the relationship of those methods to the clinical outcome of the patient. Hence, the main objective of this thesis was to evaluate and develop image processing methods for the in vivo quantification of GM pathology in patients with MS. We reveal the strengths and weaknesses of the currently available techniques for measuring GM pathology, highlighting the need for separate cortical and deep GM methodologies. We also, introduced a novel surface-based technique involving magnetization transfer ratio (MTR) images for imaging putative areas of subpial demyelination, the most common form of cortical lesion seen on postmortem analysis that has yet to be captured via in vivo imaging techniques. Finally, we showed that, of the imaging metrics available for measuring cortical pathology, widespread cortical damage detected with surface-based measures of MTR have the strongest relationship to cognitive performance in cognitively impaired patients with MS. Importantly, all cross-sectional studies were performed using images typically obtained in the clinical setting and at the accessible field strengths of 1.5 T and 3 T, giving the work instant clinical feasibility and relevance. / L'imagerie par résonance magnétique est un outil précieux en neurologie grâce à sa capacité à fournir un excellent contraste entre différents tissus du cerveau, y compris les tissus altérés pathologiquement. Les méthodes de traitement d'image peuvent être utilisées pour favoriser la détection et la quantification de ces tissus, comme dans le cas des lésions de la substance blanche (SB) du cerveau des patients atteints de sclérose en plaques (SEP). Considérée comme une maladie auto-immune du système nerveux central, la SEP a longtemps été étudiée comme une maladie de la substance blanche. Des études récentes ont déplacé l'attention vers les pathologies de matière grise (SG) du tissu qui sont difficiles à visualiser in vivo. L'appréciation se développe pour la pathologie de la SG corticale chez les patients atteints de SEP, tout comme le besoin de méthodes d'imagerie qui capturent ladite pathologie et la compréhension de la relation de ces méthodes à l'évolution clinique du patient. Par conséquent, l’objectif principal de cette thèse est l'évaluation et le développement de méthodes de traitement d'image pour la quantification in vivo de la pathologie de SG chez les patients avec la SEP. Nous révélons les forces et les faiblesses des techniques disponibles pour mesurer la pathologie de SG, soulignant la nécessité de séparer les méthodes pour le SG corticale et profonde. Ensuite, on présente une nouvelle technique de surface impliquant des images de rapport de transfert de magnétisation (MTR) pour étudier les zones possibles de démyélinisation sous-pie-mère, la forme la plus commune de lésion corticale observée en analyse post-mortem qui n'ait pas encore été vue par l'intermédiaire d'imagerie in vivo. Enfin, nous montrons que, parmis les indicateurs disponibles pour mesurer pathologie corticale en imagerie, les lésions corticales détectées à l'aire de mesures de MTR sur des surfaces ont la corrélation la plus forte avec la performance cognitive chez des patients atteints de SEP avec des facultés cognitives affaiblies. Fait important, toutes les études transversales ont été réalisées à partir d'images obtenues typiquement en milieu clinique et à des niveaux de champs de 1,5 T et 3 T, conférant à cet ouvrage faisabilité et pertinence clinique.

