Cette étude s'inscrit dans le cadre de la modélisation distribuée à base physique des interactions entre processus de surface et de subsurface. Une nouvelle approche de modélisation, dite darcéenne multidomaine , est présentée. Les équations de Richards et de l'onde diffusive sont respectivement utilisées pour décrire le processus d'infiltration et de ruissellement. L'équation de l'onde diffusive est transformée en une équation de diffusion non linéaire similaire à l'équation de Richards. L'écoulement d'eau à la surface du sol est alors assimilé à un écoulement dans un milieu poreux aux propriétés particulières. Une couche de milieu poreux, appelée couche de ruissellement, est introduite dans le domaine de calcul. L'ensemble de la dynamique surface/subsurface est alors décrite dans un continuum darcéen par une seule équation de Darcy non linéaire avec des paramètres domaine-dépendants. Cela permet notamment d'imposer une continuité hydraulique entre l'eau de surface et l'eau de subsurface. Un modèle de transport permettant de s'attaquer à la problématique de la séparation d'hydrogramme est également implémenté. Le modèle développé est évalué à partir de cas tests classique de la littérature. Une analyse de sensibilité ainsi qu'une étude détaillée du ruissellement hortonien sont ensuite présentée. Enfin, l'expérience réalisée par l'IRD sur la parcelle de Thies au Sénégal est reproduite. Les résultats sont encourageants et laisse penser que l'approche de modélisation développée permet de reproduire correctement à petite échelle la dynamique fortement couplée des systèmes hydrologiques de type parcelle ou versants.

Thesis (M.S.)--Rochester Institute of Technology, 2008. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 93-96).

GABAB receptors are G-protein coupled receptors for the major inhibitory neurotransmitter in the mammalian central nervous system, γ-aminobutyric acid (GABA). The receptor is linked to a variety of disorders including epilepsy, pain, spasticity, drug addiction and cognitive impairment and is, therefore of major importance for drug discovery. The most abundant receptor isoforms GABABR1a and R1b differ by the presence in R1a of a pair of Nterminal extracellular complement control protein modules (CCP1 and CCP2) which - in other proteins - are generally involved in mediating specific protein-protein recognition. The CCP1 module contains disulphides but is natively disordered. In the current work, the yeast two-hybrid system was used to confirm an interaction of CCP1 of GABABR1a with the extracellular protein fibulin-2. Further work with the yeast twohybrid system extablished the novel interaction of the abundant extracellular matrix protein laminin, with GABABR1a CCP1, via its laminin globular (LG) domains. The laminin interaction was further characterised by surface plasmon resonance, demonstrating that several different domains are involved in the binding to the GABAB receptor CCPs. The primary binding site is located on laminin α5 LG4-5, but the E10 domains of the β1 chain and LG1-3 on α1 may also be involved. The pharmacological properties of the GABABR1a and R1b isoforms were studied by transient expression in Xenopus laevis oocytes. It was demonstrated that the agonist baclofen, as well as the antagonist CGP55845, appear to be more potent at GABABR1b compared to GABABR1a. Intriguingly, when recorded in the precence of laminin, GABABR1b/R2 expressing oocytes exhibited an increased baclofen-evoked response while the response in GABABR1a/R2 was completely abolished. In conclusion, the work demonstrates that laminin is a binding partner for GABABR1a CCPs. Such an interaction between the metabotropic GABA receptor and the extracellular matrix may lie behind the recently reported roles of GABA in neuronal migration and the laying down of neuronal circuitry during the development of parts of the central nervous system.

