Effective vascularization is crucial for almost any therapeutic tissue engineering concept. In this context, therapeutic angiogenesis attempts to enforce the natural process of blood vessel formation by provision of bioactive effectors. Along these lines, the aim of this work was to evaluate the potential of a modular hydrogel composed of the synthetic star-shaped poly(ethylene glycol) (starPEG) and the naturally occurring biopolymer heparin for the defined and orchestrated delivery of two major angiogenic growth factors, fibroblast growth factor-2 (FGF-2) and vascular endothelial growth factor (VEGF). While starPEG determines the structural properties of the gel materials, effective administration of both cytokines is based on their natural affinity to heparin, the highly charged polysaccharidic building block capable of reversibly binding various growth factors upon geometrically matching electrostatic interactions. Varying the molar ratio of starPEG to heparin upon network formation, different hydrogel types with distinct mechanical characteristics but constant heparin content could be produced. As heparin represents the basis for the growth factor interaction with the scaffolds, the matrices were found to bind and release FGF-2 or VEGF independently of the particular network stiffness and structural properties of the different gel types. Moreover, the material could be utilized for a modular delivery of growth factor combinations over a broad range of concentrations. To evaluate the general suitability for pro-angiogenic stimulation, the provision of FGF-2 and VEGF from starPEG-heparin hydrogels differing in their mechanical characteristics and biofunctionalization with adhesive peptides was studied using human endothelial cells, the cell type that forms the inner layer of any blood vessel. Results showed that the presence of the adhesion ligand was an essential requirement to mediate cell attachment and subsequent growth on the scaffolds. Apart from that, hydrogels with an intermediate stiffness showed beneficial effects on endothelial cell proliferation/survival while in parallel also the differentiation into elongated, pro-tubular structures could be promoted. While the delivery of FGF-2 was able to enhance cell growth, VEGF mainly initiated endothelial cell shape elongation. However, with a parallel administration of both growth factors, their beneficial effects could be combined to obtain high numbers of endothelial cells undergoing differentiation. Furthermore, besides the possibility of growing endothelial cells on top of the biofunctionalized hydrogels, the release of growth factors by starPEG-heparin matrices could be applied as a stimulus to attract the cells to migrate into the direction of the scaffolds. While FGF-2 and VEGF supported cell motility to a similar extent, their combined action was found to exert the strongest effect on endothelial cell migration. Based on the results of these in vitro experiments, matrices most effectively stimulating pro-angiogenic cellular responses were selected for in vivo studies applying the functionalized materials to the chorioallantoic membrane (CAM) of fertilized chicken eggs, an assay commonly used to evaluate the vascularization potential of biomaterials. In this assay, the delivery of FGF-2 and/or VEGF by starPEG-heparin hydrogels induced a substantial angiogenic response within the CAM system, while the combination of both growth factors tends to increase vascularization most effectively. In order to adjust the starPEG-heparin hydrogel system to the complex requirements of therapeutic angiogenesis, further options to specifically modulate the FGF-2 or VEGF release were explored. With the incorporation of enzymatically cleavable peptide linkers, not only the possibility for a cellular remodeling of the gel matrix could be permitted, but also the growth factor release was substantially enhanced upon network degradation. Moreover, with the gradual removal of FGF-2 and VEGF interaction sites from heparin upon selective desulfation, the binding of both growth factors to hydrogels composed out of starPEG and desulfated heparin was significantly reduced depending on the remaining sulfate content. Irrespective of the lower immobilized amounts of FGF-2 or VEGF, higher absolute quantities of both growth factors could be released and retained in the medium due to their decreased affinity to heparin, thereby enhancing the delivery efficiency of the scaffolds. Going beyond common concepts for triggered cytokine release, hydrogel-bound FGF-2 or VEGF could be effectively displaced from their heparin binding sites by an application of the competitive, highly-heparin affine molecule chitosan. As chitosan could be introduced at different time points, not only the amounts of delivered growth factor were enhanced, but also the FGF-2 or VEGF release kinetics could be specifically modulated. Taken together, starPEG-heparin hydrogels with independently adaptable physical and biomolecular composition were demonstrated to provide time-resolved multi-factor delivery of pro-angiogenic growth factors resulting in valuable new options for therapeutic angiogenesis.

Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Charakterisierung von thermoresponsiven Polymeren und ihrer Immobilisierung auf festen Oberflächen als nanoskalige dünne Schichten. Dabei wurden thermoresponsive Polymere vom Typ der unteren kritischen Entmischungstemperatur (engl.: lower critical solution temperature, LCST) verwendet. Sie sind bei niedrigeren Temperaturen im Lösungsmittel gut und nach Erwärmen oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur nicht mehr löslich; d. h. sie weisen bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang auf. Als Basismaterial wurden verschiedene thermoresponsive und biokompatible Polymere basierend auf Diethylenglykolmethylethermethacrylat (MEO2MA) und Oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat (OEGMA475, Mn = 475 g/ mol) über frei radikalische Copolymerisation synthetisiert. Der thermoresponsive Phasenübergang der Copolymere wurde in wässriger Lösung und in gequollenen vernetzten dünnen Schichten beobachtet. Außerdem wurde untersucht, inwiefern eine selektive Proteinbindung an geeignete funktionalisierte Copolymere die Phasenübergangstemperatur beeinflusst. Die thermoresponsiven Copolymere wurden über photovernetzbare Gruppen auf festen Oberflächen immobilisiert. Die nötigen lichtempfindlichen Vernetzereinheiten wurden mittels des polymerisierbaren Benzophenonderivates 2 (4 Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEM) in das Copolymer integriert. Dünne Filme der Copolymere mit ca. 100 nm Schichtdicke wurden über Rotationsbeschichtung auf Siliziumwafer aufgeschleudert und anschließend durch Bestrahlung mit UV Licht vernetzt und auf der Oberfläche immobilisiert. Die Filme sind stabiler je größer der Vernetzeranteil und je größer die Molmasse der Copolymere ist. Bei einem Waschprozess nach der Vernetzung wird beispielsweise aus einem Film mit moderater Molmasse und geringem Vernetzeranteil mehr unvernetztes Copolymer ausgewaschen als bei einem höhermolekularen Copolymer mit hohem Vernetzeranteil. Die Quellbarkeit der Polymerschichten wurde mit Ellipsometrie untersucht. Sie ist größer je geringer der Vernetzeranteil in den Copolymeren ist. Schichten aus thermoresponsiven OEG Copolymeren zeigen einen Volumenphasenübergang vom Typ der LCST. Der thermoresponsive Kollaps der Schichten ist komplett reversibel, die Kollapstemperatur kann über die Zusammensetzung der Copolymere eingestellt werden. Für einen Vergleich dieser Eigenschaften mit dem gut charakterisierten und derzeit wohl am häufigsten untersuchten thermoresponsiven Polymer Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) wurden zusätzlich photovernetzte Schichten aus PNIPAM hergestellt und ebenfalls ellipsometrisch vermessen. Im Vergleich zu PNIPAM verläuft der Phasenübergang der Schichten aus den Copolymeren mit Oligo(ethylenglykol)-seitenketten (OEG Copolymere) über einen größeren Temperaturbereich. Mit Licht einer Wellenlänge > 300 nm wurden die photosensitiven Benzophenongruppen selektiv angeregt. Bei der Verwendung kleinerer Wellenlängen vernetzten die Copolymerschichten auch ohne die Anwesenheit der lichtempfindlichen Benzophenongruppen. Dieser Effekt ließ sich zur kontrollierten Immobilisierung und Vernetzung der OEG Copolymere einsetzen. Als weitere Methode zur Immobilisierung der Copolymere wurde die Anbindung über Amidbindungen untersucht. Dazu wurden OEG Copolymere mit dem carboxylgruppenhaltigen 2 Succinyloxyethylmethacrylat (MES) auf mit 3 Aminopropyldimethylethoxysilan (APDMSi) silanisierte Siliziumwafer rotationsbeschichtet, und mit dem oligomeren α, ω Diamin Jeffamin® ED 900 vernetzt. Die Vernetzungsreaktion erfolgte ohne weitere Zusätze durch Erhitzen der Proben. Die Hydrogelschichten waren anschließend stabil und zeigten neben thermoresponsivem auch pH responsives Verhalten. Um zu untersuchen, ob die Phasenübergangstemperatur durch eine Proteinbindung beeinflusst werden kann, wurde ein polymerisierbares Biotinderivat 2 Biotinyl-aminoethylmethacrylat (BAEMA) in das thermoresponsive Copolymer eingebaut. Der Einfluss des biotinbindenen Proteins Avidin auf das thermoresponsive Verhalten des Copolymers in Lösung wurde untersucht. Die spezifische Bindung von Avidin an das biotinylierte Copolymer verschob die Übergangstemperatur deutlich zu höheren Temperaturen. Kontrollversuche zeigten, dass dieses Verhalten auf eine selektive Proteinbindung zurückzuführen ist. Thermoresponsive OEG Copolymere mit photovernetzbaren Gruppen aus BPEM und Biotingruppen aus BAEMA wurden über Rotationsbeschichtung auf Gold- und auf Siliziumoberflächen aufgetragen und durch UV Strahlung vernetzt. Die spezifische Bindung von Avidin an die Copolymerschicht wurde mit Oberflächenplasmonenresonanz