Découvert en 2006 au Laboratoire de Chimie des Surfaces et Interfaces (CEA Saclay), le procédé de Surface Electroinitiated Emulsion Polymerization (SEEP) est une nouvelle technique électrochimique de greffage covalent de films polymères fins sur des surfaces conductrices ou semi-conductrices à partir de solutions aqueuses, et ce, quelle que soit la solubilité du monomère dans l'eau. Son principe repose sur une polymérisation radicalaire électro-amorcée en milieu aqueux dispersé via la réduction de sels d'aryldiazonium. Sa mise en oeuvre et le processus réactionnel impliqué résultent de la combinaison de trois techniques : l'électrogreffage cathodique, la réduction électrochimique des sels d'aryldiazonium en radicaux aryles et la polymérisation radicalaire en milieu aqueux dispersé (émulsion ou miniémulsion). Ainsi, dans un système biphasique (miniémulsion), en présence d'un sel de diazonium, d'un monomère hydrophobe ((méth)acrylate) et d'un tensioactif (SDS), le procédé SEEP conduit, sous polarisation cathodique, en milieu acide (H2SO4), en quelques minutes et à température ambiante, à des films de polymère de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur solidement greffés au substrat. L'objectif de ces trois années de travail a été d'optimiser les conditions et les paramètres de synthèse des films par SEEP afin de mieux contrôler l'épaisseur des films greffés, mais surtout de comprendre le mécanisme moléculaire réactionnel de construction de ces films polymères. Celui-ci procède selon les trois étapes classiquement rencontrées dans une polymérisation radicalaire en chaîne conventionnelle (amorçage, propagation et terminaison), à la différence près que les réactions de terminaison correspondent à l'étape de greffage des macroradicaux formés dans la phase continue et sont, en réalité, des réactions de transfert. La polymérisation est amorcée en phase aqueuse par les radicaux hydrogènes et aryles, respectivement issus de la réduction électrochimique des protons et des sels d'aryldiazonium. Parallèlement, les radicaux aryles forment une sous-couche d'accroche de polyaryle greffée sur le substrat selon un mécanisme déjà reporté dans la littérature. La propagation se poursuit dans la phase aqueuse jusqu'à un degré de polymérisation critique au-delà duquel les oligoradicaux réagissent avec les noyaux aromatiques des groupements aryles de la sous-couche (réaction de transfert au polymère). De ce mécanisme de type « grafting to », il résulte des films de structure mixte polyaryle / poly(méth)acrylate / groupements aryles, spécifique aux films issus du procédé SEEP.

Diese Arbeit liefert die Grundlage für intelligente Beschichtungen aus kovalent gebundenen Polymeren, sogenannten Polymerbürsten, mit Schichtdicken von wenigen Nanometern. Durch ihre Fähigkeit die Oberflächeneigenschaften je nach Umgebungstemperatur, pH Wert und Zusammensetzung zu ändern, kann die Adsorption von Biomolekülen auf eine einzigartige Art und Weise kontrolliert und reguliert werden. Die zusätzliche Modifizierung der Polymerbürsten mit Elektronenstrahlen ermöglicht die Generierung von Gradienten und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in vielfältigen Bereichen der interdisziplinären Forschung, wie z.B. in Hinblick auf das Lab-on-Chip Design oder die Biomedizin. / Polymer brushes represent sensitive coatings with thicknesses of few nanometres and are interesting for interdisciplinary scientific research, e.g. for intelligent lab-on-chip design or biotechnology. It is demonstrated in this work, that polymer brushes are able to change their surface properties depending on the ambient conditions like solvent quality, temperature or pH value. This sensitivity highly influenced the adsorption of bio molecules. Especially mixed polymer brushes enabled the tuning of the adsorbed amount of various proteins and cells. To create surface gradients or structures in the different polymer brush surfaces, controlled electron beam modification was applied.

Diese Arbeit liefert die Grundlage für intelligente Beschichtungen aus kovalent gebundenen Polymeren, sogenannten Polymerbürsten, mit Schichtdicken von wenigen Nanometern. Durch ihre Fähigkeit die Oberflächeneigenschaften je nach Umgebungstemperatur, pH Wert und Zusammensetzung zu ändern, kann die Adsorption von Biomolekülen auf eine einzigartige Art und Weise kontrolliert und reguliert werden. Die zusätzliche Modifizierung der Polymerbürsten mit Elektronenstrahlen ermöglicht die Generierung von Gradienten und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in vielfältigen Bereichen der interdisziplinären Forschung, wie z.B. in Hinblick auf das Lab-on-Chip Design oder die Biomedizin. / Polymer brushes represent sensitive coatings with thicknesses of few nanometres and are interesting for interdisciplinary scientific research, e.g. for intelligent lab-on-chip design or biotechnology. It is demonstrated in this work, that polymer brushes are able to change their surface properties depending on the ambient conditions like solvent quality, temperature or pH value. This sensitivity highly influenced the adsorption of bio molecules. Especially mixed polymer brushes enabled the tuning of the adsorbed amount of various proteins and cells. To create surface gradients or structures in the different polymer brush surfaces, controlled electron beam modification was applied.

