Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

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.

Cette thèse vise à développer des nanoparticules de PLGA pour la vectorisation et à étudier l’interaction de ces nanoparticules avec des bicouches phospholipidiques imitant les membranes cellulaires. Pour la vectorisation passive, les changements physico-chimiques ont été contrôlés en incubant les NPs de PLGA (50:50) dans différentes conditions de pH tamponné à des intervalles de temps accrus. Le PLGA a montré plusieurs comportements de dégradation différant selon le pH. La formation de pores a été observée à pH élevé (conditions basiques) tout en préservant le volume des particules mais en modifiant la densité. Par opposition, à faible pH, une érosion superficielle des particules conduisant à une diminution de leur taille a été démontrée. Cette étude a été réalisée à l'aide de la DLS, l’ESEM et la spectrophotométrie. Pour la vectorisation active, les parois des capsules de PLGA (75:25) ont été modifiées par addition de phospholipides. La libération de la sonde fluorescente hydrophile, la calcéine, a été contrôlée en augmentant la température. On a observé qu'avec le DOPC (0,31 mM), la vectorisation peut être déclenchée à l'aide de détergents ou d'une enzyme (PLA2). Dans le cadre de cette étude, nous avons proposé la formation d'un complexe lipide-polymère ayant lieu à l'intérieur de la matrice, ce qui le rend vulnérable aux enzymes ou détergents induisant sa libération. L'effet des NPs de PLGA sur les bicouches phospholipidiques imitant la membrane cellulaire a été réalisé à l'aide de sondes fluorescentes moléculaires (Prodan et Laurdan). L'étude a été effectuée en calculant la polarisation généralisée (GP) sous l'influence des NPs de PLGA (50:50 et 75:25). L'interaction ayant lieu s’avérait être un phénomène de surface et aucune effet des NPs sur la perméabilité des membranes modèles LUVs et SUVs n’a été souligné. La valeur de Tm des phospholipides est également maintenue lorsque l’étude est menée avec le Laurdan. Les études de GP mené avec la sonde Prodan fournissent la première méthode originale pour déterminer la Tg de PLGA dans des conditions aqueuses. C'est une méthode rapide et facile qui détermine la valeur de Tg de PLGA en temps réel et en utilisant une très petite quantité de l'échantillon. Cette interaction n'est pas affectée par la composition des membranes cellulaires imitant les bicouches. / This thesis aims at developing PLGA nanoparticles for controlled release and investigating its interaction with phospholipid bilayers mimicking cell membranes. For passive controlled release the physiochemical changes were monitored by incubating the PLGA (50:50) NPs in different buffered pH conditions at increased time intervals. PLGA exhibited dissimilar degradation behavior with pore formation for high pH (basic conditions) maintaining the volume of the particles but change in the density, while at low pH it showed surface erosion. There is decrease in the particle size upon incubating in low pH. This study was carried out using DLS, ESEM and spectrophotometry. For active release the walls of PLGA (75:25) capsules were modulated using phospholipids. The release of hydrophilic fluorescent probe Calcein was monitored with increasing the temperature. It was observed that with DOPC (0.31mM) the release can be triggered using detergents or an enzyme (PLA2). We propose the formation of a lipid-polymer complex within the polymer matrix forming plugs which are vulnerable to enzymes/detergents inducing release. The effect of PLGA NPs over the phospholipid bilayers mimicking cell membrane was carried out using molecular fluorescent probes (Prodan and Laurdan). The study was carried out by calculating the generalised polarisation (GP) under the influence of PLGA NPs (50:50 and 75:25). It is found that the interaction is a surface phenomenon and there is no influence of NPs over the permeability of model membranes LUVs and SUVs. The Tm value of the phospholipids is also maintained when studied with Laurdan. Prodan probe GP studies provide first original method to determine the Tg of PLGA in complete aqueous conditions. It is a rapid and easy method which determines the Tg value of PLGA in real time using very small quantity of the sample. This interaction is not affected by the composition of the bilayer mimicking cell membranes.

