Pulsed plasmas were investigated as a means of controlling the composition of the surfaces generated via plasma polymerisation. A variety of precursors were studied under a range of plasma conditions using both continuous wave and pulsed plasmas. Surface and bulk analytical techniques were used to characterise the deposited plasma polymers whilst deposition rate measurements aided in understanding the effects of altering the various plasma parameters. Continuous wave plasma polymerisation of saturated cyclic fluorocarbons yielded plasma polymers with high fluorine/carbon ratios. Plasma instability at low powers limits the extent to which continuous wave power can be used to achieve good selectivity in the polymerisation process. Pulsed plasma polymerisation of perfluoroallylbenzene was studied in detail to investigate the influence of pulsing parameters on the surface composition. Highly aromatic surfaces were obtained through retention of the perfluorophenyl group from the precursor. Deposition rate experiments confirmed polymerisation was taking place in the off-portion of the duty cycle for precursors with a functional group susceptible to radical initiated reactions. A cyclic siloxane precursor with vinyl substituents was used to generate surface consisting of siloxane rings in an organic matrix. The monomer structure was retained through the reaction of the vinyl groups in the off-portion of the duty cycle. For low duty cycle pulsed plasma polymers the Si:0 ratio of the plasma polymers was identical to that of the monomer, indicating successflil retention of monomer structure using pulsed plasmas. Preliminary investigations into the pulsed plasma polymerisation of styrene oxide yielded a range of polymer compositions with varying oxygen contents. The properties of the surfaces varied with oxygen content. The results indicate that pulsed plasmas can give significant enhancements over continuous wave plasmas in controlling surface composition and properties.

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Embryonic stem (ES) cells have the capacity to form any cell type. However, their propagation and differentiation is limited by current two dimensional (2D) culture techniques which offer little flexibility in terms of surface structure and functionalisation with bioactive molecules. The aim of the current work was to produce a novel scaffold that could manipulate ES cell behaviour using both architectural and biological cues. Electrospinning is a flexible technique that creates nonwoven meshes that mimic the fibrous architecture of the ECM. Initial work focused on investigating the suitability of electrospun poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) meshes for 2D and three dimensional (3D) culture of mouse ES cells, with the hypothesis that the fibrous architecture would assist in maintaining pluripotency. The study also sought to functionalise the scaffolds with biologically active molecules. Heparan sulphate proteoglycans (HSPGs) reside at the cell surface and within the ECM where they mediate growth factor binding, assist cell attachment and stabilise the ECM. Furthermore, ES cells modulate their own microenvironment by controlling the composition of heparan sulphate (HS), regulating the binding of growth factors such as fibroblast growth factor (FGF) family members. Therefore, we aimed to immobilise HS and heparin (a highly sulphated structural analogue of HS) on the fibre surface in a form that was freely accessible for protein/cell interactions and that retained its biological activity. Electrospinning parameters were optimised to produce microfibre electrospun meshes with an average fibre diameter of 570nm. Cell morphology, proliferation and pluripotency were monitored using an Oct4-GFP reporter cell line and results compared with flat spin coated films. To investigate the potential for 3D culture, spinning parameters were altered to increase fibre diameter to >3micro metre with infiltration assessed using pro-migratory E-cadherin-/- ES cells. Scaffolds were coated with plasma polymerised allylamine (ppAm) to enable non-covalent immobilisation of HS/heparin. Ligand binding assays with the link module of TSG-6 and anti-heparin/HS antibodies were used to probe HS/heparin presentation on the fibre surface. The biological activity of the immobilised HS/heparin was analysed by testing the ability of coated scaffolds to rescue the neural differentiation capacity HS deficient EXT1-/- ES cells. Finally, human ES cells were cultured on the surface of ppAm scaffolds +/- HS in both unconditioned and mouse embryonic fibroblast (MEF) conditioned media for 5 days. Both microfibre meshes and flat spin coated films supported the attachment, growth and pluripotency of mouse ES cells. Cells adopted distinct morphologies, with mouse ES cells aggregating in rounded colonies on microfibre scaffolds and demonstrating increased spreading on spin coated films. Fibres >3micro metre created a thicker mesh with potential for 3D culture supporting the infiltration of E-cadherin-/- ES cells. ppAm enabled non-covalent immobilisation of HS/heparin in a form that was free to participate in protein interactions and which presented essential sulphation motifs within the HS/heparin chains. Bound HS was biologically active and functioned in synchrony with FGF4 to enhance neural differentiation of EXT1-/- ES cells. The constructs also supported the attachment and growth of human ES cells, with HS functionalised scaffolds demonstrating a slight increase in compatibility during culture in unconditioned media. The successful functionalisation of electrospun meshes with HS/heparin creates a highly versatile scaffold for ES cell culture and differentiation. The architecture of the meshes can be manipulated to either serve as a fibrous substrate for maintenance of pluripotency or support the formation of complex cell interactions present in vivo. The immobilisation of HS provides an extra dimension of versatility, as the scaffold can be tailored with specific HS species, potentially enabling the differential regulation of growth factor binding.

