The theoretical part of thesis provides information on the biopharmaceutical classification system of drugs and its context in the research and development of pharmaceuticals. The methods used to increase the solubility and acceleration including electrospinning are presented. The experimental part is the pilot study on the evaluation of conditions suitable for dissolution testing of newly prepared nanofibers made from polyvinylpyrrolidone membranes with a high content (up to 35 per cent) gatrin as a substance poorly soluble in aqueous vehicles. The parameters of determination of gatrin by HPLC using C18 sorbent and a mobile phase of acetonitrile: phosphate buffer pH 8 were preliminarily evaluated as perfectly applicable to vehicle type-phosphate buffer pH 6.0. The same conditions were found to be in a severe collision with a polymer material of nanofibrous membrane during the dissolution evaluation or with acetonitrile in the mobile phase, an accurate determination of gatrin was not obtained in this case. These findings lead to the proposal to change the formulation of the nanofiber membranes using polymer different from polyvinylpyrrolidone (eg. hydroxypropylcellulose) or the replacement of acetonitrile for methanol at the mobile phase for HPLC. However, in all cases, all the analytically...

Fibres with ultra-high tensile strength have attracted unprecedented attention due to the rapidly increasing demand for strong fibre reinforced composites in various fields. However, despite a theoretical strength as high as around 46 GPa, current commercial alumina fibres only reach strength value of around 3.3 GPa because of the defects between the grains. Electrospinning provides a method to produce ceramic nanofibres with diameters reduced to nano-scale with effectively enhanced strength. Different calcination procedures were applied to study the morphology and crystal structure growth of alumina. Tested with a custom-built AFM-SEM system, the tensile strength of single crystal α-alumina nanofibres were found to have little dependence on diameter variations, with an average value of 11.4±1.1 GPa. While the strength of polycrystalline γ-alumina nanofibres were controlled by defects, showing a diameter dependent mechanism. Apart from the intrinsic properties of the fibre and matrix, the interface between them also plays an important role in determining composite mechanical properties. Collected by a rotating drum during electrospinning, aligned fibres were used to reinforce polycarbonate matrix for fabricating composite. The composite mechanical properties were successfully improved after surface modification with silane coupling agent. With a fibre volume fraction of around 7.5%, the composite strength doubled and the Young's modulus increased by a factor of 4 when compared with the pure polycarbonate. Apart from surface modification, the fibre/matrix interface can also be affected by transcrystallinity. Transcrystalline layers were formed in the alumina reinforced polycarbonate composites after annealing. Significant enhancement of the Young's modulus of the crystallized polycarbonate by a factor of 3 compared to the amorphous phase was measured directly using AFM based nanoindentation. Optimization of the Young's modulus is suggested as a balance between extending the annealing time to grow the transcrystalline layer and reducing the processing time to suppress void development in the PC matrix.