und Ellipsometrie untersucht. Die Bindungskapazität der Schichten war umso größer, je kleiner der Vernetzeranteil, d. h. je größer die Maschenweite des Netzwerkes war. Die Quellbarkeit der Schichten wurde durch die Avidinbindung erhöht. Bei hochgequollenen Systemen verursachte eine Mehrfachbindung des tetravalenten Avidins allerdings eine zusätzliche Quervernetzung des Polymernetzwerkes. Dieser Effekt wirkt der erhöhten Quellbarkeit durch die Avidinbindung entgegen und lässt die Polymernetzwerke schrumpfen. / This work describes the synthesis and characterization of thermoresponsive polymers and their immobilisation on solid substrates as nanoscale thin films. The used polymers were of the lower critical solution temperature (LCST) type. They are well soluble in a solvent below a and get insoluble above a certain temperature, thus they exhibit a phase transition at a critical temperature. Different thermoresponsive biocompatible copolymers based on oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA475) and di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (MEO2MA) were synthesized by free radical polymerization. The phase transition was observed in solution and in thin immobilized copolymer layers. Further regarding the phase transition the influence of selective protein binding onto functionalized copolymers was studied. Solid surfaces were modified with thermoresponsive copolymers based on MEO2MA, OEGMA475 and 2 (4 benzoylphenoxy)ethyl methacrylate (BPEM) as photo crosslinkable groups. Thin films of 100 nm thickness were spin-casted onto silicon wafers and subsequently crosslinked and immobilized by irradiation with UV-light. Their stability is controlled by the crosslinker ratio and by the molar mass of the copolymers. For instance a washing process after crosslinking removes more unbound polymer if the polymer contains less crosslinker and has a lower molecular weight. The swellability of the films was investigated by ellipsometry. It gets higher with lower crosslinker ratio. Layers of thermoresponsive copolymers exhibited a swelling/ deswelling phase transition of the lower critical solution temperature (LCST) type. The transition is completely reversible and the transition temperature can be adjusted by the composition of the copolymers. Compared to similarly synthesized photo-crosslinked layers of the well investigated thermoresponsive copolymer poly-(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM) the phase transition exceeds a larger temperature range. The photo-crosslinking of the OEG copolymers was accomplished in a controlled manner with light of wavelengths > 300 nm. Light of smaller wavelengths crosslinked the copolymer layers even without the presence of photosensitive groups. This effect could be exploited for a controlled immobilization and crosslinking of the OEG copolymers. As further method for crosslinking the formation of amide bonds was investigated. Therefore OEG copolymers containing 2 succinyloxyethyl methacrylate (MES) were spin-casted onto silicon substrates silanized with (3 aminopropyl)dimethylethoxysilane (APDMSi) and crosslinked with oligomeric α, ω diamine Jeffamin® ED 900. The crosslinking reaction was carried out by annealing the dry substrate. No further additives were added for the reaction. After annealing the hydrogel layers were stable against washing and showed thermoresponsive and pH responsive behaviour. In order to investigate whether the phase transition can be affected by specific protein binding, a polymerizable biotin derivative biotinyl-2-aminoethyl methacrylate (BAEMA) was integrated into the base thermoresponsive OEG copolymer. The influence of avidin on its thermoresponsive behaviour was investigated. The specific binding of avidin to the bioitinylated copolymer caused a marked shift of the transition temperature to higher temperatures. Control experiments proved that this effect can be ascribed to a specific protein binding. Thermoresponsive OEG Copolymers with photo-crosslinkable groups from BPEM and biotin groups from BAEMA were spin casted onto gold and silicon substrates and subsequently crosslinked by irradiation with UV light. The specific binding of Avidin onto the copolymer layer was investigated by surface plasmon resonance spectroscopy and ellipsometry. The binding capacity was higher if the mesh size of the hydrogel layers was higher. Upon binding of the Avidin the swellability of the layers was increased. At temperatures below the phase transition for loosely crosslinked copolymer layers an additional crosslinking effect of Avidin was observed. This effect counteracts the swelling of the hydrogel and leads to a shrinkage of the hydrogel layer.

