>Magister Scientiae - MSc / In recent times, the occurrence and presence of complex recalcitrant toxic contaminants in water and wastewater is increasing and consequently contributes to the non-availability of clean and safe drinking water. Water treatment is complex, time demanding and energy intensive due to the physico-chemical structural complexity and diversity of the pollutants. Non-availability of good drinking water has negatively affected human health and the ecosystem. Over the years, numerous conventional treatment techniques were used to degrade and remove these pollutants, but investigations indicated that some of the pollutants are not susceptible to conventional treatment. Advanced oxidation technology, among which heterogeneous photocatalysis (involving the use of a semiconductor) has emerged as one of the more promising techniques to remediate contaminated water. Titanium dioxide (TiO2) semiconductor photocatalysis is considered to be a good option due to its cost effectiveness, chemical and thermal stability, and inertness in the area of wastewater reclamation and re-use. However the post separation of the titania particles poses a threat to the wastewater remediation. Hence there is a need to develop a supported high surface area photocatalyst that will resolve the post separation challenge. This present study aimed to prepare high surface area TiO2 anatase nanocrystals supported on a stainless steel mesh. These new composite materials were used to remove methylene blue (MB) from aqueous solutions. The supporting procedure involved the thermal decomposition of a sol gel solution coated upon stainless steel mesh. The nanocrystalline anatase phase was formed by thermal decomposition on a stainless steel mesh coated with 8 % PAN/DMF/TiO2 sol gel formation calcined at varying temperatures of 300 °C, 400 °C, 500 °C and 600 °C. The heating rate of 50 °C/min and independent holding time of 1 h, 2 h, 3 h and 4 h were applied to find the optimum supporting conditions. The synthesised TiO2 nanocomposites materials were characterised using the following analytical techniques: XRD, HRSEM, EDS, HRTEM, SAED, FTIR and UV-Vis absorption spectroscopy materials were characterised, and the results indicate that synthesised TiO2 nanocrystals were in the anatase form, polycrystalline in nature, and contained additional carbon-carbon bonds from the polymer used during preparation with TiO2 particle sizes range from 13.6 nm to 2285 nm.

>Magister Scientiae - MSc / The aim of this study was to enrich electrospun fibres with the active mineral phase TiO2 nanoparticles and then to evaluate how well the composite fibres performed in the photocatalytic degradation of methylene blue (MB). Electrospun hydrophobic PAN polymer fibres were used as support structures for the TiO2 nanoparticles. The photocatalytic activity of the TiO2 enriched fibres for dye degradation was evaluated and the effect of external stressors on the fibres was assessed. A comparison was also made to determine whether the TiO2 - photocatalyst catalyst should be coated on top of, or loaded inside the electrospun PAN fibres

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 / Tissue engineering aims at repairing damaged tissues and recovering the lost or degraded biological functions with artificial scaffolds. In order to meet the requirement for more complex functionality such as peripheral nerve reconstruction, new types of scaffold materials are needed. In this work, we developed several micro- and nanofabrication techniques to pattern polyvinylidene fluoride (PVDF), a highly non-reactive, piezoelectric, thermoplastic fluoropolymer, which can serve as new constituents for advanced tissue engineering. We first studied the feasibility of PVDF patterning using conventional photolithography, soft lithography and microcontact printing. The fabricated patterns were systematically characterized by surface analysis techniques (FTIR, XRD) and used for cell culture studies. Then, we developed a study on electrospinning of PVDF nanofibers. Our results showed that the fabricated PVDF nanofibers were compatible with cell-based assays. Finally, we doped electrospun PVDF nanofibers with magnetic nanoparticles, which should make them excitable with a remote magnetic field

The presented diploma thesis is focused on preparation of nanoparticles and nanofibres with natural UV filters. Liposomes with encapsulated aqueous, ethanol and lipid extracts were prepared. Nanofibers from PHB containing lipid extract were prepared too. As a part of this work, an overview of natural sources with potential effects as UV filters were introduced. Moreover, nanoparticles and nanofibers and methods of their characterization were described. Size, polydisperse index and colloid stability of prepared nanoparticles were characterized via DLS. In experimental part aqueous, ethanol and lipid extracts were prepared from roasted coffee, green coffee and cascara. These extracts were spectrophotometrically characterized for the content of polyphenols, flavonoids, antioxidant activity, tannins and their SPF. Liposomes and liposomes containing PHB with these extracts were prepared and the encapsulation effectivity, short–term and long–term stability as well as SPF of nanoparticles were determined. Nanofibers from PHB containing lipid extracts were prepared via electrospinning and forcespinning methods. Prepared nanofibers were examined via FTIR–ATR. Antioxidant activity, short–term and long–term stability were determined spectrophotometrically. From selected nanoparticles, emulsions and gels were prepared and their SPF was also determined. Three types of emulsions with the best SPF were selected and tested on volunteers. Sedimentation stability of emulsions was tested by analytical centrifuge. Finally, cytotoxicity of selected nanoparticles and nanofibers was tested via MTT assay using human keratinocytes.

