L'objectif global de ce projet de doctorat est d'améliorer les qualités fonctionnelles des prothèses vasculaires de téflon (PTFE). En ce sens, deux stratégies ont été développées: l'une pour diminuer les risques de thromboses et l'autre pour inhiber l'hyperplasie intimale. Les thromboses se produisent dans les prothèses synthétiques car les matériaux utilisés sont non-hémocompatibles. Puisque le seul tissu hémocompatible connu est l'endothélium, le PTFE a été modifié afin de favoriser l'adhésion et la survie des cellules endothéliales. Le PTFE a d'abord été aminé par plasma d'ammoniac puis des bras d'ancrage ont été greffés sur les amines de la surface. Deux bras différents ont été employés, soit l'anhydride glutarique (GA) et le sulfo-SMPB (SMPB). L'autre extrémité des bras d'ancrage a été utilisée pour greffer la fibronectine (FN), une glycoprotéine d'adhésion présente dans les matrices extracellulaires. Le succès de chaque étape de modification à été vérifié par des analyses XPS. La quantité, l'activité et la conformation de la FN sur chacun des bras d'ancrage ont été étudiées par dosage radioactif, des essais d'adhésion cellulaire, ELISA, AFM et angle de contact. La FN favorise l'adhésion des cellules endothéliales sur le PTFE, particulièrement lorsqu'elle est greffée sur GA. La FN greffée sur GA a une plus grande activité biologique et une conformation plus étendue que celle greffée sur SMPB. L'hyperplasie intimale est un épaississement de la couche interne des artères dû à la migration et la prolifération des cellules musculaires lisses (SMCs) et à leur production de matrice extracellulaire. Cet épaississement entraîne une réduction de la lumière artérielle et du flux sanguin, puis ultimement, l'échec de la prothèse. Pour contrer ce phénomène, le potentiel du mésylate d'imatinib à inhiber spécifiquement les SMCs sans nuire à la croissance des cellules endothéliales a été évalué in vitro. Des essais de prolifération de cellules musculaires et endothéliales en mono et en co-culture ont été faits avec différentes concentrations de mésylate d'imatinib. Il a été démontré que des concentrations de 1.2 à 3.7µM de mésylate d'imatinib inhibent les SMCs et favorisent la prolifération des cellules endothéliales. De plus, l'analyse de l'expression des protéines PARP et caspase 3 clivée par western blot a montrée qu'à ces concentrations, le mésylate d'imatinib n'entraîne pas l'apoptose des cellules. / The overall objective of this Ph.D. thesis is to improve the patency of PTFE vascular prostheses. To achieve this goal, two strategies were developed: one aiming to decrease thromboses risks and the other to inhibit intimal hyperplasia. Thromboses happen in synthetic prostheses because they are made of non-haemocompatible materials. Since the only known haemocompatible tissue is the endothelium (monolayer of endothelial cells covering the inner wall of all blood vessels and heart), the PTFE was modified in order to promote adhesion and survival of endothelial cells. PTFE was first functionalized by low pressure ammonia plasma to introduce amino groups and linking arms were grafted onto these functional groups. Two different linkers were used, glutaric anhydride (GA) and sulfo-SMPB (SMPB). The free end of linking arms was used to graft fibronectin (FN), an adhesion protein found in most extracellular matrix. The success of each step of modification was ascertained by XPS analyses. FN quantity, activity and conformation on each linking arm was studied by radiolabeling assays, cellular adhesion assays, ELISA, AFM and contact angle. FN greatly promotes endothelial cell adhesion on PTFE, especially when it is grafted onto GA. It was demonstrated that FN grafted on GA had a better biological activity and a more unfolded conformation than FN grafted on SMPB. Intimal hyperplasia is a thickening of the innermost layer of artery wall due to migration and proliferation of smooth muscle cells and their matrix production. This thickening leads to a decrease in lumen size and blood flow which ultimately cause the prosthesis failure. To counter this phenomenon, the inhibition potential of imatinib mesylate over smooth muscle cells and its harmlessness to endothelial cells were evaluated in vitro. Proliferation assays of muscular and endothelial cells were performed in mono and co-culture with different imatinib mesylate concentrations. It was demonstrated that imatinib mesylate inhibits smooth muscle cells and promotes endothelial cell proliferation in a concentration range of 1.2 to 3.7µM. Furthermore, PARP and cleaved caspase 3 expression analyses by western blotting showed that in this concentration range, imatinib mesylate did not cause cell apoptosis. /

