La délivrance contrôlée de médicaments constitue un enjeu thérapeutique de première importance pour le milieu médical. Elle doit, en effet, permettre de diminuer la toxicité du médicament en limitant sa concentration dans l'organisme et en ciblant son lieu de délivrance. Ce projet de recherche a conduit à la réalisation de nouveaux nano-vecteurs particulaires utilisables pour la délivrance de médicaments par hyperthermie locale. Ces objets sont constitués d'un cœur de polynorbornène et d'une écorce de poly (oxyde d'éthylène) et sont synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle de type métathèse (ROMP) en dispersion. L'acide salicylique est encapsulé dans ces particules en tant que molécule modèle. L'originalité de ce sujet pluridisciplinaire réside : dans la nature de la particule, qui permet une libération du principe actif à partir de 35-45°C et dans la technique d'imprégnation des particules par la voie fluide supercritique.

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

La délivrance contrôlée de médicaments constitue un enjeu thérapeutique de première importance pour le milieu médical. Elle doit, en effet, permettre de diminuer la toxicité du médicament en limitant sa concentration dans l'organisme et en ciblant son lieu de délivrance. Ce projet de recherche a conduit à la réalisation de nouveaux nano-vecteurs particulaires utilisables pour la délivrance de médicaments par hyperthermie locale. Ces objets sont constitués d'un cœur de polynorbornène et d’une écorce de poly (oxyde d’éthylène) et sont synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle de type métathèse (ROMP) en dispersion. L’acide salicylique est encapsulé dans ces particules en tant que molécule modèle. L'originalité de ce sujet pluridisciplinaire réside : dans la nature de la particule, qui permet une libération du principe actif à partir de 35-45°C et dans la technique d'imprégnation des particules par la voie fluide supercritique. / Controlled release systems are attracting increasing interest because of their potential application in biomedical field. Indeed, such systems should enable to lower toxicity of medicines by targeting the therapeutic action and by limiting the concentration of drugs in the organism. In this research project, new nanoparticles have been developed for a thermosensitive control of drugs’ delivery. These particles consist of a polynorbornene core and a polyethylene oxide shell and are developed by dispersion ring opening metathesis polymerization. As a model drug, salicylic acid has been encapsulated in those core-shell materials. This multidisciplinary project is original for two reasons. On the one hand, the nature of the particle which enables to release the drug from 35-45°C. On the other hand, the encapsulation technique that has been chosen is the impregnation under supercritical carbon dioxide.

Ce travail de thèse, inscrit dans le cadre du projet FUI ConProMi, se propose d'étudier les mécanismes intervenant durant la phase de réplication par micro-injection de pièces en polymères amorphes. Dans ce but, un outil spécifique dénommé « La Rotonde » a été développé, pour réaliser des pièces d'épaisseurs variables, tout en suivant les conditions de pressions et températures locales. Les mesures de ces conditions ont montré que les écoulements de polymère à l'état fondu, dont d'un copolymère d'oléfines cycliques (COC), variaient en fonction de l'épaisseur de la cavité. L'analyse de ces résultats a permis de proposer une nouvelle loi de comportement reliant les pertes de charge dP à l'épaisseur de la cavité, selon une loi Puissance: dP~1/e^a. L'extrapolation de cette loi à des épaisseurs décroissantes nous a permis de prédire la limite physique de fabrication d'objets par micro-injection, connue de façon empirique dans l'industrie de la plasturgie ; la fabrication de pièces d'épaisseurs inférieures à 0.19 mm (ou de facteur de forme supérieur à 45) est en effet impossible du fait des pertes de charges trop importantes lors de l'écoulement du polymère dans la cavité. Il a ainsi été démontré que La Rotonde est un véritable rhéomètre interne, mesurant les viscosités du COC dans la cavité lors de son écoulement, en intégrant l'influence de la compressibilité de la matière. Une attention particulière a enfin été portée sur l'échantillon de plus faible épaisseur injectable (0.27 mm), afin de mieux appréhender les mécanismes s'opposant à l'écoulement du polymère fondu. Ces travaux ont révélé des viscosités élevées et des contraintes de cisaillement supérieures aux valeurs seuils rapportées dans la littérature pour expliquer le phénomène de glissement des chaînes macromoléculaires à l'interface paroi/polymère. Une analyse morphologique fine a été entreprise afin d'observer et identifier les mécanismes impliqués lors du remplissage des pièces. Cette étude spécifique a permis de révéler la présence de multiples écoulements secondaires, localisés à proximité du seuil et dont le nombre croit fortement avec