This diploma thesis was focused on the preparation and characterization of biodegradable composites based on poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and spent coffee grounds (SCG). The aim was to prepare biocomposites based on PHB and coffee grounds. Biocomposites were prepared by solution casting in chloroform. Films with a thickness of about 150-200 µm were prepared with the addition of 20% unmodified and modified coffee grounds. The PHB/SCG films were modified by an addition of a plasticizer and a crosslinking agent or by blending with polybutylene adipate terephthalate (PBAT). The thermal properties of the films were determined by differential scanning calorimetry. The compatibility filler/polymer matrix compatibility was assessed morphologically with the naked eye. It has been found that the direct addition of spent coffee grounds to the PHB is not suitable due to the deterioration of the morphology of the film surfaces and the formation of aggregates. The compatibility between the spent coffee grounds and the PHB was improved after the addition of the plasticizer and the crosslinking agent. However, the highest compatibility between SCG and PHB was achieved in the case of esterified coffee grounds. Another way to improve the resulting morphological properties of the films thus prepared was to use coffee grounds fractions.

This diploma thesis deals with the characterization of rheological properties and biodegradation of a poly(3-hydroxy-co-4-hydroxybutyrate), a copolymer produced by a strain of Cupriavidus malaysiensis. The theoretical part focuses on the rheology and degradation of polymers in general. It also contains the basic characteristics of polyhydroxyalkanoates and deals in more details with the description of the studied copolymer, its properties, synthesis, decomposition and possibilities of its applications. In the experimental part, the given copolymer was investigated in its native form and also in the form of copolymer mixtures filaments, which were enriched with additives (stabilizers and plasticizers). In terms of rheology, the samples showed pseudoplastic behaviour, which was slightly limited by the plasticization of the material. The highest thermal stability observed as a function of changes in complex viscosity over time was observed in a sample of a copolymer mixture containing stabilizers and plasticizer Citrofol BII. The plasticization also caused significant changes in thermal properties, especially crystallinity, which decreased compared to the native copolymer. In vitro degradation studies of samples in the form of films prepared by dissolving copolymer mixtures in chloroform were performed in phosphate buffer with lipase, in simulated body fluid and in synthetic gastric juice. The course of the process itself was characterized by the method of determining the molecular weight (SEC-MALLS) and the weight loss over time (gravimetrically). The results showed that the analysed samples are subject to degradation in all used environments. The most considerable molecular weight loss after 105 days (76 %) was observed in the sample containing stabilizers and plasticizer Citrofol BII in the environment of synthetic gastric juice. The most extensive gravimetric weight loss was attributed to the sample with stabilizers and without plasticizers, in the environment of phosphate buffer with lipase, specifically by 79%.

Les poly (3-hydroxyalcanoates) (PHAs) sont des polyesters aliphatiques produits et accumulés par des bactéries en tant que réserve de carbone et d'énergie. Ils sont constitués d'unités β-hydroxyesters et possèdent des chaînes latérales de longueur variable, pouvant être fonctionnalisées. Ils possèdent des propriétés de biodégradabilité et de biocompatibilité; ceci leur confère de vastes possibilités d'utilisation dans le domaine biomédical, notamment pour la mise au point de systèmes de libération contrôlée de principes actifs. Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à la synthèse de copolymères amphiphiles de différentes architectures à base de PHAs, ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés d'auto-association en milieu aqueux. Une méthode simple et efficace permettant le greffage d'oligomères de poly (éthylène glycol) (PEG) a tout d'abord été mise au point grâce à l'utilisation de la chimie « click ». Une série de copolymères diblocs bien définis PHA-b-PEG a ainsi pu être synthétisée par cycloaddition de Huisgen catalysée par le cuivre (CuAAC). Les copolymères diblocs à base de PHAs à moyennes chaînes latérales (PHA-mcl) ont montré leur capacité à s'auto-associer en milieu aqueux et à former des micelles monodisperses présentant une concentration micellaire critique très faible. Par la suite des copolymères de type greffés PHOU-g-PEG ont été synthétisés par addition thiol-ène. Les analyses par cryo microscopie électronique à transmission (cryo-TEM) ont montré que dans ce cas les copolymères s'auto-associaient en structures vésiculaires, ou polymersomes. Enfin, la synthèse de copolymères amphiphiles greffés porteurs de chaînes perfluorées PHOU-g-(F;PEG) a permis l'obtention de structures auto-associées plus complexes. Le cryo-TEM a en effet révélé la formation de micelles multicompartimentées, c'est à dire possédant un coeur présentant une séparation de phase entre les domaines hydrophobes et les domaines fluorés. Des tests biologiques préliminaires ont montré la cytocompatibilité de ces micelles / Poly (3-hydroxyalkanoates) are natural aliphatic polyesters produced and accumulated by many bacteria as carbon and energy supply. They consist of β-hydroxy ester units, with pendant side chains of different lengths that can be functionalized. Thanks to their biodegradability and biocompatibility, they are promising polymers for biomedical applications, especially for controlled drug delivery systems. In this context, we aimed to synthesize PHA-based amphiphilic copolymers with different molecular architectures, and to study their self-assembly in water. First, a simple and straightforward method using click chemistry has been used to graft poly(ethylene glycol) (PEG) oligomers. A series of well-defined diblock copolymers PHA-b-PEG has thus been synthesized using copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). Medium chain length PHA-based diblock copolymers have shown their ability to self-assemble into stable micelles having very low critical micelle concentrations. Afterwards, amphiphilic graft copolymers PHOU-g-PEG have been synthesized using thiol-ene addition. In this case, cryo-electron microscopy (cryo-TEM) analysis revealed that graft copolymers self-assembled into vesicular morphologies, i.e. in polymersomes. Finally, the synthesis of amphiphilic graft copolymers bearing perfluorinated chains PHOU-g-(F;PEG) was performed. After aqueous self-assembly, cryo-TEM shown the formation of multicompartment micelles, i.e. with a core displaying segregated hydrophobic and fluorophilic domains. Moreover, these multicompartment micelles have shown their cytocompatibility

This master’s thesis deals with plasticization of poly(3-hydroxybutyrate), polylactid acid and their blend. It explores effect of chemical structure of plasticizer on mechanical properties of this polymer blend and on its diffusion from the polymer blend. Syntheses of plasticizers based on oligomeric polyadipates, citrates, lactate and esters of 2 ethylhexanoic acid with poly(ethyleneglycol) were carried out. Molecular weight distribution of synthesized plasticizers was determined using gel permeation chromatography. Poly(3-hydroxybutyrate), polylactid acid and their blend were plasticized with synthesized and commercial plasticizers. From commercial, chosed plasticizers were based on citrates and ester of 2-ethylhexanoic acid with poly(ethyleneglycol). Thermal stability of selected commercial plasticizers in polylactid acid was studied using thermogravimetry. Diffusion of plasticizers from poly(3-hydroxybutyrate), polylactid acid and their blend during exposure to 110 °C was also investigated. Mechanical properties of prepared blends were tested by tensile test. Almost all used plasticizers showed positive softening effect in blend. The highest elongation at break was detected for the blend with commercial acetyltributylcitrate, where elongation at break reached 328 % relative to 21 % for neat non-plasticized blend.