Les glioblastomes multiformes (GBM) comptent parmi les tumeurs au pronostic le plus sombre. L’extraordinaire capacité invasive des cellules tumorales rend toutes les interventions thérapeutiques actuelles totalement impuissantes. Une sous-population de Cellules Souches de Glioblastome (CSG) hautement invasive est responsable de la récurrence tumorale. Dans le cerveau, les GBM migrent principalement le long des vaisseaux sanguins au sein de l’espace périvasculaire riche en laminine, fibronectine et collagène ainsi qu’en suivant l’alignement des fibres myélinisées du corps calleux. La Matrice Extracellulaire (MEC) de ces régions joue un rôle important dans l’invasion des GBM, mais les mécanismes mis en jeu n’ont pas été complètement dévoilés. De plus, le développement de nouvelles thérapies anti-migratrices ciblant l’interaction des GBM avec la MEC reste encore limité. Dans le but de mimer la composition biochimique et les propriétés mécaniques de la MEC cérébrale et d’étudier leur rôle(s) dans la migration des CSG, nous avons développé un nouveau support de nanofibres (NF) alignées et fonctionnalisées avec de la laminine. Mes travaux de thèse ont montré que les NF génèrent un microenvironnement tridimensionnel (3D) favorisant l’adhésion et la migration des CSG. Cette adhésion est améliorée en comparaison avec les supports planaires (SP) conventionnels (2D) et récapitule mieux les mécanismes d’interaction des CSG avec la MEC au cours de l’invasion dans le modèle murin de tumeurs xénogreffées. Dans ces conditions physiologiques plus convenables générées par les NF, la variation des composantes biochimiques et mécaniques de la MEC affecte la migration des CSG. La présence ou l’absence de laminine régule le mode migratoire et l’orientation de fibres contrôle la direction de migration des CSG. D’un autre coté, l’altération de la glycosylation des protéines de la surface cellulaire module l’interaction des cellules tumorales du cerveau avec la MEC et augmente leur invasion. La deuxième partie de mes travaux de thèse a permis de démontrer que les glycomimétiques phostines « 3.1a » réorganisent le processus de la N-glycosylation des CSG diminuant leur invasivité in vitro et in vivo en inhibant les voies de signalisation de la kinase FAK et du récepteur de TGF-β impliqués dans l’interconnexion cellule-MEC. / Glioblastoma Multiforme (GBM) is a biologically aggressive tumor with an extremely poor prognosis. The highly invasive capacity of a subpopulation of Glioblastoma Initiating Cells (GIC) makes complete surgical resection impossible. GBM dissemination occurs along preexisting brain structures such as the perivascular space rich in laminin, fibronectine and collagen as well as the aligned myelinated fibers of the corpus callosum. The Extracellular Matrix (ECM) of these cerebral regions plays an important role during GBM invasion, but the underlying mechanisms remain largely unknown. Accordingly, the development of new anti-migratory therapies targeting the cell-ECM interactions is lacking. In order to mimic the compositional and physical properties of the cerebral ECM and to investigate their role(s) in GBM invasion, we have set up a new aligned nanofibers (NF)scaffold functionalized with laminin. My work demonstrated that the NFs constitute a tridimensional (3D) microenvironment supporting GIC adhesion and migration. The cell-ECM adhesion is improved on the NF in comparison to the conventional 2D planar surfaces (PS). Furthermore, the mechanisms of GIC interaction with the ECM on the NF are similar to those observed in the human GBM xenograft murine model. In this physiologically more relevant 3D microenvironment reproduced by the NF, the variation of the different biochemical and mechanical components of the ECM affects the migration of GIC. The presence or absence of laminin on the NF regulates the mode of migration and the orientation of the fibers dictates the direction of migration of GIC. On the other hand, the glycosylation that decorates cell surface proteins modulates the interaction of GBM tumor cells with the ECM and its alteration increases their invasion. The second part of my thesis demonstrated that the glycomimetics phostines « 3.1a » remodel the N-glycosylation of GIC and decrease their invasivity in vitro and in vivo via the inhibition of FAK and TGFβ-R signaling pathways known to be implicated in the cell-ECM intercommunication.

Le matériau composite Cu/NFC (Nano Fibre de Carbone) peut être utilisé en tant que drain thermique par les industriels de l'électronique de puissance. En remplacement du cuivre, il doit combiner une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique adapté à celui de la céramique du circuit imprimé (alumine ou nitrure d'aluminium). Après avoir étudié les propriétés de la matrice cuivre et des NFC, plusieurs méthodes de synthèse du composite Cu/NFC ont été développées. Le composite a tout d'abord été élaboré par métallurgie des poudres. Puis, dans le but d'améliorer l'homogénéité, il a été envisagé de revêtir individuellement chaque NFC par du cuivre déposé par voie chimique electroless ainsi que par une méthode originale de décomposition d'un sel métallique. Des mesures de densité et de propriétés thermiques (conductivité et dilatation) ainsi que les caractérisations microstructurales de ces matériaux montrent la complexité de l'élaboration d'un tel composite. En effet, la dispersion des nanofibres, la nature des interfaces fibres/matrice et surtout les phénomènes thermiques à l'échelle nanométrique sont autant de paramètres à contrôler afin d'obtenir les propriétés recherchées. La simulation numérique et analytique, qui a été mise en oeuvre en parallèle a été corrélée aux résultats expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux.

La filature par voie électrostatique consiste à dissoudre un polymère dans un solvant, puis soumettre cette solution à un champ électrostatique intense. Différents paramètres influencent l'obtention, la production et la régularité des nanofilaments obtenus. Parmi ces paramètres, il y a des paramètres physiques inhérents à la cabine de filage, des paramètres électriques et des paramètres liés à la solution. Pour obtenir des nanofilaments, la première étape est de déterminer le ou les meilleurs couples polymère-solvant ainsi que les conditions expérimentales optimales pour obtenir à la fois des produits homogènes et reproductibles. L'obtention de nanofilaments de caractéristiques mécaniques et de structures données est complexe et dépend à la fois de paramètres de filage, mais aussi des propriétés de la solution. Une des propriétés les plus importantes de la solution est sa viscosité. Il a donc été nécessaire d'étudier, pour différents couples solvant-polymère (PA, PAN, PLA, PHEA) leur comportement rhéologique. Ces études rhéologiques ont permises d'expliquer les morphologies des matériaux obtenus par la conformation macromoléculaire de la solution. Les non-tissés de nanofibres obtenus ont été caractérisés par Microscopie à Forces Atomiques (AFM), Microscopie Electronique à Transmission (MET) et à Balayage (MEE) pour les aspects morphologiques. D'autres caractérisations, thermique (DSC), spectroscopique (FTIR) et mécaniques (traction et indentation) ont complété la caractérisation de ces matériaux. A l'issue de l'étude précédente, les nanofibres ont été employées dans deux applications. (1) L'incorporation et la compatibilisation de nanorenforts à l'intérieur d'une matrice polymère (Polyacrylonitrile). L'influence sur les propriétés géométriques des nanofibres de façon globale, et plus finement, la morphologie de surface, ont été observées par une analyse AFM de nano-rugosité. (2) La réalisation à partir d'un biopolymère d'un guide tubulaire permettant la croissance cellulaire et la reconnexion de nerfs sectionnés. Il a fallu pour cela remplir un cahier des charges rigoureux en termes de dimensionnement, de structure, et de propriétés mécaniques.

