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Les copolymères séquencés amphiphiles sont très prometteurs pour des applications de technologie de pointe en raison de leur capacité à s'auto-assembler dans des structures bien organisées à l'échelle du micro– et du nanométre, et de leur sensibilité à des stimulations de différentes natures. La formation des nanomotifs bien ordonnés dans les films et/ou en masse fournit un substitut à la nanolithographie et est utile pour le design et l'ingénierie de nanomembranes et de matériaux nanoporeux. L'auto–assemblage dans des solvants sélectifs, en incluant la sensibilité au pH et à la température, peut être ajusté pour correspondre aux besoins de différentes applications biomédicales, telles que l’encapsulation et/ou relargage de médicaments, l'ingénierie de tissus, etc. Dans ce contexte, des copolymères séquencés de type L–lactide (LLA) et méthacrylate 2–diméthylaminoéthyl (DMAEMA) sont d’un grand intérêt. Comme le contrôle sur l'auto–assemblage des copolymères séquencés est permis au niveau moléculaire, il est très important de préparer des copolymères bien définis avec des longueurs de bloc prévisibles et de faible polydispersité. Ainsi, une partie de cette étude a été consacrée au développement de procédures synthétiques optimales et à la caractérisation détaillée de copolymères di– et triblocs de LLA et de PDMAEMA. Un outil simple pour déterminer la présence d'homo–PLLA résiduel a été développée; cela a permis de déterminer et d'expliquer plusieurs voies de synthèse indésirables. La dernière inclut la participation possible de l'amorceur bifonctionnel utilisé, et nous avons alors proposé un système alternatif d'amorceur bifonctionnel/catalyseur. La racémisation du LLA par les unités amine de (P)DMAEMA a été observée pendant la polymérisation, limitant ainsi l'utilisation première du bloc PDMAEMA pour la préparation des copolymères PLLA–b–PDMAEMA. Les études thermiques et de cristallisation, en incluant les copolymères séquencés partiellement quaternisés, ont révélé un retard significatif de la vitesse de cristallisation, en présence du bloc de PDMAEMA. Nous avons constaté que les blocs sont miscibles pour de faibles masses molaires et que la miscibilité partielle est maintenue après quaternisation. Selon la longueur et le taux de quaternisation du bloc PDMAEMA, la cristallisation du PLLA a été étudiée dans un environnement restreint et confiné, faiblement ou fortement. La torsion des lamelles cristallines observée pour certains copolymères biséquencés a été accentuée dans les copolymères triséquencés, où la formation de sphérolites annelés a été observée dans toutes les conditions thermiques utilisées. / Multi–functional amphiphilic block copolymers have much promise for various high technology applications thanks to the controlled stimuli–responsive self–assembly into well–organized structures on the micro– and nanometer scales. The formation of well–ordered nanopatterns in films and/or in bulk provides a competitive substitute to nanolithography and is useful in the design and engineering of nanomembranes and nanoporous materials. Solution self–assembly in selective solvents, including pH and temperature sensitivity, can be tuned to match the needs of different biomedical applications, such as drug encapsulation/delivery, tissue engineering, etc. In this context, block copolymers of L–lactide (LLA) and 2–dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) are of great interest. Since the control over self–assembly of block copolymer systems is enabled on a molecular level, it is of great importance to prepare well–defined block copolymers with predictable block lengths and low polydispersity. Thus, a major part of the research in this study was devoted to developing optimal synthetic procedures with detailed characterization of linear di– and triblock copolymers of LLA and PDMAEMA. A simple tool to determine homo–PLLA impurity was developed, which helped to determine and explain several undesired routes. The latter includes possible involvement of the bifunctional initiator used, and an alternative bifunctional initiator/catalyst system was proposed. Racemization of LLA by (P)DMAEMA moieties was observed during LLA polymerization thus limiting the utilization of PDMAEMA–first approach for the preparation of PLLA–b–PDMAEMA. Thermal and crystallization studies, including on quaternized block copolymers, revealed a significant retardation effect of the PDMAEMA block on the crystallization kinetics. The blocks were found to be miscible in the melt at low molecular weights, and maintained partial miscibility after quaternization. Depending on the length and the quaternization degree of PDMAEMA, PLLA crystallization was studied in a templated, soft or hard confinement environment. Crystalline lamellae twisting observed in certain diblock copolymers was facilitated in triblock copolymers, where