Ce manuscrit de thèse porte sur la formation de masques de réseaux denses de nanopiliers ou nanotrous à partir de l’auto-assemblage de copolymères à blocs (CPB) à haute force de ségrégation, pour des applications dans la micro-électronique. Des copolymères à blocs, de type ABA, constitués d’un bloc central de polydiméthylsiloxane (PDMS) et de deux blocs terminaux de polylactide (PLA) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle. Les caractérisations de deux CPB d’intérêt en masse et sous forme de film mince montrent une mesostructure hexagonale sphérique et cylindrique de PLA dans la matrice de PDMS,avec des périodes de 14,3 et 15,5 nm respectivement. Afin de contrôler l’organisation des domaines, les autoassemblages des films minces des deux CPB ont été étudiés en fonction de plusieurs facteurs : paramètres de dépôt et post-traitements (exposition à des vapeurs de solvant et recuit thermique). Dans le cas du réseau hexagonal cylindrique, le contrôle des énergies interfaciales entre le film et le substrat de silicium a été obtenu grâce au greffage d’une couche de copolymères statistique ayant des blocs chimiquement différent des blocs contenus dans le CPB. Par ailleurs, à des fins industrielles, les mesostructures doivent montrer une organisation à grande échelle (plusieurs micromètres) dépourvue de défauts. Dans cette perspective, l’auto-assemblage des CPB a aussi été étudié sur des surfaces à topographie contrôlée (graphoépitaxie) montrant un relief sinusoïdal. / This manuscript is related to the formation of high density masks of nanoholes or nanodotsmade from high segregation strength block copolymer (BCP) for applications in the microelectronicindustry. Two block copolymers, ABA type with a polydimethylsiloxane (PDMS) center block and twoterminal polylactide (PLA) blocks, where synthetized by a ring opening polymerization. BCP characterizations inbulk and in thin film show a hexagonal array of PLA spheres and cylinders in a PDMS matrix, with 14,3 and 15,5nm pitches respectively. In order to control the domain organization, thin film BCP self-assembly were studiedin function of several parameters : spin coating process and post-treatments (vapour and thermal annealing). Inthe case of the hexagonal array of cylinders, the control of the interfacial energy between the film and thesilicon wafer has been obtained by grafting a random copolymer layer. Due to their microelectronicapplications, the mesostructures need to be defectless at a large scale (several micrometres). In this way, theself-assembly of one of the two BCP has also been studied by graphoexpitaxy on a sinusoidal surface-reliefgratings.

Estudos recentes em medicina regenerativa utilizam estruturas de crescimento celular conhecidas como scaffolds: um scaffolds é uma estrutura porosa feita de material biodegradável. Essas estruturas ajudam na formação e reconstituição de novos tecidos, servindo como suporte para o crescimento e proliferação celular. Esses podem ser fabricados utilizando processos de manufatura aditiva (MA). O processo utilizado na pesquisa foi o FFF (Fused Filament Fabrication), que se baseia em fundir polímero e extrudá-lo em forma de filamento para produção de peças tridimensionais para confecção dos scaffolds. O polímero utilizado na pesquisa foi o ácido poliláctico (PLA), por ser biocompatível. Uma possível forma de aumentar a rugosidade de superfície é gerar uma geometria diferente na seção transversal do filamento extrudado que forma o scaffold. Assim, o scaffold adquiriria a micro-rugosidade ou nanorrugosidade (rugosidade superficial do material utilizado e inerente do processo), e a macrorrugosidade (geometria gerada ao longo de seu comprimento): a micro-rugosidade, para fins deste trabalho, será considerada como a rugosidade (acabamento de uma superfície); a macrorrugosidade (ou macrogeometria) será considerada, para fins deste trabalho, como a textura que se apresenta na forma de uma seção transversal de um filamento extrudado. Para gerar essa macrotextura, é necessário gerar na ferramenta bico extrusor uma geometria diferente na saída do bico. Geralmente, na saída do bico extrusor é feito um furo de geometria circular. Foi proposto neste estudo utilizar uma geometria diferente de um círculo na saída do bico, geometria essa a ser transferida ao filamento durante o momento da extrusão. A alteração desta geometria requer a utilização de técnicas não convencionais de usinagem. Neste projeto foram produzidos filamentos modificados a fim de melhorar a citocompatibilidade no scaffold. A morfologia foi analisada in vitro e o novo bico