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La problématique de la croissance anormale des grains apparaissant dans les alliages d’aluminium après un traitement thermique dans les soudures par friction-malaxage (FSW) est un phénomène connu. Elle implique la croissance anormale de certains grains et a déjà été identifiée par plusieurs auteurs et des mécanismes de compréhension de ce processus ont aussi été proposés. Malgré tout, seulement quelques articles traitent des méthodes permettant de la réduire ou de l’éliminer complètement. Cette étude se concentre sur l’influence de la variation de l’apport de chaleur global pendant le soudage FSW de l’alliage AA5083 sur la croissance anormale des grains. Pour ce faire, les paramètres principaux de procédé ainsi qu’un apport externe de chaleur sont modifiés de manière à couvrir une large gamme d’apport de chaleur. Il est possible d’éliminer complètement la problématique en utilisant un apport de chaleur externe combiné à des paramètres de procédé adéquats. Par contre, l’enveloppe opératoire est mince pour obtenir ce résultat, car des porosités internes peuvent être créées si la température lors du soudage dépasse un seuil critique. Des mesures de température réalisées à l’aide d’une caméra thermique ont permis d’identifier ce facteur comme étant le plus déterminant sur l’apparition et la quantité de grains anormaux répertorié dans les échantillons. Deux modèles impliquant la croissance anormale des grains sont analysés : le premier étant basé sur l’effet des particules de seconde-phase et le second sur une non-uniformité de la mobilité des sous-joints de grains. Le second modèle corrobore mieux les résultats, principalement lorsqu’un apport externe de chaleur est employé. Une analyse microstructurale comprenant des mesures en microscopie optique, en microscope électronique à balayage (MEB) et en électrons rétros-diffusés (EBSD) ont permis de quantifier la grosseur et la distribution des grains dans le noyau de soudage, la désorientation des joints de grains et les particules de seconde-phase reliant ainsi les expérimentations aux théories. L’utilisation d’un apport externe de chaleur réduit la distribution sur la grosseur des grains de même que la désorientation moyenne des sous-joints de grains. Ces changements augmentent la stabilité de la microstructure à haute température et empêchent l’initiation de la croissance anormale des grains. / The issue regarding abnormal grain growth (AGG) that appears in aluminum alloys after heat treatment in friction stir welds (FSW) is well established. Several authors have already observed abnormal growing grains and some associated mechanisms have been identified through the friction stir welding community. In spite of this understanding, only a few papers describe methods to limit or eliminate this behavior. This study focuses on the effect of varying the heat input during welding of AA5083 aluminum alloys in relation with abnormal grain growth. The main process parameters and an external heat supply are modified in order to cover a wide range of global heat inputs. It is possible to eliminate completely abnormal grain growth by using an adequate combination of these two process variables. However, a narrow welding envelope is found to obtain such a result because internal cavities are revealed if the welding temperature reaches a critical value. Temperature measurements taken with a thermal camera have identified this factor as the most critical on the onset and quantity of abnormal grain growth observed in the samples. Two models applied to abnormal grain growth are analyzed: a first one based on the effect of second-phase particles and a second based on non-uniform subgrain boundary mobilities. The second model gives a better correlation with our findings mainly when external heating is employed. A microstructural analysis using optical microscopy, secondary electron microscopy (SEM) and electron back-scattered diffraction (EBSD) has enabled the quantification of the size and the distribution of grains in the weld nugget, the misorientation of grain boundaries and the second-phase particles. These results have linked our observations with the studied models. An external heat supply reduces the grain size distribution and the subgrain boundary misorientation. These changes stabilize the microstructure at elevated temperature and inhibit abnormal grain growth.