the formation of banded spherulites was observed in all thermal conditions used. / Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Ce travail de thèse a pour but l’étude de l’influence du nanoconfinement sur le comportement du radical phénoxyle. Une nouvelle méthodologie de génération des radicaux phénoxyle à l’état solide a été mise au point. Elle fait intervenir la fragmentation de motifs diazène et ne nécessite ni solvant ni co-réactif. Une étude de spin-trapping a permis de valider cette approche. Ainsi a été synthétisée une grande variété de matériaux hybrides organique-inorganiques, de type silice mésoporeuse (SBA 15, MCM-41) et de type polysilsesquioxane lamellaire ou poreux, fonctionnalisés par différents précurseurs de radicaux phénoxyle. Les propriétés spectroscopiques du radical phénoxyle confiné dans ces matériaux ont été étudiées par RPE en onde continue ou pulsée. Ces matériaux permettent d’augmenter de manière remarquable la durée de vie des radicaux phénoxyle. Dans ces conditions, ces derniers peuvent être qualifiés de persistants et dans certains cas de stables. L’influence du confinement a également pu être mis en évidence sur les propriétés de relaxation du radical. Enfin, une application de ces matériaux en tant que photo-initiateurs de polymérisation radicalaire a été développée. / Abstract : The aim of this study is to explore the influence of nanoconfinement on the phenoxyl radical behavior. A new methodology allowing the traceless solid state generation of phenoxyl radical was developed. It relies on the fragmentation of a diazene moieties and no solvent nor co-reagent are needed. A spin-trapping study was used to validate this approach. A wide variety of organic-inorganic hybrid materials, like mesoporous silica (SBA-15, MCM-41) and lamellar or porous polysilsesquioxane, functionalized with various phenoxyl radical precursors was synthesized. The spectroscopic properties of the phenoxyl radical contained in these materials were studied by EPR. These materials enable an amazing increase of the phenoxyl radical lifetime, they transform transient phenoxyl radical into persistent and even stable ones. The influence of the confinement has also been observed on the radical relaxation properties. Finally, an application of these materials as polymerization photo-initiator was successfully developed.

Cette thèse décrit l'état de l'art des sondes et nanoparticules fluorescents traditionnels utilisés en imagerie de fluorescence ainsi que le développement de nouveaux nanomatériaux à base de polymère à empreinte moléculaire, aussi dénommé ‘anticorps plastique’, pour le ciblage et la bioimagerie. En biologie et en médecine, il y a un besoin constant de diagnostiquer diverses maladies pour leur éventuel traitement et prévention. Une distribution anormale et un taux élévé de glycosylation (e.g. acides hyaluronique et sialique) à la surface ou dans les cellules sont indicateurs d’une infection ou d’un cancer. Généralement, l’imagerie par fluorescence permet de visualiser, localiser et quantifier les biomarqueurs de pathologie mais à l’heure actuelle, il n’existe pas d’outil analytique fiable pour cibler spécifiquement les molécules de glycosylation car les anticorps et les lectines vendus dans le commerce ont une faible affinité et sélectivité vis-à-vis de ces cibles. Dans ce contexte, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) pourraient apporter une solution. Les MIPs sont des récepteurs synthétiques possédant des affinités et sélectivités comparables à ceux des anticorps, mais exhibant une stabilité physique, thermique et chimique bien plus accrue. De plus, leur fabrication est peu coûteuse et ne nécessite pas de tuer des animaux comme pour l’obtention des anticorps biologiques. Dans cette thèse, nous avons optimisé et synthétisé des MIPs biocompatibles pour leur utilisation en bioimagerie afin de détecter et quantifier l’acide hyaluronique et l’acide sialique sur les cellules et les tissus de peau humaine. L’acide glucuronique, une composante de l’acide hyaluronique et l’acide N-acétylneuraminique, l’acide sialique le plus commun, ont été utilisés comme molécules ‘patron’, générant des MIPs très sélectifs envers leur cible en milieu aqueux. Deux types de nanoparticules de MIPs fluorescents ont été synthétisés: (1) en incorporant un colorant rhodamine polymérisable dans la solution de pré-polymérisation et (2) en encapsulant des boîtes quantiques InP/ZnS générant ainsi des MIPs de type cœur-coquille. Pour cela, nous avons adopté une stratégie innovante qui consiste à synthétiser les coquilles de MIPs directement autour des boîtes quantiques en utilisant l’énergie de l’onde fluorescente émise par l’excitation des points quantiques, pour initier la polymérisation. Un protocole d'immunocoloration standard a ensuite été optimisé afin d’imager des kératinocytes humains fixés et vivants ainsi que des tissus de peau, par