Les poly(3-hydroxyalcanoate)s ou PHAs sont des biopolyesters linéaires biodégradables et biocompatibles synthétisés par des microorganismes bactériens en tant que réserve de carbone et d'énergie. Ils sont synthétisés par des bactéries à partir de ressources renouvelables et la diversité de leurs structures possibles se traduit par un large éventail de polymères ayant des propriétés mécaniques très différentes. Nous avons tout d'abord testé les capacités de production de PHAs de nouvelles souches bactériennes marines provenant de tapis microbiens de Polynésie française, en utilisant, entre autres, des substrats naturels comme l'huile de coprah, le glucose et l'acide oléique. Nous avons notamment montré que la souche Pseudomonas guezennei est capable de produire des PHAs avec des taux d'insaturation contrôlés et de masse molaire très élevée. Puis, des oligomères de PHAs fonctionnalisés de structures contrôlées portant des fonctions terminales alcynes ou alcènes ont été préparés par transestérification. Ces oligomères ont ensuite été utilisés pour l'élaboration par chimie click de copolymères amphiphiles greffés EPS-g-PHA avec des exopolysaccharides (EPS) bactériens. Enfin la dernière partie de ces travaux a consisté en la réalisation d'un support de croissance pour le développement de cellules souches pour l'ingénierie tissulaire combinant les propriétés mécaniques des PHAs et les propriétés hydrophiles et bioactives des EPS / Poly(3-hydroxyalkanoate)s, or PHAs, are linear biodegradable and biocompatible biopolyesters synthesized by bacterial microorganisms as energy and carbon supply. They are synthesized by bacteria from renewable resources and the diversity of the achievable structures leads to a large range of mechanical properties. First, we studied the PHAs production ability of several new marine bacteria strains, isolated from microbial mats from French Polynesia, using, among others, natural substrates such as coprah oil, glucose and oleic acid. We showed particularly that the strain Pseudomonas guezennei was able to produce PHAs with controlled amounts of insaturations and high molar masses. Then, we prepared functionalized PHAs oligomers with controlled structure and bearing a terminal alkyne or alkene function. Following that, these oligomers were used to elaborate amphiphilic by click chemistry graft copolymers EPS-g-PHA with bacterial exopolysaccharide (EPS). Finally, the last part of this work was the making of a scaffold for stem cell culture for tissue engineering which combined the mechanical properties of PHAs and the hydrophilicity and bioactive properties of EPS

Les structures poreuses tridimensionnelles fonctionnelles possèdent un fort potentiel dans de nombreuses applications biomédicales. Nous avons ainsi orienté nos travaux vers l'élaboration de nouveaux matériaux capables de répondre à plusieurs critères pour l'ingénierie tissulaire osseuse. Du fait de leur biodisponibilité, leur biocompatibilité et leur biodégradabilité, les poly(3-hydroxyalcanoate)s (PHAs) présentent des propriétés particulièrement adaptées pour ce type d'application. Dans un premier temps, nous avons développé de nouvelles stratégies contrôlées, rapides et aisées, de synthèse de copolymères à blocs à base de PHAs ainsi que de production d'oligoesters par activation sous micro-ondes. Par ailleurs, l'absence d'effet « non-thermique » des micro-ondes sur la polymérisation par ouverture de cycles du D,L-lactide a également été démontrée grâce à une investigation systématique. Dans un second temps, l'élaboration de divers matériaux tridimensionnels nanofibreux par électrofilage (« electrospinning ») a été réalisée afin de fabriquer des structures à base de PHAs de différentes morphologies avec la formation de fibres dans une large gamme de diamètres ou encore avec des topographies de surface contrôlées (nanopores ou rainures). Plusieurs stratégies de fonctionnalisation superficielle ont été également mises au point telles que le dépôt de nanoparticules d'hydroxyapatite selon un procédé original couplant les techniques de l' « electrospinning » et de l' « electrospraying », ou encore le « co-electrospinning » de la gélatine. De nouvelles approches de couplage covalent de molécules en surface