In dieser Arbeit sollte im Tierversuch die lokale Gewebeverträglichkeit der neuen, mit PVVV 80/20 beschichteten, hoch hydrophilen Expander (osmed GmbH, Ilmenau, Deutschland) getestet werden und allgemeine Indikationen für die Anwendung von Hydrogelexpandern erstellt werden. Material und Methoden: Für den Versuch standen 24 Kaninchen als Versuchstiere zur Verfügung, welche in vier Gruppen unterteilt wurden, wobei die Gruppe 1 als Kontrollgruppe (Expander mit Silikonhülle) diente. Die Gruppen 2 - 4 wurden mit den neu entwickelten Hydrogelexpandern („Cylinder M4 x 12“) beschickt. Die Implantation der Expander erfolgte bei allen Versuchstieren in die linke Kniefalte. Nach einem zeitlich vorbestimmten Explantationsplan (nach 10, 21 und 90 Tagen) wurden die Expander entnommen, gewogen und das, den Expander direkt umgebene Gewebe entnommen, histologisch aufbereitet und untersucht. Zusätzlich wurden Proben aus der rechten, nicht implantierten Kniefalte, als Referenzprobe entnommen. Desweiteren wurde die Anwendbarkeit von Hydrogelexpandern anhand von zwei Fallbeispielen vorgestellt und untersucht. Ergebnisse: Histologisch konnte bei beiden Expandertypen eine lokale Fremdkörperreaktion (Entzündungszellinfiltration, Granulationsgewebe), im Sinne einer Kapselbildung, nachgewiesen werden. Die Alterationen des direkt angrenzenden Gewebes der beschichteten Expander sind insgesamt nur geringgradig stärker ausgeprägt als in den Proben mit Verwendung des Implantats mit Silikonhülle. Somit ist die Gewebeverträglichkeit der neu entwickelten Expander mit den silikonumhüllten Expandern vergleichbar. Diese Arbeit konnten weiterhin zeigen, dass die „Cylinder M4 x 12“-Expander mit der PVVV 80/20-Beschichtung ein deutlich höheres Quellverhalten aufweisen als die herkömmlichen, mit Silikonhülle umgebenen, Expander. Die in den Fallbeispielen verwendeten Hydrogelexpander, zeigten in beiden Fällen das gewünschte kosmetische Endergebnis. Schlussfolgerung: Für beide Expandertypen lässt sich eine gute lokale Verträglichkeit ableiten. Damit bieten die getesteten Expander „Cylinder M4 x 12“ mit der PVVV 80/20-Beschichtung die Möglichkeit, die Silikonhülle in ausgewählten Indikationen zu ersetzen und neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen. Zudem bieten die beschichteten Expander den Vorteil, dass es durch ihre minimale Größe nur einer kleinen Inzision für die Implantation bedarf und sie damit besonders für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie geeignet erscheinen. Einsatzmöglichkeiten der Hydrogelexpander in der Veterinärmedizin sind unter medizinischen und ästhetischen Gesichtspunkten zu betrachten. Im Vordergrund der medizinischen Indikationen stehen vor allem Wunden mit erheblichem Gewebeverlust (z. Bsp. nach Traumata, Verbrennungen u.a.), bei denen eine plastische Operation keine spannungsarme Adaptation der Wundränder gewährleisten kann. Auch die kosmetische Indikation gewinnt immer mehr an Bedeutung. Möglich ist der Einsatz des Expanders zum Beispiel als Hodenimplantat oder als Dauerimplantat nach Enukleatio bulbi und zur Narbenkorrektur. Ihr klinischer Einsatz bedarf jedoch weiterer experimenteller – vor allem – in-vivo-Untersuchungen, um ihre Einsatzmöglichkeiten beim Tier - und in Zukunft auch beim Menschen – zu evaluieren.

L’accident vasculaire cérébral (AVC) représente une des plus importantes causes d’handicap acquis de l’adulte. A l’heure actuelle, après les premières heures de l’AVC, aucun traitement efficace en dehors de la rééducation n’est disponible, renforçant l’importance de la recherche des traitements alternatifs. La thérapie de reperfusion à la phase aigüe est conditionnée par une détection et une prise en charge très précoce. Pour cette raison, seulement environ 10% des patients peuvent en bénéficier. L’application des nouvelles techniques d’imagerie cérébrale peut être de grande utilité dans la compréhension des mécanismes de l’ischémie aiguë et l’identification des candidats potentiels à la reperfusion. Dans le cadre de notre première étude dans un modèle expérimental d’ischémie cérébrale chez le rat (par occlusion de l’artère cérébrale moyenne oACM), nous avons caractérisé les altérations micro-vasculaires, hémodynamiques et la saturation locale en oxygène (StO2) à la phase aigüe de l’AVC (dans la première heure) par IRM multiparamétrique. Les résultats de cette étude ont montré le potentiel de la cartographie par IRM de la StO2 dans la détection du cœur ischémique sans l’inclusion d’aucune zone potentiellement récupérable.Au-delà de la phase aigüe, le réel besoin de disposer de thérapies avec une fenêtre thérapeutique plus étendue s’impose. La thérapie cellulaire présente un potentiel dans le traitement de l’AVC. La thérapie cellulaire semble promouvoir une réduction du handicap après un AVC par des mécanismes de neuroprotection et de régénération du tissu cérébral. Malgré ces résultats encourageants, l’importante mort cellulaire quand les cellules exogènes sont administrées dans la cavité de l’infarctus doit être améliorée. Nous avons évalué un biomatériau hydrogel in vivo et son potentiel à protéger les cellules greffées à long terme. Dans notre étude pilote chez le rat sain, nous avons démontré que l’hydrogel à base d’acide hyaluronique (HA) HyStemTM-HP (Sigma-Aldrich, France) pouvait rester dans le tissu cérébral pendant 28 jours sans être dégradé, ce qui représente une protection potentielle pour des cellules greffées.La greffe intracérébrale de HA combinée à des cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) issues de la moelle osseuse), 7 jours après l’oACM, a favorisé la survie cellulaire et a augmenté les marqueurs angiogéniques. Les cellules RECA1+ (marqueur des cellules endothéliales vasculaires) ont été augmentées. Les cellules Collagen-IV+ (membrane basale des vaisseaux) étaient également augmentées par le traitement. L’angiogenèse est un processus clé dans la récupération post-AVC. Malgré ces effets pro-angiogéniques bénéfiques, aucun des traitements (CSMh+HA ou CSMh seules) n’a permis une récupération fonctionnelle 3 semaines après l’injection (évaluation par deux test sensori-moteurs: échelle d’évaluation neurologique (mNSS) et test du retrait d’adhésif). / As the leading cause of disability in adulthood, stroke remains an important subject of study because no effective treatments except by rehabilitation are currently available after the first hours. The acute phase therapy reperfusion is conditinated to a rapid detection and management. For this reason, just around 10% of patients benefit of this. The application of new brain imaging techniques can be relevant for the comprehension of acute stroke mechanism and for a more accurate identification of candidates for acute phase reperfusion therapies. In our first study in a rat model of ischemic stroke (by occlusion of middle cerebral artery, MCAo) we characterized the microvascular, hemodynamic and local saturation in oxygen (StO2) alterations in the acute phase (around one hour after stroke onset), using multiparametric MRI. We demonstrated the potential of StO2 MRI map for detecting the ischemic core without the inclusion of any reversible ischemic damage.Therapeutic approaches that can be applied beyond acute phase are urgently needed. Most evidences suggest that cell therapies have the potential to reduce post-stroke disability through neuroprotection and brain remodelling mechanism. Despite of beneficial effects were demonstrated, some issues need to be addressed, such as the important loss of grafted cells reported when cells are administrated into infarct cavity. We evaluated an innovating biomaterial hydrogel in vivo and their potential to promote long term protection of grafted cells. In a pilot study, we demonstrated that hyaluronic acid-based hydrogel (HA) HyStemTM-HP (Sigma-Aldrich, France) presented a long lasting (over 28 days) in healthy brain suggesting to be a good candidate for cell therapy.When co-administrated by intracerebral route combined with human Mesenchymal Stem Cells (hMSC from bone marrow) seven days after MCAo, the HAhydrogel promoted an increase of hMSC survival and improved angiogenic process. In the immunohistological study, RECA1+ (vessel endothelial cells makers) were increased. Collagen-IV+ cells (vessel basal membrane) were also increased. Post stroke angiogenesis is a key process for brain recovery. No difference in lesion volume was detected among the ischemic groups by in vivo MRI. Despite the pro-angiogenic beneficial effect, neither hMSC+HA nor hMSC alone were able to improve functional results 3 weeks after intracerebral injection (assessed by modified neurological severity score (mNSS), and adhesive removal test).

Le doctorant n'a pas fourni de résumé en français. / The research described in this thesis is directed to study an externally stimulated DDS that incorporates a hydrogel as the matrix for the therapeutic agent. The research does not investigate a particular site for the delivery of the therapeutic agent. However, the aim of this research program is to develop various hydrogel formulations with desirable characteristics and structures from which the drug release can be controlled with applied external energy in the form of low-frequency ultrasound. To accomplish this, two types of natural hydrogels from agarose and chitosan and one type of synthetic hydrogel from PVA were fabricated. Parameters that affect the structure were varied for each type of hydrogel in order to study the effect of structural changes on drug loading and release capacity of hydrogels. Next, the obtained hydrogels were assessed for the delivery of Theophylline as the model drug.Among the three types of hydrogels, chitosan was found to have the fastest swelling rates and the higher water uptakes while the least swelling was found with PVA hydrogels and then agarose hydrogels crosslinked at pH 12. Regarding the mechanical stability of hydrogels, the ranking of the elastic modulus was PVA hydrogels (highest), then agarose hydrogels and chitosan copolymers (lowest). It seemed that the more mechanically stable structure of the PVA hydrogels correlated with a reduced mobility of water, in comparison to the greater mobility of water in the mechanically weaker chitosan copolymers.The stimulated and passive release of Theophylline from those hydrogel carriers showed how ultrasound, as an external energy, stimulates and controls the release of the drug. The measurements confirmed that it is only the energy imparted by the longitudinal ultrasonic waves that act on the polymeric network. The mechanism by which the ultrasound affects the release is considered as a form of a ratchet motor. The polymer chains play the role of the “ratchet” steps and the ultrasonic waves accelerate the particle movement in the release media. Hence, once the ultrasound is applied, the particles descend chain-to-chain (i.e. step-by-step) driven down their concentration gradient by the applied energy until they reach the surface of the hydrogel and hence are released into the surrounding media.Increasing the ultrasound intensity vastly accelerates the drug release. Indeed a higher intensity equals a higher energy transferred from the ultrasonic waves to the drug particles, resulting in faster and less controlled release. This also depends on the type of drug carrier structure. If the hydrogel carrier is mechanically stable, such as the PVA samples or the agarose hydrogels crosslinked at pH 12, the effect of high ultrasound intensity is much less compared to a less mechanically stable carrier such as the chitosan blends. Ultrasound applied for a longer period of time increases the amount of drug released, with the consequent effect of increasing the amount of heat generated in the hydrogel. Generally, a longer duration of the applied energy results in a greater amount of energy absorption, and an increase in friction and heat generation. These effects are important considerations in relation to the heat sensitivity of the drug to be delivered and the thermal characteristics of the polymeric carrier.This PhD research has demonstrated that both natural and synthetic hydrogels coupled to an ultrasonic energy source provides a controllable DDS, which provide some novel outcomes and contributions to the body of knowledge in the field of controlled drug delivery.