microscopie à épifluorescence et confocale. Les résultats étaient similaires à ceux obtenus par la méthode de référence utilisant une protéine biotinylée reconnaissant l'acide hyaluronique. L'imagerie multiplex en combinant deux MIPs couplés à deux couleurs de boîtes quantiques et l’imagerie des cellules cancéreuses ont également été démontrées. Bien que les MIPs n’étaient pas cytotoxiques aux concentrations utilisées pour la bioimagerie, la toxicité des différentes composantes du MIP pourrait être un frein à leur utilisation dans le domaine biomédical. Afin de rendre ces MIPs plus ‘inoffensifs’, nous avons supprimé l’amorceur de polymérisation, une molécule considérée comme toxique. Les MIPs ont été synthétisés en employant des monomères qui s’auto-initient sous l’effet de l’UV ou de la chaleur. La spécificité et la sélectivité des MIPs obtenus étaient similaires à ceux préparés avec des amorceurs. En conclusion, cette thèse décrit la première utilisation des MIPs comme anticorps synthétique pour la bioimagerie de fluorescence. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles applications en détection, diagnostique et thérapie par des MIPs. / This thesis describes the state of the art in nanomaterials-based targeted bioimaging and introduces molecularly imprinted polymers, also termed ‘plastic antibodies’ as novel biorecognition agents for labeling and imaging of cells and tissues. In fundamental biology and medical diagnostics, there is a constant need to localize and quantify specific molecular targets. Abnormal glycosylation levels or distributions of hyaluronan or sialic acids on cells are indicators of infection or malignancy. In general, bioimaging with fluorescent probes enables the localization and qualitative or quantitative determination of these pathological biomarkers. However, no reliable tools for the recognition of glycosylation sites on proteins exist, because the commercially available antibodies or lectins have poor affinity and selectivity for these targets. In this context, tailor-made molecularly imprinted polymers (MIPs) are promising synthetic receptor materials since they present a series of advantages over their natural counterparts such as the ease and low cost of preparation and their physical and chemical stability. Thus, MIPs could provide a robust and specific imaging tool for revealing the location/distribution, time of appearance and structure of glycosylation sites on/in cells, which would lead to a better insight of the tremendously diverse biological processes in which these molecules are involved. Herein, we describe the synthesis of water-compatible MIPs for the molecular imaging of hyaluronan and sialylation sites on cells and tissues. Since molecular imprinting of entire biomacromolecules like oligosaccharides is challenging, we opted for what is commonly called the ‘epitope approach’, which was inspired by nature. The monosaccharides, glucuronic acid and N-acetylneuraminic acid were imprinted, and the resulting MIPs were able to bind these molecules when present and accessible on the terminal unit of hyaluronan and sialylation sites. Fluorescent MIPs were synthesized as rhodamine-labeled nanoparticles and as MIP-coated InP/ZnS core-shell quantum dot (QD) particles. For the coating of the QDs, a novel versatile solubilization and functionalization strategy was proposed, which consists of creating polymer shells directly on QDs by photopolymerization using the particles as individual internal light sources. A standard immunostaining protocol was then successfully adapted for the application of the fluorescently labeled MIPs to image fixed and living human keratinocytes and skin tissues, by epifluorescence and confocal fluorescence microscopy. The results were comparable to those obtained with a reference method where staining was done with a biotinylated hyaluronic acid binding protein. Multiplexed and cancer cell imaging were also performed, demonstrating the potential of molecularly imprinted polymers as a versatile biolabeling and bioimaging tool. Although the MIPs were not cytotoxic at the concentrations used for bioimaging, in order to render them generally applicable in biomedicine, where toxicity of the polymerization precursors is a matter of concern, we suppressed the initiator, a toxic chemical. Initiator-free MIPs were thus synthesized by using monomers that can self-initiate under UV irradiation or heat. The specificity and selectivity of the obtained MIPs were as good as the ones prepared with initiators. In conclusion, we have demonstrated for the first time the great potential of MIPs as synthetic antibody mimics for bioimaging. The possibility to associate other functionalities such as QDs and additionally attach drugs to the same material appears rather straightforward due to the synthetic polymeric nature of MIPs, which paves the way to new potential applications in theranostics.