des fibres de PHAs par chimie « click » ou par ouverture de fonctions époxyde préalablement introduites ont également été développées. Enfin, des investigations biologiques in vitro ont permis de mettre en lumière les potentialités de ces nouveaux matériaux nanofibreux comme supports de culture cellulaire à travers l'évaluation de l'adhérence, la prolifération et la différentiation de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) pluripotentes vers un phénotype ostéoblastique / Functional three-dimensional porous scaffolds possess a high potential in many biomedical applications. We have thus oriented our work toward the elaboration of new materials able to meet several criteria for bone tissue engineering. Due to their renewability, their biocompatibility, and their biodegradability, poly(3-hydroxyalkanoate)s (PHAs) exhibit properties particularly suitable for this type of application. First, we have developed novel controlled strategies that are rapid and straightforward for the synthesis of PHA-based block copolymers as well as for the production of oligoesters upon microwave activation. Moreover, the absence of “non-thermal” microwave effect in the ring-opening polymerization of D,L-lactide was also demonstrated through a systematic investigation. Second, the elaboration of miscellaneous three-dimensional nanofibrous materials by electrospinning has been performed to produce PHA-based frameworks with different morphologies through the formation of fibers in a wide range of diameters or with controlled surface topography (nanopores or channels). Several strategies for surface functionalization have also been implemented, such as the deposition of hydroxyapatite nanoparticles by an original combination of the electrospinning and electrospraying techniques or by the co-electrospinning of gelatin. New approaches toward covalent coupling of molecules on the PHA fiber surface by “click” chemistry or by ring-opening of previously introduced epoxide groups have also been developed. Lastly, in-vitro biological investigations have highlighted the potential of these new nanofibrous materials as cell culture supports through the evaluation of the adhesion, proliferation, and differentiation of pluripotent human mesenchymal stem cells (hMSCs) toward an osteoblastic phenotype

L’objectif de cette thèse est le développement des matériaux polymères injectables innovants issus de ressources renouvelables et répondant aux exigences techniques automobiles. Pour cela, des mélanges à base de polyoléfines (POs) et du poly(3- hydroxybutyrate-co-hydroxyvalérate) (PHBV) ont été étudiés. Ces mélanges polymères étant non-miscibles, l’optimisation de leurs propriétés par compatibilisation a été réalisée selon différentes approches. Dans un premier temps, la synthèse de polypropylène fonctionnel original avec des taux de greffage relativement élevés et sans perte de masses molaires a permis, par réaction in-situ, la compatibilisation des mélanges PP/PHBV. Dans une deuxième partie, le poly(éthylène-co- alcool vinylique) greffé-poly(3- hydroxybutyrate-co- hydroxyvalérate) a été synthétisé par extrusion réactive, ce copolymère a été utilisé ensuite comme compatibilisant pour les mélanges PE/PHBV. L’ajout de ces compatibilisants a permis d’obtenir des matériaux ayant des propriétés optimisées et une morphologie nettement plus fine que les systèmes non compatibilisés démontrant ainsi leur efficacité / The main objective of this work is the development of innovative materials from renewable resources for the automotive industry. Polymer blends of polyolefins (POs) and poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV) were prepared through twin screw extruder process and studied. These polymer blends are non-miscible, then in order to optimize their final properties, compatibilizing agents were synthesized by reactive extrusion. On the one hand, functionalized polypropylene with various polar monomers and without significant molecular weight loss was synthesized with the aim to compatibilize PP/PHBV blends, on the other hand, poly(ethylene-co- vinylalcohol)-graft- poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) was obtained by exchange reactions in the presence of an efficient catalyst and those in order to compatibilize PE/PHBV blends. Efficiency of these compatibilizers was investigated in the last part of this study which is dedicated to POs/PHBV polymer blends compatibilization. Materials with improved properties and finer morphologies than the non- compatibilized systems were obtained thanks to the compatibilizers

Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) ist ein Kunststoff der zur Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere (ILP) zählt. Aufgrund seiner chemischen und thermischen Stabilität findet er Verwendung in antistatischen Verkleidungen und als Elektrodenmaterial. PEDOT (und andere ILP) zeigen aufgrund ihrer Schaltbarkeit zwischen (reduzierten, ) neutralen und oxidierten Zuständen unterschiedliche Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Farbe oder Viskoelastizität. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrochemischen und viskoelastischen Eigenschaften von PEDOT-Filmen untersucht. Dabei wurde die Quarzmikrowaage (QCM) in Verbindung mit potentiostatischen (Potentialsprung, PS) und potentiodynamischen (Cyclovoltammetrie, CV) elektrochemischen Methoden verwendet, so dass in situ elektrochemische und mechanische Eigenschaften der Filme zugänglich waren. Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften wurde ein Auswertealgorithmus entwickelt, welcher auf ein mathematisches Modell zur Bestimmung des Schermoduls nach Efimov zurückgreift. Während der Herstellung wurden Parameter wie Lösungsmittel, Leitsalz, Vorpolarisations- und Abscheidungspotential variiert und die erhaltenen Filme bezüglich Schermodul und Morphologie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Elektrolytzusammensetzung einen entscheidenden Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Filme besitzt, welche mit der Morphologie der Filme korrelieren. Des Weiteren wurden die Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften dieser Filme untersucht, welche während dem elektronischen Schalten zwischen neutralem und oxidiertem Zustand aufgrund des Ionenaustausches erfolgen. CV- und PS-Experimente zeigten, dass die viskoelastischen Eigenschaften durch Konzentration und pH-Wert des Elektrolyten beeinflusst werden und in unterschiedlicher Weise auf die Potentialänderungen reagieren. Durch den Einbau von Magnetit-Partikeln in die Schichten konnten Hybridfilme erhalten werden, deren Eigenschaften durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beeinflusst werden können. Solche Filme zeigten in einem äußeren Magnetfeld (0,7T) höhere Schermodule und einen stark unterdrückten Ionenaustausch.

Abstract To date, plant endophytic bacteria have mainly been studied in roots of crop plants. However, shoot-associated endophytes are less diverse than root-associated ones. Hence, endophytic bacteria of plant shoots evolved different traits, than root colonizers, especially with types of host tissues infected and patterns of growth and development. This study found Methylobacterium extorquens colonized pine seedlings similarly to stem-colonizing rhizobia of other plants. M. extorquens DSM13060 was isolated from meristematic cells in shoot tip cultures of Scots pine (Pinus sylvestris L.). M. extorquens infected the plant stem through epidermis or stomatal apertures, forming infection pockets in the root and stem epidermis, or cortex. Post-infection, thread-like infection structures passed through the endoderm, invading vascular tissues. This led to systemic colonization of above and below ground-parts, observed in in vitro grown Scots pine. A novel mechanism enabling development of endophyte-host symbiosis is discovered within the M. extorquens – Scots pine model. This mechanism involves ability of M. extorquens to produce polyhydroxybutyrates (PHB) to protect itself from host-induced oxidative stress during infection. Upon initial colonization on the host surface, M. extorquens DSM13060 consumes methanol as a carbon source, using it to biosynthesize PHB. PHB are then degraded, upon host infection, by PHB depolymerases (PhaZ) to yield methyl-esterified 3-hydroxybutyrate oligomers. These oligomers have substantial antioxidant activity towards host-induced oxidative stress, enabling the bacterium to bypass host defenses and colonize