gerou filamentos impressos com diferenças na citocompatibilidade e com mudanças nos aspectos morfológicos das células quando comparadas àquelas aderidas aos filamentos convencionais. / Recent studies in regenerative medicine use cell growth structures known as scaffolds: a scaffold is a porous structure made of biodegradable material. These structures aid in the formation and reconstitution of new tissues, serving as a support for cell growth and proliferation. They are manufactured using additive manufacturing (AM) processes. The technology executed in this research was the FFF (Fused Filament Fabrication), which is based on melting polymer in the form of a filament and extruding it for the production of three-dimensional parts for the manufacture of scaffolds. The polymer used in this research was the polylactic acid (PLA), which was used because it is biocompatible. One possible way to increase surface roughness is to generate a geometry in the cross section of the extruded filament forming the scaffold. Thus, the scaffold would acquire the micro-roughness or nano roughness (surface roughness of the material used and inherent in the process), and the macro-roughness (texture generated along its length): the micro-roughness, for purposes of this work, will be considered a roughness (surface finish); The macro-roughness (or macro-geometry) will be considered, for purposes of this work, as the texture which is in the form of a cross-section of an extruded filament. To generate this texture (macro-roughness) it is necessary to generate a macro-geometry in the nozzle extruder tool. Usually at the exit of the extruder nozzle is made a hole of circular geometry. It was proposed in this study to use a geometry different from a circle at the exit of the nozzle to be transferred to the filament during the moment of the extrusion. Altering this geometry requires the use of non-conventional machining techniques. In this project modified filaments were produced in order to improve cytocompatibility and for cell differentiation in the scaffold. The morphology was tested in vitro and the new nozzle was able to generate printed filaments with differences in cytocompatibility and with changes in the morphological aspects of the cells when compared to those adhered to the conventional filaments.

Submitted by Sara Ribeiro (sara.ribeiro@ucb.br) on 2018-06-06T14:01:03Z No. of bitstreams: 1 ThaisDuarteCostaDissertacao2018.pdf: 3076865 bytes, checksum: 13af7d694f07d7e2dcc9281907285b62 (MD5) / Approved for entry into archive by Sara Ribeiro (sara.ribeiro@ucb.br) on 2018-06-06T14:01:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ThaisDuarteCostaDissertacao2018.pdf: 3076865 bytes, checksum: 13af7d694f07d7e2dcc9281907285b62 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-06T14:01:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ThaisDuarteCostaDissertacao2018.pdf: 3076865 bytes, checksum: 13af7d694f07d7e2dcc9281907285b62 (MD5) Previous issue date: 2018-04-03 / Polyethylene terephthalate (PET) based plastics are serious environmental problem due to long decomposition periods and petroleum-dependent origin. Therefore, bioplastics are a promising alternative as their synthesized by the polimerization of renewable raw materials, yeilding biodegradable and environmental-friendly products. One of the most relevant polymers in this scenario is the poly lactic acid (PLA) formed from lactic acid monomers. The main characteristics of PLA are low toxicity to humans due to high biocompatibility, for example in biomedical materials, and biodegradability, which reduces their time in landfills due to the faster decomposition process. These properties provide wide applicability of this polymer in various areas such as packaging, textiles and biomedical materials. Commonly, the chemical polymerization process of PLA can be carried out in two ways, (1) ring opening for further polymerization or (2) condensation of the lactic acids. In both cases, the presence of metal catalysts such as zinc, aluminum and magnesium is required. These, in addition to being toxic, hinder the use of the polymer, for instance, in the biomedical area, for generating metallic waste. An alternative to such catalysts is the use of biocatalysts. Polyhydroxyalkanoate synthase (phaC) has been previously used for the polymerization of lactic acid produced in recombinant strains of Escherichia coli. Thus, within the lactic acid production platform in recombinant Komagataella phaffi strains, the objective of this work is to produce the phaC enzyme with point mutations at the S325N