The diploma thesis is dedicated to the exploitation of sulphonated polystyrene nanofibres as ion exchange nanomaterial. Ion exchange capacity of these nanomaterials has been determined by titration method and AAS. The effect of sulphonation on photophysical, photooxidative and photocytotoxic properties of sensitizer 5,10,15,20-meso- tetraphenylporphyrin (TPP) encapsulated in polystyrene nanofibres has been studied as well. Properties of TPP have been examined with time-resolved spectroscopy, photooxidation of uric acid as substrate and bactericidal tests on Escherichia coli DH5α with pGEM11Z plasmid. It has been discovered that following the sulphonation of the nanofabrics, the encapsulated sensitizer is partly present even in aggregation form. The polystyrene nanofabrics with encapsulated sensitizer keep its bactericidal efficiency also after sulphonation.

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Philosophiae Doctor - PhD / The Black soldier fly (BSF) is an environmentally friendly and sustainable insect utilised in the decomposition of organic waste. This is due to its voracious consumption capability, disruptive functions and economic importance. The sustained global increase in commercial BSF farming has resulted in an expanded waste generation from its carcases to which beneficial uses ought to be developed. This study focused on the beneficial use of the generated waste by extracting chitosan from waste pupae and commercially reared BSF adult carcases. The study also considered the conversion of the extracted chitosan to nanofibres and nanoparticles for application in adsorption of inorganic Pb2+ or Cd2+ and antimicrobial studies, respectively. To achieve the aim of this study, the optimal extraction conditions of chitin and chitosan from both pupal exuviae and adult BSF waste materials were attained after a series of experiments. The extraction process involved three stages which were demineralisation, deproteination and deacetylation. The extracted adult and pupal chitin and chitosan were characterised using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction studies (XRD), high resolution scanning electron microscopy (HRSEM) and solid-state carbon nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C NMR). Additionally, the adult (ACH20_9) and pupal (PCH21_9) chitosan samples, due to their solubility, were further characterised to determine their molecular weight, fat and water binding capacities, solubility and ash contents. / 2021-09-30

Elektrostatické zvlákňování (v literatuře též uváděné jako electrospinning) bylo použito pro příprvu čistě polykaprolaktonových nanovláken a kompozitních nanovláken na bázi polykaprolaktonu s hydroxyapatitovými nanočásticemi. Připravená vlákna byla analyzována za použití rastrovací elektronové mikroskopie. Mechanické vlastnosti vláken byly určeny prostřednictvím zkoušky jednoosým tahem. Testy prokázaly silnou závislost mechanických vlastností vláken na jejich směrovém uspořádání a fázovém složení (především přítomnosti hydroxyapatitových částic). Směrové uspořádání vláken přispělo k výraznému zlepšení napětí při přetržení a celkové tažnosti. Zajímavý jev byl pozorován v případě kompozitních vláken– hydroxyapatitové částice zhoršily mechanické vlastnosti neuspořádaných vláken (napětí při přetržení a celkovou tažnost), ale vliv částic nebyl tak patrný v případě směrově uspořádaných vláken. Povrchové vlastnosti vláken byly modifikovány prostřednictvím nízkoteplotní plazmy. Změny povrchových vlastností vláken byly analyzovány pomocí měření kontaktního úhli a XPS analýzy (rentgenové fotoelektronové spektroskopie). Měření kontaktního úhlu ukázalo výrazný vliv plazmového opracování na povrchovou smáčivost vláken, kdy kontaktní úhel byl zcela neměřitelný. Výsledky analýzy ukázaly vliv plazmového opracování struktur na mikroskopické úrovni – plazmové opracování ovlivnilo pouze polymerní složku vláknitých struktur, zatímco hydroxyapatitové částice nebyly ovlivněny vůbec. Na vybraných strukturách bylo provedeno několik biologických zkoušek. Test v simulovaném tělním roztoku prokázal bioaktivitu kompozitních (polykaprolaton/hydroxyapatit) nanovláken prostřednoctví precipitace fází na bázi fosforečnanů vápenatých na povrchu kompozitních struktur. Následné in-vitro buněčné testy (dle normy ISO 10993-5 a WST-8 test) prokázaly významný pozitivní přínos hydroxyapatitových částic ve vláknitých strukturách, stejně jako kladný vliv plazmového opracování, kdy kompozitní oplazmovaná vlákna vykazovala 1,5násobnou bioaktivitu v porovnání s neplazmovanými čistě polykaprolaktonovými vlákny.