further tissues. The bacteria can also store PHBs for future protection. The capacity for PHB production and, thus, protection from oxidative stress, is discovered in a wide taxonomic range of bacteria. This study also shows meristematic endophytes are important in growth and development of their hosts. Unlike many bacterial root endophytes, M. extorquens DSM13060 does not induce plant growth through hormones. However, this bacterium can colonize the interior of living host cells, where it aggregates around the nucleus of the host plant. M. extorquens DSM13060 genome encodes nucleomodulins, eukaryotic-like transcription factors, which may intervene in host transcription and metabolism. / Tiivistelmä Kasvin sisällä elävien endofyyttisten bakteerien tutkimus on perinteisesti keskittynyt viljelykasveihin ja niiden juuristoon. Kasvien maanpäällisissä versoissa elävät endofyytit eroavat merkittävästi juuriston bakteereista lajirikkauden suhteen. Versoissa eläville bakteereille on todennäköisesti kehittynyt erilaisia sopeumia kuin juuriston endofyyttilajeille. Endofyyttinen Methylobacterium extorquens DSM13060 elää männyn silmujen kasvusolukossa lisäten isäntäkasvin kasvua. Tässä tutkimuksessa M. extorquens –bakteerin todettiin siirtyvän männyn taimiin samoja mekanismeja käyttäen kuin Rhizobium –suvun typensitojabakteerit. Metylobakteeri tunkeutui isäntäkasviin aktiivisesti soluseinien läpi tai varren ilmarakojen kautta muodostaen mikropesäkkeitä juuren ja varren pinnoille, sekä infektiotaskuja kuorisolukkoon. Bakteeri eteni infektiolankojen avulla endodermin ohi johtosolukoihin, mikä mahdollisti bakteerin siirtymisen muualle taimeen. M. extorquens käytti kasvin pinnalla runsaana olevaa metanolia hiilenlähteenään, varastoiden sen solujen sisäiseksi polyhydroksibutyraatti (PHB) polymeeriksi. Infektion myöhemmissä vaiheissa bakteeri hajotti varastoidun polymeerin PHB-depolymeraasientsyymien (PhaZ) avulla lyhyiksi rasvahappoketjuiksi. Nämä metyloidut 3-hydroksibutyraatin oligomeerit suojasivat bakteeria isäntäkasvin puolustuksen tuottamilta happiradikaaleilta mahdollistaen infektion etenemisen. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella endofyytin solunsisäinen energiavarasto, PHB, toimii pelkistävänä varastona ympäristön hapettavaa stressiä vastaan. Löytö osoitti uudenlaisen antioksidatiivisen puolustumekanismin, joka on levinnyt laajalle bakteerikunnassa ja liittyy yleisesti bakteerien kykyyn sietää vaikeita olosuhteita. Toisin kuin useat juurissa elävät bakteeriendofyytit, M. extorquens ei lisää isäntäkasvin kasvua tuottamalla kasvihormoneja. Bakteeri kykenee elämään männyn elävien solujen sisällä tumien läheisyydessä. M. extorquens DSM13060 genomi sisältääkin useita geenejä, jotka koodaavat nukleomoduliineja, eukaryoottisolujen säätylytekijöiden kaltaisia entsyymejä, joiden avulla bakteeri todennäköisesti vaikuttaa isäntäkasvin aineenvaihduntaan. Vastaavaa vaikutusmekanismia ei ole aikaisemmin kuvattu endofyyteillä. Tutkimus korostaa aiemmin tuntemattomien meristemaattisten bakteeriendofyyttien merkitystä isäntäkasvin kasvussa ja erilaistumisessa.

Táto práca sa zaoberá zvlákňovaním biopolymérov z taveniny. V teoretickej časti sú zhrnuté doterajšie poznatky o zvlákňovaní poly(3-hydroxy butyrátu) (PHB) a poly(mliečnej kyseliny) (PLA). Následne boli zvláknené polymérne zmesi na báze PHB s rôznym zložením, čo umožnilo štúdium vplyvu PLA, zmäkčovadiel a ich množstva na vlastnosti pripravených vlákien. Boli použité tri komerčné zmäkčovadlá (ATBC, PEG, A6) a dva experimentálne syntetizované. Zvláknenie bolo prevedené na troch rôznych zvlákňovacích linkách. Konvenčné zvlákňovacie linky s odťahovými rýchlosťami nad 150 m/min sa preukázali ako nevhodné pre spracovanie našich zmesí. Kvôli nedostatočnej pevnosti taveniny sú potrebné nízke odťahové rýchlosti. Boli pripravené vlákna s dĺžiacim pomerom 6,4; ktoré boli následne analyzované pomocou GPC, MDSC a ťahovej skúšky. Na základe nameraných teplôt skelného prechodu zmäkčovadlá ATBC a PEG vykázali lepšiu schopnosť zmäkčiť skúmané PLA/PHB zmesi. Vlákna obsahujúce A6 vykazovali najvyššiu pevnosť v ťahu (250 MPa) a modul pružnosti (2,7 GPa). Nakoniec bol skúmaný vplyv starnutia, tepla a vriacej vody na mechanické vlastnosti týchto vlákien.