L'ingénierie tissulaire vise à réparer les tissus endommagés et à récupérer les fonctions biologiques correspondantes. Afin de restaurer un tissu endommagé tel que le système nerveux, la conception et la fabrication de nouveaux types d'échafaudages tissulaires sont nécessaires. Dans ce travail, nous avons développé plusieurs techniques de microfabrication pour le polyfluorure de vinylidène (PVDF), un fluoropolymère thermoplastique, non réactif et piézoélectrique, qui peut être utilisé pour la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire. Nous avons tout d'abord étudié l'adhésion et la croissance cellulaire sur des substrats en PVDF avec des motifs micro et nanométriques en utilisant différentes techniques de fabrication telles que la micro-photolithographie, la lithographie douce, l'impression par microcontact, etc. L'influence de la micro-structuration sur les activités piézo-électriques du PVDF a été caractérisée par différentes méthodes d'analyses de surface (FTIR, XRD). Par la suite, nous avons effectué une étude systématique sur la fabrication de nanofibres de PVDF et leur compatibilité avec la culture cellulaire. Enfin, nous avons démontré la possibilité de doper ces nanofibres avec des nanoparticules magnétiques ce qui les rends excitables à distance par un champ magnétique.

Ce travail a pour but de mettre au point des nouvelles méthodes pour la recherche avancée sur les cellules souches et les cellules cancéreuses. Nous avons d'abord développé une méthode de patch pour la culture et la différentiation des cellules souches pluripotentes induites humain (hiPSCs) "hors sol". Ce patch de culture est constitué des monocouches de nanofibres réticulées de gélatine sur un support en nid d'abeilles pour assurer un minimum de contact de matériel exogène et un maximum de perméabilité. Puis, nous avons démontré la formation des tissues cardiaques et des neurones moteurs sur le patch, partis de colonies des hiPSCs en forme d'embryoïdes et de monocouches respectivement. Nous avons également développé un dispositif microfluidique avec filtre intégré pour isoler les cellules tumorales circulantes (CTCs), montrant une haute performance de capture en termes d'efficacité, de sélectivité et de viabilité cellulaire. Enfin, nous avons évalué l'effet de drogue anticancéreuse à la formation des sphéroïdes tumoraux en utilisant des multi-puits d'agarose micro-fabriqués. Tous ensembles, nous avons progressé dans la micro-ingénierie vers des applications à grande échelle. / This work aimed to provide new tools and methods that can be used for advanced studies of stem cells and cancer cells. We first developed a patch method for off-ground culture and differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). The culture patch we proposed consists of crosslinked monolayer gelatin nanofibers on a honeycomb frame to ensure minimal exogenous material contact and maximum permeability. Then, we demonstrated the formation of cardiac tissue constructs and motor neurons on the patch, started from embryoid-body like and monolayer hiPSC colonies, respectively. We also developed a microfluidic device with integrated filter for isolation of circulating tumor cells (CTCs), showing high capture performances in terms of efficiency, selectivity and cell viability. Finally, we evaluated the anti-cancer drug effect on the formation of tumor spheroids by using microfabricated agarose multi-wells. All together, we progressed in micro-engineering toward large scale applications.