Thesis (Ph. D.)--Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, 2007. / Dr. J. David Frost, Committee Chair ; Dr. G. Wayne Clough, Committee Co-Chair ; Dr. William F. Marcuson III, Committee Member ; Dr. Paul W. Mayne, Committee Member ; Dr. Susan Burns, Committee Member.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique générale de la caractérisation de l'aléa inondation. Plus précisément, cette étude cherche à caractériser l'influence des eaux souterraines sur la genèse et la propagation des crues en surface dans les cas d'un bassin versant à forte composante karstique. Le site expérimental du bassin versant du Coulazou, rivière temporaire qui traverse le massif karstique du Causse d'Aumelas à l'Ouest de Montpellier a été retenu pour étudier de manière approfondie les interactions entre les écoulements de surface et les écoulements souterrains en situation de crue.<br />L'étude hydrodynamique de ce système karst/rivière s'appuie sur un dispositif expérimental adapté à l'observation des phénomènes hydrologiques (pluie, ruissellement) et hydrogéologiques (piézométrie en forage et dans les drains karstiques, suivi hydrodynamique des exutoires du système) très rapides et très intenses. La dynamique de ces écoulements est liée au contexte climatique Méditerranéen mais aussi aux structures de drainage en surface et en souterrain qui permettent un transfert et un transit très rapide des eaux au sein du système karst/rivière.<br />Une description hydrodynamique classique est complétée par une approche fonctionnelle des échanges karst/rivière dans le but de mieux comprendre le fonctionnement hydrodynamique d'un tel système et de mettre en avant des indicateurs utilisables dans une démarche de modélisation des échanges surface/souterrain. Un premier modèle est présenté dans la dernière partie de ce document.

Compte tenu de la vulnérabilité de la population rurale de la région sahélienne aux aléas pluviométriques, et devant les ambitions de certains acteurs d'utiliser le levier de l'usage des terres pour contribuer à l'atténuation du changement climatique, il est important de comprendre les facteurs contribuant à la variabilité de la couverture végétale au Sahel. Une synthèse de la littérature expliquant l'évolution récente de la végétation au Sahel est donc d'abord présentée. Les études s'intéressant au paradigme qui souligne l'impact de l'usage des terres sur les précipitations en Afrique de l'Ouest évaluent principalement ces effets par le couplage de modèles dynamiques globaux de végétation - DGVM - avec des modèles de circulation générale. C'est à l'amélioration d'un tel DGVM, ORCHIDEE, développé à l'Institut Pierre Simon Laplace, que le reste du travail cherche à contribuer.Comme d'autres études ont montré qu'il était possible d'utiliser en première approximation les steppes pâturées et les jachères pour décrire le comportement global de la surface sahélienne, les écarts entre modèle et mesures sont caractérisés pour une jachère située à proximité de Wankama (Niger). Plus précisément, les forces et faiblesses de la paramétrisation et de la structure par défaut du modèle sont diagnostiquées, et l'importance de la réduction d'erreur permise par l'optimisation de certains des paramètres est donnée. En particulier, l'emploi d'une résolution aux différences finies de la diffusion de l'eau dans la colonne de sol est évalué, dans la mesure où cela permet de mieux simuler la réponse rapide du flux évaporatoire aux événements pluvieux que le schéma conceptuel utilisé par défaut dans ORCHIDEE. Le réalisme du modèle est également mesuré à l'échelle régionale, par la comparaison d'observations de NDVI GIMMS_3G à la couverture végétale simulée par le modèle en réponse à différents forçages climatiques. Si les modifications introduites au cours du travail ne permettent pas de mieux décrire les tendances de la végétation au cours des dernières décennies, tirer partie des leçons du présent travail pourra se révéler utile. Il en est de même des conclusions de l'étude de la transitivité des biais conditionnels du modèle réalisée avec Tao Wang et présentée en annexe B.