and Q481I sites. These residue changes provide a greater specificity of the enzyme-substrate complex to act as a biocatalyst in the polymerization of lactic acid in Komagataella phaffi. In this study, three cloning strategies were performed between the phaCPs insert and pGAPZ??B vector. To date, there have been no transformants in any of the strategies. However, Strategy C has not yet been fully implemented, which also results in the possibility of cloning between phaCPs insert and pGAPZ??B expression vector with the correct sequence. It is expected that successful cloning, recombinant DNA sequencing and plasmid insertion into Komagataella phaffii genome can be performed to conclude this study. / Os problemas ambientais gerados por pl??sticos ?? base de tereftalato de polietileno (PET) se devem ao extenso tempo de decomposi????o desses materiais no meio ambiente e a sua fonte de origem que ?? dependente de petr??leo. Diante disso, biopl??sticos t??m sido uma alternativa promissora devido ao fato de serem biologicamente degrad??veis, al??m de terem como origem mat??rias-primas renov??veis, o que os tornam sustent??veis. Um dos pol??meros mais relevantes desse cen??rio ?? o poli (??cido l??tico) (PLA) formado a partir de mon??meros de ??cido l??tico. As principais caracter??sticas do PLA s??o baixa toxicidade aos humanos devido ?? alta biocompatibilidade, como por exemplo em mat??rias biom??dicos, e biodegradabilidade, o que reduz seu tempo em aterros devido ao processo mais r??pido de decomposi????o. Essas propriedades proporcionam uma ampla aplicabilidade deste pol??mero em diversas ??reas como embalagens, ??reas t??xteis e materiais biom??dicos. Comumente, o processo qu??mico de polimeriza????o do PLA pode ser realizado por meio de duas formas, (1) abertura do anel para posterior polimeriza????o ou (2) por condensa????o dos ??cidos l??ticos. Nos dois casos, ?? necess??ria a presen??a de catalisadores met??licos como zinco, alum??nio e magn??sio. Estes, al??m de serem t??xicos atrapalham na utiliza????o do pol??mero, por exemplo, na ??rea biom??dica, por gerar res??duos met??licos. Uma alternativa a esses catalisadores ?? a utiliza????o de biocatalisadores, como a polihidroxialcanoato sintase (phaC), j?? foi previamente utilizada para polimeriza????o de ??cido l??tico produzido em cepas recombinantes de Escherichia coli. Assim, dentro da plataforma de produ????o de ??cido l??tico, em cepas de Komagataella phaffii recombinantes, o objetivo deste trabalho ?? referente ?? produ????o da enzima phaC com muta????es pontuais nos s??tios S325N e Q481I, pois essas altera????es proporcionam uma maior especificidade do complexo enzima-substrato, para que atue como biocatalisador na polimeriza????o de ??cido l??tico em Komagataella phaffi. Neste estudo, foram realizadas tr??s estrat??gias de clonagem entre o inserto phaCPs e vetor pGAPZ??B. At?? o presente, n??o houve transformantes em nenhuma das estrat??gias. Entretanto, a Estrat??gia C ainda n??o foi executada completamente, o que resulta ainda na possibilidade de clonagem entre inserto phaCPs e vetor de express??o pGAPZ??B com a sequ??ncia correta. A expectativa deste estudo ?? a conclus??o da clonagem, verifica????o da sequ??ncia correta do DNA recombinante atrav??s do resultado do sequenciamento e inser????o do plasm??deo ao genoma da levedura Komagataella phaffii.

Devido à preocupação com o meio ambiente e o volume crescente de resíduos plástico em aterros sanitários, os polímeros biodegradáveis estão sendo estudados extensivamente. Um deles é o PLA. Apesar de possuir propriedades comparáveis a polímeros commodities e polímeros de engenharia, ainda é necessário melhorar certas características do PLA, como resistência ao impacto. Para isso, a nanocelulose (NC) pode ser usada sem alterações significativas na biodegradação polimérica. Este estudo teve como objetivo obter a nanocelulose, caracteriza-la e incorpora-la ao poli(ácido láctico) (PLA), assim como, estudar as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do compósito obtido. A NC foi obtida por hidrólise ácida utilizando ácido fosfórico e posteriormente foi silanizada com três silanos distintos. As nanopartículas foram caracterizadas por Birrefringência, Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Termogravimetria (TG), Potencial Zeta, Espectroscopia Vibracional de Absorção no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Difração de Raio X (DRX). Com as imagens obtidas pelo MET foi possível medir o tamanho das partículas de NC. E então obter a razão de aspecto de 82 e o limite de percolação de 1,1% em