Cataract surgery is currently the most common surgical procedure done in the world. However, within 5 years, approximately half of these patients will develop posterior capsule opacification (PCO). In cataract surgery, the biological lens is replaced with an intraocular lens (IOL). PCO is caused by migration and transformation of residual lens epithelial cells (LEC) that remain in the capsule following the surgery. LECs which have migrated to the posterior capsule within the first month of surgery are thought to be the major contributors to PCO since after this time, the capsule completely seals. A mathematical model has been developed in order to better understand the process of LEC migration during PCO. The model addresses the impact of substrate and substrate modification as well as the presence and absence of the growth factors transforming growth factor beta (TGF(beta)) and fibroblast growth factor (FGF2). It was developed from a first order rate of decay model taken from process control. If the cell speed is divided by the distance travelled by the cell up to the point of posterior capsule breach, the time for the LECs to breach the capsule posterior can be calculated. The model was tested with literature data and was able to predict the effects of cell speed on the presence of various extracellular matrix components and growth factors. It was determined that potentially modification with fibronectin may be useful for the prevention of PCO Preliminary experimental validation of the model was performed by modifying silicone substrates with various extracellular matrix derived peptides. Results demonstrate that peptide modified surfaces may be more resistant to EMT by increasing cell adhesion and decreasing cell migration. Therefore, this LEC migrational model will be a useful tool in the development of superior IOLs and materials. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les travaux de recherche présentés ici ont pour objectif la synthèse de fongicides innovants de la manière la plus éco-compatible qu’il soit. Pour cela, plusieurs axes de réflexion ont été étudiés. Tout d’abord, la synthèse d’un intermédiaire de fongicides bien connu, l’o-crésol1, a été réalisée à partir d’un substrat naturel, le salicylaldéhyde2. Les conditions expérimentales ont été éco-conçues afin de correspondre au mieux aux exigences de la chimie verte. Des solvants et des réactifs classés verts ont été utilisés, comme l’éthanol, l’eau et l’acide acétique3 par exemple, ainsi que des techniques alternatives comme l’activation par micro-ondes (Schéma 1). Dans un second temps, des synthèses éco-compatibles de nouveaux fongicides ont été réalisées. Le salicylaldéhyde, substrat naturel de référence, a été mis à réagir avec différents alcools afin de réaliser des réactions d’éthérifications réductrices. Les molécules obtenues sont composées d’une partie phénolique portant un groupement alcoxyle en position 2. Ce groupement alcoxyle se compose d’une longueur de chaîne variable ayant une influence sur les propriétés fongicides des produits synthétisés (Schéma 1). Troisièmement, des réactions d’homo- et d’hétéro-couplages pinacoliques ont été réalisées entre divers aldéhydes, aromatiques et aliphatiques, afin d’obtenir des diols vicinaux, appelés pinacols, symétriques ou non (Schéma 1). Dernièrement, les propriétés fongicides et anti-oxydantes de toutes les molécules obtenues de manière stable, référencées ou non, ainsi que les substrats de départ, ont été testés. Les tests microbiologiques ont été réalisés sur une gamme de diverses souches fongiques. / The purpose of this research is to synthesize innovative fungicides by the most ecocompatible way. Several hypotheses have been investigated. First, an extensively studied molecule, intermediate of fungicides, o-cresol1, has been achieved from a natural substrate, salicylaldehyde2. The experimental conditions have been eco-designed in the aim to best match green chemistry requirements. Green solvents and reactants have been used, as ethanol, water and acetic acid3 for example, as well as alternative technologies like microwaves activation (Schema 1). Secondly, novel fungicides green syntheses have been carried out. Salicylaldehyde, a natural substrate model, reacted with various alcohols in the aim to perform reductive etherification reactions. In this way, products were composed of phenolic part with an alkoxyl group at the 2nd position. These alcoxyl groups have various chain lengths, playing a key role in fungicidal ability (Schema 1). Then, homo and hetero pinacol coupling reactions have been achieved with various aromatic or aliphatic aldehydes to obtain symmetrical and asymmetrical vicinal diols, called pinacols (Schema 1). At last, fungidal and antioxidant properties of all stable obtained molecules, referenced or not, as well as starting materials, have been evaluated. Microbiological studies have been carried out with various fungal strains.