Les infections nosocomiales liées aux dispositifs médicaux, et plus particulièrement ceux de la perfusion, sont un problème majeur dans le milieu hospitalier. Ces infections sont liées à la présence de biofilm. Pour lutter contre le biofilm, les mesures préventives en hygiène ne sont pas suffisantes. Les recherches se dirigent vers la modification des surfaces des matériaux des dispositifs médicaux: ajout de substances biocides, développement de surfaces antiadhésives par voie chimique ou topographique. L’objectif de cette thèse est de créer des polymères nanostructurés pouvant entrer dans la composition de dispositifs médicaux de la perfusion et de tester leur impact sur l’adhésion bactérienne et le développement du biofilm. Dans un premier temps, la technique de nanostructuration choisie repose sur la réplication d’un moule nanostructuré en alumine nanoporeuse qui se caractérise par des nanopores auto-organisés en nid d’abeille. Après avoir mis en place une station d’anodisation permettant la nanostructuration de ce moule, la reproductibilité du procédé de fabrication a été validée (diamètre des pores : 51 ± 6 nm, profondeur: 97 ± 9 nm, espace interpores: 102 ± 6 nm). Ensuite, les travaux de réplication ont été effectués avec le polymère ABS (acrylonitrile-butadiène-styrène). Plusieurs méthodes de réplication ont été testées à partir de dépôt de solutions de polymères ou de fonte du matériau sur le moule d’alumine. La méthode sélectionnée sur des critères de reproductibilité et de facilité de transposition industrielle donne des nanostructures de type nanopicots (diamètres des picots : 56 ± 7 nm, distances interpicots : 101 ± 16 nm, longueurs : 73 ± 33 nm). Les surfaces développées sont ensuite caractérisées (MEB, DSC analyse calorimétrique différentielle, spectrométrie Infra Rouge, angle de contact). La fabrication des nanostructures ne semble pas dégrader le matériau ABS et la modification topographique rend la surface plus hydrophile. Une étude de stabilité montre que les nanostructures résistent à plusieurs modes de stérilisation (oxyde d’éthylène, plasma H2O2 et rayon Beta) et sont conservés dans le temps, ce qui les rend applicables à la surface d’un dispositif médical. La seconde étape du travail consiste à évaluer l’adhésion bactérienne sur les surfaces témoins et nanostructurées. Différents tests de culture de biofilm ont été réalisés avec S. epidermidis en conditions statique ou dynamique. Après un temps de 3 à 48h, les bactéries sont décrochées de la surface puis dénombrées sur gélose. Il n’y a pas de différence significative d’adhésion bactérienne entre les deux types de surface. L’observation en microscopie électronique à balayage et confocale à 24h semble confirmer ce résultat. Des tests réalisés avec d’autres souches bactériennes (S. aureus, K. pneumoniae, P. aeruginosa) en condition statique montrent également que l’adhésion est également identique sur les deux surfaces. Par conséquent, nous pouvons conclure que nos surfaces ABS développées avec ces nanopicots spécifiques n’ont pas un effet anti-adhésion sur les bactéries testées. Des recherches récentes mettent en évidence que l’espacement entre les nanopciots est un facteur critique sur l’adhésion bactérienne. L’étape suivante de notre travail consiste à tester de nouvelles nanostructures réalisées avec un moule AAO ayant une distance interpore plus grande. / Medical device-related infections are a public health concern and an economic burden. The role of biofilms in medical device-related infections is clearly established. Preventive hygiene measures are not often sufficient to prevent biofilms formation. One promising way of preventing device-related infections is the development of medical devices with surfaces or materials that reduce either microbial viability using biocidal substances or microbial adhesion with topographical modifications.Developing nanostructured polymeric surfaces, which could have applications in medical devices, and testing their impact on bacterial adhesion and biofilm development were the main goals of this thesis. First of all, the polymer was replicated on an aluminum anodized oxide nanostructured mold (AAO), characterized by highly ordered nanopores. An anodization station was made in order to create molds. Then, the reproducibility of the process fabrication was validated (pore diameter: 51 ± 6 nm, deepness 97 ± 9 nm, interpore espace: 102 ± 6 nm). Several replication techniques with ABS were tested including polymers solutions and melted polymers. The selected method was the one with the most reproducible results pillar diameter: 56 ± 7 nm, interpillar distance: 101 ± 16 nm, length: 73 ± 33 nm) and the most representative of industrial injection processes. The created surfaces were then characterized (MEB, DSC, ATR-FTIR, wettability). The fabrication process does not seem to degrade the ABS material and the topographical change increases the hydrophilicity of the surface. A stability study showed that the nanopillars were resistant to several sterilization processes (ethylene oxide, H2O2 plasma, Beta irradiation) and were maintained through time, which is an important element for applications in medical-devices.The second step of our work consisted of assessing bacterial adhesion on control and nanostructured ABS samples. Several biofilm tests were made with S. epidermis in static and dynamic conditions. Between 3 and 48 hours of culture, bacteria were removed from the surfaces and then viable plate counting was performed. No significant differences were observed between the samples. Microscopic observations (MEB, CSLM) seemed to confirm this result. Other bacteria with different morphologies were tested (S. aureus, K. pneumoniae, P. aeruginosa): bacterial adhesion was similar for the two surfaces. Therefore, we can conclude that our developed ABS surfaces with these specific nanopillars do not have an anti-adhesion effect on the tested bacteria. Recent researches showed that spacing between nanopillars is a critical factor on bacterial adhesion. The following step of our work would be to test new nanostructures using AAO molds with bigger interpore distance.