Most patients with type 1 diabetes do not achieve glycemic targets. Glucose-responsive closed-loop hormonal delivery that automatically regulates glucose levels (the "artificial pancreas") is a long-awaited goal for diabetes and its development was recently triggered by advances in glucose sensors and infusion pumps. The objective of this thesis is to accel-erate the development of closed-loop delivery systems. Closed-loop regulation of postprandial glucose remains a major challenge, but could be overcome with better understanding of postprandial glucose fluxes. However, ill-conditioning of the computational problem accompanying dual- and triple-tracer experimental techniques hinder their assessment. In this thesis, a novel computational method based on Bayesian inference to estimate postprandial glucose fluxes is presented. The method is then used to validate the dual- and triple-tracer techniques against an independent standard and shows that both methods provide accurate estimates of glucose appearance. Pre-clinical testing of closed-loop systems in a computer-simulation environment facilitates optimization of dosing algorithms. In this thesis, a novel fully probabilistic method to generate stochastic virtual patients for the assessment of closed-loop systems is presented. The method performs one to one mapping of an individual's experimental data into a stochastic virtual patient in a process we termed "stochastic e-cloning". Finally, a novel bi-hormonal (insulin and glucagon) closed-loop delivery system is presented. The dosing algorithm is based on fuzzy-supervised model predictive controller combined with extended Kalman filtering and a set of heuristic rules. The system is compared with conventional pump therapy in 15 patients for a 15-hour experimental period (4pm-7am) utilizing a randomized crossover study design. The closed-loop system significantly improves glucose control and reduces the risk of hypoglycemia. / La plupart des patients ayant le diabète de type 1 n'atteignent pas leur cible glycémique. Le dosage en boucle fermée d'hormone permettant de modifier le taux de glucose de façon automatique (le « pancréas artificiel ») est une percée attendue depuis longtemps pour le traitement du diabète, et son développement a été récemment accéléré par le développement de capteurs de glycémie continus et de pompes à infusion. L'objectif de cette thèse est d'accélérer le développement de systèmes d'infusion en boucle fermée. La régulation en boucle fermée de la concentration de glucose postprandiale demeure un défi majeur, qui pourrait toutefois être surmonté par une meilleure compréhension des flux de glucose postprandiaux. Cependant, le mauvais conditionnement numérique du problème de calcul associé aux techniques expérimentales de double et triple traceurs rend leur évaluation difficile. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de calcul basée sur l'inférence bayésienne est présentée pour l'estimation des flux de glucose postprandiaux. Cette méthode est utilisée pour valider les techni-ques de double traceur et de triple traceur en les comparants à un étalon indépendant. On montre que ces deux méthodes produisent des estimations précises de l'augmentation de glucose.Des tests pré-cliniques de systèmes en boucle fermée dans un environnement de simulation par ordinateur facilitent l'optimisation des algorithmes de dosage. Dans cette dissertation, nous présentons une nouvelle méthode entièrement probabiliste de génération de patients stochastiques virtuels pour l'évaluation des systèmes en boucle fermée. La méthode établit un lien de correspondance entre les données expérimentales individuelles et des patients stochastiques virtuels dans un processus appelé « stochastic e-cloning ».Finalement, nous présentons un nouveau système d'infusion bi-hormonal (insuline et glucagon) en boucle fermée. L'algorithme de dosage est basé sur une commande prédictive aidée d'un superviseur à logique floue et d'un filtre de Kalman étendu, ainsi que d'un ensemble d'heuristiques. Le système est comparé à une thérapie à pompe conventionnelle pour 15 patients pendant une période expérimentale de 15 heures (16h00 à 7h00) en utilisant un plan d'étude croisé randomisé. Le système en boucle fer-mée améliore considérablement le contrôle du glucose et réduit le risque d'hypoglycémie.

Biomedical devices developed for detection, sorting and in vitro culture of cells are important tools in both clinical diagnostics and fundamental research. Recently, with the advances in miniaturization, Lab-on-Chip (LOC) devices have started to play an important role in detection and enrichment of rare cells. Since they do not alter the properties of target cells, label-free methods are a suitable option for cell separation. This dissertation focused on two main label-free approaches, namely adhesion-based and size-based and several novel microchips were introduced for separation of target cells using both size-based and adhesion-based approaches. The first device a multilayered, fully thermoplastic-based microfluidic chip was designed and fabricated for high-throughput size-based separation of micro/nano particles and cells. High-throughput (100 μl/min) separation of micro/nano particles and rare primary cells, with greater than 95% separation efficiency, was successfully demonstrated (Chapters 4 and 5). The second series of microchips were based on adhesion-based separation; multiplex covalently attached microarrays and gradients of biomolecules were produced and embedded inside a single microfluidic chip (chapters 7 and 8). The developed bio-functional interfaces were embedded in a multi-purpose adhesion-based microchip to simultaneously capture, separate, pattern and culture primary and rare cells in vitro. Using this chip, oligodendrocyte progenitor cells and cardiomyocytes were successfully separated from rat brain and heart