L'intérêt des copolymères amphiphiles se retrouve dans de multiples applications telles que le: supports catalytique, la bio-séparation ou encore la vectorisation de principe actif. L'étude de leu auto-association sous forme micellaire est très étendue notamment via l'utilisation de polymère: intelligents. Cette classe de polymères présente un changement de comportement lors d'un modification de son environnement. Ainsi des polymères pH et thermo-sensibles ont été sélectionnés dans le but d'étudier des systèmes micellaires composés d'un cœur hydrophobe issus de l'huile de lin et d'une couronne hydrophile stimuli-sensible. Cependant, pour chaque application visée, la synthèse de macromolécules de composition et/ou d'architecture complexe possédant de nouvelles propriétés est nécessaire. Afin de contourner les limitations de cette approche, uni alternative reposant sur le mélange physique de copolymères a été étudiée dans le but de moduler les propriétés et combiner deux sensibilités. / Amphiphilic copolymers have attracted a large interest as they find numerous applications in catalyst support, bio-separation devices and drug delivery systems. Their auto-association in aqueous media forming micelles are well-studied, particularly by the use of smart polymers which display a significant physicochemical change in response to modification of their environment. In this work, pH and temperature responsive polymers have been studied for the elaboration of micellar systems composed of a hydrophobic core from linseed oil and hydrophilic stimuli-sensitive coronna. However the common approach is to design one specific macromolecule for one given application, with sometimes complex composition and/or architecture. We aim to investigate a straight-forward pathway towards micellar systems with finely tuned sensitivities by the cooperative self-assembly of two different copolymers to manipulate the physico-chemical behavior of the final mixed system.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Sanofi à Vitry-sur-Seine et le Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée (LHFA) à Toulouse, et a pour but de développer de nouveaux nanovecteurs à base de conjugués polymériques biodégradables et biocompatibles capables d’encapsuler, de transporter et de libérer des agents thérapeutiques. Les travaux précédemment réalisés au laboratoire, ont montré que la libération de principes actifs hydrophobes, tels que le Cabazitaxel de la famille des taxanes, pouvait être contrôlée grâce à l’architecture de conjugués de nature PEG-PLA. Dans le premier chapitre, une étude a été menée afin d’améliorer la cinétique de libération du principe actif, en tirant profit de la différence de pH qui réside entre les tissus sains et les tissus cancéreux. Différents liens (reliant le principe actif au copolymère) ayant un comportement pH dépendant ont été étudiés, comme l’hydrazone, l’acétal et le β-thiopropionate. La liaison ester boronique, dynamique en fonction du pH, a aussi été étudiée dans le but de déstructurer la NP et permettre indirectement d’améliorer la libération du principe actif. La synthèse et l’évaluation des divers conjugués ont montré que la structure polymérique amphiphile des conjugués inhibait considérablement le comportement pH dépendant attendu. Dans le second chapitre, plusieurs technologies comme le ciblage, permettant de diriger la NP dans l’organisme, ou l’imagerie permettant de les visualiser, ont été étudiées. L’influence de la structure des conjugués de forme Y et L sur les propriétés de reconnaissance et d’imagerie a été analysée. La structure Y offre quelques avantages quant à la quantité de ligand requise pour obtenir un ciblage actif optimal ainsi qu’une meilleure visualisation, en comparaison des résultats obtenus avec les conjugués L. La méthode de co-nanoformulation a permis de faire varier la quantité de ligand ou de sonde d’imagerie au sein des NPs. Dans le troisième chapitre, la synthèse et l’efficacité de sels de (bi)pyridinium comme catalyseurs pour la ROP de l’ε-caprolactone sont présentées. Un phénomène de coopérativité avec des bipyridiniums, dications donneurs de deux liaisons hydrogènes (IHBD) a été mis en évidence pour l’activation de l’ε-caprolactone, avec des activités en ROP plus importante en comparaison des systèmes impliquant la participation d’une seule liaison H. Les meilleurs systèmes ont pu être évalués plus en détail et ont permis d’accéder à des polymères de masses définies allant jusqu’à 13 000 g/mol. / This PhD thesis is based on a joint between Sanofi in Vitry-sur-Seine and LHFA. This work consists in the development of new nanovectors based on biodegradable and biocompatible polymerics conjugate that enable to encapsulate, transport and deliver therapeutic agents. Previous works in the laboratory