This thesis deals with the preparation of materials for use in separation science and their surface modification by grafting. The overall aim is the preparation of diverse materials by combination of a set of developed tools. Included in the thesis is the synthesis of monolithic media using non-traditional crosslinkers, the characterization of their porous properties and initial testing in reversed-phase chromatographic separation of proteins. The preparation of a library of short polymer chains, telomers, with varied functionality and their characterization is reported. Included in the characterization is the gradient polymer elution chromatography of selected telomers on a monolithic column in capillary format. The technique shows promise as a tool for monitoring of polymerization processes and for the separation of telomers with similar size but different functionalities or characteristics. Finally, the combination of polymeric support materials and the prepared telomer library is used in surface modification. Surface modification is performed onto activated surfaces via a “grafting to” approach. One example is shown, the surface modification of epoxy-modified divinylbenzene particles by attachment of telomer chains introducing ion-exchange functionality. The material is tested for the separation of proteins, in ion-exchange chromatography mode.

Dans le cadre de ce travail, l’objectif était d’élaborer des surfaces PVC antibactériennes. Deux types de surfaces ont été élaborés, des surfaces bactéricides visant à tuer les bactéries au contact et des surfaces antiadhésives (bactériophobes) empêchant ou limitant l’adhésion bactérienne.Pour ce faire, des copolymères porteurs de groupements cationiques bactéricides ainsi que des copolymères renfermant des structures à effets antiadhésifs de type polysaccharides ou PEG ont été synthétisés et caractérisés. Ces composés ont été ensuite greffés chimiquement par click addition sur des surfaces PVC porteuses de fonctions azoture (PVC-N3). Les propriétés physico-chimiques des nouvelles surfaces obtenues ont été caractérisées par diverses techniques (IRTF, XPS, angle de contact, AFM, microscopie confocale à fluorescence, ATG etDSC). Les propriétés bactéricides ou antiadhésives ont été évaluées à l’égard de Escherichia coli et Staphylococcus epidermidis. La microscopie confocale à fluorescence a mis en évidence le caractère hautement bactéricide des surfaces PVC cationiques via le test Live and Dead.Cette technique a aussi permis de démontrer l’effet antiadhésif de la méthyl cellulose, del’hydroxyéthyl cellulose et du PEG greffés en surface, diminuant d’au moins 10⁴ fois le nombre de bactéries adhérées par rapport aux surfaces témoins. / This work aimed to elaborate antibacterial PVC surfaces. Two kinds of surface were prepared, i.e. non leaching bactericidal surfaces killing bacteria by contact and antiadhesive (bacteriarepellent) surfaces preventing or limiting bacteria attachment. Thus, copolymers bearing cationic bactericidal groups as well as copolymers bearing polysaccharide or PEG antiadhesive structures were synthesized and characterized. These polymers were then successfully grafted by click chemistry onto PVC surfaces bearing azide groups (PVC-N3).The physico-chemical properties of the obtained surfaces were assessed by several techniques(FTIR, XPS, contact angle measurements, AFM, confocal fluorescence microscopy, TGA and DSC). The bactericidal and antiadhesive properties were assessed against Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis. The fluorescence microscopy evidenced the high bactericidal effect of the cationic surfaces, using the Live and Dead test. This microscopytechnique has also shown high bacteria repellent effect of the surfaces based on methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose and PEG, i.e. decrease of bacteria attachment by more than 10⁴ fold compared to the ungrafted surface.