tissues, respectively with greater than 95% separation efficiency in 10min (Chapter 9). Separation of two dissimilar primary cells, in terms of biological properties and initial population, demonstrated the universality of the developed chip towards efficient cell separation. More importantly separated cells can be cultured on the same chip for different subsequent applications such as proliferation for cell therapy or drug testing. / Les dispositifs biomédicaux développés pour la détection, le triage et la culture cellulaire sont des outils importants en diagnostic clinique et en recherche fondamentale. Récemment, avec les progrès dans le domaine de la miniaturisation et les microfluidiques, les 'laboratoires-sur-puces' (LOC) ont commencé à jouer un rôle significatif dans la détection et l'enrichissement des différents types de cellules. Parmi les multitudes LOC développés pour ces applications, ceux n'impliquant pas de marquage représentent une option attrayante, car ils ne modifient pas les propriétés des cellules ciblées par le triage. Séparation à base d'adhérence cellulaire ou en utilisant la différence entre la taille physique des cellules sont les deux approches principales qui ne nécessitent pas de prétraitement des cellules et leur marquage. Dans cette thèse, des micropuces proposées emploient des méthodes sans marquage préalable des cellules ciblées tout en exploitent, soit leurs propriétés d'adhésion et leur affinité pour la biointerface, soit leur différence de taille par rapport la taille des autres cellules dans le mélange initial. En ce qui concerne la première micropuce, nous avons développé un dispositif microfluidique original et multicouche à base de thermoplastique pour la séparation de micro/nanoparticules et de cellules de tailles différentes. Une efficacité de séparation supérieure à 95% a pu être réalisée à haut débit (150 μl/min),Quant à la séparation basée sur l'adhérence, tout d'abord, nous avons introduit des LOCs pour produire des gradients de concentration de biomolécules dans un seul canal microfluidique. Dans un deuxième temps, ce concept a été utilisé pour fabriquer une puce multifonctionnelle sur laquelle, il était possible de simultanément capturer, séparer des cellules rares de source primaire, paver la surface avec des motifs des cellules et les cultiver sur la même puce. En utilisant cette puce, des cellules progénitrices d'oligodendrocytes (OPC) et des cardiomyocytes provenant respectivement du cerveau et du cœur du rat, ont pu être séparés en 10 min avec une efficacité de séparation supérieure à 95% des autres cellules dans le mélange tissulaire. La séparation de ces deux types de cellules primaires démontre l'efficacité et l'universalité de cette puce multifonctionnelle pour la séparation d'une gamme de mélanges cellulaires avec différentes concentrations initiales des cellules ciblées par le triage.

The purpose of this study was to determine the effects of local delivery ofthe bisphosphonate alendronic acid (AA) on bone formation around, withinand on porous titanium implants. Cylindrical rods 9mm in diameter and90mm in length were coated with either 0.2mg or 1.0mg of AA prior tobilateral surgical implantation into the femoral intramedullary canals of 10experimental canines. Twelve weeks after surgery the femora wereharvested and scanned with micro computed tomography (microCT) prior toprocessing for undecalcified thin section histology and analysis withbackscattered scanning electron microscopy (BSEM). MicroCT analysisshowed that both levels of AA significantly enhanced peri-implant boneformation around the coated implants compared with controls, with the 1.0mg AA dose resulting in a 3.5-fold greater increase than 0.2mg AA. BSEManalysis of peri-implant bone formation correlated very well the microCTanalysis in a direct comparison of matched microCT and histologic sections.BSEM analysis showed no significant effect of either 0.2mg AA or 1.0mg AAon bone-implant apposition or the extent of bone growth into the implantporous coating. This thesis provided valuable guidance on the doseresponse to locally delivered AA and its potential for enhancing the fixationof orthopaedic implants by increasing the amount of bone that forms withinthe immediate peri-implant space. / L'objectif de cette étude était de déterminer les effets d'une administration localedu biphosphonate acide alendronique (AA) sur la formation osseuse sur, autour età l'intérieur d'implants poreux en titanium. Des tiges cyclindriques de 9mm dediamètre et de 90mm de longueur ont été enduites avec 0.2mg ou 1.0mg de AApréalablement à leur implantation chirurgicale bilatérale dans les canaux fémorauxintramédullaires sur 10 canins expérimentaux. Douze semaines après lachirurgie, les fémurs ont été prélevés et scannés par tomodensitométrie (microCT)avant l'histologie de sections minces décalcifiées et l'analyse par microscopie àbalayage d'électrons rétrodiffusés (BSEM). Les analyses microCT ont montréque les deux doses de AA amélioraient significativement la formation osseuse périimplantautour des implants enduits comparativement aux implants contrôles ; ladose de 1.0mg de AA résultant en une augmentation 3.5 fois supérieure à celleobtenue avec la dose de 0.2mg de AA. Les analyses BSEM de la formationosseuse péri-implant ont montré une bonne corrélation avec les analyses microCTpar une comparaison directe des sections correspondantes microCT ethistologiques. Les analyses BSEM n'ont montré d'effet significatif ni de la dose0.2mg ou 1.0mg AA sur l'apposition os-implant ou sur le niveau de croissanceosseuse dans l'implant poreux enduit. Cette thèse a permis de fournir desdonnées utiles sur la dose réponse pour une administration locale de AA ainsi quesur son potentiel pour améliorer la fixation d'implants orthopédiques en accroissantla quantité osseuse qui se forme aux environs immédiats de la zone péri-implant.

