Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Ce manuscrit présente une étude expérimentale et théorique sur les écoulements granulaires immergés le long d'un plan incliné, modèle en<br />laboratoire des avalanches sous-marines. L'étude expérimentale porte sur un<br />écoulement granulaire stationnaire et uniforme, complètement immergé dans<br />de l'eau. Les mesures de vitesse et d'épaisseur montrent que la définition<br />d'un nombre sans dimension dépendant d'un rapport de deux temps caractéristiques permet de comprendre quantitativement de tels écoulements.<br />L'adaptation de ce nombre sans dimension à un écoulement sec ou immergé<br />permet de définir de manière universelle une rhéologie de friction. Intégrée<br />aux équations moyennées dans l'épaisseur, cette rhéologie permet de définir<br />un critère de stabilité entre les écoulements stationnaires et des écoulements<br />instables, en accord qualitatif avec les observations expérimentales. Pour<br />mieux comprendre le rôle du fluide interstitiel, nous avons étudié numériquement<br />la trajectoire d'un bloc poreux en écoulement le long d'une pente rugueuse.<br />Outre la dissipation visqueuse, la présence du fluide peut apporter une lubrification modifiant les trajectoires du bloc poreux, et les angles<br />d'écoulements stationnaires. La dernière partie du manuscrit présente des<br />perspectives sur les écoulements immergés instationnaires ainsi qu'un ensemble<br />de conclusions.

Nous avons étudié par des calculs de structure électronique ab initio la structure, la stabilité et la mobilité des lacunes, bilacunes et auto-interstitiels dans le zirconium hexagonal compact. La migration des mono-lacunes est légèrement plus rapide dans les plans de base et celle des bilacunes est isotrope et beaucoup plus rapide. Pour les auto-interstitiels, il existe une compétition entre sept configurations très proches en énergies, dont trois qui n'avaient pas été identifiées auparavant. Nos calculs suggèrent que la configuration basale octaédrique est la plus stable et que la migration est isotrope. Ce nouveau paysage énergétique, conforté par des simulations de dynamique moléculaire ab initio, permet de réconcilier calculs et expériences. Les autres métaux du groupe IVb, Ti et Hf, ont un comportement très semblable.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire de maîtrise porte sur le développement de microaiguilles hydrogels pour la capture et la détection précoce de biomarqueurs protéiques spécifiques du liquide interstitiel cutané. Le diagnostic précoce d’une maladie et le suivi préventif des paramètres biologiques peuvent effectivement améliorer les traitements et auront un rôle plus important dans les années à venir. Cependant, des obstacles considérables à cette approche persistent, en particulier la nature hautement invasive et perturbatrice des analyses biologiques. Se rendre dans une clinique et subir un prélèvement invasif de sang (ou de liquide biologique) sont des défis considérables par rapport aux traitements courants, qui consistent souvent en des médicaments qui peuvent être pris sans douleur à la maison. Une solution à ces problèmes peut être trouvée dans l'invention de méthodes peu invasives pour le diagnostic et l'analyse des soins de santé, idéalement celles qui peuvent être utilisées à domicile sans nécessiter de personnel formé. À cet égard, les micro-aiguilles (MNs) démontrent un énorme potentiel car leur petite taille garantit qu’elles sont relativement simples et presque indolores. De plus, leur nature simple et à usage unique permet potentiellement une administration à domicile par le patient. Les micro-aiguilles d'hydrogel présentent des caractéristiques bénéfiques à des fins de diagnostic compte tenu de leurs propriétés de gonflement qui permettent d'absorber les fluides corporels tels que le liquide interstitiel (ISF) et de capturer les biomarqueurs. Ces caractéristiques remarquables ont poussé les scientifiques à utiliser des micro-aiguilles d'hydrogel pour des applications de diagnostic. Afin de fournir un contexte pour le développement de cette technologie, cette thèse commence par un examen des principes et des avancées récentes dans le domaine des applications diagnostiques des MN (Chapitre 1). Par la suite, des sections expérimentales, de résultats et de discussion seront présentes sur la fonctionnalisation de l'hydrogel avec des anticorps pour la détection de biomarqueurs spécifiques (Chapitre 2). Le dernier chapitre aborde la conclusion générale et les perspectives d'avenir de cette approche (Chapitre 3). / This master’s thesis focuses on the development of hydrogel microneedles (HMNs) for capture and early detection of specific protein biomarkers form the skin interstitial fluid. Early disease diagnosis and preventative monitoring of biological parameters can effectively improve medical results and anticipate playing a more important part in the forthcoming years. However, considerable barriers to this approach persist, specifically the highly invasive and disruptive nature of biological analyses. Visiting clinics and undergoing invasive blood (or biological fluid) sampling are considerable challenges in comparison with common treatments, which often consist of drugs that may be taken painlessly at home. A solution to these concerns can be found in the invention of minimally invasive methods for diagnostics and healthcare analyzing, ideally ones that may be utilized at home without the requirement for trained staff. In this regard, microneedles (MNs) demonstrate tremendous potential as their small size ensures that they are relatively straightforward and almost painless. Also, their simple and single-use nature potentially permits at-home administration by the patient. HMNs demonstrate beneficial features for the diagnosis purposes considering the swelling properties of them which give the chance of absorbing body fluids such as ISF and capture of the biomarkers. These remarkable features have driven scientists to employ HMNs for diagnostic applications. To provide background for the development of this technology, this thesis begins with a review of the principles and recent advances in the field of diagnostic applications of MNs (Chapter 1). Subsequently, experimental, result, and discussion sections will be present about the functionalization of hydrogel with a model antibody for specific biomarkers detection (Chapter 2). The last chapter discusses the general conclusion and future prospects of this approach (Chapter 3).