In this study, the zwitterionic monomer [2-(methacryloyloxy)ethyl] dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide (SBMA) was polymerized in a controlled manner by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. The SBMA was also polymerized by atom transfer radical polymerization (ATRP) but in a less controlled manner why ATRP was discarded for further use in the study. The RAFT polymerized p(SBMA) was end-group modified through aminolysis forming a thiol end-group. The zwitterionic polymers have considerable anti-fouling properties and could be of use in contact lenses to prolong the wear-time. Model contact lens hydrogel substrates were synthesized, through free radical polymerization, consisting of 1/3 of silicone monomer, 2/3 of dimethyl acrylamide (DMA) and small percentages of glycidyl methacrylate (GMA) and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) cross-linker. These had poor mechanical strength and could only be used to explore the effect of surface chemical modification. The p(SBMA)-thiol was ‘graftedto’, by applying thiol-epoxide ring-opening, at a free radical polymerized co-polymer consisting of DMA and GMA indicating that this could work for the model hydrogel surfaces. / I denna studie polymeriserades den zwitterjoniska monomeren [2- (metakryloyloxi) etyl] dimetyl (3-sulfopropyl) ammoniumhydroxid (SBMA) på ett kontrollerat sätt genom ”reversible additionfragmentation chain transfer” (RAFT) polymerisation. SBMA polymeriserades också genom “atom transfer radical polymerization" (ATRP) men på ett mindre kontrollerat sätt varför ATRP då förkastades för vidare användning i arbetet. p(SBMA) blev ändgruppsmodifierad genom aminolys som då bildade en tiol ändgrupp. Zwitterjoniska polymerer kan vara bra för att förhindra tillväxt av biofilmer/beläggningar och kan därför bidra till att användningstiden för kontaktlinser kan förlängas. Modellytor baserade på hydrogel framställdes genom friradikalpolymerisation, med syfte att efterlikna en kontaktlins. Modellmaterialet består av 1/3 av silikoninnehållande monomer, 2/3 av dimetylakrylamid (DMA) och små mängder glycidylmetakrylat (GMA) samt etylenglykoldimetakrylat (EGDMA) som tvärbindare. Dessa modellytor hade dålig mekanisk hållfasthet och kunde endast användas för att utvärdera effekterna av ytmodifiering. Genom att använda tiol-epoxi ring-öppning utav p(SBMA)-tiol på en sam-polymer bestående av (DMA) och (GMA) indikerade detta att "ympning-till" skulle kunna fungera för hydrogels modellytorna.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, από τη στιγμή της ανακάλυψής τους, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω της ευρείας εφαρμογής τους σε πολλά επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία, ως συνέπεια των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Σημαντική είναι η χρησιμοποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με σκοπό την ανάπτυξη μιας καινοτόμου μεμβράνης υψηλών αποδόσεων, για χρήση στην τεχνολογία Βιοαντιδραστήρα Μεμβρανών (Membrane Bioreactors, MBRs). Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε χημική τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με πολυμερικές αλυσίδες. Η τροποποίηση των νανοσωλήνων μπορεί όχι μόνο να αυξήσει τη διαλυτότητά τους, αλλά να βελτιώσει την επεξεργασιμότητά τους και να τους προσδώσει νέες ιδιότητες, ανάλογα με τη φύση των μορίων της τροποποίησης. H τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να επιτευχθεί με την επισύναψη λειτουργικών ομάδων στην επιφάνειά τους, είτε μέσω ομοιοπολικού είτε μέσω μη ομοιοπολικού δεσμού. Η ομοιοπολική σύνδεση επιτυγχάνεται με δύο μεθόδους: τον “εμβολιασμό προς” και τον “εμβολιασμό από”. Στον “εμβολιασμό προς” το συντεθειμένο πολυμερές προσδένεται απευθείας στην επιφάνεια του νανοσωλήνα, ενώ στον “εμβολιασμό από” η πολυμερική αλυσίδα αναπτύσσεται πάνω στην επιφάνεια του νανοσωλήνα. Στη συγκεκριμένη εργασία, λεπτοί νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Thin MWCNTs) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs) τροποποιήθηκαν ομοιοπολικά και με τις δύο μεθόδους με πολυμερή, τα οποία μπορούν να ενσωματώσουν είτε ομοιοπολικά είτε ηλεκτροστατικά ομάδες τεταρτοταγούς αζώτου και φωσφoνίου, οι οποίες παρουσιάζουν βιοστατικές ιδιότητες. Ειδικότερα, έγιναν προσπάθειες ομοιοπολικής πρόσδεσης των βιοστατικών ομάδων μέσω πολυμερισμού κατάλληλων μονομερών ή με πολυμερισμό των μονομερών και κατάλληλη χημική τροποποίησή τους στην επιφάνεια των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα μονομερή ήταν ο 2-(διμεθυλάμινο) μεθακρυλικός αιθυλεστέρας (DMAEMA) και το τεταρτοταγές DMAEMA για τους MWCNTs, ενώ μια επιπλέον προσπάθεια πραγματοποιήθηκε για πολυμερισμό του Ν,Ν-[(διμεθυλάμινο)πρόπυλο]μεθακρυλαμιδίου (MADAP) στους Thin MWCNTs. Επειδή οι προσπάθειες δεν προχώρησαν σε σημαντικό βαθμό, συντέθηκε το στατιστικό συμπολυμερές P(AA12-co-VBCHAM) με συμπολυμερισμό του ακρυλικού οξέος (ΑΑ) και του 4-βινυλοβένζυλο χλωριδίου (VBC) σε ποσοστό 12% και 88% αντίστοιχα και εισαγωγή της N,N-διμεθυλοδεκαεξυλαμίνης, το οποίο στη συνέχεια εισήχθη στους τροποποιημένους, με ομάδες