Patients suffering from chronic renal disease and acute liver failure may require extracorporeal blood filtration to clear toxins from their blood. Sorbent materials are used in re-circulating hemodialysis devices and hemoperfusion devices, but they can be expensive to manufacture. Current sphere and particle shaped sorbent materials create large pressure drops when subjected to a passing fluid, further reducing the practicality of their use. To address these problems, a novel sorbent material was developed in this thesis by co-depositing alginate and activated carbon onto a steel wire mesh using electrophoretic deposition. A device was first created to perform electrophoretic deposition and to characterize the process as applied to three different grades of alginate. The properties of the resultant gels were compared, and the medium viscosity grade alginate was selected as the sorbent matrix. Alginate and activated carbon were co-deposited onto steel wire mesh to create a novel sorbent material. The sorbent gel physical properties were characterized. The process was analysed in context of dimensional optimization. A solution consisting of urea, uric acid, ammonia and creatinine was used to evaluate the sorbent performance of the material which was compared to other activated carbon immobilization techniques from literature. The material was shown to have promise as a blood toxin absorbent. The process outlines in this thesis is highly versatile, inexpensive, can easily be performed on an industrial scale, and could easily be adapted for a wide range of biomedical applications. / Les patients souffrant de la maladie rénale chronique et de la maladie hépatique peuvent exiger de la filtration sanguine extracorporelle pour éliminer les toxines de leur sang. Des matériaux absorbants sont utilisés dans des dispositifs d'hémodialyse recirculation et les dispositifs hemoperfusion, mais ils peuvent être coûteux à fabriquer. Des sphères actuelle et de particules en formé de matériaux absorbants créer de grandes chutes de pression quand ils sont soumis à un fluide passent. Pour résoudre ces problèmes, un nouveau matériau absorbant a été développé dans cette thèse en déposant de carbone activé et de l'alginate sur un treillis d'acier inoxydable en utilisant un dépôt électrophorétique. Un dispositif a d'abord été créé pour effectuer le dépôt électrophorétique et pour caractériser le processus tel qu'il est appliqué à trois niveaux différents de l'alginate. Les propriétés des gels obtenus ont été comparées, et l'alginate de viscosité moyenne a été sélectionné pour être utilisé dans le matériau sorbant. Les propriétés physiques du treillis sorbant ont été caractérisées. Le processus a été analysé dans le contexte de l'optimisation dimensionnelle. Le rendement des sorbants du matériel a été évalué pour l'urée, l'acide urique, l'ammoniac et de la créatinine, et il a été comparé à d'autres techniques d'immobilisations de carbone activées de la littérature. Le matériel a déjà été démonstré pour être prometteur comme une toxine du sang absorbant. Le processus décrit dans cette thèse est très polyvalent, peu coûteux, peut facilement être réalisé à l'échelle industrielle, et pourrait facilement être adapté pour une large gamme d'applications biomédicales.