L’originalité de ce projet consiste au développement et à l’étude de nouvelles structures hybrides à base de nanocelluloses et de polymères stimulables. En particulier, c’est le design d’hydrogels aux propriétés thermosensibles qui est visé. Les nanocelluloses - nanoparticules issues de la cellulose - sont de deux types : les nanocristaux de cellulose (CNCs) et les nanofibrilles de cellulose (CNFs) et possèdent des propriétés bien particulières. Cette étude s’est concentrée sur l’élaboration d’hydrogels de CNCs. Plusieurs polymères thermosensibles ont été utilisés pour leur biocompatibilité et leur température de solution critique (LCST) aux abords de la température du corps humain. Ce travail a consisté en (i) la préparation des systèmes sur les principes de la chimie verte, (ii) l’étude rhéologique de ces gels thermosensibles et (iii) l’élaboration d’applications à forte valeur ajoutée pour ces biomatériaux uniques. A travers l’utilisation de grands équipements (SANS, SAXS), les interactions physico-chimiques CNCs/polymères ont été étudiées. L’utilisation de block copolymères a permis l’obtention de suspension de CNCs aux propriétés rhéologiques spécifiques : de liquide a température ambiante à gel viscoélastique à température du corps. D’un point vue applicatif, les hydrogels ainsi réalisés ont permis le déploiement de systèmes injectables pour le biomédical ainsi que des surfaces thermosensibles.Mots clés : nanocristaux de cellulose, hydrogel, thermosensible, stimulable / This project consists to develop and study new hybrid structures based on nanocelluloses and stimuli-responsive polymers, in particular, thermo-responsive polymers. Nanocelluloses - nanoparticles extracted from cellulose - exist in two forms: cellulose nanocrystals (CNCs) and cellulose nanofibrils (CNFs). This study focused on the design of CNCs hydrogels with stimuli-responsive polymers. Several thermo-responsive polymers have been used for their biocompatibility and lower critical solution temperature (LCST) close to body temperature. This work consisted of (i) preparation of systems using the principles of green chemistry, (ii) the rheological study of these thermo-sensitive hydrogels, and (iii) the development of smart applications for these unique biomaterials. Through the use of state of the art technologies (SANS, SAXS), physicochemical interactions between the polymers and CNCs have been studied. The use of block copolymers made it possible to create CNCs-based hydrogels with specific rheological properties: liquid at ambient temperature to viscoelastic gel at body temperature. These hydrogels can be used in the creation of injectable systems for biomedical applications, as well as thermosensitive surfaces.Key-words: Cellulose nanocrystals, hydrogel, thermo-responsive, stimuli-responsive

Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre. / Liquids can sustain traction forces, as solids do. In this case, they are at negative pressure (that is, under tension), in a metastable state. Nucleation of a bubble can occur, leading the system back to a stable state : this process is called cavitation. In this PhD work, we are interested in the properties of cavitation in a confined liquid, with a particular emphasis on bubble dynamics. This study is motivated by the context of water transport in plants : ascending sap is indeed under tension, in natural micro-channels. Cavitation then leads to embolism, i. e. the gas-filling of these channels. A significant part of the manuscript is devoted to the study of cavitation in a model system : spherical inclusions of water are embedded in a hydrogel, and passive evaporation of water through the gel allows the generation of negative pressures. Cavitation can then happen spontaneously or be triggered with a laser. We resolve the subsequent dynamics of the bubble, using several methods (fast or time-lapse camera, light scattering, laser strobe photography ...), showing that after a first ultra-fast inertial step, the bubble reaches a temporary equilibrium. Then, it slowly grows due to fluxes in the hydrogel, leading to full embolism of the inclusion. A theoretical chapter follows. First, the thermodynamical properties of a confined liquid under negative pressure are investigated. In a second part, we focus on the dynamics of cavitation bubbles in such systems, at short time scales. We derive a modified Rayleigh-Plesset equation which accounts for the experimentally observed ultra-fast radial oscillations of the bubbles. Liquid compressibility and confinement elasticity are key ingredients in this model. Last, the applicability of the previous results in the context of trees is discussed. A new method to directly study embolism in trees by optical means is also presented, and applied to Scots pine samples.