massa, confirmando a morfologia de nanofibra. De acordo as analises TG\'s, a presença de NC silanizada aumentou o início da degradação térmica. Os compósitos, contendo 3% em massa de NC, foram obtidos por fusão em câmara de mistura e moldados por injeção. Os compósitos foram caracterizados por FTIR, Cromatografia de Permeação em Gel (GPC), TG, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-FEG), Impacto e Tração. As análises dos compósitos mostraram que a NC atuou como agente de nucleação, facilitando a cristalização do PLA, além de a NC ter atuado como reforço na matriz polimérica melhorando as propriedades mecânicas. / Due to concern for the environment and the growing volume of plastic waste in landfills, biodegradable polymers are being studied extensively. One of them is the PLA. Despite properties comparable to commodities polymers and engineering polymers, it is still necessary to improve certain characteristics of PLA, such as impact resistance. For this, the nanocelulose (CN) can be used without significant changes on the polymeric biodegradation. This study aimed to obtain nanocelulose, characterizes it and incorporates it to polylactic acid (PLA), even as, studies of thermal, morphological and mechanical properties of the composites processed. The CN was obtained by acid hydrolysis using phosphoric acid and it was, subsequently, silanized with three different silanes. The nanoparticles were characterized by Birefringence, Transmission Electron Microscopy (TEM), Thermogravimetry (TG), Zeta Potential, Spectroscopy Absorption Vibrational Infrared Fourier Transform (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD). By images taken by TEM was possible to measure the size of particles CN. So, obtain the aspect ratio of 82 and the percolation limit of 1.1 wt%, demonstrating morphology of nanofiber. According to TG analysis, the beginning of thermal degradation increased when CN Pure was compared with modified CN. The composite, containing 3 wt% CN, were obtained by melt in mixing chamber and then injection molded. The composites were characterized by FTIR, Gel Permeation Chromatography (GPC), TG, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), Impact and Tensile Strength. The results showed that the CN acts as a nucleating agent in PLA, facilitating the crystallization and acts as reinforcement in polymer matrix to improve the mechanical properties.

Šiame darbe pristatomas PLA formalizmo metodas, skirtas aprašyti ir imituoti hibridines sistemas, kurių tolydiniai komponentai aprašomi pirmos eilės diferencialinėmis lygtimis. Pasinaudojus PLA formalizmu suformuluosime Kvantuotų būsenų sistemos modelį (QSS). QSS modelis yra integravimu pagrįstas metodas, skirtas spręsti pirmos eilės diferencialines lygtis. Šis modelis buvo suformuluotas DEVS formalizmo aplinkoje, kuris yra giminingas PLA formalizmui. Hibridinės sistemos pavyzdžiu pasirinktas farmakokinetinis modelis. Farmakokinetika yra farmakologijos mokslo šaka, tyrinėjant vartojamų vaistų pasisavinimą ir absorbciją žmogaus kūne. Farmakokinetiniame modelyje vaistų pasiskirstymas aprašomas pirmos eilės diferencialines lygtimis. Tam, kad būtų galima aprašyti šį modelį QSS pagalba, buvo reikalinga patobulinti QSS modelį. Rezultate gautas pakeistas QSS modelis. Naudojant pakeistą QSS modelį buvo sudarytas farmakokinetinis modelis ir atliktas vaistų koncentracijos kitimo imitavimas paciento kūne, kai pacientas reguliuoja vaistų suleidimą. / This paper presents the method of using Piece Linear Aggregates formalism (PLA) for specification and simulation of hybrid systems, when continuous components are described in ordinary differential equations (ODEs). PLA is used to create Quantized State System (QSS) model. QSS is integration based method, created for ODE solving. Since QSS method first was introduced for use in Discreet Event Systems (DEVS) formalism, we adapted it for PLA formalism, which is fundamentally consanguineous to DEVS formalism. Pharmacokinetics model is used as example of hybrid system. Pharmacokinetics is a branch of pharmacology which describes administered drug absorption and distribution in human body. In pharmacokinetics drug distribution is described using ODE. In order to use drug injection in pharmacokinetics model, we have to modify standard QSS model and add some specific capabilities. In the result: modified QSS method was obtained and used for pharmacokinetic model specification. Simulation of morphine concentration in plasma was performed using real pharmacokinetics data to test Patient-Controlled Analgesia method effectiveness.