Η κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση κυττάρου βιοϋλικού και η συσχέτιση μηχανικών παραμέτρων του κυττάρου με πολύπλοκες διεργασίες στο εξωκυττάριο (ECM) περιβάλλον οδηγεί το μέλλον στο σχεδιασμό των βιοϋλικών. Σκοπός της διατριβής ήταν η διερεύνηση της προσκόλλησης και των μεταβολών των μηχανικών ιδιοτήτων οστεοβλαστών στους αρχικούς χρόνους προσκόλλησης σε υπόστρωμα του βιοπολυμερούς χιτοζάνης. Η προετοιμασία υποστρωμάτων χιτοζάνης έγινε με ομοιοπολική πρόσδεση του βιοπολυμερούς σε επιφάνεια γυαλιού (επιφάνεια ελέγχου). Με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ επιβεβαιώθηκε η μεταβολή της επιφανειακής χημικής σύστασης. Η μέση επιφανειακή τραχύτητα, με χρήση Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης, βρέθηκε 4 φορές μεγαλύτερη στη χιτοζάνη σε σύγκριση με το γυαλί, ενώ η μέση γωνία διαβροχής ήταν περίπου 3 φορές μεγαλύτερη στη χιτοζάνη. Ο αριθμός και η μέση επιφάνεια εξάπλωσης των προσκολλημένων κυττάρων, προσδιορίστηκαν από φωτογραφίες ηλεκτρονιακού μικροσκοπίου σάρωσης και χρήση λογισμικού ανάλυσης εικόνας. Μέχρι τα 30 λεπτά, ο αριθμός ήταν μεγαλύτερος στη χιτοζάνη, ενώ μετά τα 45 λεπτά, στο γυαλί. Σε όλους τους χρόνους, η μέση επιφάνεια εξάπλωσης ήταν μεγαλύτερη στη χιτοζάνη. Για την ποσοτικοποίηση της προσκόλλησης, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μικροπιπέττας σε πειράματα αποκόλλησης μεμονωμένων οστεοβλαστών. Υπολογίστηκε η “ώθηση αποκόλλησης”, I, ως το ολοκλήρωμα της εφαρμοζόμενης δύναμης στο χρόνο (I=SFdt) για την πλήρη αποκόλληση ενός κυττάρου και βρέθηκε στατιστικά μεγαλύτερη στη χιτοζάνη σε όλους τους χρόνους. Με την τεχνική Ποσοτικής Αλυσιδωτής Αντίδρασης Πολυμεράσης, η έκφραση των γονιδίων ιντεγκρινών αν, α4, β1 και β3 βρέθηκε σημαντικά αυξημένη στη χιτοζάνη από τα 30 στα 120 λεπτά. Με συνεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης, παρατηρήθηκε αυξημένη έκφραση της κινάσης εστιακής προσκόλλησης στη χιτοζάνη στα 30 και στα 120 λεπτά. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μικροπιπέττας σε πειράματα εφελκυσμού και ερπυσμού των οστεοβλαστών και υπολογίστηκαν οι μεταβολές του μέτρου Young, Ε, και του φαινόμενου ιξώδους, η. Οι μέσες τιμές βρέθηκαν αυξημένες στην πορεία της προσκόλλησης στις δύο επιφάνειες, παρουσιάζοντας υψηλότερες τιμές στη χιτοζάνη. Η παρούσα διατριβή είναι μια ολοκληρωμένη φαινομενολογική προσέγγιση της μηχανικής συμπεριφοράς της οστεοβλάστης κατά την προσκόλληση. Η προσκόλληση στη χιτοζάνη συνοδεύεται από μεταβολές στη μηχανική συμπεριφορά και συνδέεται με κρίσιμες βιοχημικές διεργασίες. / The understanding of the phenomena that take place during cell-biomaterial interaction and the correlation of cell mechanical parameters with complicated processes at the extracellular environment (ECM) is driving the future of biomaterial design. The aim of the present study was the investigation of attachment and of alterations of mechanical properties of osteoblasts during the initial phase of attachment on chitosan biopolymer substrate. The preparation of the chitosan substrates was done with covalent immobilization of the biopolymer on glass surface (control substrate). X-Ray photolelectron spectroscopy confirmed the alteration of the surface chemical composition. Mean surface roughness, as measured by Atomic Force Microscopy, was increased 4-fold compared to glass, while the mean contact angle was found 3 times higher on chitosan substrate. The mean number and spreading area of the attached cells, were determined by Scanning Electron Microscopy images and the use of image processing program. Up to 30 minutes, the number of attached cells was higher on chitosan, while after 45 minutes, it was on glass. At all time points, the mean spreading area was greater on chitosan. To quantify attachment, the micropipette aspiration technique was used at experiments of detachment of individual osteoblasts. The ‘’detachment impulse’’, I, was calculated, as the integral of the applied force at time required (I=SFdt) for complete detachment of one cell, and it was found statistically higher on chitosan at all attachment times. With the quantified Polymerase Chain Reaction, the αν, α4, β1 and β3 gene integrin expression was found significantly increased from 30 to 120 minutes of attachment on chitosan. Using confocal scanning microscopy, higher expression of focal adhesion kinase was observed on chitosan at 30 and 120 minutes of attachment. Additionally, the micropipette aspiration technique was used at stretching and creep experiments so as to calculate the alterations of cell’s Young modulus, E, and apparent viscosity, η. Mean values were increased at the course of spreading for both surfaces, demonstrating greater values on chitosan. The present study is a complete phenomenological approach of the mechanical behavior of osteoblasts during attachment. Attachment on chitosan is accompanied by alterations of the mechanical behavior and is associated with critical biochemical processes.