Thèse en cotutelle pour un Doctorat en génie des matériaux et de la métallurgie, Université Laval, Québec, Canada et l'Université de Haute-Alsace, Mulhouse, France / L’absence de croissance en monocouche des cellules endothéliales sur la paroi des prothèses vasculaires est une des causes d’échec de leur implantation chez l’humain. Des études précédentes ont montré que le recouvrement de ces prothèses par un échafaudage de nanofibres d’acide polylactique (PLA), fabriqué par un système de filage par jet d’air innovant, peut être utilisé pour promouvoir la croissance des cellules endothéliales de façon adéquate. Ainsi, le caractère dégradable d’un matériau comme le PLA permettrait son remplacement graduel par la matrice extra-cellulaire produite par les cellules. D’autre part, la réussite d’une transition entre les nanofibres dégradables et la matrice extra-cellulaire nécessite un remplacement contrôlé et approprié. Or, la dégradation des nanofibres de PLA, dépendant de ses séquences stéréochimiques, est généralement trop longue et peut induire une cytotoxicité relative pendant sa dégradation. Dans ce contexte, les études de cette thèse ont pour objectifs de mieux comprendre la formation des fibres lors du filage, d’optimiser la fabrication des échafaudages permettant ainsi la création de nanofibres d’autres polymères, puis, de concevoir des nanofibres provenant d’un polymère mieux adapté à nos besoins, d’évaluer leur mécanisme de dégradation et sa cytotoxicité durant sa dégradation. Les travaux d’optimisation du système de filage ont démontré que la concentration avec un effet prépondérant. Ainsi, la mesure de la viscosité permet de trouver les paramètres adéquats pour le filage de polymère. Ensuite, un poly(L-lactide) semi-cristallin (PLLA) et un terpolymère de poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) dédié pour des applications vasculaires ont été synthétisés et filés par jet d’air. Ces échantillons ont été dégradés en solution aqueuse et caractérisés par des méthodes physico-chimiques afin de mieux comprendre leurs mécanismes de dégradation et mis en présence de cellules endothéliales pour évaluer leur cytotoxicité. La comparaison entre les échafaudages des deux polymères a montré des comportements singuliers en dégradation, dépendants des caractéristiques thermiques des polymères. De plus, ces mécanismes de dégradation des nanofibres ont une influence directe sur la sensibilité des cellules endothéliales face aux produits de dégradation. En conclusion, ces travaux de doctorat présentent une solution prometteuse pour améliorer les prothèses vasculaires et qui pourrait être appliquée pour résoudre plusieurs problématiques en médecine régénératrice. / The absence of neo-endothelium on the intimal surface of vascular substitutes is known to be one cause of failure upon implantation of these prostheses in humans. Previous studies have shown that the coating of these substitutes with a nanofiber scaffold, made with an innovative air spinning device, can be used to promote a suitable endothelial cells growth. On one hand, the degradable feature of material as PLA enable the progressive replacement of the scaffold by the extracellular matrix of cells. On the other hand, the success of this replacement between degradable nanofibers and the extracellular matrix requires to be appropriate and controlled. Yet, the PLA nanofiber degradation process, which depends on its stereosequences, is generally too long for this application and could involve cell sensitivity during the degradation. In this context, studies from this thesis aim to understand the fibers formation during spinning, optimizing the scaffold fabrication as well as to promote the making of novel polymer scaffolds, then, design solution to polymeric nanofiber scaffolds for vascular application, evaluate its degradation mechanism and cytotoxicity during degradation process. The work on spinning device optimisation has demonstrated that the concentration had a dominant effect. Thus, viscosity measurements enable to find suitable parameters for polymer spinning. Then, a semi-cristalline poly(L-lactide) (PLLA) and a poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) terpolymer specifically made for vascular application have been synthesized and air-spun. These samples were degraded in aqueous solution and characterized by physical and chemical methods to better understand their degradation mechanisms and seeded with endothelial cells to evaluate their cytotoxicity. The comparison between the two polymers scaffolds have shown surprising degradation behaviors depending on thermal properties of polymers. Moreover, these nanofiber degradation mechanisms have a direct influence on endothelial cells sensitivity with degradation by-products. To conclude, these works of doctorate display a promising solution to improve vascular prostheses and which could be applied to solve several issues in regenerative medicine field.