Hold down release mechanisms (HDRMs) are used for tightly attaching segments of bodies together when it is desired to release them rapidly at some point. When transporting sensitive payloads on launch vehicles, the challenge arises of releasing the fastened segments of the spacecraft without risking damage to the costly equipment. Non-explosive HDRMs are favourable from a safety perspective as there is a lower risk of producing potentially destructive shock-waves throughout the structure.  One variant of a non-explosive HDRM uses a so called 'split spool initiator'. This initiator can only be used once in the actuator mechanism and to reuse the HDRM the initiator must be replaced. The purpose of this thesis is to design an improved split spool initiator which can be reusable while conserving the functionality aspects of the existing design. To achieve this, different ideas were considered and ultimately a solution using shape memory alloys (SMAs) was explored. A prototype was constructed to demonstrate the functionality of the design and simulations are done to determine the forces acting on different parts of the mechanism. / Hold down release-mekanismer (HDRM) används för att säkert kunna fästa samman delar av strukturer för att sedan kunna lossa dessa vid rätt tillfälle. När det transporteras känslig last på exempelvis rymdfarkoster uppkommer utmaningen att göra så på ett sätt som inte riskerar att skada den ofta dyra utrustningen. Det finns en mängd olika HDRM, dessa kan delas upp i två typer som är icke explosiva release-mekanismer och pyrotekniska release-mekanismer. Icke explosiva release-mekanismer har en fördel över pyrotekniska som är att de inte producerar potentiellt destruktiva chock-vågor som sprids genom strukturen. En typ av icke-explosiva release-mekanismer är den så kallade split spool-initieraren. Denna kan endast användas en gång när fästelementet är aktiverat och för att kunna använda fästelementet igen måste hela initieraren bytas ut. Syftet med denna studie har varit att att designa en förbättrad split spool-initierare som är återanvändbar, medan funktionaliteten hos den ursprungliga designen är bevarad. För att åstadkomma detta övervägdes olika idéer och slutligen valdes en lösning som använder minnesmetaller eller Shape memory alloys på engelska (SMA). En prototyp konstruerades för att demonstrera funktionaliteten hos designen. Simuleringar gjordes även för att bestämma krafter som agerade på split spool-strukturen och för att få en överblick över spänningsfördelningen genom initieraren.

The theoretical part of this thesis is focused on bulk radical polymerization of styrene, methylmethacrylate, vinyltoluene and paramethylstyrene. It summarizes actual informations about kinetics and performance possibilities of bulk polymerization. Experimental part deals with polystyrene prepolymers preparation by bulk polymerization. The aim is to find optimal conditions for prepolymers preparation. Prepolymers should be usable for subsequent polymerization nearly up to 100% conversion. Conversion values were gravimetrically determined and molecular weights were obtained by viskosity measurements, which were realized by Ubbelohde viscometer. In the experimental part, there were performed simulations targeted on conversion dependence on time. The purpose was a prediction of monomer conversion at a given time during polymerization. Differences between reality and simulation were low in most of cases and the found form of kinetic behavior calculations provides satisfying results. In the conclusion of this thesis was suggested a new procedure for polystyrene prepolymers preparation.

New water soluble, attainable to ATRP polymerization Cl-terminated poly(glycidol) macroinitiators were prepared by modification of (Omega)-hydroxyl group of poly(glycidol acetal) using 2-chloropropionyl chloride fallowed by selective acidic deprotection of acetal groups. The obtained macroinitiators of different molar masses were successfully employed in ATRP of NIPAM and 4VP to give well-defined stimuli sensitive block copolymers of targeted molar ratio of blocks. The results obtained from light scattering methods showed formation of stable aggregates upon stimuli (pH or temperature) by all the obtained polymers. Additionally, photocrosslinkable block copolymers of glycidol and NIPAM having incorporated moieties of chromophore (2-(dimethyl maleinimido)-N-ethyl-acryl amide) were prepared using macroinitiator technique and used to synthesis of temperature sensitive microgels. Conjunction points have been successfully formed by UV irradiation of polymer water solution above cloud point. The influence of such parameters like block ratio, block length, amount of chromophore, concentration, irradiation time, temperature and heating rate on the properties of obtained microgels was investigated. The obtained core-shell structures were stable under critical conditions and showed continuous volume phase separation process upon increase of temperature, fully reversible and reproducible (no hysteresis effect). Thus, the proposed method not only gave the opportunity to control size or swelling degree of microgels, but also diminished gradient in crosslinking density (random chromophore distribution in polymer backbone), improved colloid stability (poly(glycidol) shell) and completely eliminated additives (surfactants, initiators, stabilizers).

