<p>In the presented work, immunosensors for detection of Aflatoxin B1 based on different immobilization platforms were studied. Synthesis of an electroactive hydrogel was also carried out. Aflatoxins are a group of mycotoxins that have deleterious effects on humans and are produced during fungal infection of plants or plant products. Electrochemical immunosensor for the determination of Aflatoxin B1 (AFB1) was developed with anti-aflatoxin B1 antibody immobilized on Pt electrodes modified with polyaniline (PANi) and polystyrene sulphonic acid (PSSA). Impedimetric analysis shows that the electron transfer resistances of Pt/PANi-PSSA electrode, Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab immunosensor and Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab incubated in BSA were 0.458, 720 and 1066 k&Omega / , respectively. These results indicate that electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a suitable method for monitoring the change in electron-transfer resistance associated with the immobilization of the antibody. Modelling of EIS data gave equivalent circuits which showed that the electron transfer resistance increased from 0.458 k&Omega / for Pt/PANi-PSSA electrode to 1066 k&Omega / for Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab immunosensor, indicating that immobilization of the antibody and incubation in BSA introduced an electron transfer barrier. The AFB1 immunosensor had a detection limit of 0.1 mg/L and a sensitivity of 869.6 k &Omega / L/mg.</p>

L'embolisation thérapeutique est devenu le traitement de choix pour l'hémorragie, les malformations artériovéneuses ou certains types de cancer. Parmi différents agents d'embolisation,les microsphères non dégradables (Embozene®, Bead BlockTM,...) sont les plus utilisées. Leur forme bien sphérique et leur taille calibrée permettent un meilleur ciblage dans les vaisseaux et une bonne qualité de l'occlusion. Dans certains cas cliniques, l'embolisation temporaire, envisageable avec l'utilisation des microsphères résorbables peut être bénéfique pour les patients. Le but du travail réalisé au cours de cette thèse a été le développement de microsphères résorbables satisfaisant les différents critères pour être employées comme matériaux d'embolisation (taille calibrée,biocompatibles, élastique pour être injectée au travers des cathéters mais suffisamment rigide pour résister à la pression sanguine). Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de synthèse de microsphères constituées d'hydrogels hydrolysables par polymérisation en suspension. Une large gamme de microsphères ont été synthétisées en modulant la nature du réticulant et/ou la composition des milieux de polymérisation. Les expériences in vitro ont démontré que les microsphères obtenues sont satisfaisantes pour permettre leur injection au travers des cathéters. La dégradation rapide des ponts de réticulation a été confirmée à travers la diminution du module élastique G' et du pH du surnageant, accompagnée d'une augmentation du taux de gonflement.Malgré une dégradation partielle des microsphères (due à une réaction secondaire formant des liaisons de réticulation non dégradables), le temps de l'hydrolyse a répondu parfaitement au cahier de charges (entre 7 et 49 jours). Des études complémentaires pour optimiser la réaction de polymérisation vont permettre le développement de microsphères totalement dégradables.

Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'immobilisation de biomolécules pour le développement d'outils d'analyse multiparamétrique pour la caractérisation d'échantillons biologiques et le diagnostic, sur un support de type biopuce couplé à une détection colorimétrique.Un premier axe de recherche concerne le développement de tests d'hybridation d'acides nucléiques et d'immunotests à haut-débit automatisés sur plaque de filtration. Cette méthode a permis la mise au point d'un test de génotypage automatisé pour le dépistage transfusionnel haut-débit (génotypage érythrocytaire étendu) en collaboration avec l'Établissement Français du Sang Rhône-Alpes (EFS-RA). Il permet d'analyser 96 échantillons en quatre heures, et de caractériser six génotypes par échantillon. Cet outil a fait l'objet d'une validation sur un panel de 293 donneurs.La seconde partie des travaux présentés s'intéresse au développement d'un procédé d'immobilisation d'oligonucléotides sur un polymère particulier (PolyshrinkTM) pour l'élaboration d'un système d'analyse miniaturisé. Plusieurs stratégies d'activation ont été envisagées et ont abouti à la mise au point d'une technique d'immobilisation d'oligonucleotides in situ dans des plots d'hydrogel. La méthode de fabrication permet d'obtenir une matrice de plots d'hydrogel de 60 µm de diamètre et d'une hauteur de 6 µm en moyenne. En outre, il a été démontré que les oligonucléotides immobilisés dans les plots pouvaient détecter de façon quantitative et sélective les cibles complémentaires présentes dans l'échantillon analysé en utilisant une détection par colorimétrie ou par chimiluminescence.