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La disponibilité limitée de vaisseaux sanguins autologues pour les chirurgies vasculaires telles que le pontage coronarien ou périphérique et les performances cliniques insuffisantes des prothèses vasculaires pour le remplacement de vaisseaux sanguins de petit diamètre (Ø < 6 mm) justifie la recherche dans le domaine du génie tissulaire vasculaire. L’une des stratégies explorées – le génie tissulaire fonctionnel – vise à régénérer un vaisseau sanguin in vitro dans un environnement contrôlé appelé bioréacteur. L’objectif de cette thèse est de concevoir un bioréacteur à perfusion et de développer un système de contrôle pour ce bioréacteur afin d’interagir de manière dynamique avec une construction artérielle dans le but de guider et de stimuler la maturation de constructions artérielles. La principale question étudiée dans ce projet est de déterminer comment choisir les conditions de culture à l’intérieur d’un bioréacteur le plus efficacement possible. Deux grands enjeux ont été identifiés : d’abord, le besoin de comprendre les différents phénomènes physiques et biologiques qui se déroulent à l’intérieur du bioréacteur. Ensuite, la nécessité de diriger la régénération du tissu vasculaire. Une commande utilisant le concept de programmation génétique fut développé afin de modéliser en temps réel la régénération du tissu vasculaire. En utilisant les modèles générés, la commande recherche une stratégie optimale de culture (déformation circonférentielle, cisaillement longitudinal et fréquence du débit pulsé) en considérant un processus de décision Markovien résolu par programmation dynamique. Par simulation numérique, on montre que cette méthode a le potentiel de favoriser une croissance plus rapide et plus sécuritaire des tissus en culture et permet d’identifier plus efficacement les paramètres importants pour la croissance et le remodelage des constructions artérielles. La commande est capable de gérer des modèles de croissance non linéaires. Expérimentalement, le système développé permet de mieux comprendre l’évolution des propriétés mécaniques d’une construction artérielle dans un bioréacteur. / The limited availability of autologous blood vessels for bypass surgeries (coronary or peripheral) and the poor patency rate of vascular prosthesis for the replacement of small diameter vessels (Ø < 6 mm) motivate researches in the domain of vascular tissue engineering. One of the possible strategies named functional tissue engineering aims to regenerate a blood vessel in vitro in a controlled environment. The objective of this thesis is to design a perfusion bioreactor and develop a control system able to dynamically interact with a growing blood vessel in order to guide and stimulate the maturation of the vascular construct. The principal question addressed in this work is: How to choose culture conditions in a bioreactor in the most efficient way? Two main challenges have been identified: first, the need to develop a better comprehension of the physical and biological phenomenon occurring in bioreactors; second, the need to influence and optimize vascular tissue maturation. A controller based on the concept of genetic programming was developed for real-time modeling of vascular tissue regeneration. Using the produced models, the controller searches an optimal culture strategy (circumferential strain, longitudinal shear stress and frequency of the pulsed pressure signal) by the mean of a Markov decision process solved by dynamic programming. Numerical simulations showed that the method has the potential to improve growth, safety of the process, and information gathering. The controller is able to work with common nonlinearities in tissue growth. Experimental results show that the controller is able to identify important culture parameters for the growth and remodelling of tissue engineered blood vessels. Furthermore, this bioreactor represents an interesting tool to study the evolution of the mechanical properties of a vascular construct during maturation.

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L'objectif de ce projet est d'explorer la possibilité d’utiliser des oxydes mixtes nanostructurés obtenus par broyage à haute énergie (HEBM en anglais) dans des capteurs de gaz des oxydes mixtes à haute performance et à faible coût. Les compositions chimiques, LaFeO3 et LaCoO3, ont été choisies en fonction de leurs propriétés intrinsèques de détection de gaz proposées dans la littérature. L'effet des paramètres de synthèse sur leurs performances de détection de gaz a été étudié. Ce projet est divisé en trois étapes. Dans la première étape, les paramètres de synthèse ont été optimisés pour obtenir des oxydes nanocristallins LaCoO3 à structure pérovskite. Un procédé de revêtement a ensuite été développé afin de déposer le matériau sous forme de poudre sur un substrat électriquement résistant et de créer un dispositif de détection. Cette méthode consiste en une simple étape d’enrobage où la poudre nanocristalline est mise