Cette thèse rapporte l’étude des propriétés physicochimiques des nanoparticles polymériques et leur impact sur l’interaction avec les cellules vivantes. Nous nous sommes tout spécialement attachés à étudier l’effet des propriétés adhésives et mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration de la membrane cellulaire. Pour ce faire, nous avons tout d’abord utilisé des nanoparticules d’acide polylactique (PLA) fonctionnalisées en surface avec un ligand des sélectines E et P. Le greffage du ligand sur la particule s’est fait par une nouvelle méthode expérimentale garantissant la présence du ligand à la surface de la particule durant toute sa durée de vie. Cette méthode consiste à mélanger un polymère fonctionnalisé avec le ligand avec un autre polymère non fonctionnalisé. La présence du ligand à la surface des nanoparticules formées à partir de ce mélange de polymères a été confirmée par analyse ToF SIMS. Nous avons pu prouver que les particules possédant le ligand greffé à leur surface démontraient une capacité adhésive supérieure à leurs homologues non fonctionnalisés sur des cellules endothéliales HUVEC activées par différentes drogues. De plus, le captage des particules par les cellules HUVEC est modulé par le niveau d’expression des récepteurs selectine E et P et aussi par la quantité de ligand libre. Ces résultats montrent clairement que le greffage du ligand confère aux particules des propriétés adhésives accrues et spécifiques ce qui permet leur usage postérieure comme vecteur pharmaceutique capable de cibler un récepteur particulier à la surface d’une cellule. Nous avons aussi démontré que l’interaction entre les nanoparticules et la membrane cellulaire peut aussi être contrôlée aussi bien par les propriétés mécaniques de la cellule que de la nanoparticule. Dans une première étape, nous avons mesuré à l’aide de l’appareil de forces de surface l’élasticité de cellules macrophagiques déposées sur différents substrats. En contrôlant l’interaction entre la cellule et le substrat sur lequel elle repose nous avons montré qu’il était possible de modifier à ii volonté les propriétés mécaniques cellulaire. Une augmentation de l’élasticité cellulaire s’accompagne d’une augmentation systématique de l’internalisation de nanoparticules de PLA non fonctionnalisées. Ceci suggère un rôle prépondérant des propriétés mécaniques du cortex cellulaire dans le captage des nanoparticules de PLA. Dans une seconde étape, nous avons étudié l’effet des propriétés mécaniques des nanoparticules sur leur capacité de pénétration cellulaire. Pour ce faire, nous avons synthétisé des particules d’hydrogel dont l’élasticité était contrôlée par le degré d’agent réticulant inclus dans leur formulation. Le contrôle des propriétés mécaniques des nanoparticules a été confirmé par la mesure du module de Young des particules par microscopie de force atomique. L’impact des propriétés mécaniques de ces particules sur leur capacité de pénétration dans les cellules vivantes a été étudié sur des cellules macrophagiques de souris. Les résultats ont montré que la cinétique d’internalisation, la quantité de particules internalisées et le mécanisme d’internalisation dépendent tous du module de Young des nanoparticules. Aucune différence dans le trajet intracellulaire des particules n’a pu être observée malgré le fait que différentes voies d’internalisation aient été observées. Ce dernier résultat peut s’expliquer par le fait que les nanoparticules sont internalisées par plusieurs voie simultanément ce qui facilite leur accumulation dans les organelles digestives intracellulaires. Un modèle simple permettant d’expliquer ces résultats a été proposé et discuté. / This thesis reports the study of physical chemical properties of polymeric nanoparticles and their impact on the interaction with living cells. In particular we endeavoured to study the effect of the adhesive and mechanical properties of the vector on its capacity of penetration of the cellular membrane. With this intention, we firstly used nanoparticules of polylactic acid (PLA) functionalized on their surfaces with a ligand of the selectines E and P receptor. The grafting of the ligand on the particle’s surface was carried out thanks to a new experimental method guaranteeing the presence of the active molecule on the surface of the particle during its whole life cycle. This method consists in mixing a polymer functionalized with the ligand with another polymer not functionalized. The presence of the ligand on the surface of the nanoparticules formed starting from this mixture of polymers was confirmed by ToF SIMS analysis. We could show that the particles having the ligand grafted on their surface exhibit a higher adhesive capacity than their non-functionalized counterpart on endothelial cells HUVEC activated by various drugs. Nanoparticles adhesion on cells membrane was modulated by the level of expression of the receptors selectine E and P and also by the quantity of free ligand. These results show clearly that the functionalized particles possess all the characteristics of a pharmaceutical vector capable of targeting a particular receptor on a cell surface. The interaction between nanoparticules and cellular membrane can also be controlled by the mechanical properties of the cell as well as of the nanoparticule. To demonstrate it we have measured the elasticity of macrophagic cells deposited on various substrates using the SFA. We have thus showed that it was possible to control the cell mechanical properties at will by controlling the interaction between the cell and the substrate on which it rests. An increase of the cell elasticity is accompanied by an increase of the internalization of non-functionalized PLA nanoparticules. This suggests a major role of cytocortical mechanical properties in the capture of hard PLA particles. iv Lastly, we studied the effect of the mechanical properties of the nanoparticules on their cellular penetration capacity. With this intention, we synthesized hydrogel particles whose elasticity was controlled by the degree of crosslinking agent included in their formulation. The control of the mechanical properties of the nanoparticules was confirmed by the measurement of the Young modulus of the particles by AFM. The interaction of these particles with macrophagess showed that the mechanical properties of the particles affect various aspects related to the internalization of the nanoparticles. The internalization kinetics, the quantity of internalized particles and the mechanism of internalization depend all on the Young modulus of the nanoparticules. No differences in the intracellular pathway could be observed in spite of the fact that various pathways of internalization were observed for these nanoparticules. This last result can be explained by the fact that the nanoparticules are internalized by several mechanisms of simultaneously which facilitates their accumulation in intracellular digestive organelles. A simple model explaining these results is proposed and discussed.