The role of a protein-repelling coating is to limit the interaction between a device and its physiological environment. Plasma-polymerized-PEG (pp-PEG) surfaces are of great interest since they are known to avoid protein adsorption. and cell attachment. However, in all the studies previously published in the literature, the PEG coatings have been prepared using low pressure processes. In this thesis, we synthesize biocompatible pp-PEG coatings using atmospheric pressure plasma. Two original methods are developed to obtain these pp-PEG films. 1. Atmospheric pressure plasma liquid deposition (APPLD) consists in the injection of the precursor, tetra(ethylene glycol)dimethylether (tetraglyme), by means of a liquid spray, directly in the post-discharge of an atmospheric argon plasma torch. 2. In atmospheric pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition (APPECVD), tetraglyme vapors are brought in the post-discharge trough a heating sprinkler. The chemical composition, as well as the non-fouling properties of the APPLD and APPECVD films, are compared to those of PEG coatings synthesized by conventional low pressure plasma processes. In the first part of the study, the effect of the power on the chemical composition of the films has been investigated by infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and secondary ions mass spectroscopy (SIMS). The surface analysis reveals that for the APPECVD samples, the fragmentation of the precursor increases as the power of the treatment is increased. In other terms, the lower the plasma power is, the higher the “PEG character” of the resulting films is. Indeed, the C-O component (286.5 eV) of the XPS C 1s peak is decreasing while the hydrocarbon component (285 eV) is increasing as the power of the plasma is increased. The same conclusion can be drawn from the signature ToF-SIMS peaks (m/z = 45 (CH3OCH2+ and +CH2CH2OH), 59 (CH3OCH2CH2+), 103 (CH3(OCH2CH2)2+)) that are decreasing in the case of high power treatments. Accordingly, IRRAS measurements show that the C-O stretching band is decreasing for high power plasma deposition. This is in agreement with the observations made from the analysis of the LP PECVD coatings and from the literature. The films deposited by the APPLD process do not show the same behavior. Indeed, whatever the power injected into the discharge is, we are able to achieve films with a relatively high PEG character (83 %). The second part of this study is dedicated to the evaluation of the non-fouling properties of the coatings by exposing them to proteins (bovine serum albumin and human fibrinogen) and cells (mouse fibroblasts (L929 and MEF)) and controlling the adsorption with XPS (proteins) and SEM (cells). For the APPECVD samples, a low plasma power (30 W) leads to an important reduction of protein adsorption and cell adhesion (over 85%). However, higher-powered treatments tend to reduce the non-fouling ability of the surfaces (around 50% of reduction for a 80 W deposition). The same order of magnitude (over 90% reduction of the adsorption) is obtained for the APPLD surfaces, whatever is the power of the treatment. Those results show an important difference between the two processes in terms of power of the plasma treatment, and a strong relationship between the surface chemistry and the adsorption behavior: the more the PEG character is preserved, the more protein-repellent and cell-repellent is the surface. / Le rôle d’une couche empêchant l’adsorption de protéines est de limiter les interactions entre un implant et le milieu physiologique auquel il est exposé. Les films de poly(éthylène glycol) polymérisés par plasma (pp-PEG) sont d’intérêt majeur car ils sont connus pour empêcher l’adsorption de protéines ainsi que l’attachement cellulaire. Cependant, dans toutes les études publiées précédemment, les couches de type PEG ont été réalisées sous vide. Dans cette thèse de doctorat, nous synthétisons des couches de type pp-PEG biocompatibles par plasmas à pression atmosphérique. A cette fin, deux méthodes originales ont été développées. 1. La première méthode consiste en l’injection du précurseur, le tetra(éthylène glycol) diméthyl éther (tetraglyme), en phase liquide, en nébulisant ce dernier au moyen d’un spray, directement dans la post-décharge d’une torche à plasma atmosphérique fonctionnant à l’argon. En anglais, nous appelons ce procédé « Atmospheric pressure plasma liquid deposition (APPLD) ». 2. Dans la deuxième méthode, appelée en anglais « Atmospheric pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition (APPECVD)», le tetraglyme est amené en phase vapeur dans la post-décharge, au moyen d’un diffuseur chauffant. La composition chimique des dépôts de type APPLD et APPECVD, ainsi que leurs propriétés d’anti-adsorption sont évaluées, et comparées aux dépôts pp-PEG obtenus par les méthodes à basse pression conventionnelles. Dans la première partie de cette étude, nous nous focalisons sur la composition chimique des films déposés, et plus particulièrement sur l’influence de la puissance injectée dans le plasma sur cette composition chimique. A cette fin, nous avons fait appel à des techniques d’analyse telles que la spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRAS), la spectroscopie des photoélectrons X (XPS) et la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). Il en ressort que les films de type APPECVD perdent progressivement leur « caractère PEG » à mesure que la puissance de la décharge plasma est élevée. Cela serait dû à une plus grande fragmentation du précurseur dans la post-décharge d’un plasma plus énergétique. Cette tendance est cohérente avec ce que nous avons observé pour les dépôts à basse pression ainsi que dans la littérature. Dans le cas des films de type APPLD, un tel comportement n’a pas été mis en évidence : quelle que soit la puissance dissipée dans le plasma, les films présentent un « caractère PEG » relativement élevé. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à l’évaluation des propriétés d’anti-adsorption des films synthétisés, en les exposant à des protéines (albumine de sérum bovin et fibrinogène humain) et des cellules (fibroblastes de souris, L929 et MEF). L’adsorption de protéines est contrôlée par XPS tandis que l’attachement cellulaire est contrôlé par imagerie SEM. Pour les échantillons de type APPECVD, un dépôt à faible puissance (30 W) mène à une importante réduction de l’adsorption de protéines et de cellules (> 85%) tandis qu’à de plus hautes puissances (80 W), l’anti-adsorption est sensiblement diminuée (50% de réduction). Dans le cas des dépôts de type APPLD, quelle que soit la puissance du plasma, une forte diminution de l’adsorption de protéines et de cellules est observée (> 90 %). Ces résultats montrent une différence majeure entre les deux procédés quant à l’influence de la puissance du plasma ainsi qu’une forte relation entre la composition chimique de la surface synthétisée et son pouvoir d’anti-adsorption : plus le « caractère PEG » du dépôt est conservé, plus la surface empêchera l’interaction avec les protéines et les cellules.

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L'objectif principal est d'améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l'injection via un aérosol d'une suspension colloïdale de nanoparticules d'oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d'azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d'une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l'injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d'un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d'abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s'intéresse à l'étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l'analyse des distributions de taille des objets injectés et à l'étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d'évaluer l'impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l'analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process.The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.

The role of a protein-repelling coating is to limit the interaction between a device and its physiological environment. Plasma-polymerized-PEG (pp-PEG) surfaces are of great interest since they are known to avoid protein adsorption. and cell attachment. However, in all the studies previously published in the literature, the PEG coatings have been prepared using low pressure processes. <p>In this thesis, we synthesize biocompatible pp-PEG coatings using atmospheric pressure plasma. Two original methods are developed to obtain these pp-PEG films. 1. Atmospheric pressure plasma liquid deposition (APPLD) consists in the injection of the precursor, tetra(ethylene glycol)dimethylether (tetraglyme), by means of a liquid spray, directly in the post-discharge of an atmospheric argon plasma torch. 2. In atmospheric pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition (APPECVD), tetraglyme vapors are brought in the post-discharge trough a heating sprinkler. The chemical composition, as well as the non-fouling properties of the APPLD and APPECVD films, are compared to those of PEG coatings synthesized by conventional low pressure plasma processes.<p>In the first part of the study, the effect of the power on the chemical composition of the films has been investigated by infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and secondary ions mass spectroscopy (SIMS). <p>The surface analysis reveals that for the APPECVD samples, the fragmentation of the precursor increases as the power of the treatment is increased. In other terms, the lower the plasma power is, the higher the “PEG character” of the resulting films is. Indeed, the C-O component (286.5 eV) of the XPS C 1s peak is decreasing while the hydrocarbon component (285 eV) is increasing as the power of the plasma is increased. The same conclusion can be drawn from the signature ToF-SIMS peaks (m/z = 45 (CH3&61485;O&61485;CH2+ and +CH2CH2&61485;OH), 59 (CH3&61485;O&61485;CH2&61485;CH2+), 103 (CH3&61485;(O&61485;CH2&61485;CH2)2+)) that are decreasing in the case of high power treatments. Accordingly, IRRAS measurements show that the C-O stretching band is decreasing for high power plasma deposition. This is in agreement with the observations made from the analysis of the LP PECVD coatings and from the literature.<p>The films deposited by the APPLD process do not show the same behavior. Indeed, whatever the power injected into the discharge is, we are able to achieve films with a relatively high PEG character (&61566;83 %).<p>The second part of this study is dedicated to the evaluation of the non-fouling properties of the coatings by exposing them to proteins (bovine serum albumin and human fibrinogen) and cells (mouse fibroblasts (L929 and MEF)) and controlling the adsorption with XPS (proteins) and SEM (cells).