Chronic lower back pain is a clinical manifestation of vertebral disc degeneration. An emerging technique, nucleoplasty, aims to target early stages of disc degeneration. It is envisioned to inject a liquid-state polymer, poly(vinyl alcohol) hydrogels, into the nuclear cavity and allowed to cure in-situ. Two formulations of poly(vinyl alcohol) hydrogels were investigated for its suitability as an injectable polymer. Therefore, its swelling ability, stiffness, required extrusion pressures and temperature dependent curing rates were characterized. Comparable to native nucleus pulposus tissue, the hydrogels swell approximately 10–20 wt% and maintained 1–2.5 MPa stiffness over eight weeks in immersed in phosphate buffer saline. Extrusion pressures highly varied for different hydrogel temperatures and lapsed time. Curing rates for the first hydrogel formulation were slow whereas the second formulation reached within 72 hrs about 70 % of its final cured stiffness. The second hydrogel formulation is a more promising candidate for clinical use. / La lombalgie chronique est la manifestation clinique de la dégénération des disques intervertébraux. La nucleoplastie est une nouvelle technique destinée à traiter la dégénération du disque dans ses premières phases. Le principe consiste à injecter un polymère sous forme liquide, l'hydrogel poly(vinyl alcool), dans le nucléus pulposus, et de le laisser durcir in situ. Deux types d'hydrogels poly(vinyl alcool) ont été étudiés ici pour cette application. La capacité à s'étendre, la rigidité, la pression requise pour l'extrusion et la vitesse de durcissement en fonction de la température ont ainsi été caractérisés pour chacun des deux polymères. Les hydrogels ont des caractéristiques semblables au nucléus pulposus naturel : ils s'étendent de 10 à 20 % en poids et, immergés dans du tampon phosphate salin, maintiennent une rigidité de 1-2.5 MPa pendant 8 semaines. La pression d'extrusion varie significativement avec la température de l'hydrogel et le temps écoulé. La vitesse de durcissement du premier hydrogel était lente, alors que le second atteignait 70 % de sa rigidité finale en moins de 72 heurs. Cette seconde formulation semble plus prometteuse pour des applications cliniques.

The answers to many key neurological questions require the capability of localized chemical/drug delivery within cell/brain slice tissue culture with concomitant high-resolution optical imaging. The microfluidic probe (MFP) offers the capability of localized chemical/drug delivery. However, in its current design and implementation, the MFP is incompatible with upright microscope systems and thus incompatible with high-resolution water immersion microscope objectives lenses, which are needed to image small morphological features such as dendrites and synapses. The main objective of my research was to design and fabricate a new MFP that is compatible with the upright microscope system to further explore neuronal applications, which require local stimulation of neurons. The new upright microscope MFP was designed and two fabrication processes using a UV curable photopolymer (Norland Optical Adhesive or Off-stoichiometry thiolene) were developed to fabricate it. Two configurations of the MFP were produced, one with a bent tip, and the other with a straight mesa, with the rapid prototyping fabrication process. Preliminary characterization and proof of concept of local stimulation was done on the straight mesa MFP. In summary a new tool for local neuron stimulation was developed that offers wide range applications in neuroscience. In the thesis I explore its future use in determining the mechanisms of post-traumatic epilepsy. / Les réponses à de nombreuses questions neurologiques clés requièrent la capacité de livraison localisée de produits chimiques/médicaments dans la culture de tranches de tissus cellulaires / cerveau avec l'imagerie optique à haute résolution concomitante. La sonde microfluidique (MFP) offre la capacité de distribution localisée de produits chimiques / médicaments. Cependant, dans sa conception et sa mise en œuvre actuelle, la MFP est incompatible avec les systèmes de microscope droit et donc incompatible avec la microscopie à haute résolution ou les objectifs sont immergés dans de l'eau, qui est nécessaire pour l'acquisition d'images de petites caractéristiques morphologiques telles que des dendrites et des synapses. L'objectif principal de ma recherche était de concevoir et fabriquer une nouvelle MFP qui est compatible avec le système de microscopie droit pour l'employer dans des applications neuronales, qui nécessitent une stimulation locale des neurones. La nouvelle MFP pour microscope droit a été conçu et deux procédés de fabrication utilisant un photopolymère curable sous UV (Norland adhésif optique ou thiolène Off-stoechiométrie) ont été développés pour la fabriquer. Deux configurations de la MFP ont été produites, l'une avec une pointe coudée, et l'autre avec une mesa droite, à travers un procédé de fabrication de prototypage rapide. Une caractérisation préliminaire et des expériences de preuve de concept ou la stimulation locale a été effectuée avec la MFP à mesa droite. En résumé, un nouvel outil pour la stimulation locale de neurones a été développé qui offre de larges applications en neurosciences. Dans la thèse j'explore son utilisation future dans la détermination des mécanismes d'épilepsie post-traumatique.