have shown that the release of hydrophobic drugs, such as Cabazitaxel, a taxane derivative, could be controlled by the architecture of the conjugated PEG-PLA. In the first chapter, a study was realized to improve the release kinetics of the drug, taking advantage of the difference of pH between healthy and cancerous tissue. Different linkers (linking the drug to the copolymer) having a pH dependent behavior have been studied, such as hydrazone, acetal and β-thiopropionate. The boronic ester bonding, dynamic function of pH, was also studied in order to destroy the NP and indirectly improve the release of drug. The synthesis and the evaluation of various conjugates have shown that the amphiphilic polymeric structure of the conjugates significantly inhibited the expected pH-dependent behavior. In the second chapter, several technologies such as targeting or imaging were studied. The influence of the Y and L-shape on the recognition and imaging properties was analyzed. The Y-shape offers advantages like the amount of ligand required for optimal active targeting and better visualization, in comparison with the results obtained with the L conjugates. The method of co-nanoformulation allowed to adjust the ligand amount or imaging probe within the NPs. In the third chapter, the synthesis and efficiency of (bi)pyridinium salts as catalysts for the ROP of ε-caprolactone are presented. A collaborative behavior with dication bipyridiniums is bearing two hydrogen bonds (IHBD) was demonstrated for the activation of the ε-caprolactone, with greater ROP activities compared to systems involving the participation of only one H bond. The best systems were evaluated in more details and allowed access to polymers with a molecular weight of up to 13 000 g / mol.

Les micelles apparaissent comme prometteuses dans le domaine de la vectorisation de médicaments. Afin d'améliorer leur biocompatibilité nous nous intéressons ici à des synthèses originales de copolymères amphiphiles comportant un bloc hydrophobe lipidique biosourcé. Un polymère intelligent constitue le bloc hydrophile. L'huile de lin subit une modification chimique afin d'introduire un site amorceur de polymérisation. Le bloc hydrophile est alors ajouté par polymérisation contrôlée. Deux copolymères sont obtenus, le lipide-b-poly(acide acrylique), pH-sensible et le lipide-b-poly(2-isopropyl-oxazoline), thermo-sensible. Une caractérisation physico-chimique complète révèle des concentrations micellaires critiques basses et des micelles de 10 nm. Un système mixte est préparé par mélange des deux copolymères. L'étude de ce système prouve une sensibilité aux deux stimuli. Afin d'améliorer la stabilité des micelles, nous proposons la photo-réticulation des insaturations de la chaîne lipidique.

Nous avons étudié l'utilisation du phénomène de ségrégation de surface afin de fonctionnaliser des matériaux polystyrène (PS). L'incorporation d'un additif copolymère à blocs est réalisée dans une matrice d'homopolymère de polystyrène sous forme de film ou de particule. Quand les mélanges sont recuits dans un environnement humide le copolymère amphiphile migre à la surface pour réduire la tension de surface du matériau. Nous avons synthétisé au laboratoire trois copolymères à blocs de nature chimique différente: le PS-b-PAA (polyacide acrylique), le PS-b-PGA (polyacide glutamique) et le PS-b-PDMA (polyméthacrylate de diméthylaminoéthyle). Ces copolymères nous permettrons d’accéder à des comportements superficiels variés. Les films sont réalisés par spin-coating et les particules par polymérisation par précipitation. Ces matériaux sont ensuite caractérisés par mesure de l'angle de contact, par XPS, AFM, etc…, afin de déterminer leur fonctionnalité et leur structuration en surface. / We describe the use of surface segregation to functionalize the surface of polymeric materials. The incorporation of an additive (amphiphilic block copolymer) in a homopolymer host initially leads to its homogeneous distribution within the matrix. When annealed, directed by the decrease of the surface free energy, the surface is enriched on the additive. In our laboratory, polystyrene thin films and particles were functionalized by following this approach. We employed amphiphilic block copolymers composed of one PS block to compatibilize with the homopolymer matrix, and a second block which will bring the desired function at the surface. Thus, PS-b-poly(acrylic acid), PS-b-poly(L-glutamic acid) or PS-b-poly(L-Lysine) afford pH sensitivity and PS-b-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) gives pH and thermo sensitivity. Contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, zeta potential measurement or scanning electron microscopy were carried out to characterize the materials and their responsive behavior.