Nous avons imaginé et développé une méthode pour la préparation d’hydrogels par procédé sol-gel à partir de blocs hybrides (bio)organiques-inorganiques. Les blocs hybrides sont obtenus par introduction de groupements silylés, triéthoxysilanes ou hydroxydiméthylsilanes, sur des polymères synthétiques ou des molécules d’intérêt biologique telles que des peptides. Ces blocs hybrides peuvent être combinés dans des proportions choisies pour former des hydrogels multifonctionnels. Le procédé de gélification se déroule à 37°C à pH 7.4 dans un tampon physiologique. L’hydrolyse et la condensation des précurseurs silylés conduit à la formation d’un réseau tridimensionnel covalent dans lequel les entités organiques sont reliées par des liaisons siloxanes. Dans un premier temps, cette méthode a été appliquée à la synthèse d’hydrogels à base de PEG. Nous avons ensuite montré que ces hydrogels pouvaient être fonctionnalisés de façon covalente par des entités bioactives au cours de leur préparation. Des hydrogels possédant des propriétés antibactériennes ou favorisant l’adhésion cellulaire ont ainsi été préparés. Dans un deuxième temps, un peptide hybride inspiré du collagène naturel a été synthétisé et a permis l’obtention d’hydrogels qui présentent des propriétés de prolifération cellulaire similaires à celles observées sur des substrats de collagène naturel. La biocompatibilité du procédé sol-gel a été démontrée par l’encapsulation de cellules souches dans l’hydrogel au cours de sa formation. Enfin, l’impression 3D d’hydrogels hybrides a été réalisée. Ce travail de thèse met donc en lumière le potentiel de la chimie sol-gel pour la conception à façon de matériaux biomimétiques particulièrement prometteurs pour des applications en ingénierie tissulaire. / We designed and developed a method for the preparation of hydrogels through the sol-gel process. It is based on (bio)organic-inorganic hybrid blocks obtained by functionalization of synthetic polymers or bioactive molecules, such as peptides, with silyl groups (triethoxysilanes or hydroxydimethylsilanes). These hybrid blocks can be combined in desired ratio and engaged in the sol-gel process to yield multifunctional hydrogels. Gelation proceeds at 37°C at pH 7.4 in a physiological buffer. Hydrolysis and condensation of silylated precursors result in a three-dimensional covalent network in which molecules are linked through siloxane bonds. First, this method was applied to the synthesis of PEG-based hydrogels. Then, we demonstrated that hydrogels could be covalently functionalized during their formation. Thus, hydrogels exhibiting antibacterial properties or promoting cell adhesion were obtained. Secondly, a hybrid peptide whose sequence was inspired from natural collagen was synthesized and used to prepare hydrogels that provided a cell-friendly environment comparable to natural collagen substrates. Stem cells could be encapsulated in these hydrogels with high viability. Finally, hybrid hydrogels were used as bio-inks to print 3D scaffolds. This PhD work highlights the potential of the sol-gel chemistry for the design of tailor-made biomimetic scaffolds that could be particularly promising for tissue engineering applications.