La présente étude a eu pour objectif principalde mettre en place un procédé de prétraitement de la fibre naturelle de lin, de fabrication de nanofibres lignocellulosiques et leur modification de surface subséquente, environnementalement irréprochable sur toute la ligne. Afin de répondre à cet objectif principal, les nanofibres lignocellulosiques de lin ont été préparées en utilisant un procédé respectueux de l'environnement, soit une combinaison de prétraitement au dioxyde de carbone (CO2) dans les conditions supercritiqueset d'hydrolyse enzymatique. Le prétraitement au CO2 supercritique visait à surmonter la récalcitrance de la biomasse lignocellulosique et à donner accès aux enzymes hydrolytiques. Il a été démontré que le prétraitement au CO2 supercritique des fibres de lin a aidé à déstructurer la biomasse tout en évitant son fractionnement et à faciliter l’hydrolyse enzymatique subséquente du substrat. Un cocktail d’enzymes hydrolytiques comprenant la cellulase, la xylanase, la pectinase et la viscozyme a été utilisé et a permis d’extraire des fibres lignocellulosiques ayant des dimensions nanométriques.Ces nanofibres lignocellulosiques extraites ainsi que les résidus solides de l’hydrolyse sont de nature hydrophile en raison de l'attraction / interaction entre les groupes hydroxyles des composants fibreux et des molécules d'eau. La nature hydrophile de ces nanofibres lignocellulosiques aboutit souvent à une mauvaise compatibilité avec des matrices polymères hydrophobes. Une modification de surface s’impose donc afin de les rendre plus hydrophobes et donc compatibles avec les matrices hydrophobes. La laccase, une enzyme spécifique a été utilisée pour catalyser le greffage de composés phénoliques naturels, le gaïacol et le syringaldéhyde, rendant ainsi les nanofibres lignocellulosiques et les résidus solides de l’hydrolyse plus hydrophobes et compatibles avec lesmatrices hydrophobes. Aucun changement significatif dans la composition chimique des fibres de lin n’a été observé après le prétraitement tel que suggéré par les analyses par spectroscopie infrarouge. Ces dernières ont démontré par ailleurs le greffage de surface induit par la laccase, du guaïacol et du syringaldéhyde sur les nanofibres extraites et sur les résidus de l’hydrolyse. La technique de diffraction des rayons X a révélé que la cristallinité augmentait suite au prétraitement de la fibre avec le CO2 supercritique ainsi que suite à l’extraction des nanofibres. La microscopie électronique à balayage a révélé les dommages physiques causés à la surface des fibres suite au prétraitement alors que la microscopie électronique à transmission démontrait que les nanofibres lignocellulosiques extraites étaient en forme des filaments, avec un diamètre de 5 –10 nm et plusieurs micromètres de longueur. Enfin les fibres fonctionnalisées ont montré une meilleure stabilité thermique et un caractère hydrophobe comparativementaux fibres brutes non traitées. / The main goal of this research was to set up an environmentally friendly process for the pretreatment of natural flax fibres in view to produce lignocellulosic nanofibers and modify their surface for their use as compatible fillers in polymer composites. To achieve this main objective, lignocellulosic nanosized flax fibres were prepared using an environmentally friendly process based on a combination of supercritical carbon dioxide pretreatment and enzymatic hydrolysis conditions. Supercritical CO2 pretreatment aimed to overcome the recalcitrance of lignocellulosic biomass and to provide access to hydrolytic enzymes. It was shown that the supercritical CO2 pretreatment of raw flax fibers helped to deconstruct biomass, avoiding its fractionation and increased access to hydrolytic enzymes such as cellulase, xylanase, pectinase and viscozyme leading to extraction of lignocellulosic fibres having nanometric dimensions. These extracted lignocellulosic nanofibres as well as the solid residues of the hydrolysis are hydrophilic in nature because of the attraction / interaction between the hydroxyl groups of the fibrous components and water molecules. The hydrophilic nature of these lignocellulosic nanofibers often results in poor compatibility with hydrophobic polymeric matrices. Surface modification is therefore necessary to make them more hydrophobic and compatible with the hydrophobic matrices. Laccase mediated grafting of natural phenolic compounds, i.e. guaiacol and syringaldehyde, onto lignocellulosic fiber was achieved, thus making lignocellulosic nanofibers and hydrolysis solids residues more hydrophobic and compatible with hydrophobic matrices. No significant changes in the chemical composition of flax fibres were observed after pretreatment. This was confirmedby FTIR analysis, which also demonstrated laccase-induced grafting of guaiacol and syringaldehyde onto lignocellulosic nanofibers and solid residues hydrolysis surfaces. Moreover, X-ray diffraction revealed that crystallinity increased for supercritical CO2 pretreated fibres as well asenzymatically produced lignocellulosic nanofibers. Scanning electron microscopy revealed the physical damages in the form of holes, cracks and erosions onto the surface of supercritical CO2 pretreated flax fibres, while transmission electron microscopy evidencedthe production of filament-shaped nanosized fibrils with a diameter of 5-10 nm and several micrometers length. Finally, bio-grafted fibers showed better thermal stability and hydrophobicity if compared to untreated raw analogues.