Il a été démontré que l’acidité de l’environnement tumoral jouait un rôle dans la résistance aux chimiothérapies. L’utilisation de nanovecteurs, tels que les nanocapsules lipidiques (LNC), permet non seulement d’améliorer le temps de biodistribution de substances actives, mais aussi de cibler l’environnement tumoral tout en protégeant les actifs de cet environnement acide. L’objectif de cette thèse porte ainsi sur l’optimisation et l’évaluation de LNC furtives et pH-sensibles dans le contexte du mélanome.Dans un premier temps, ces travaux ont consisté à caractériser la vascularisation de mélanomes humain et murin. Ces études ont permis de comparer différentes tumeurs (densité, taille et structure) et de déterminer si l’usage de nanomédecines est approprié dans ce contexte.La seconde partie s’est orientée sur l’élaboration de polymères combinant furtivité et pH-sensibilité. Ces copolymères composés de N-vinylpyrrolidone (NVP)et de vinylimidazole ont été synthétisés par polymérisation RAFT et post-insérés à la surface des LNC. Ces modifications ont donné lieu à des LNC présentant des charges de surface pH-dépendantes,entrainant une augmentation de leur internalisation à pH acide dans des cellules de mélanome. Finalement, des études de biodistribution ont mis en évidence l’intérêt de la NVP dans le développement de nanovecteurs furtifs. En conclusion, les copolymères développés ont permis de prolonger le temps de circulation, mais aussi d’apporter des propriétés pH-sensibles qui pourraient améliorer l’internalisation tumorale des LNC in vivo et donc de potentialiser l’effet d’une thérapie anticancéreuse. / Tumor acidity has been shown to play a major role in resistance to chemotherapy. The use of nanomedicines, as lipid nanocapsules (LNC), allows to protect drugs from this acidic environment. They can also improve the biodistribution of therapeutics and to target the tumor environment. The aim of this thesis concerns the evaluation and characterization of stealth and pH-sensitive LNC in the context of melanoma. Firstly, these works consisted in characterizing the vascularization of human and mice melanoma. These studies allowed to compare different tumors (density, size and structure), and determine if the used of nanocarrier is suitable in the context of melanoma.The second part of this thesis described the development and the characterization of new copolymers, combining stealth and pH-sensitive properties. These copolymers, composed of Nvinylpyrrolidone(NVP) and vinylimidazole, were synthesized by RAFT polymerization and were post in sertedonto LNC surface. These modifications allowed to obtain charge reversal nanocarriers, leading to increase their melanoma cell uptake underacid pH. Finally, biodistribution of these modified nanoparticles was studied in vivo and highlighted the interest of NVP in the development of stealth nanocarriers. To conclude, the developed copolymers able to extend nanocarrier circulation time and to provide pH-responsive properties which should increase the tumor internalization of LNC invivo and potentiate the effect of anticancer drugs.