La réponse biologique d'un matériau est essentiellement reliée à sa surface : cela souligne l'importance du rôle des techniques de modification de surface dans la réalisation d'une réponse biologique adaptée. Ainsi les surfaces fonctionnalisées par des 'hydrogels' minces possèdent un énorme potentiel dans diverses applications. En effet, les hydrogels sensibles au pH et à la température peuvent être utilisés dans le but de libérer de façon contrôlée une molécule dans l'environnement biologique. Ces hydrogels peuvent aussi être utilisés en tant que biocapteur de par leurs fonctions disponibles permettant la reconnaissance spécifique de biomolécules cibles. Différents procédés, choisis principalement en fonction du type de matériau et de la surface à fonctionnaliser, peuvent être utilisés pour l'obtention de ce genre de films. Parmi ces procédés, le choix s'est tourné vers l'utilisation de la polymérisation par plasma dont les propriétés de surfaces peuvent être ajustées en fonction des paramètres de la décharge tel que la puissance électrique, le temps de traitement, la composition et la pression du gaz.

La "cryopolymérisation" permet d'obtenir des gels de polymère macroporeux ou "cryogels". Cette méthode a été utilisée pour la synthèse d'hydrogels thermosensibles à base de pNIPA. La température critique TC correspondant à la transition de volume a été déterminée par des mesures de taux de gonflement et par DSC. La macroporosité (distribution de la taille des pores et épaisseur des parois) et son évolution en fonction de T ont été étudiées par la microscopie biphotonique donnant des informations à l'échelle du µm à plusieurs dizaines de µm. La diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) a été utilisée pour caractériser la structure multi-échelle (de quelques dixièmes à quelques dizaines de nm) du gel constituant les parois des macropores. Les courbes de diffusion ont été décrites analytiquement. L'évolution des dix paramètres contenus dans l'équation a été étudiée en fonction de T et discutée. Enfin, des expériences utilisant les phonons hyperfréquences générés par la technique des réseaux transitoires avec détection hétérodyne (HD-TG) ont été réalisées. Ces mesures ont permis de déterminer la vitesse de propagation de l'onde ultra-sonore (à 340 MHz), son atténuation, et la constante de diffusion thermique à différentes températures.

Certain hydrogel forming de novo proteins that utilize different crosslinking methods are studied experimentally on a rheometer. The stress reaxation modulus of CRC, a telechelic, triblock protein, is shown to be that of a stretched exponential function with a value of β ≅ 0.5. The insertion of an integrin binding domain and changes in pH within the range 6.5–8.5 are shown not to significantly affect the resulting rheological behavior. A selective chemical crosslinker is used on CRC hydrogel systems and is shown to change the rheological behavior of the system to that of a combination of a chemically and physically crosslinked system. Chemically crosslinked hydrogels composed of W6, a wheat gluten-based protein, demonstrate a storage modulus weakly dependent on the angular frequency that is much greater than the loss modulus, with a modulus concentration dependence of c^9/4.