The main objective of this work was to manufacture and to characterize detonation nanodiamond (ND) coatings with high biocompatibility and high drug loading capability. This was achieved via the integration of functionalized NDs into standard coating systems. The examination of cell proliferation and cell differentiation supported the biological assessment of the ND-enhanced coatings. As a first step, an osteogenic peptide was covalently grafted onto oxidized NDs. Accordingly, carboxylic acid derivativ is were generated on the as-received ND surface via an optimized heat treatment. The osteogenic peptide was tethered to the oxidized ND surface using a carbodiimide crosslinking method. The multifaceted ND preparation and disaggregation facilitated the powder handling during the conjugation process. Moreover, antibiotics were physisorbed onto as-received NDs to add antimicrobial properties. The correlated surface loading of NDs was determined using various absorption spectroscopy methods such as fluorescence and ultraviolet-visible spectroscopy. Peptide-conjugated NDs and NDs with untreated surface chemistry have been immobilized on different biomaterials using liquid phase deposition techniques. Herein, polyelectrolyte multilayers (PEMs) were utilized, among others, due to their self-organization and universal applicability for numerous substrates. In order to assess the cell-material interactions, human fetal osteoblasts (hFOBs) were cultured. The hFOBs exhibited a high cell proliferation, high cell density, and sound cellular adhesion, which proves the high biocompatibility of PEMs containing NDs. The present study represents a novel and reliable strategy towards a public approved composite coating. The potential of NDs as a biocompatible delivery platform and as a coating material for biomaterials has been demonstrated. This technology will be useful for the development and optimization of next-generation drug delivery vehicles, e.g. drug-eluting coatings, as well as for biomaterials in general.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113 / Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Herstellung sowie der Charakterisierung von Beschichtungen aus Detonationsnanodiamanten (ND), welche eine hohe Biokompatibilität und eine hoheWirkstoffbeladbarkeit aufweisen sollten. Dieses Ziel wurde durch die Integration funktionalisierter ND in herkömmliche Beschichtungssysteme erreicht. Die biologische Beurteilung von den ND-verstärkten Beschichtungen wurde durch Untersuchungen der Zellproliferation und der Zelldifferenzierung untermauert. Im ersten Schritt wurde ein Peptid mit knochenbildenden Eigenschaften kovalent an oxidierte ND angebunden. Mittels einer optimierten Wärmebehandlung wurden Carbonsäurederivate auf der ND-Oberfläche erzeugt. Anschließend wurde das Peptid unter Verwendung eines Carbodiimid-Vernetzungsmittels an die oxidierte ND-Oberfläche angebunden. Während des Konjugationsprozesses erleichterte die facettenreiche ND-aufbereitung und -disaggregation die Pulverhandhabung. Außerdem wurden Antibiotika auf den ND adsorbiert, um antimikrobielle Eigenschaften zu erzeugen. Die entsprechende Oberflächenbeladung der ND wurde unter Verwendung verschiedener absorptionsspektroskopischer Ansätze wie Fluoreszenz- und UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Biofunktionale und unbehandelte ND wurden über Flüssigphasenabscheidung auf verschiedene Biomaterialien aufgebracht. Hierbei wurden unter anderem Polyelektrolyt-Mehrschichtsysteme aufgrund ihrer Selbstorganisation und universellen Anwendbarkeit auf zahlreiche Substrate eingesetzt. Um die Zellantwort auf die mehrschichtigen ND zu bewerten, wurden humane Osteoblasten (hFOB) kultiviert. Die hFOB zeigten eine hohe Zellproliferation, eine hohe Zelldichte und eine hohe Zelladhäsion, was die hohe Biokompatibilität von mehrschichtigen ND belegt. Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige und zuverlässige Strategie für eine allgemein anerkannte Verbundbeschichtung dar. Das Potenzial von ND als biokompatible Medikamententräger und als Beschichtungsmaterial für Biomaterialien konnte aufgezeigt werden. Die dargestellte Technologie kann für die Entwicklung und Optimierung von Medikamententrägern der nächsten Generation, z. B. in arzneimittelfreisetzenden Beschichtungen, sowie für Biomaterialien im Allgemeinen verwendet werden.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113