This doctoral thesis describes the development of novel rapid deposition hydrogel platforms that serve as biointerfaces for real-time immunoassay using quartz crystal microgravimetry (QCM). Biointerface development was undertaken with the goal of developing a simple system relying on affordable technology to achieve real-time immunoassay performance equivalent to more complex and involved protocols. / The primary advantage of the hydrogel biointerfaces developed herein lies in their rapid preparation using affordable, non-toxic reagents. Compositions developed over three sequential development cycles rely on chemically cross-linking carboxymethylcellulose, which serves to covalently immobilise recognition elements through amine coupling, to polyethyleneimine. The various compositions require 10 minutes or less to deposit, a substantial improvement over competing self-assembled monolayer protocols requiring incubations ranging from hours to days using highly toxic reagents. Additional benefit lies in the immunoassay functionality of the biointerface, as these compositions excel in the traditional performance criteria of surface regeneration, minimisation of non-specific protein binding, and assay detection limit. / The peak detection limit achieved using a sandwich assay for a 17 kDa cytokine was 25 ng/mL in buffer and 500 ng/mL in a 1:3 serum dilution, with generic immunoassay capability for other cytokines demonstrated. Reusability of the developed biointerfaces is equally strong, with up to twenty regeneration cycles demonstrated without diminished sensitivity. Finally, mass-based estimates of non-specific serum adsorption indicate that the composition developed during the final design iteration equals the performance of the best protein-resistant biointerfaces currently available in the literature.

Hyaluronan is a fundamental component of the extracellular matrix (ECM), having essential roles in embryonic development, tissue hydration, and cell homeostasis. However, in many disease states hyaluronan can have a deleterious effect on tissue remodeling and function. To investigate the cell-mediated role of HA within the ECM, cells overexpressing the hyaluronan synthases (has-1, has-2, has-3) or the empty vector control (LXSN), were seeded within collagen gel scaffolds. In Specific Aim I, gels were grown under static tension for 6 weeks. The collagen gels containing has overexpressing cells had significantly increased retention and secretion of hyaluronan; reduced contraction; reduced collagen density; and significantly altered material properties vs. LXSN controls. These results indicate that the endogenous overproduction of hyaluronan within collagen gels alters their material, morphological and biochemical characteristics. In Specific Aim II, collagen gels containing has overexpressing cells and LXSN control cells were grown in a cyclic strain environment. Cyclic strain caused a significant elevation in the collagen fibril density, cell number, and hyaluronan content of the resulting collagen gels compared to those grown under a static strain regimen. The material behavior of collagen gels containing has overexpressing cells were weakened compared to controls. Transmission electron microscopy and immunohistochemistry showed that proteoglycan distribution was influenced by both strain and the specific has isozyme overexpressed. In Specific Aim III the effects of exogenous HA addition were examined in collagen gels containing either LXSN or has overexpressing cells. It was found that while exogenous high molecular weight HA reduced the diameter of collagen gels containing LXSN cells, the endogenous overproduction of HA (also of high molecular weight) caused the opposite effect. Furthermore, HA oligosaccharides caused an increase in the diameter of collagen gels containing LXSN cells, but had no effect in the has overexpressing groups. Similarly, the ultimate tensile strength was increased upon the addition of exogenous high molecular weight HA to collagen gels containing LXSN cells, but not has overexpressing cells. In this research collagen gels were used to simulate the impact of endogenously produced hyaluronan on overall extracellular matrix organization. This research provides an important step in understanding the role of hyaluronan within soft tissues, and offers insight into hyaluronan mediated pathological remodeling.