en suspension dans une solution aqueuse à un pH ajusté avec précision et le substrat y est immergé jusqu'à l’obtention d’une couche continue et homogène. Les échantillons ont été ensuite séchés, conditionnés et les propriétés de détection ont été évaluées en mesurant essentiellement le comportement de la résistance électrique sous différentes compositions de gaz. Afin de comparer la méthode de fabrication des oxydes dans ce projet (broyage à boulets, BM) à d'autres méthodes de synthèse classiques, les mêmes compositions chimiques des pérovskites LaFeO3 et LaCoO3 ont été réalisées par la méthode sol-gel (SG) et par réaction à l’état solide (SSR). L'effet de la taille des particules sur les performances de détection du monoxyde de carbone par le LaCoO3 a été étudié. En comparant aux autres méthodes classiques, la technique par broyage à haute énergie a abouti à la plus petite taille des cristallites, environ 11 nm, alors que la SG et la SSR ont donné une taille de cristallites respectivement de 20 nm et 1 μm. Le taux de réponse maximale vis-à-vis au CO a été augmenté de 7% pour les échantillons par SSR à 17% pour la SG et jusqu’à 26% pour la BM, tout en conservant une surface spécifique stable pour les trois méthodes de synthèse. Dans la deuxième étape, la surface spécifique (SSA) des échantillons broyés par BM a été augmentée en utilisant une seconde étape de broyage. L'effet de la surface spécifique sur les performances de détection de gaz et sur la mobilité des atomes d'oxygène ainsi que sur leur capacité de désorption des oxydes mixtes a été examiné. Les matériaux synthétisés ont été caractérisés par diffraction des rayons X (XRD), par désorption du dioxygène à température programmée (TPD-O2) et par analyse de leur surface spécifique (BET). Les résultats de détection ont révélé l’effet positif d’une faible taille de cristallites associée à une grande surface spécifique sur les performances de détection de gaz. La surface spécifique de l'échantillon synthétisé par BM est passée de 4 m2/g à une valeur optimale de 66 m2/g grâce à la seconde étape de broyage. La pérovskite optimisée par deux étapes de broyage a montré le plus fort taux de réponse allant jusqu'à 75% pour 100 ppm de CO dans l'air sec à 125°C. Ce pourcentage est de quatre à dix fois supérieur à ceux obtenus par sol-gel et par réaction à l'état solide. La performance de détection de gaz du composé LaCoO3 ayant une taille de cristallites de 11 nm et une surface spécifique de 66 m2/g a été définie comme étant le matériau de référence pour d'autres améliorations. Dans la troisième étape, le potentiel de la méthode de BM dans l’obtention de composés chimiques dopés a été exploré par la synthèse de formulations ayant la forme La1-xCexCoO3 où le pourcentage de cérium et l'effet de ce dopage sur les propriétés de détection de gaz ont été évalués. L'effet de l'élément dopant sur la structure pérovskite a été étudié. Les composés dopés par le cérium ont montré un point de saturation de 10% dans la structure pérovskite et un ajout supplémentaire de Ce à ce pourcentage limite entraîne l’apparition de l'oxyde de cérium en tant qu'impureté et affecte la détection des gaz. La température de détection optimale du CO pour la formulation dopée a été trouvée à 100°C par rapport à 130°C pour la structure pérovskite de référence (LaCoO3). Parmi les oxydes mixtes dopés au Ce, la formulation La0.9Ce0.1CoO3 montre le meilleur taux de réponse (240%) qui est de quatre fois supérieur au taux de réponse du LaCoO3 pour une même concentration de CO. La TPD-O2, la TPD-CO et l’analyse de surface XPS ont été effectuées pour établir la relation entre la performance de détection et les propriétés physiques et chimiques des échantillons synthétisés. En outre, les pérovskites nanostructurées de la forme LaFeO3 ont également été synthétisées en utilisant la méthode HEBM. Cette formulation a été choisie pour sa sensibilité intrinsèque et pour sa capacité de détection du CO. Les propriétés de détection de cette formulation pour le méthane sont améliorées par un dopage au palladium. L’oxyde de Pd est imprégné sur la surface de l’oxyde nanostructuré LaFeO3. Ce dopage révèle l'effet de ce métal noble sur les performances de détection au méthane. Différentes masses d’oxyde de Pd ont été utilisées pour déterminer la quantité optimale à ajouter afin de maximiser la détection du méthane. Les composés nanostructurés dopés au Pd indiquent une bonne sensibilité au méthane à très basse température (<150°C), alors que pour la pérovskite pure de LaFeO3, la détection est inexistante dans cette gamme de température. Un pourcentage massique de 2% Pd pour le composé LaFeO3 montre un taux de détection maximum de 600% par rapport aux 300 ppm CH4 dans l'air. Cet oxyde dopé possède une taille de cristallite de 14 nm et une surface spécifique élevée de 46 m2/g. La capacité de stockage du méthane de la formulation dopée a été également évaluée en étudiant l'effet de l'élément de dopage sur la capacité d'adsorption et de sa relation avec la performance de détection