Les pansements dits " hydrocolloïdes " sont très couramment utilisés dans le traitement des plaies à forte exsudation. Ils permettent de réguler l'hygrométrie au sein d'une plaie tout en évitant une accumulation d'eau susceptible d'entrainer la prolifération de bactéries entre le pansement et la peau. Deux propriétés antagonistes apparaissent alors nécessaires : une fonction d'adhésion pour assurer le maintien du pansement sur la peau, et de fortes propriétés d'absorption et de perméabilité à l'eau pour réguler l'humidité et favoriser la cicatrisation de la plaie. Pour satisfaire ces deux fonctions, des systèmes hétérogènes sont utilisés : l’adhésion est apportée par une matrice adhésive hydrophobe, composée d’un élastomère modifié par un plastifiant et des résines tackifiantes, la régulation de l’humidité est assurée par de fines particules hydrophiles sèches de carboxymethylcellulose (CMC), dispersées dans la matrice adhésive. Un enjeu majeur de ces pansements est le maintien de l’adhésion cutanée dans le temps. Or une perte de l’adhésion est souvent observée après un long contact avec l’eau. Ces travaux de thèse visent à mieux comprendre l’origine de cette perte d’adhésion, à travers l’étude des propriétés mécaniques de la matrice hydrophobe, de ses interactions avec les particules hydrophiles et des mécanismes de transport d’eau. La substitution de la CMC par des particules d’hydrogels synthétisés au laboratoire a permis l’étude plus systématique de l’effet des propriétés physico-chimiques de la phase hydrophile sur l’absorption, la perméabilité et l’adhésion des pansements hydrocolloïdes ainsi mis en œuvre. / Hydrocolloid wound dressings are commonly used for the care of highly exuding wounds. They allow to control the wound moisture, while avoiding the water accumulation which could lead to bacterial proliferation between the dressing and the skin. Two antagonist properties appear to be required: an adhesive function to maintain the dressing on the skin, and high water absorption and permeability to control the humidity level and promote healing. To achieve both properties, heterogeneous systems are used : the adhesion is ensured by an hydrophobic adhesive matrix, made of an elastomer modified by plasticizers and tackifying resins, the regulation of the humidity relies on fine dry hydrophilic particles, made of carboxymethylcellulose (CMC), dispersed within the matrix. A major issue of these wound dressings is to maintain a long term skin adhesion. However a loss of adhesion is often observed after a long contact with water. This PhD work aims at a better understanding the origin of this loss of adhesion through the study of the hydrophobic matrix mechanical properties, its interactions with the hydrophilic particles and water transport. Replacing the CMC by tailor-made hydrogel particles allowed to a systematic study of the impact of the physico-chemical properties of the hydrophilic phase on the absorption, the permeability and the adhesion of the hydrocolloid-based adhesives.

Des nouvelles méthodes de gélification avec association de différents composés permettent l’élaboration d’hydrogels sous forme de matrices 3D présentant des propriétés optimales et des fonctions intéressantes. Cette technique d’assemblage peut être effectuée par mélange de plusieurs polymères ou/et par incorporation de nanoparticules dans la matrice polymérique. Ce travail de thèse a montré l’intérêt de mettre en œuvre des réseaux interpénétrés de polymères à base d’alginate et de GelMA, et a mis en évidence l’effet de l’incorporation de nanoliposomes sur les propriétés physico-chimiques des hydrogels. Une caractérisation multi-échelle des hydrogels, a été complétée par une étude des interactions possibles au sein de la matrice 3D. Dans une première partie du travail, une analyse des propriétés de surface des matrices composites à différentes concentrations d’alginate, avant et après fonctionnalisation par des nanoparticules molles, a montré une amélioration de la mouillabilité et de l’énergie de surface des hydrogels. Les propriétés mécaniques des hydrogels ont été déterminées par une caractérisation multi-échelle incluant la microscopie à force atomique (nanoscopique) et le rhéomètre (mésoscopique). Ces analyses ont pris en compte les différentes concentrations d’alginate ainsi que les deux concentrations différentes de liposomes incorporés dans la matrice 3D. Les résultats obtenus ont montré l’intérêt de l’assemblage des deux polymères et l’effet des nanoliposomes sur le processus de gélification de l’alginate dû à une interaction entre les nanoparticules molles et l’agent réticulant (CaCl2). Une étude morphologique des hydrogels a montré la possibilité de contrôler la taille des pores en modifiant la concentration des différents composants des hydrogels ou en fonctionnalisant les matrices 3D par des nanoparticules molles. Les interactions physico-chimiques ont ensuite été étudiées par Spectroscopie de Photoélectrons X, spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire et Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier / Novel crosslinking methods to design 3D hydrogels consist on an innovative combination of various components in order to create 3D structure with optimal properties and functionalities. This blending technic can be carried out by mixing several polymers or/and incorporation of nanoparticles into the polymer network. The present work showed the advantages of interpenetrating polymer networks forms composed of alginate and GelMA and highlighted the effect of the incorporation of nanoliposomes on the physico-chemical properties of the hydrogels. It consisted primarily on a multiscale characterization of the hydrogels and then on the study of the possible interactions in the 3D structure. At first, the surface characterization of the composite hydrogels at different alginate concentrations, before and after the functionalization with soft nanoparticles, showed an improvement of the wetting properties and the surface energy. The mechanical properties of the hydrogels were determined by multiscale analysis using the atomic force microscopy (nanoscopic) and the rheometer (mesoscopic). These analysis took into account the various concentrations of alginateas well as the two different concentrations of the liposomes added in the 3D structure. The results showed the effectiveness of mixing the polymers and the influence of the nanoliposomes on the alginate coagulation due to an interaction between the soft nanoparticules and the coagulation agent (CaCl2). A morphological study of the hydrogels showed the possibility to control the size of the pores by the modification of concentration for each component of hydrogel or by functionalization the 3D structure. The physicochemical interactions were then studied thanks to the X-ray Photoelectron Spectroscopy, the Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy and the Fourier Transform Infrared spectroscopy