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche contre le cancer, l'un des enjeux majeurs de notre société. L'objectif est d'optimiser l'action des principes actifs notamment en réduisant leurs effets secondaires chez le patient. Pour cela nous souhaitons développer des nanotransporteurs siliciques pH-sensibles capables de s'accumuler spécifiquement dans les tumeurs solides grâce à l'effet EPR.Les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent donc la synthèse de nouveaux dérivés actifs du 5-Fluorouracile capables de former un complexe via liaisons H avec un précurseur de silice hybride possédant un motif de reconnaissance moléculaire de type triazine. Ce complexe piégé dans le solide grâce au procédé sol-gel permet alors de créer les systèmes autonomes et pH-contrôlés de délivrance de dérivé actif sans relargage prématuré. Ces systèmes, évalués in-vitro sur des cellules de cancer du sein, présentent des cytotoxicités très importantes.Les résultats encourageants obtenus laissent envisager des évaluations in-vivo de nos systèmes. Dans ce sens, nous améliorons donc actuellement nos nanomachines en introduisant un cœur d'oxyde de fer permettant le suivi par imagerie IRM et de confirmer ainsi leurs actions sur des tumeurs solides. / This thesis is part of the research against cancer, one of the major challenges for our society. The objective is to optimize the action of active compounds by reducing side effects for the patient. For this we want to develop pH-sensitive silicic nanocarriers able to accumulate specifically in solid tumors through the EPR effect.The work detailed in this manuscript describes the synthesis of new 5-Fluorouracil derivatives anticancer drugs able to complex via H-bonds hybrid silica precursor with triazine molecular recognition motif. This complex trapped in the solid through sol-gel process is then used to create autonomous and pH-controlled drug delivery system with non-premature release. These systems, evaluated in-vitro on breast cancer cells, have significant cytotoxicity.The encouraging results obtained suggest in-vivo experiments for our systems. For that, we are currently improving our nanomachines by introducing a heart of iron oxide for MRI imaging and confirm their efficiency on solid tumors.

Les micelles apparaissent comme prometteuses dans le domaine de la vectorisation de médicaments. Afin d’améliorer leur biocompatibilité nous nous intéressons ici à des synthèses originales de copolymères amphiphiles comportant un bloc hydrophobe lipidique biosourcé. Un polymère intelligent constitue le bloc hydrophile. L’huile de lin subit une modification chimique afin d’introduire un site amorceur de polymérisation. Le bloc hydrophile est alors ajouté par polymérisation contrôlée. Deux copolymères sont obtenus, le lipide-b-poly(acide acrylique), pH-sensible et le lipide-b-poly(2-isopropyl-oxazoline), thermo-sensible. Une caractérisation physico-chimique complète révèle des concentrations micellaires critiques basses et des micelles de 10 nm. Un système mixte est préparé par mélange des deux copolymères. L’étude de ce système prouve une sensibilité aux deux stimuli. Afin d’améliorer la stabilité des micelles, nous proposons la photo-réticulation des insaturations de la chaîne lipidique. / Small micellar systems seem to be really promising candidates for drug delivery applications. In order to improve the bio-assimilation of our system, the original synthesis of amphiphilic copolymers from linseed oil is carried out. First, linseed oil is chemically modified in order to introduce a polymerization initiating site. Then, the lipoinitiator is engaged in the controlled polymerization of the hydrophilic block. Two amphiphilic copolymers are obtained through this strategy: a pH-sensitive lipid-b-poly(acrylic acid), and a thermo-sensitive lipid-b-poly(2-isopropyl-oxazoline). Both present a low critical micellar concentration and form small micelles (~10 nm). By mixing both copolymers, mixed micelles responding to both stimuli were obtained. In order to improve the system’s stability, the photo-cross-linking of the lipidic double bonds in the micelle’s core is finally realized.