d'échantillons synthétisés. Aucune activité catalytique n’a été observée pour les formulations dopées au Pd. / The aim of this project is to explore the possibility of exploitation of nanostructured mixed oxides obtained by HEBM technique in development of high efficient gas sensors in terms of performance and cost. LaFeO3 and LaCoO3 formulations were chosen as perovskite-based materials, based on their intrinsic sensing properties reported on the literature, to investigate the effect of synthesis parameters on their gas sensing performance. In the first step, synthesis parameters were optimized to obtain nanocrystalline LaCoO3 perovskite-oxide. A coating method was then developed in order to coat the sensing material in powder form on an electrically resistant substrate and to provide a sensing device. This coating method consisted of a simple wash-coating process where the nanocrystalline powder is put in suspension in an aqueous solution with an accurately adjusted pH and the substrate is dipped in until a continuous and homogeneous thick sensing layer is formed. The samples were then dried and conditioned and the sensing properties were evaluated basically by measuring electrical resistance behaviour of the device in different gas compositions. In order to compare the ball milling (BM) method with other synthesis methods, the same formulation was also obtained using sol-gel (SG) and solid-state reaction (SSR) methods. The effect of crystallite size on CO sensing performance of synthesized LaCoO3 was studied. Compared to the other methods, HEBM resulted in lowest crystallite size of 11 nm while the SG and SSR gave a crystallite size of 20 nm and 1 µm, respectively. While the specific surface area of all samples remained similar, the maximum response ratio was increased from 7% for SSR samples to 17% and 26% for SG and BM samples, respectively. In the second step, specific surface area (SSA) of milled materials was increased using a second milling process. The new synthesis process was called Activated Reactive Synthesis (ARS). The effect of surface area on gas sensing performance and oxygen mobility as well as oxygen desorption capacity of synthesized materials was investigated. Synthesized materials were characterized using XRD, TPD-O2 and BET. Gas sensing results revealed a positive effect of low crystallite size and high surface area on gas sensing performance of milled materials. Specific surface area of the BM sample was successfully increased from 4 m2/g to an optimum value of 66 m2/g by an ARS step. Improved BM material showed the highest response ratio of up to 75% for 100 ppm CO in dry air at 125°C, which is four and ten times higher than those obtained by sol-gel and solid-state reaction methods, respectively. The gas sensing performance of LaCoO3 samples with a crystallite size of 11 nm and a specific surface of 66 m2/g was set as a benchmark for further improvements. In the third step, the potential of ARS method in providing the doped formulations was explored by synthesizing La1-xCexCoO3 series doped with different amounts of cerium. The effect of cerium doping on perovskite structure and its gas sensing properties was then evaluated. Ce-doped formulations showed a saturation point at 10 at.% in the perovskite structure. The optimum CO sensing temperature for doped formulation was found to be 100°C compared to 130°C for pure perovskite. Among the Ce-doped formulations, La0.9Ce0.1CoO3 showed the best response ratio (240%) with respect to 100 ppm CO that was four times higher than the response ratio of pure LaCoO3. TPD-O2, TPD-CO and XPS were performed to find the relation between sensing performance and physical and chemical properties of synthesized samples. Further addition of Ce resulted in segregation of cerium oxide as a second phase (impurity) and deteriorated the sensing performance of the doped materials. Nanostructured LaFeO3 perovskite was also synthesized using ARS method. This formulation was chosen for its intrinsic hydrogen and CO sensing properties. The sensing properties of this formulation with respect to methane were improved by Pd doping. Pd oxide was impregnated on the surface of nanostructured and high surface of LaFeO3 to further enhance its methane sensing performance. Different amounts of palladium oxide were used to find the optimum level of doping. Doped formulations showed a good sensitivity to methane at very low temperature (<150°C) while pure LaFeO3 did definitely not show any sensing property with respect to methane at the same temperature range. LaFeO3 with 2 wt.% Pd with a crystallite size of 14 nm and a high specific surface area of 46 m2/g showed maximum response ratio of 600% with respect to 300 ppm CH4 in air. Methane storage capacity of doped formulation was evaluated to investigate the effect of doping element on adsorption capacity and its relation with the sensing performance of synthesized samples. No catalytic activity was observed for doped formulations.

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