The present work was undertaken to develop a composite osmotic distillation (OD) membrane consisting of a thin hydrogel coating on a microporous hydrophobic substrate for the concentration of aqueous feeds containing surface-active agents. The range of OD applications using the hydrophobic membrane alone have been severely limited by the propensity for membrane wet-out when contacted by amphiphilic agents such as oils, fats and detergents. Wet-out allows the feed solution to track freely through the membrane pores with a resulting loss of solutes and a decrease in selectivity. The rationale for the approach taken was based on the hypothesis that the high water selectivity of the hydrophilic coating would maintain good water mass transfer to the underlying hydrophobic substrate but exclude other components including surface-active agents. The first stage of this work involved the identification of potential coating materials and the fabrication and structural characterization of films of these materials to determine their suitability. The second stage involved the development of techniques to facilitate adhesion of the hydrophilic coatings to the hydrophobic substrate, and the testing of the resulting composite membranes for OD performance and resistance to wet-out by surface-active agents. Sodium alginate was selected as the major coating component on the basis of its non-toxicity and its potential for stable hydrogel formation. Structural characterization of noncrosslinked films and films crosslinked using a water-soluble carbodiimide (WSC) was carried out using differential scanning calorimetry (DSC), Fourier Transform infrared spectroscopy (FT-IR) and swelling measurements. Maximum crosslinking through esterification of hydroxyl and carboxylic acid groups on adjacent polymer strands using the film immersion method was achieved with a non-solvent (ethanol) concentration of 60 vol % and a WSC concentration of 100 mM at pH 4. These conditions resulted in a hydrogel with an equilibrium water content of 60 wt %. DSC measurements of noncrosslinked and crosslinked alginate films showed an increase in crystallinity and hence rigidity on crosslinking. Therefore, several coatings were prepared as blends of sodium alginate and amorphous highly flexible carrageenan gum in order to meet the flexibility requirements of a membrane subjected to varying operating pressures in an industrial OD plant. Structural characterization with respect to polymer blend ratio was carried out using scanning electron microscopy (SEM), DSC, X-ray diffraction (XRD). The optimisation for crosslinking conditions was undertaken as for sodium alginate alone. Optimum conditions for film preparation were 20 wt % carrageenan content and a crosslinking medium containing 60 vol % non-solvent (ethanol) and 120 mM WSC at pH 4. These conditions produced a hydrogel with an equilibrium water content of 85 wt %. Two different techniques were employed to anchor the coatings on substrate PTFE membranes. For membranes with a nominal diameter of 0.2 µm, the technique involved surface tension adjustment of the coating solution by ethanol addition in order to enhance penetration of the coating solution meniscus into the substrate pores. This was followed by polymer precipitation by the selective removal of water using OD to provide structural interlocking. T-peel strength measurements showed that this technique resulted in a ten-fold increase in adhesion strength when compared with a coating cast without surface tension adjustments. For membranes with a nominal diameter of 0.1µm, an interfacial bonding agent, myristyltrimethylammonium bromide (MTMA), was used. This technique gave a three-fold increase in adhesion strength relative to that of coating cast without the use of MTMA. The composite membranes were tested in extended OD trials using pure water and feeds containing limonene, the major surface-active components of orange oil. The sodium alginate-carrageenan blend membrane, which was the preferred membrane based on flexibility and water sorption considerations, was also tested against full-cream milk and an industrial detergent, sodium dodecylbenzene sulfonate (DBS). The results indicated that the coatings offered little resistance to water transport and were effective in providing protection against membrane wet-out. Durability trials showed that the composite membranes retained their integrity in water for a minimum of 30 days. Overall, this study has expanded the potential applications of OD to include many important industrial concentration steps that are currently being undertaken by conventional processes with unsatisfactory results. These include the concentration of citrus juices, full-cream milk and nuclear power plant liquid waste. These feeds contain limonene, fats and detergents respectively, all of which wet out unprotected hydrophobic membranes.

Philosophiae Doctor - PhD / In the presented work, immunosensors for detection of Aflatoxin B1 based on different immobilization platforms were studied. Synthesis of an electroactive hydrogel was also carried out. Aflatoxins are a group of mycotoxins that have deleterious effects on humans and are produced during fungal infection of plants or plant products. Electrochemical immunosensor for the determination of Aflatoxin B1 (AFB1) was developed with anti-aflatoxin B1 antibody immobilized on Pt electrodes modified with polyaniline (PANi) and polystyrene sulphonic acid (PSSA). Impedimetric analysis shows that the electron transfer resistances of Pt/PANi-PSSA electrode, Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab immunosensor and Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab incubated in BSA were 0.458, 720 and 1066 kΩ, respectively. These results indicate that electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a suitable method for monitoring the change in electron-transfer resistance associated with the immobilization of the antibody. Modelling of EIS data gave equivalent circuits which showed that the electron transfer resistance increased from 0.458 kΩ for Pt/PANi-PSSA electrode to 1066 kΩ for Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab immunosensor, indicating that immobilization of the antibody and incubation in BSA introduced an electron transfer barrier. The AFB1 immunosensor had a detection limit of 0.1 mg/L and a sensitivity of 869.6 kΩL/mg. / South Africa