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité. / Biodegradable polymeric nanoparticles (NPs) have emerged as promising drug delivery carriers for the controlled drug release and targeting. The first part of this study aimed to develop biodegradable NPs from functionalized copolymers of poly (D,L-Lactide) (PLA). Those copolymers were explored as drug delivery systems in attempt to improve the drug delivery performance of conventional PLA NPs. The effect of PLA functionalization (insertion of chemical substituents onto PLA backbone) on the physicochemical properties of the obtained NPs was investigated. Moreover, the effect of polymer architecture (mode of organization of polymer chains in the resultant copolymer) on various drug delivery aspects was also studied. To reach those goals, various PLA based copolymers namely poly(ethylene glycol) (PEG) grafted on PLA backbone at 2.5% & 7% mol/mol of lactic acid monomers (PEG2.5%-g-PLA and PEG7%-g-PLA, respectively), palmitic acid grafted on PLA backbone at 2.5% grafting density (palmitic acid2.5%-g-PLA), and multiblock copolymer of PLA and PEG, (PLA-PEG-PLA)n were synthesized. In the second part, the effect of different PEG grafting densities over PLA backbone on the properties of PEG-g-PLA NPs either physicochemical or biological properties was investigated to reveal the optimal PEG grafting density required to develop stealth particles (long circulating NPs). Finally, functionalized PEG/PLA copolymers that showed the most satisfactory results in terms of various drug delivery aspects, such as size and size distribution, surface charge, drug loading, and controlled drug release were selected for encapsulation of itraconazole (ITZ) to improve its aqueous solubility, bioavailability and hence its antifungal activity. NPs were first prepared from functionalized PLA copolymers then analyzed for their major physicochemical parameters such as encapsulation efficiency, size and size distribution, surface charge, thermal properties, surface chemistry, % poly(vinyl alcohol) (PVA) adsorbed at the surface of NPs, and drug release pattern. Surface chemistry analysis using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and atomic force microscopy (AFM) phase imaging were used to study the chain organization behavior of each functionalized copolymer during NPs formulation. Generally speaking, functionalized PEG/PLA copolymers showed improved drug delivery behavior in terms of narrow size and size distribution, enhanced loading efficiency, less plasma protein adsorption onto their surfaces and less macrophage uptake, and finally better antifungal activity for ITZ loaded NPs. For the surface chemistry analysis, AFM phase imaging and XPS studies revealed the possibility of existence of more PEG chains at the surface of PEG-g-PLA NPs than (PLA-PEG-PLA)n during NPs formation. Our results demonstrate that properties of PLA-based NPs can be tuned by proper selection of both polymer composition and polymer architecture. Results also suggest that PEG-g-PLA copolymers could be used efficiently as a nanocarrier to improve various drug properties e.g. solubility, stability, and bioavailability.