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules. / Stimuli-responsive polymers and their use in biomedical applications have been widely investigated in recent years. These polymers change their physical properties such as water-solubility, when subjected to certain stimuli, for example change in temperature or pH. The main purpose of this work is to study new diblock copolymers consisting of two random copolymers, i.e., diblock random copolymers. Polymers with well-defined structures and tunable properties have been made using reversible addition−fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization, one of the controlled radical polymerization techniques. The blocks are made of acrylamide- and/or methacrylate-based monomers, which commonly show thermo-responsiveness and hence, double stimuli-responsive behavior is shown. First, a diblock random copolymer in the form of AnBm-b-ApBq was synthesized with N-n-propylacrylamide (nPA) and N-ethylacrylamide (EA) as A and B using RAFT polymerization. Kinetic study of the copolymerization process confirmed the controlled character of the copolymerization. The diblock random copolymers with the compositions of poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) and low polydispersity were obtained. With UV-visible spectroscopy and dynamic light scattering (DLS) we investigate their thermoresponsive characteristics in aqueous solutions. Individual blocks showed tunable cloud points, and the diblock copolymer exhibited a well-separated two-step phase transition upon heating. Macromolecules in nature can often respond to a combination of external stimuli, most commonly temperature and pH, rather than a single stimulus. Therefore, a second type of diblock random copolymer in the form of AnBm-b-ApCq was synthesized by combining a pH- and temperature-responsive block with another, only temperature-responsive block, producing responsiveness to multiple stimuli. This polymer with the composition of poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) where DEAEMA stands for 2-diethylaminoethyl methacrylate with well-defined structure and tunable properties has also been made using sequential RAFT polymerization. The resulting diblock random copolymer changes its physico-chemical properties, such as water-solubility, in a quite controlled manner when subjected to the changes in temperature or pH. What happens when blocks of different lengths change their relative hydrophilicity? It is known that the relative length of the blocks in amphiphilic diblock copolymers affects the aggregation mechanism. We compared three diblock copolymers with different block and chain lengths in aqueous solution when they change their relative hydrophilicity due to the change in the external stimuli. The variation of the length and chemical composition of the blocks allows the tuning of the responsiveness of the block copolymers toward both pH and temperature and determines the formation of either micelles or vesicles during the aggregation.

Ce travail de thèse concerne la synthèse et la caractérisation d'homo et de copolymères stimulables à base de N,N-diéthylacrylamide (DEAm). Des homopolymères ont été préparés par polymérisation radicalaire contrôlée par transfert réversible par addition-fragmentation (RAFT). Cette polymérisation a été conduite en présence de trois agents de transfert différents et s'est avérée contrôlée quelles que soient les conditions expérimentales. Deux types de copolymères ont ensuite été préparés, de type PEG-b-PDEAm et PDEAm-b-polypeptides par polymérisation RAFT et combinaison RAFT/ polymérisation par ouverture de cycle (ROP), respectivement. Ces copolymères double hydrophiles ont été caractérisés et leur comportement en solution aqueuse a été évalué. Nous avons montré la formation de micelles c?ur-couronne au dessus de la LCST. Nous avons également développé une stratégie de synthèse originale dans le cas des PDEAm-b-polypeptides puisque la ROP a été réalisée en utilisant un macroamorceur de type thiol. Après déprotection des copolymères sensibles au pH et à la température ont été obtenus et montre des propriétés de structuration différentes en fonction de ces deux stimuli. / This manuscript deals with the synthesis and characterization of responsive copolymers containing N,N-diethylacrylamide (DEAm). Homopolymers were prepared by controlled radical polymerization, especially Reversible Addition-Fragmentation Transfer (RAFT). Polymerization was achieved using three different chain transfer agents and was controlled whatever the experimental conditions. PEG-b-PDEAm and PDEAm-b-polypeptides were synthesized by RAFT polymerization and RAFT/Ring Opening Polymerization (ROP) respectively. These double hydrophilic block copolymers were characterized and their behavior in aqueous solution was evaluated. We showed that core/corona micelles were obtained above the lower critical solution temperature. We also developed a new strategy for the synthesis of PDEAm-b-polypeptides as ROP was achieved using a thiol macroinitiator. After deprotection pH- and thermo-sensitive copolymers were afforded which proved different structuration as a function of both stimuli.

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