la réduction d'épaisseur. Ces défauts ont tendance à disparaitre le long de l'écoulement et à former des lignes de recollement. Ce résultat original montre que le modèle d'écoulement Fontaine relatif au remplissage des cavités en injection a été mis en défaut dans le cas de la micro-injection. La dernière partie de cette étude a été consacrée à l'analyse des conséquences de ces écoulements secondaires sur les propriétés physiques des pièces en COC. Les mesures de biréfringence ont permis de mettre en évidence des niveaux de contraintes internes particulièrement élevés à proximité du seuil, qui sont favorisées par la phase de maintien. Ces contraintes ont été par ailleurs directement corrélées avec la réduction d'épaisseur. Les variations des propriétés physiques et en particulier mécaniques dynamiques des micro-pièces ont été reliées à l'histoire thermomécanique subie par les échantillons, avec notamment des augmentations des propriétés élastiques et de densité liées aux cinétiques de refroidissement croissantes avec la réduction d'épaisseur. Les variations de mobilité moléculaire à grande distance des chaînes macromoléculaires du polymère considéré ont été corrélées au phénomène de vieillissement physique, ou à la présence de défauts structurels générés lors de l'écoulement. D'un point de vue industriel, une telle étude a permis de proposer des préconisations sur l'optimisation des conditions de mise en œuvre en micro-injection d'objets de tailles réduites, en expliquant l'origine du verrou technologique relevé industriellement. A la lumière de ces résultats, des solutions technologiques pourront être proposées, pour reculer les limites de fabrication de micro-objets en favorisant le glissement des chaines macromoléculaires à l'interface paroi/polymère ou formuler de nouveaux polymères spécifiques pour ce secteur d'activité. / This work, done within the framework of a FUI project (ConProMi), endeavoured to study the mechanisms involved within amorphous polymers during the replication of micro-parts by microinjection moulding. A specific mould called “La Rotonde” has been developed to realise parts with variable thicknesses, and to follow the local pressure and temperature conditions during the moulding phase. The in-situ measurements show that the polymer flow is greatly affected by the cavity thickness, in the particular case of cyclic olefin copolymer (COC). Indeed, the pressure drops dP increases with the thickness e and respect a power law, through the expression dP~e^a. The extrapolation to lower thicknesses gives a physical limit for the manufacturing of micro-parts by injection moulding, known empirically in the plastic industry. The moulding of a 0,19mm thick part (or aspect ratio upper than 45) is impossible due to the pressure drops involved. Therefore, “La Rotonde”, as an internal rheometer, allows measuring the COC viscosity under real process conditions, integrating the material compressibility. A focus has been made for the smaller parts (0,27mm thick) to study the mechanisms involved within the polymer flow. Higher viscosities and shear stresses are found for this cavity, and close to the values corresponding to the appearance of wall-slip phenomenon at the interface between the polymer and the cavity. A morphological analysis of short-shots reveals the presence of multiple secondary flows close to the injection gate, creating weld-lines. This phenomenon is clearly broadened with decreasing thicknesses, but it seems to disappear away from the injection gate. Therefore, this original result show that the classical fountain flow, used to describe the polymer flow behaviour, is not sufficient in the case of polymer flows within micro-cavities. As a consequence, each sample's morphology has been studied and related to the physical properties of COC. A specific analysis of the local birefringence has been developed in order to quantify the residual internal stresses. The internal stresses profiles normal to the flow direction are parabolic for all the samples, and the levels of maximum stresses reached increases with reducing thickness. The dynamic mechanical properties are history-dependent according to the former thermomechanical conditions. The elastic properties tend to increase together with the density when the thickness decreases, partly explained by the enhancement of the cooling rates. The differences observed for the molecular mobility of the macromolecular chains have been correlated to physical ageing and/or at the presence of structural defects during the moulding phase. With regards to the results observed, some recommendations are drawn regarding the optimization of the process conditions for the manufacturing of parts by micro-injection moulding. At last, different solutions are given to overcome the physical limitation to produce micro-parts, like controlling the wall-slip phenomenon at the interface between polymer and cavity or compounding new polymers with specific rheological behaviours.