En ce début de XXIème siècle, l’époque où seul la technique transformait la société toute entière est clairement révolue. Certes, les révolutions techniques sont là : interconnexion des personnes, explosion de l’internet, apparition de nouvelles formes d’énergies, de nouveaux procédés de production, de nouveaux matériaux etc... mais l’homme n'est plus un simple consommateur sensible au prix et aux incitations de l’état. Il souhaite être acteur et participer à l’utilisation des nouvelles technologies mais de manière raisonnée et en intégrant les grands enjeux sociétaux tels que le partage et la sauvegarde des ressources et matières premières. Cette thèse s’inscrit dans cette problématique globale: en effet tout au long du manuscrit nous réfléchissons à comment une révolution technique tel que la fabrication additive (FA) est prise en main par des citoyens dans des lieux de partage de la connaissance que sont les FabLabs, et plus précisément, s’il est possible et de quelle manière introduire de la durabilité dans le contexte open-source. Nous voyons dans un premier temps, comment la problématique sociétale forte du recyclage des matériaux se développe dans le contexte de la FA en générale et plus particulièrement nous proposons une revue bibliographique systématique sur le sujet. Dans un second temps nous recentrons notre recherche sur la FA dans le contexte open source et nous montrons que les machines dans ce contexte, bien qu’à des coûts très faibles par rapport aux machines professionnelles, ont cependant des niveaux de reproductibilités suffisant pour que l’on les utilise dans le cadre d’une recherche poussée. Dans le troisième chapitre nous proposons une méthodologie générale fixant l’étude du recyclage de polymères thermoplastiques dans le contexte open-source. Dans le quatrième chapitre nous utilisons la méthodologie vu précédemment pour le recyclage de l’acide polylactique (PLA). Nous montrons le niveau de dégradation de la matière à travers l’ensemble du procédé et concluons qu’il est possible de recycler le PLA pour l’impression 3D mais dans une moindre mesure que pour les procédés d’injection. Enfin nous concluons et proposons en perspective d’étudier le recyclage en circuit court d’autres polymères thermoplastique / Since the beginning of the XXI century, we can recognize that several technical (r)evolutions have changed the way we conceived our world. New realities have appeared thanks to the information and communication technologies (e.g. Internet), peer-to-peer dynamics (e.g. open software/hardware, collaborative economy), new means of production (fablabs, hackerspaces), among others. One of the impacts of this technical ecosystem is the individual's empowerment that changes the relationship between consumer and producer. For instance, we observe an evolution of role passing from a passive consumer towards an active prosumer, where this latter considers not only economic aspects, but also social and environmental issues.This thesis is integrated in this global issue; indeed, throughout the manuscript we analyze about the impact of open-source (OS) Additive Manufacturing (AM) (also as known as open-source 3D printing or just 3D printing) in the light of the sustainability issues. The democratization of OS AM and the creation of spaces for co-creation (e.g. FabLabs) proved the interest for changes in the established roles. Therefore, we are interested in how this OS technology could develop sustainable waste management options through a polymer recycling process. In a first phase, we present the concept of additive manufacturing (AM) and its importance on sustainability issues. A systematic literature review related to the material recycling advances in the commercial and open-source (OS) AM is developed with a focus on thermoplastic polymer recycling.In a second phase, our aim is to validate open-source AM systems as a reliable manufacturing tool. We develop and test an experimental protocol in order to evaluate the dimensional performance using as case study a representative OS 3D printer: called FoldaRap. It was found that the International Standard Tolerance Grade of this machine is situated between IT14 and IT16. We conclude that the dimensional performance of this case study is comparable to the commercial AM systems, taking into account the important different in terms of machine cost. In a third phase, we center our attention on the recycling process and we propose a systematic methodology to evaluate the feasibility of the use of recycled thermoplastic polymer in OS 3D printers. A case study is developed with the evaluation of the recycling process using polylactid acid (PLA). The results allow us to conclude that the use of recycled PLA is technically feasible. Nevertheless, the degradation of the material is more important than in other traditional manufacturing systems (e.g. injection). Finally, we concludes and propose as perspectives, the study of a distributed recycling process for other type of polymers

