Répondant à une forte demande de sécurité, d’économie de poids et d’optimisation du volume utile, les réservoirs pour carburants sont actuellement généralement constitués d’une paroi barrière polymère multicouche visant à limiter les émissions de vapeurs dans l’atmosphère. Etre capable de prédire les perméabilités est primordial pour l’optimisation de telles structures. Grâce à des automates conçus au laboratoire, les mesures de sorption et de perméabilité ont été réalisées pour trois polymères leaders du domaine (PEHD, Liant et EVOH) et des mélanges modèles de carburants composés d’éthanol, d’iso-octane et de toluène. Les propriétés de sorption ont été modélisées par UNIQUAC et un nouveau modèle inédit SORPFIT. Les paramètres des lois de diffusion, de type TSVF2 ou Long généralisé, ont aussi été optimisés pour chaque polymère malgré une difficulté particulière pour l’EVOH. Une méthodologie originale a été ensuite proposée pour la prédiction des flux partiels des multicouches à partir des paramètres caractéristiques des monocouches correspondantes. Selon la nature et la disposition de chaque couche, deux cas de figures ont été identifiés : la limitation cinétique et la limitation thermodynamique du transfert, cette dernière étant estimée à partir des modèles de sorption initialement optimisés. La confrontation des calculs avec les mesures expérimentales réalisées pour des films bicouches et tricouches d’Arkema montre des prédictions très satisfaisantes. Cette approche est finalement étendue à la simulation de la perméabilité de structures multicouches plus complexes et plus représentatives des réservoirs pour carburants industriels / Responding to a strong demand for security, weight reduction and volume optimization, the fuel tanks are currently usually made of polymer multi-layer barriers in order to limit vapour emissions into the atmosphere. The prediction of their permeability remains a world-wide critical challenge for the multi-layer optimization. Thanks to original semi-automated experimental set-ups, sorption and permeability measurements were carried out for three leading polymer materials (HDPE, EVOH and Binder) and model fuel mixtures of ethanol, iso-octane and toluene. The modelling of the sorption properties was successfully achieved by the UNIQUAC model and a new model called SORPFIT. The parameters of the diffusion laws according to the TSVF2 or the generalized Long models were also optimized for each polymer despite some difficulty with EVOH. An original methodology was then proposed for predicting the partial fluxes of polymer multi-layers from the characteristic parameters of the corresponding mono-layers. Depending on the nature and disposition of each layer, two scenarios were identified: the kinetics limitation and the thermodynamics limitation of mass transfer, the latter being estimated from the sorption models initially optimized. The comparison of the calculated fluxes with the experimental data obtained for bi-layer and tri-layer films provided by the world-wide industrial company Arkema showed that the predictions were very satisfying. This approach was then extended to the simulation of the permeability of more complex multi-layer structures which are more representative of commercial fuel tanks

La thèse décrit la caractérisation physico-chimique et les applications électroanalytiques de nouveaux matériaux nanocomposites, déposés sur des surfaces d'électrode par autoassemblage électrostatique de polyélectrolytes (PE), d'enzymes et de nanoparticules d'or (NP).<br />La croissance de ces films multicouches fut suivie in situ par spectroscopie et microgravimétrie. L'électrochimie a permis de quantifier le processus de transfert d'électron, la perméabilité des films et la cinétique électroenzymatique. Des relations structure-propriétés furent établies par modélisation cinétique et structurale.<br />La glucose oxydase et la polyphénol oxydase furent assemblées sur des électrodes d'or et de carbone vitreux avec le polydiallyldimethylammonium et le chitosane. L'assemblage de NP et de PE redox, à base de complexe d'osmium ou de viologène, conduit à des films nanocomposites dont les propriétés de conduction électronique furent caractérisées et appliquées au développement de transducteurs.

L'optimisation des états de surface constitue un enjeu majeur pour les biomatériaux utilisés dans le domaine biomédical. Le titane (Ti) et ses alliages à base de nickel (NiTi) restent à ce jour les biomatériaux métalliques de prédilection dans nos applications cliniques en Odontologie (implants dentaires, instruments endodontiques, et arcs orthodontiques). Le but de nos recherche est d'optimiser les surfaces du Ti et NiTi en les fonctionnalisant par des films multicouches de polyélectrolytes (FMP). Notre travail propose d'étudier différents paramètres devant être impérativement validés avant d'envisager une quelconque application biomédicale in vivo avec ce type de revêtement. Une recherche bibliographique exhastive appuie notre recherche expérimentale. Le premier axe du travail propose de déterminer si des FMP peuvent effectivement s'adsorber chimiquement sur le Ti et le NiTi. qui plus est, une étude biologique est réalisée avec des cellules humaines pour tester la biocompatibilité des ces surfaces fonctionnalisées. La deuxième partie se concentre sur la biocompatibilité de la couche précurseur des FMP à base de polyéthyléneimine (PEI). Les résultats mettent en lumière une certaine cytotoxicité de la PEI envers des ostéoblastes et des fibroblastes gingivaux humain. Pour clore ce travail, nous réalisons des essais de stérilisation afin d'évaluer l'influence d'un tel procédé sur les FMP en terme de caractérisations physico-chimique et biologique des surfaces. La perspective d'une application biomédicale avec les FMP semble prometteuse, notamment en y introduisant des molécules bioactives. Cependant, bien d'autres paramètres sont encore à étudier avant d'envisager une application expérimentale et/ou clinique in vivo. Nous pouvons citer par exemple, le vieillissement des FMP, leur comportement en milieu salivaire ou fluoré, ou encore leur résistance à l'usure. Ces différents éléments rentrent dans les perspectives d'un projet post-doctoral. / Optimization of surface properties is a fundamental priority for biomaterials uses in biomedical applications. Titanium (Ti) and nickel-titanium alloys (NiTi) are the references in terms of metallic biomaterials for clinical applications in Odontology (Dental implants, endodontic instrumentations, and orthodontic arches). The aim of our work is to study the Ti and NiTi surfaces coated with polyelectrolytes multilayers films (PEM). Our work study various parameters needed to be validated before using this functionalized surface treatment for biomedical and clinical applictions in vivo. The first part of this work aims at defining the possibility to chemically adsorb PEM coating on Ti and on NiTi surfaces. Moreover, we have realized a biological study with human cells to test the biocompatibility of functionalized surfaces. In the second part of this thesis, we tested the biocompatibility of the multilayered structure in regards to the precursor base layer of PEM, the polyethyleneimine (PEI). Our reuslts show that the PEI is not cytotoxic towards osteoblasts and human gingival fibroblasts. Finally, we relaized tests of sterilization to evaluate PEM stability in terms of physico-chemical and biological surface characterizations. The development of specific biomedical applications for PEM is an exciting perspective, especially when these firms are functionalized with bioactive molecules. However, many other parameters murst be studied before imagining an experimental or clinical application in vivo. As an example, PEM degradation as well as behaviour in salivary or fluoride solution, still needs to be tested.