Ce travail a pour but de développer des nouveaux substrats d’étude en culture cellulaire. Nous avons d'abord fabriqué des réseaux de micro-piliers en élastomère et en polymères thermoplastiques. En particulier, nous avons réalisé des réseaux de micro-piliers adjacents et de différentes hauteurs, qui dépend de la rigidité de la surface de culture. Nos résultats ont montré que les cellules étaient sensibles à la hauteur des piliers lorsque la rigidité effective du substrat était similaire à celle de la cellule et que les cellules se déplacent préférentiellement vers la partie plus rigide. Nous avons également développé une méthode pour fabriquer des nanofibres sur les piliers élastomère pour créer un substrat qui reproduit la matrice extracellulaire in vivo. Nos résultats ont montré que les neurones primaires de l'hippocampe sur un tel substrat étaient plus actifs que sur des substrats plats. En outre, nous avons analysé le confinement et la déformation des noyaux cellulaires dans les espaces inter-piliers pour les études de cellules tumorales et de cellules souches. Enfin, nous avons intégré les réseaux de micro-piliers dans un dispositif microfluidique afin de montrer que la migration cellulaire soumise à un gradient de concentration était influencée par la rigidité du substrat. En conclusion, les micropiliers ainsi fabriqués peuvent être utilisés pour réguler la rigidité d’un substrat afin d’étudier divers mécanismes en culture cellulaire. / This work aimed to provide new substrates for cell culture studies. We first developed a method to fabricate micropillars in both elastomer and thermoplastic polymer. In particular, we produced adjacent micropillar arrays with different heights to evaluate the surface stiffness dependent migration of cells. Our results showed that cells were sensitive to the height of the pillars when the effective stiffness of the substrate is compatible to that of the cell and that the cells were preferentially localized on the stiffer surface area. We also developed a method to fabricate nanofibers on the elastomer pillars to create in-vivo like extracellular matrix. Our results showed that primary hippocampal neurons on such a substrate were more active than on flat substrates. Furthermore, we analyzed the confinement and deformation of cell nuclei in the inter-pillar areas for both cancer and stem cell studies. Finally, we integrated the micro-pillar arrays into a microfluidic device and showed that the cell migration under concentration gradient was influenced by the substrate stiffness. Altogether, the fabricated pillar arrays can be used to regulate the stiffness of the substrate for cell culture studies.

L’objectif de ce travail de thèse est de réaliser des substrats et des dispositifs de culture cellulaire pour des applications à grande échelle. En utilisant à la fois des techniques de lithographie conventionnelles et non conventionnelles, nous avons d'abord fabriqué des matrices denses de piliers élastomère avec un gradient de hauteur pour les études de migration cellulaire et nous avons observé un allongement cellulaire remarquable et une migration cellulaire dirigée, tout dépendant du gradient de rigidité. Les micropiliers élastomères pourraient également être organisés en gradient de hauteur oscillant, montrant des comportements cellulaire similaires. Sur la base d'une approche biomimétique, nous avons produit des nanofibres à deux côtés d'une membrane avec des trous traversants pour l’adhésion et la migration tridimensionnelles de cellules. Nos résultats ont montré qu'un tel substrat peut favoriser l'infiltration et la prolifération des cellules dans un environnement 3D. Enfin, nous avons utilisé des réseaux micropiliers de différentes hauteurs en tant que substrat de rigidité contrôlée pour la différenciation des cardiomyocytes à partir de cellules souches pluripotentes l'homme. À l'aide d'un stencil en élastomère, des embryons uniformes pourraient être obtenus et dérivés vers les cellules de ciblage sur le substrat de différentes rigidité, montrant clairement une dépendance de rigidité des substrats. / The purpose of this work is to develop manufacturable cell culture substrates and devices for large scale applications. By using both conventional and non-conventional lithography techniques, we firstly fabricated dense elastomer pillar arrays with height gradient for cell migration studies and we observed remarkable cell elongation and directed cell migration, all depending on the strength of the stiffness gradient. Elastomer micropillars could also be organized in ripple-like height gradient patterns, showing similar cell behaviors. Based on a biomimetic approach, we produced nanofibers on both side of a membrane with through holes for three-dimensional cell adhesion and migration. Our results showed that such a 3D scaffold can promote the cell infiltration and proliferation. Finally, we used micropillar arrays of different height as stiffness controlled substrate for cardiomyocytes differentiation from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). With the help of an elastomer stencil, uniform embryoids could be obtained and derived to the targeting cells on the substrate of different stiffness, showing a clear stiffness dependence of the substrates.

Philosophiae Doctor - PhD / The aim of this study was to design and build an electrohydraulic discharge reactor in such a way that the synthetic immobilized TiO2 nanophotocatalytic components could be integrated, for the production of active species such as OH radicals, ozone and hydrogen peroxide, as a cocktail to clean drinking water without the addition of chemicals. The research objectives include: • To design and construct the different AOP prototypes based on various electrode configurations and compare their operation. • To optimize the discharge parameters and conditions of the best AOP system. • To determine the effectiveness of the best prototype for the degradation of methylene blue as model pollutant. • To compare the designed AOP system with the Sodis method for the disinfection of contaminated river water. • To prepare supported TiO2 nanoparticles via electro spinning, followed by combustion and study the effect on the morphology of TiO2 nanoparticles. • To determine the stability and robustness of composite nano-crystalline TiO2 photocatalysts by sonication • To determine the enhanced effect of combining the composite TiO2 in the AOP system on degradation of methylene blue under the same conditions. • To detect the active species promoting disinfection.