<p>For the APPECVD samples, a low plasma power (30 W) leads to an important reduction of protein adsorption and cell adhesion (over 85%). However, higher-powered treatments tend to reduce the non-fouling ability of the surfaces (around 50% of reduction for a 80 W deposition). <p>The same order of magnitude (over 90% reduction of the adsorption) is obtained for the APPLD surfaces, whatever is the power of the treatment. <p>Those results show an important difference between the two processes in terms of power of the plasma treatment, and a strong relationship between the surface chemistry and the adsorption behavior: the more the PEG character is preserved, the more protein-repellent and cell-repellent is the surface. / Le rôle d’une couche empêchant l’adsorption de protéines est de limiter les interactions entre un implant et le milieu physiologique auquel il est exposé. Les films de poly(éthylène glycol) polymérisés par plasma (pp-PEG) sont d’intérêt majeur car ils sont connus pour empêcher l’adsorption de protéines ainsi que l’attachement cellulaire. Cependant, dans toutes les études publiées précédemment, les couches de type PEG ont été réalisées sous vide.<p>Dans cette thèse de doctorat, nous synthétisons des couches de type pp-PEG biocompatibles par plasmas à pression atmosphérique. A cette fin, deux méthodes originales ont été développées. 1. La première méthode consiste en l’injection du précurseur, le tetra(éthylène glycol) diméthyl éther (tetraglyme), en phase liquide, en nébulisant ce dernier au moyen d’un spray, directement dans la post-décharge d’une torche à plasma atmosphérique fonctionnant à l’argon. En anglais, nous appelons ce procédé « Atmospheric pressure plasma liquid deposition (APPLD) ». 2. Dans la deuxième méthode, appelée en anglais « Atmospheric pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition (APPECVD)», le tetraglyme est amené en phase vapeur dans la post-décharge, au moyen d’un diffuseur chauffant. La composition chimique des dépôts de type APPLD et APPECVD, ainsi que leurs propriétés d’anti-adsorption sont évaluées, et comparées aux dépôts pp-PEG obtenus par les méthodes à basse pression conventionnelles.<p>Dans la première partie de cette étude, nous nous focalisons sur la composition chimique des films déposés, et plus particulièrement sur l’influence de la puissance injectée dans le plasma sur cette composition chimique. A cette fin, nous avons fait appel à des techniques d’analyse telles que la spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge (IRRAS), la spectroscopie des photoélectrons X (XPS) et la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). <p>Il en ressort que les films de type APPECVD perdent progressivement leur « caractère PEG » à mesure que la puissance de la décharge plasma est élevée. Cela serait dû à une plus grande fragmentation du précurseur dans la post-décharge d’un plasma plus énergétique. Cette tendance est cohérente avec ce que nous avons observé pour les dépôts à basse pression ainsi que dans la littérature.<p>Dans le cas des films de type APPLD, un tel comportement n’a pas été mis en évidence :quelle que soit la puissance dissipée dans le plasma, les films présentent un « caractère PEG » relativement élevé.<p>La deuxième partie de cette thèse est dédiée à l’évaluation des propriétés d’anti-adsorption des films synthétisés, en les exposant à des protéines (albumine de sérum bovin et fibrinogène humain) et des cellules (fibroblastes de souris, L929 et MEF). L’adsorption de protéines est contrôlée par XPS tandis que l’attachement cellulaire est contrôlé par imagerie SEM.<p>Pour les échantillons de type APPECVD, un dépôt à faible puissance (30 W) mène à une importante réduction de l’adsorption de protéines et de cellules (> 85%) tandis qu’à de plus hautes puissances (80 W), l’anti-adsorption est sensiblement diminuée (50% de réduction). Dans le cas des dépôts de type APPLD, quelle que soit la puissance du plasma, une forte diminution de l’adsorption de protéines et de cellules est observée (> 90 %).<p>Ces résultats montrent une différence majeure entre les deux procédés quant à l’influence de la puissance du plasma ainsi qu’une forte relation entre la composition chimique de la surface synthétisée et son pouvoir d’anti-adsorption :plus le « caractère PEG » du dépôt est conservé, plus la surface empêchera l’interaction avec les protéines et les cellules. <p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L’objectif principal est d’améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l’injection via un aérosol d’une suspension colloïdale de nanoparticules d’oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d’azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d’une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l’injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d’un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d’abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s’intéresse à l’étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l’analyse des distributions de taille des objets injectés et à l’étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d’évaluer l’impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l’analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process. The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.