Les poly(silméthylènesiloxane)s, aussi dénommés silicones hybrides, sont constitués d’un squelette portant un groupement méthylène entre 2 unités SiOSi. La synthèse de ces polymères par polycondensation ne permet pas d’atteindre des masses molaires très élevées, contrairement aux produits issus de la polymérisation par ouverture de cycle. Ce manuscrit décrit la procédure choisie pour aboutir à une synthèse contrôlée de poly(silméthylènesiloxane)s, des précurseurs (monomères, amorceurs) aux polymères. Le monomère cyclique silméthylène a été préparé par cyclisation de le 1,3-dichlorotetraméthylsilméthylène. Ce dernier peut être généré par redistribution de sous-produits de l’industrie de type halogénures d’alkylsilanes. Deux voies de redistribution ont été étudiées, la méthylation par le méthyllithium, et la dismutation des chlorosilanes en présence d’AlCl3 et de tétraméthylsilane. Cette dernière méthode conduit à une nouvelle distribution de chlorosilanes et chlorosilméthylènes jamais obtenue auparavant. La polymérisation par ouverture de cycle en présence d’acide triflique du 1,1,3,3,5,5,7,7-octamethyl-2,6-dioxa-1,3,5,7-tetrasilacyclooctane conduit à des poly(silméthylènesiloxane)s terminés silanol. Suivant la pureté du monomère, différentes masses molaires peuvent être atteintes. La température réactionnelle joue un rôle crucial afin d’éviter toute cyclisation des chaînes. Par comparaison avec des monomères organiques conventionnels (ether, oxiranes, etc...), le mécanisme de polymérisation implique deux espèces en équilibre, un ion silyl-oxonium et un ester silyl-triflate. Une augmentation de la température de réaction déplace cet équilibre vers les espèces ioniques, responsables des réactions de rétroscission. Ainsi la température optimale de réaction a été localisée à 25°C. La polymérisation par ouverture de cycle a été également testée en présence de catalyseur (acide triflique) et d’un amorceur (molécule portant une (des) fonction(s) silanol). Dans les conditions de température données, des polymères de masses molaires et de fonctionnalités contrôlées sont obtenus. Ces expériences ouvrent la porte à de nouvelles voies de polymérisation des cyclosiloxanes, mettant en lumière la compétition entre deux mécanismes de polymérisation, la propagation par bouts de chaînes activés (ACE) et par monomères activés (AM). / Polysilmethylenesiloxanes are belonging to the “hybrid” silicone family. The presence of a methylene group into the polymer backbone enhances their thermal stability, which is particularly interesting in high-tech applications. The synthesis of such polymers by polycondensation did not so far lead to high molar mass polymers, contrary to those prepared by ring-opening polymerization. The synthesis of such polymers is described in this manuscript, from the monomer to the macromolecule. The silmethylene cyclic dimer, the monomer of interest, is synthesized by cyclization of 1,3-dichlorotetramethylsilmethylene. This latter can be generated from the disproportionation of the direct process residue, a by-product of the silicone industry. The disproportionation proceeds either by methylation with methyl lithium, or by Me/Cl interchange reaction catalyzed by AlCl3 in presence of tetramethylsilane. This latter led to a selective dechlorination of chlorosilanes and chlorosilmethylenes in mild conditions, which has not been yet observed with the DPR. Cationic ring-opening polymerization in presence of triflic acid of such silmethylene cyclic dimer led to bis-silanol polysilmethylenesiloxanes. Depending on the purity of monomer, high molar masses can be targeted. The reaction temperature also plays a critical role in order to avoid any cyclization of the growing chains. While triflic acid plays a role of catalyst, it does not allow controlling molar masses. Comparisons with conventional organic monomers were made to identify the polymerization mechanism which involves two propagating species in equilibrium, a silyl-oxonium ion and a silyltriflate ester. An increase of the reaction temperature shifts this equilibrium towards ionic species, responsible of back- and end-biting reactions. Thus the optimal reaction temperature of ROP of the silmethylene cyclic dimer has been set at 25°C previously and confirmed here. The ROP reaction of the silmethylene cyclic dimer in presence of triflic acid and silanol molecule allows designing the obtained molar masses, while keeping a certain control of end-groups. Variations of molar masses with the silanol content speaks for a polymerization occurring through an activated monomer mechanism. Experiments done to confirm this mechanism open routes to the polymerization of other cyclosiloxanes where the competition between the activated chain end (ACE) and the activated monomer (AM) mechanisms could be controlled.

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