Dans le domaine des biomatériaux, cette thèse s’intéresse à l’influence de l’élasticité du substrat sur la division et la plasticité de la chromatine de cellules épithéliales. La létalité des cellules est corrélée aux faibles rigidités des substrats. Cependant, quelques cellules tumorales SW480, incluant celles portant des anomalies de ségrégation des chromosomes, progressent en mitose. Ces anomalies seraient à l’origine de réarrangements chromosomiques, sources de nombreuses mutations. Les substrats mous conduisent à la formation d’hétérochromatine tandis que les substrats très mous induisent la nécrose des cellules PtK2. Sur ces substrats, l’euchromatine est maintenue après inhibition de HDAC, permettant aux cellules de résister à la nécrose, indépendamment de la compétence transcriptionnelle du noyau. Ces cellules s’étalent à nouveau après transfert sur un substrat rigide. Ces résultats suggèrent 1) une voie de signalisation entrante initiée par le substrat conduisant à la nécrose via la formation d’hétérochromatine 2) une voie de signalisation sortante initiée par l’euchromatine permettant la survie cellulaire. / In the biomaterials field, this PhD work is about influence of substrate elasticity on cell division and chromatin plasticity of epithelial cells. Soft substrates cause massive death.However, some SW480 tumor cells, including those bearing chromosomal segregation abnormalities progress in mitosis. These abnormalities could result in more chromosomal rearrangements, increasing mutations. Soft substrates lead to heterochromatin remodelling and very soft substrates promote necrosis of PtK2 cells. On these substrates, euchromatin could be maintained after HDAC inhibition independently of the nuclear transcriptional competence.These cells spread again after tranfer on stiff substrates. These results suggest i) outside-insignalling cascade initiated at the soft substrate surface leading to heterochromatin remodelling and ultimately necrosis, ii) inside-out signaling cascade initiated from euchromatin allowing cell to overcome necrosis on soft substrate.

L’objectif de cette thèse est d'étudier l'influence d'hydrogels de faibles rigidité sur l’organisation de la chromatine de cellules épithéliales PtK2 et cancéreuses SW480. Sur des hydrogels mous, la chromatine de PtK2 se structure en hétérochromatine. Les hydrogels très mous conduisent à la nécrose. Sur ces substrats, l'euchromatine, maintenue par inhibition de HDAC, guide la cellule en quiescence. Ces cellules se divisent après transfert sur surfaces rigides. Un processus de dissémination métastatique est développé en cultivant des cellules cancéreuses sur des hydrogels très mous (E20) et des surfaces rigides (verre). Les cellules meurent lors du 1er passage sur E20. Au 2ème passage sur E20, leur survie, motilité et pourcentage en hétérochromatine augmentent. Au 3ème passage, la survie et la motilité progressent cependant le pourcentage en hétérochromatine diminue. Du 1er-2ème passage, les cellules répondent à un processus de dissémination « hétérochromatine­ dépendant » , du 3ème-4ème passage à un processus « euchromatine-dépendant » . / The aim of this thesis is to investigate the influence of soft hydrogels on the chromatin plasticity of epithelial PtK2 and cancer cells SW480. On soft hydrogels, the chromatin of PtK2 cells is organized in heterochromatin. The very soft hydrogels direct the cell death by necrosis. On these substrates, the euchromatin maintained by inhibition of HDAC guides the cells into quiescence. These cells transferred on stiff substrate enter in mitosis. A process of metastatic dissemination is developed from cancer cells grown on very soft hydrogels (E20) and stiff surfaces (glass). On the 1st seeding on E20, cells die. The 2nd seeding on E20 shows that cell viability, motility and heterochromatin percentage increase. On the 3rd seeding on E20, survival and motility continue to increase while the heterochromatin percentage decrease. From the 1st- 2nd E20 seeding, cells respond to a heterochromatin-dependent process of metastatic dissemination and from the 3rd-4th E20 seeding to an euchromatin-dependent process.

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.