Dans le contexte actuel, où la préservation des ressources et le développement durable sont devenus des enjeux importants de ce siècle, la production de matériaux tant performants que respectueux de l’environnement est devenue indispensable. Ainsi, ce travail de thèse porte sur l’élaboration de matrices poreuses de biopolymères en utilisant la technologie CO2 supercritique (CO2-SC). L’utilisation du PLA permet de produire des matrices 100% biosourcées et biodégradables, alors que l’utilisation de CO2-SC permet de diminuer l’impact écologique des procédés de mise en forme. Dans un premier temps une étude paramétrique de la mise en forme de matrice de PLA par une méthode de séparation de phase thermique (TIPS) couplée à un séchage par CO2 a été réalisée. Elle a permis de produire des matrices microcellulaires de faible densité (entre 60 et 320 kg/m3) et aux propriétés structurales mécaniques modulables. L’ensemble du procédé a fait l’objet d’une analyse de cycle de vie et il a été démontré que l’utilisation du CO2-SC en remplacement de la lyophilisation a réduit d’entre 50 et 90% l’impact environnemental. Dans un second temps une étude in-situ de la séparation de phase par tomographie-X en rayonnement synchrotron a permis de mieux comprendre la mécanistique de notre procédé. Enfin, la dernière partie de ce travail a été consacré à la mise en forme de matrice de PLA sans solvant, en utilisant le CO2-SC comme agent gonflant. Les résultats obtenus ont servi à réaliser une étude comparative des deux procédés développés. / In the present context, where the preservation of resources and sustainable development became the main issues of this century, the production of more efficient and environmentally friendly materials is essential. Thus, this work deals with thedevelopment of biobased polymeric porous matrix using SC-CO2. The use of PLA makes it possible to produce 100% biosourced and biodegradable matrices, while the use of CO2-SC reduces the ecological impact of the shaping processes. In a first step, a parametric study of PLA matrix shaping by a thermal induced phase separation (TIPS) method coupled to CO2 drying was performed. Low density microcellular matrices were obtained with tunable structural and mechanical properties. The whole process was analyze by life cycle assessment and the results showed that SC-CO2 replacing freeze drying has reduced the environmental impact between 50 and 90%. Secondly, a phase separation in situ study by tomography-X synchrotron radiation tomography allowed us to better understand the mechanics of our process. Finally, the last part of this work was devoted to the implementation of a solvent free process, using SC-CO2 as a blowing agent. The results obtained were used to carry out a comparative study of the two processes developed.

Cette thèse s’articule autour de la valorisation de la biomasse lignocellulosique pour la production d’un polymère biosourcé, le poly(acide lactique) PLA. Lors d’une première étude, deux prétraitements de la biomasse lignocellulosique ont été réalisés pour libérer les sucres fermentescibles. Puis plusieurs stratégies de fermentations ont été mises en place et un criblage microorganisme / biomasse a été réalisé en vue de sélectionner la meilleure stratégie de fermentation et le meilleur couple biomasse / microorganisme pour la production d’acide lactique. Les bactéries lactiques, Lactobacillus casei et Lactobacillus delbrueckii et le son de blé ont été retenus pour produire l’acide lactique lors d’une fermentation en milieu liquide sur l’hydrolysat produit par une hydrolyse à l’acide dilué du son de blé. Lors d’une seconde étude, la stratégie choisie a été optimisée et a subi un « scale-up » afin d’augmenter la concentration en acide lactique. Les fermentations en milieu liquide ont été effectuées au sein d’un bioréacteur afin de contrôler les paramètres de croissance bactérienne et de production d’acide lactique (pH, pO2, agitation, production d’acide lactique). Puis une purification de l’acide lactique a été menée par chromatographie échangeuse d’ions. Cette technique a été réalisée en deux étapes clés utilisant successivement une colonne cationique forte et une colonne anionique faible. L’acide lactique purifié a été polymérisé par ouverture de cycle (ROP). Durant toutes ces recherches, la chimie verte a été mise au premier plan d’une part par le sujet de l’étude (valorisation de la biomasse végétale) mais aussi d’autre part par le choix des méthodes employées (pas de solvants, peu de produits chimiques, méthodes propres, économiques et renouvelables). / This thesis is articulated around the lignocellulosic biomass valorization to develop a fully sustainable, green and cheap route of PLA production. During a first study, two pretreatments have been realized on the lignocellulosic biomass in order to release the fermentable sugars. Several fermentations strategies have been considered and a screening of the couples microorganisms / biomasses has been performed in order to select the best strategy and the best couple microorganism / biomass for lactic acid production. The lactic acid bacteria, Lactobacillus casei and Lactobacillus delbrueckii and wheat bran have been selected to produce lactic acid via a liquid state fermentation on the acid hydrolysate obtained thanks to a diluted acid pretreatment on the wheat bran. During a second study, the chosen strategy has been optimized and scaled-up in order to increase the lactic acid concentration. Liquid state fermentations have been made in a bioreactor in order to control parameter needed for the optimal growth and consequently the optimal lactic acid production (pH, pO2, agitation, acid lactic production). Then, the lactic acid purification has been performed by ion exchange chromatography. This technic was made in two key steps using a strong cationic column and a weak anionic column successively. Finally, the purified lactic acid was then polymerized by ring opening polymerization (ROP). During all the researches, the green chemistry has been placed in the first plan in one hand by the choice of the topic of the study (biomass valorization) and in a second hand by the choice of each employed method (no solvent; few chemical products; sustainable, cheap and green methods).