Philosophiae Doctor - PhD / In the presented work, immunosensors for detection of Aflatoxin B1 based on different immobilization platforms were studied. Synthesis of an electroactive hydrogel was also carried out. Aflatoxins are a group of mycotoxins that have deleterious effects on humans and are produced during fungal infection of plants or plant products. Electrochemical immunosensor for the determination of Aflatoxin B1 (AFB1) was developed with anti-aflatoxin B1 antibody immobilized on Pt electrodes modified with polyaniline (PANi) and polystyrene sulphonic acid (PSSA). Impedimetric analysis shows that the electron transfer resistances of Pt/PANi-PSSA electrode, Pt/PANi-PSSA/AFB1-Ab immunosensor and Pt/PANi- PSSA/AFB1-Ab incubated in BSA were 0.458, 720 and 1066 kΩ, respectively. These results indicate that electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a suitable method for monitoring the change in electron-transfer resistance associated with the immobilization of the antibody. Modelling of EIS data gave equivalent circuits which showed that the electron transfer resistance increased from 0.458 kΩ for Pt/PANi-PSSA electrode to 1066 kΩ for Pt/PANi- PSSA/AFB1-Ab immunosensor, indicating that immobilization of the antibody and incubation in BSA introduced an electron transfer barrier. The AFB1 immunosensor had a detection limit of 0.1 mg/L and a sensitivity of 869.6 k ΩL/mg. In the second platform an immunosensor based on gold nanoparticles (AuNP) and polythionine-modified glassy carbon electrode (GCE) for the determination of aflatoxin B1 (AFB1) was developed. Aflatoxin B1-BSA conjugate was immobilised on the modified GCE. Horseradish peroxidase (HRP) or Bovine serum albumin (BSA) were used to block sites against non-specific binding of the AFB1- conjugate with other compounds such as the salts used in preparing the buffer when the antibody interacts with the AFB1 conjugate and free AFB1. Competition reaction was allowed to take place between the free AFB1 and AFB1-conjugate for the binding sites of the anti-aflatoxin B1 antibody. Cyclic voltammetry (CV) was employed to characterize the electrochemical properties of the modified process. The peak separation of the immunosensor (ΔEp) was 62 mV indicating a quasi reversible process. Differential pulse voltammetry (DPV) was used to monitor the analytical signal. The response decreased with an increase in AFB1 concentration in the range of 0.6-2.4 ng/mL with a limit of detection of 0.07 and 0.16 ng/mL for HRP and BSA blocked immunosensors respectively. Significantly the low detection limit of 0.07 ng/mL is within the limits set by worl health organization (WHO) for AFB1 and its derivatives which is 2 ng/mL The proposed method eliminates the use of secondary antibody enzymatic labels. Synthesis and characterization of (p-(HEMA)-polyaniline hydrogels were investigated. The hydrogels were synthesized using: 2-Hydroxyeththyl methacrylate (HEMA), N-Tris (hydroxymethyl) methyl] acrylamide, 3- Sulfopropyl methacrylate potassium salt, Tetraethylene glycol diacrylate, Poly-(2- hydroxyethyl methacrylate), 2, 2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone and aniline by UV irradiation. Two sets of the hydrogels were prepared using water / 1, 3, 3, 3-(tetramethyl butyl phenyl polyethylene glycol [Triton X-100] and water / ethylene glycol as the solvent. Scanning electron microscopy (SEM) revealed a more uniform pore size when Triton X 100 (TX-100 HG) was used as compared to ethylene glycol (EG-HG). Thermogravimetric analysis (TGA) showed that both hydrogels were stable up to 270 oC. Fourier transform-Infra red (FTIR) spectrum confirmed the incorporation of polyaniline (PANi) and HEMA in the composite. Electrochemical properties of the hydrogels evaluated using Cyclic Voltammetry and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) demonstrated the electroactivity and conductivity.