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Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés aux phénomènes de transport au sein du réseau lacuno-canaliculaire (RLC) et de l'ostéon dans le tissu osseux cortical. Pour étudier la mécanotransduction ostéocytaire amenant au remodelage osseux, nous avons développé un modèle à trois échelles où sont pris en : l'électrcompte ostatique (modélisée par l'équation de Poisson Boltzmann), l'écoulement du fluide (représenté textit{via} une équation de Stokes modifiée et la conservation de la masse fluide) et le transport ionique (régi par l'équation de Nernst-Planck). L'étude de la distribution du potentiel électrique, a mis en exergue l'importance des double-couches électriques au voisinage des parois chargées des pores. Ces double-couches électriques, ainsi que la composition chimique du fluide donnent lieu à des phénomènes d'osmose et d'électroosmose intervenant dans l'écoulement du fluide interstitiel, et influençant la diffusion efficace des ions dans les pores. L'étude a démarré à l'échelle du pore canaliculaire pour être propagée à l'échelle du canalicule puis de l'ostéon, en utilisant une procédure d'homogénéisation périodique asymptotique. Une étude paramétrique nous a permis de cibler les paramètres agissant sur les phénomènes de transport et pouvant faire réagir les ostéocytes. Il est ressorti de cette étude que les effets électro-chimiques jouent rôle important. Nous avons donc choisi de nous focaliser sur la chimie et plus particulièrement sur les effets des flux ioniques physiologiques sur les ostéocytes dans le RLC. Des expériences, mises en place pour étayer ces aspects ont souligné l'importance des échanges chimiques entre les cellules et le fluide qui les entoure. Finalement, nous avons montré que les phénomènes de transports ayant lieu dans le RLC et dans l'ostéon interagissent les uns les autres, parachevant ainsi la description à trois échelles du tissu cortical / Transport phenomena appearing within the cortical bone lacuno-canalicular network (LCN) and the osteon were the objective of this study. We developped a three-scale model to investigate the osteocyte mechanotranduction which is at the origin of the bone remodeling process. This model took into account three physical phenomena : the electrostatics (through the Poisson-Boltzman equation), the interstitial fluid flow (modeled by a modified Stokes equation) and the ionic transport (governed by a Nernst-Planck equation). Analysis of the electrical potential distribution highlighted the importance of the electrical double layers close to the pore charged surface. These electrical double layers, as well as the interstitial fluid chemical composition, induce osmotic and electroosmotic fluid flows and affect the ionic effective diffusion within the pores. Using a periodic asymptotic homogeneisation procedure, the model at the canalicular pore scale was upscaled at the canalicular scale and then at the osteonal scale. A parametric study pointed out the relevant parameters acting on the transport phenomena and possibly affecting osteocyte mecanosensitivity. Our results emphasized the importance of the electro-chemical effects. We thus focused on the chemistry and more especially on the effects of the physiological ionic fluxes on the osteocyte. In vitro experiments and numrical simulations were performed to elucidate these questions. Our results underlined the importance of the chemical exchanges between the osteocyte and the surrounding fluid. Finally, we showed that fluid flow and chemical transport occuring within the LCN and the osteon interact with each other, thus achieving a three-scale description of the transport phenomena in the osteon

La thérapie photodynamique (PDT) appliquée aux tumeurs cérébrales est évaluée comme une stratégie complémentaire par rapport aux thérapies conventionnelles. De nombreux travaux mettent en exergue le rôle prépondérant joué par l'effet vasculaire de la PDT dans l'éradication tumorale. Ainsi, une accumulation sélective du photosensibilisateur au niveau des néo-vaisseaux tumoraux favorise cet effet et donc, l'efficacité du traitement photodynamique. La stratégie vasculaire consistant à coupler un photosensibilisateur à un peptide ligand pour cibler le récepteur neuropiline-1 (NRP-1) surexprimé par les cellules endothéliales angiogéniques a été validée, démontrant également l'induction de l'expression du facteur