φαινόλης, νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs-PhOH). Επίσης, επετεύχθη εισαγωγή των βιοστατικών ομάδων αμμωνίου και φωσφονίου μέσω ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης ως αντισταθμιστικά ιόντα στον αρνητικά φορτισμένο πολυηλεκτρολύτη πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο) (PSSNa), που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, (πολυμερισμός ελευθέρων ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου) λεπτούς νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Τhin MWCNTs-Ph-INIT). Η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε για την εισαγωγή ομάδων αμμωνίου στο PSSNa που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs-Ph-INIT). Τα συντεθειμένα βιοστατικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, μεταξύ των οποίων είναι και ο καθαρισμός του νερού. / Since their discovery, carbon nanotubes, have attracted the interest of the scientific community, because of their wide application in a numerous scientific and technological fields, as a consequence of their unique properties. The use of carbon nanotubes is of great importance to the field of Membrane Bioreactors (MBRs) for the development of innovative membranes of high performance. The modification of carbon nanotubes can not only increase their solubility, but improve their processability and give them new properties, depending on the nature of the molecules of modification. In this work, the chemical modification of carbon nanotubes with polymer chains is investigated. Modification of carbon nanotubes can be achieved with the attachment of functional groups in their surface, through covalent or non covalent bond. The covalent bond is achieved with two methods: “grafting to” and “grafting from”. In the “grafting to” method, the synthesized polymer is attached directly on the surface of carbon nanotube, while in the “grafting from” method, the polymer chain is developed from the surface of the carbon nanotube. In the present work, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were modified covalently with both methods with polymers, that can incorporate either covalently or electrostatically, quartenary ammonium and phosphonium groups that present antifouling properties. More specifically, efforts were made in covalent attachment of antifouling groups via polymerization of suitable monomers or with polymerization of monomers and appropriate subsequent chemical modification in the surface of carbon nanotubes. The monomers were the 2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) and quaternized DMAEMA for MWCNTs, while an additional effort was made in polymerization of N,N-[(dimethylamino)propyl]methacrylamide (MADAP) in Thin MWCNTs. Because the efforts were not successful, the random copolymer P(AA12-co-VBCHAM) was prepared, with copolymerization of acrylic acid (AA) and 4-vinylbenzyl chloride (VBC) in 12% and 88% percentage respectively and introduction of N,N-Dimethylhexadecylamine, which afterwards was introduced into modified, with phenol groups, carbon nanotubes (CNTs-PhOH). Furthermore, successful introduction of antifouling ammonium and phosphonium groups via electostatical interaction as counter ions in the negatively charged polyelectrolyte poly(sodium styrene sulfonate) (PPSNa) was accomplished. The polyelectrolyte was grafted onto modified, with ATRP (atom transfer radical polymerization) initiator groups, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs-Ph-INIT). The same process was followed for the introduction of ammonium groups in PSSNa, which was grafted onto modified, with ATRP initiator groups, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-Ph-INIT). The composed antifouling materials can be used in a lot of applications, including the water purification.

No description available.

No description available.

The presented doctoral research was aimed at preparation and characterization of ultra thin polymer films on solid substrates using different physical techniques. Each of these physical techniques probes selectively different characteristics of the films. While some of the techniques are strong in the predetermination of some unique properties of the layers, they might be limited and give no specific/conclusive information about some other important characteristics. Therefore, only the combination of the techniques provides a profound picture of the thickness, architecture, composition and functionality of the films/layers. This combined characterization approach elucidates in details the physical characteristics and the mechanisms responsible for the unique behavior of different polymer films/layers in the application that they are intended for. In the thesis, of particular interest were films of high biomedical, biotechnological and tissue engineering importance, such as: 1. poly(lactide) films formed by grafting "from-" a silanized alacrite thin films (L605 Co-based super alloy), 2. polydopamine (PDA) films that could serve as substrate independent mod- ification platform for further surface modification steps, 3. poly(ethylene oxide)films formed by "grafting to-" PDA modified surfaces, 4....