Introduction :Les adhérences abdominales post-opératoires représentent les complications les plus fréquentes de la chirurgie abdominale et sont un enjeu de santé publique– douleurs abdominales chroniques, occlusions intestinales et infertilité féminine- et coût de prise en charge. Elles se développent après une mauvaise cicatrisation du péritoine –séreuse composée d’une monocouche de cellules mesothéliales. Leur prévention pourrait passer par des techniques de thérapie cellulaire ou tissulaire, visant à fabriquer un « néo »peritoine alliant des cellules du patient à une « scaffold » ou « échaffaudage ». Les cellules mesothéliales, différenciées, fonctionnelles sont indispensables, mais en nombre limité, potentiellement malades et leur prélèvement invasif. Elles pourraient être remplacées par des cellules souches adipocytaires qui ont un potentiel de différenciation. D’autre part, les polymères d’hydrogels comme biomatériau pour notre substitut sont attractifs par leur tolérance et leurs propriétés de ressemblance à la matrice extra cellulaire native.Les étapes majeures de notre projet de médecine régénérative sont de comparer la thérapie cellulaire à la thérapie tissulaire utilisant une « scaffold », de comparer les deux cellules sources potentielles, d’étudier les qualités de l’hydrogel BD-Purastat® et enfin de transplanter notre substitut cellularisé dans un modèle préétabli d'adhérences chez le rat.Matériel et méthode :La première étape validait le modèle animal d’adhérences post opératoires comparant plusieurs dommages péritonéaux. Puis les cellules étaient comparées en terme d'isolement, de culture, de caractérisation et de différenciation. Une étude de preuve de concept était réalisée afin de comparer les techniques de thérapie cellulaire aux techniques de thérapie tissulaire avec la greffe de péritoine lui-même. Ensuite, BD-Purastat® était testé grâce à une collaboration avec le laboratoire 3D Matrix. Enfin l’implantation in vivo d’une plaque d’hydrogel chargée de cellules autologues était évaluée sur le modèle de rat mis au point.Résultats :Deux modèles d'adhérences post-opératoires étaient validés chez le rat. Les deux techniques étaient efficaces et pertinentes pour l'application clinique. Les cellules mésothéliales présentaient un aspect typique polygonal avec des bords brillants et exprimaient les marqueurs intra-cellulaires de la vimentine et des cytokeratines. Elles présentaient une sénescence précoce comme attendu pour des cellules adultes bien différenciées. Les cellules souches adipocytaires étaient allongées et fines, stellaires, avec une bonne capacité d'expansion, se différenciaient en ostéocytes et en adipocyte et formaient des colonies comme attendu pour des cellules souches. L'étude de preuve de concept a permis de montrer que les cellules mésothéliales contribuaient à la repéritonéalisation seulement si elles étaient bien orientées et transplantées au sein d’un tissu. Ainsi, l’ajout d'une « scaffold » était crucial. Concernant le choix des biomatériaux, BD-Purastat® présentait de bonnes propriétés mécaniques, de biocompatibilité et implanté seul permettait déjà une réduction des adhérences postopératoires. L'implantation du substitut cellularisé n'avait pas permis d’améliorer les résultats obtenus avec le gel seul.Conclusion et perspectives :Notre étude permettait de montrer que des cellules mésothéliales au sein d'une « scaffold » étaient la clé du succès de la repéritonéalisation pour la prévention des adhérences postopératoires en charge abdominale. La différenciation des cellules souches adipocytaires vers le phénotype mésothélial avait encore besoin d'être prouvée. BD-Purastat® diminuait l’étendue des adhérence postopératoires. Le comportement des cellules dans cette « scaffold » nécessitait d'être étudié pour pouvoir obtenir l'efficacité clinique du substitut péritonéal de cellules autologues et d'hydrogel. / Introduction: Postoperative abdominal adhesions are a major complication leading to medical and economical problems. Replace injured peritoneum, which is composed of a monolayer of mesothelial cells (MC), using cell-therapy or cell-laden scaffold are two promising strategies to prevent adhesions. MC as functional and differentiated cells are crucial. However, adipose stem cells (ASCs) could replace MCs thanks to their potential of differentiation. Furthermore, hydrogel polymers are attractive scaffolds mimicking the properties of the native ECM. So, milestones of our project of regenerative medicine are comparison of cell-laden scaffolds and cell-therapy, choice of cell source and biomaterial, and finally transplantation of the cell-laden hydrogel scaffold, in a pre-established rat model of adhesion.Materiel and Method: Firstly, models of adhesion were compared usingdifferent peritoneal injuries. Then, MCs and ASCs were compared for isolation, culture, characterization, and differentiation. Nextly, cell-therapy using MC intra peritoneal injection (IP) or cell-sheet technology was compared with tissue-therapy using peritoneal grafts through a proof of concept study. BD-Purastat® hydrogel was tested in collaboration with 3D Matrix firm. Cell-laden hydrogel gels were implanted and assessed on adhesion prevention.Results: Two animal models of adhesion were validated and both techniques were effective and clinically relevant. MCs and ASCs were isolated from respectively tunica vaginalis and subcutaneous inguinal fat pad. MCs, with typical cobble-stone morphology and bright edges, were positively stained for vimentin and cytokeratin. Senescence arrived after only three passages for these adult well-differentiated cells. Spindle-shaped ASCs had a good capacity of expansion, were able to differentiate in osteocytes and adipocytes, and to form colonies as expected for stem cells. Autologuous peritoneal grafts prevented postoperative abdominal adhesions in the rat model. As the mechanism of this prevention, the MC survived and contributed to reperitonealization, only when they were transplanted as a part of the autologous peritoneal grafts and were located on the surface exposed to the abdomen. Cell sheet technology and MCs IP injection failed in the adhesion prevention. BD-Purastat® presented good mechanical properties and biocompatibility. Alone, it reduced significantly adhesion extent. But, cell encapsulation into BD-Purastat® did not improve this prevention.Conclusion and perspectives: Our study supported that MCs and scaffold are both needed to succeed in peritoneum’s engineering to prevent adhesion. ASCs differentiation into MCs phenotype has still to be shown. BD- Purastat® decreases adhesion extent and behavior of the cell into this scaffold needs to be studied to improve the effectiveness of the cell-laden hydrogel application.