Le sujet de cette thèse concerne l'élaboration de macromonomères, de copolymères greffés et de polymères étoiles de type 'mikto-arm'. De telles architectures macromoléculaires ont été synthétisées par la combinaison de techniques de polymérisation contrôlées/vivantes telles que la polymérisation par ouverture de cycle (par métathèse) (RO(M)P) etde chimie 'click' orthogonales : cycloaddition 1,3-dipolaireazoturealcyne catalysée au cuivre (CuAAC) et thiol-ène.Dans un premier temps, des macromonomères originaux à fonctionnalité polymérisable (oxa)norbornène portant deux chaînes macromoléculaires poly(e-caprolactone) (PCL) et/ou poly(oxyde d'éthylène) (POE) ont été synthétisés par combinaison ROP/CuAAC. Les macromonomères à fonctionnalité (oxa)norbornène avec deux chaînes PCL de masse molaire moyenne en nombre (Mn) compris entre 1400 et 5000 g/mol ont été obtenus par ROP organocatalysée. La synthèse des macromonomères POE44-b-PCLn à fonctionnalité norbornène avec un bloc PCL de longueur variable (1100 g/mol <Mn< 4100 g/mol) a été réalisée par combinaison CuAAC/ROP à partir d'un POE 2000 g/mol commercial. Ces macromonomères présentent des propriétés d'auto-assemblage dans l'eau avec une concentration micellaire critique et un rayon hydrodynamique dont les valeurs augmentent avec la longueur du bloc hydrophobe PCL. Dans un second temps, la réactivité de la fonctionnalité (oxa)norbornène des macromonomères a été étudiée par spectroscopie RMN 1H, chromatographie SEC et spectrométrie MALDI-ToF. Des copolymères greffés à squelettepoly(oxa)norbornène à haute densité de greffons PCL et POE ont été obtenus par ROMP en présence d'amorceurs de Grubbs selon la stratégie "grafting through". La thiol-ène a également été utilisée avec succès pour accéder à des copolymères étoiles de type 'mikto-arm' à base de PCL, POE poly(N-isopropylacrylamide). / The objective of the present thesis was the preparation of complex macromolecules by the combination of controlled/livingpolymerization methods such as ring-opening (metathesis) polymerization (RO(M)P) and highly efficient orthogonal chemistries: copper-catalyzed azide-alkyne coupling (CuAAC) and thiol-ene reactions.In the first part of this work, a series of well-defined structural (co)polymers containing a cycloolefin (norbornene (NB) oroxanorbornene (ONB)) functionality bearing two polymer chains including poly(ε-caprolactone) (PCL) and/or poly(ethylene oxide) (PEO) have been successfully prepared using the combination of ring-opening polymerization (ROP) and CuAAC ‘click’ chemistry. Well-defined (oxa)norbornenyl-functionalized bis-PCL polymers with PCL chain ranging from 1400 to 5000 g/mol were obtained by organocatalyst-mediated ROP. Norbornenyl-functionalized PEO-b-PCL block copolymers with PCL block in the range 1100 to 4100 g/mol were synthesized from commercially available PEO 2000 g/mol by CuAAC followed by ROP of CL. The presence of a hydrophilic PEO chain and a hydrophobic PCL chain in norbornenylfunctionalizedPEO-b-PCL copolymers gives rise to self-assembling properties in water solution. Critical micellar concentrations (CMC)are in the range of 0.08 – 0.006 g/L for copolymers with PCL chain length ranging from 10 to 36 CL units, respectively. Thecorresponding micelles show hydrodynamic diameters in range of 10 – 23 nm with low polydispersities.In the second part of this work, well-defined copolymers were used to prepare bottle-brush and (mikto-arm) star copolymersthrough reactions involving the cycloolefin functionality. On the one hand, high density grafting bottle-brush copolymerspoly(oxa)norbornene-g-bisPCL, polynorbornene-g-PEO/PCL (PNB-g-(PEO/PCL)) and PNB-b-(PNB-g-(PEO/PCL)) were achieved by ROMP according to the ‘grafting through’ strategy using Grubbs’ catalysts. On the other hand, PCL, PEO, PNIPAM-based 3-arms star, 4-arms star copolymers were obtained via radical thiol-ene reactions as demonstrated by 1H NMR, SEC and MALDI-ToF MS analysis.The high reactivity of these copolymers toward ROMP and thiol-ene reactions makes them interesting candidates in order toprepare new well-defined copolymers with controlled structures and properties through highly efficient synthetic strategies.