tissulaire immédiatement après PDT. Grâce à l'utilisation de nanoparticules multifonctionnelles, des améliorations ont été apportées à la stratégie initiale pour une PDT interstitielle (iPDT) guidée par l'imagerie. Fonctionnalisées par le peptide ligand, vecteur du photosensibilisateur et d'un agent de contraste puis rendues furtives, les nanoparticules sélectionnées présentent les propriétés originales requises pour une action combinée en IRM et PDT ciblée. Les nano-objets sont affins pour NRP-1 et conservent leur caractéristique photo-activable. Les essais sur rats nude xénogreffés en orthotopique par un modèle de gliome malin humain, valident la faisabilité du concept de iPDT guidée par l'IRM en temps réel. Après injection des nanoparticules par voie intraveineuse, un rehaussement positif du signal IRM est observé au niveau de la zone tumorale pour optimiser l'implantation de la fibre optique. Les résultats obtenus par IRM de perfusion et, l'expression protéique de NRP-1 au niveau du tissu et des berges tumorales, valident la sélectivité des nanoparticules fonctionnalisées. La combinaison des techniques d'imagerie non-invasives (IRM, SRM, TEP/CT) a permis le suivi thérapeutique / Photodynamic therapy (PDT) for brain tumors appears to be complementary to conventional treatments. Number studies show the major role of the vascular effect in the tumor eradication by PDT. To promote this vascular effect, a selective targeting of neuropilin-1 (NRP-1), mainly over-expressed by tumor angiogenic vessels, was investigated using a photosensitizer coupled to a ligand peptide. We validated the interest of using this active-targeting strategy to promote this vascular effect by the induction of tissue factor expression immediately post-PDT. For interstitial PDT (iPDT) of brain tumors guided by real-time imaging, multifunctional nanoparticles consisting of a surface-localized tumor vasculature targeting NRP-1 and encapsulated PDT and imaging agents, have been developed. The selected nanoparticles are favourable to a photosensitizer targeting strategy for iPDT combined with MRI.Characterization studies of the nanoparticles reveal a photodynamic efficiency and demonstrate a molecular affinity of the functionalized nanoparticle to NRP-1 target. After intravenous injection of the multifunctional nanoparticles into rats with intracranial glioma, we demonstrate a positive contrast enhancement of the tumor tissue by MRI, allowing the optimization of the optical fiber implantation. Perfusion MRI data and NRP-1 protein expression of the tumor and brain adjacent to tumor tissues check selectivity of the functionalized nanoparticle. The combination of non-invasive techniques of imaging (MRI, MRS, PET/CT) validates this concept of iPDT guided by MRI

Le sujet abordé dans ce manuscrit traite de l'étude des défauts ponctuels et de leur rôle dans la diffusion au sein des semi-conducteurs Si et SiGe suivant une approche numérique. Le fait que les changements de concentrations observés dans un cristal à son échelle soient induits par des mouvements à l'échelle atomique, a conduit à une approche multi-échelle.<br /><br />Le calcul ab initio est un outil adapté à l'exploration des phénomènes inter-atomiques. Couplées à des algorithmes de minimisation des configurations, cet outil donne accès aux états stables et aux états de transition des phénomènes diffusifs. Le mouvement macroscopique est ensuite reproduit par l'utilisation de simulations de Monte Carlo cinétique.<br /><br />Nous détaillons, dans le présent travail, les coûts énergétiques et les géométries des principaux défauts répertoriés dans Si et SiGe. Il en ressort que la lacune, l'interstitiel dissocié, l'interstitiel hexagonal et le défaut tétra-coordonné sont tous les quatre des défauts de moindre énergie dans ces systèmes. L'étude des mouvements possibles et leurs utilisations dans des simulations de physique thermodynamique, permet de montrer l'existence de plusieurs régimes de diffusion, selon que les médiateurs du mouvement agissent seuls ou de façon coordonnée. Nous donnons l'exemple de la diffusion lacunaire, dont les variations observées s'expliquent par la présence plus ou moins importante de bi-lacunes et par les phénomènes de dissociation en jeu.<br /><br />Par cette étude, nous mettons en avant la nécessité de combiner, dans le cas de la diffusion, une analyse de l'échelle atomique avec des simulations à des échelles plus macroscopiques.