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives. / The goal set to nanotechnologies applied to pharmaceutical sciences is to improve drug delivery and benefits with the help of nanometer-sized vehicles. At this time different types of drug carriers had been proposed. Amongst them, block copolymer nanoparticles (NP) have been designed to allow, at the same time, efficient drug encapsulation and provide surface properties (hydrophilic layer) to the NP which are necessary for its interactions with biological systems by preventing the opsonisation and the subsequent recognition by the mononuclear macrophage system (MPS) and the rapid elimination of the drug carrier. The most prominent polymer architecture in drug delivery application is the linear di-block copolymer architecture, such as poly(ethylene glycol) blocks (PEG) linked to a polyester hydrophobic chain. PEG is the gold standard to add a hydrophilic corona to drug carrier’s surface, but its efficacy is directly linked to its surface organization and surface densities. In spite of limited success of diblock at the clinical stage, few studies have been devoted to other type of architecture such as comb-like copolymers, either for the exploration of new synthesis routes or for the characterization of particles prepared from alternative architecture polymers. We attempted in preamble of this work to define more closely the conceptual and technical framework allowing quantitative determination of PEG surface densities. This review work has been used in the experimental work to define the characterization methods. Several synthesis strategies have been developed for the preparation of comb copolymers in this work. All strategies are based on random copolymerization of dilactide with small epoxy molecules with a pendant group suitable for subsequent PEG grafting, yielding a polyester-co-ether backbone. In a second step, PEG chains have been grafted on available pendant groups (alcohol groups or alkyne) to produce the final comb copolymers. In the first part of the experimental work, esterification reaction by acylation and coupling (the Steglish reaction) allowed the preparation of a first comb-like copolymer library with PEG content varying from 5 to 50 % (w/w). The number of PEG chains (PEG grafting density) was varying while the lengths of the PEG chains and the hydrophobic PLA backbone were kept constant. The library of comb-like polymers was used to prepare nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and NMR allowed the quantification of the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy, assessed by isothermal titration calorimetry (ITC), were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. In the second part of this work, grafting of PEG chains on a polyester-co-ether backbone was directly performed using cyclo-addition of PEG azide on pendant alkyne groups. The new strategy was designed to understand the contribution of PEG chains grafted on PLA backbone ends. The new polymer library was composed of PEG-g-PLA with different PEG grafting densities and PEG molecular weights (750, 2000 and 5000 D). PEG chain grafting could only take place on pendant groups with this approach. NPs were produced by different methods of nanoprecipitation, including “flash nanoprecipitation” and microfluidic technology. Some formulation variables such as polymer concentration and speed of mixing were studied in order to observe their effects on NP surface characteristics. Unlike for the first copolymer library, here the NPs size and zeta potential were found to not be much affected by the PEG content (% w/w in polymer). Sizes were also not affected by the PEG chains length. TEM images show round shaped object and as expected sizes were found to decrease with polymer concentration in the organic phase and with a decrease in mixing time of the two phases (for flash nanoprecipitation and microfluidic technology). PEG chain surface densities were assessed by quantitative 1H NMR and XPS. In the third experimental part, we explored the role of polymer architecture on drug encapsulation and release of curcumin from NPs. Curcumin has been chosen as a model with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. As previously observed with blank NPs, a sharp decrease in curcumin-loaded NP size and morphology change occurred between 15 to 20 % w/w of PEG. Drug loading, Drug loading efficiency and the diffusion coefficients of curcumin in NPs are showing a dependence over the polymer architecture. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. In a nutshell, our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers. The results obtained lead us to propose PEG-g-PLA comb architecture copolymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.

La conception de nanoparticules (NPs) polymériques pour le transport de médicaments dans la peau repose sur la compréhension du rôle de leurs compositions chimiques sur leurs interactions avec la peau, notamment la peau pathologique. Ce travail s'est attaché à définir le rôle de la composante hydrophile des NPs sur l'administration cutanée d'un principe actif lipophile modèle (cholécalciférol). Il a été remarqué que la composition hydrophile de polymères amphiphiles à base de PLA conditionnait les propriétés physicochimiques des NPs, notamment la taille, la surface, et la structure, tout comme la protection du cholécalciférol. Concernant l'absorption cutanée sur peau intacte, la composante hydrophile de NPs de 100 nm a eu peu d'influence. Une absorption cutanée du cholécalciférol légèrement plus importante a toutefois été obtenue à partir des NPs très riches en PEG hydrophile en comparaison aux NPs peu PEGylées. A l'inverse sur peau lésée, les NPs hydrophobes et négativement chargées de PLA seul ont permis la meilleure absorption du cholécalciférol. D'une part, la dynamique de la structure des NPs très PEGylées a permis une meilleure mouillabilité de la peau et une possible extraction de lipides cutanés, pouvant faciliter l'absorption sur peau intacte. D'autre part, la composition de la peau a conditionné la structure des NPs, puisque, sur peau lésée, les espèces ioniques libérées de la peau ont déstabilisé les NPs peu ou non PEGylées. Par adhésion à la surface de la peau, les agrégats de PLA ont pu ainsi faciliter l'absorption sur peau lésée.Lors du développement de formulations de NPs, leur composition chimique est donc à optimiser selon l'état pathologique de la peau / The design of clinically efficient polymeric nanoparticles (NPs) for skin drug delivery is based on the understanding of the influence of NPs chemical composition on their interactions with the skin tissue, notably the pathological skin. The aim of this work was to determine the influence of the hydrophilic component of polymeric NPs on the delivery of a lipophilic model drug (cholecalciferol).It was noticed that the polymeric hydrophilic composition of amphiphilic PLA-based NPs conditioned the NPs physico-chemical properties, notably in terms of size, surface properties, structure and drug protection. With regard to absorption into intact skin, the hydrophilic composition of 100 nm NPs had little impact. Only a slightly greater skin absorption was obtained from NPs with high hydrophilic PEG content compared to weakly PEGylated NPs. On the contrary in impaired skin, hydrophobic and negatively charged non-PEGylated NPs (PLA NPs) provided the best drug absorption. On the one hand, the dynamic structure of highly PEGylated NPs providing better skin wettability and potential skin lipids extraction may have contributed for increased absorption in intact skin. On the other hand, skin condition altered the NPs structure since it was observed that a non-negligible quantity of ionic species was released from impaired skin, triggering the destabilization of weakly or non-PEGylated charged NPs. However, only PLA aggregates sedimented/adhered onto the skin surface, which could have facilitated absorption in impaired skin. The polymeric hydrophilic composition of NPs and the pathological skin condition are therefore essential points to consider when designing nanoformulations

Le traitement du cancer est l’un des plus grands défis en chimie médicinale moderne. La majorité des traitements utilisés repose sur la chimiothérapie, impliquant l’emploi de molécules bioactives cytotoxiques. Bien qu’efficaces, ces molécules présentent, pour la plupart, des désavantages notoires tels que le manque de spécificité cellulaire et une solubilité limitée en phase aqueuse. Une façon de remédier aux problèmes exposés est de solubiliser ces molécules au sein de matrices polymères. Il existe différents types de matrices qui sont : les liposomes, les micelles, les nanosphères, les nanocapsules, les dendrimères (et les polymères en étoile), et les polymères conjugués et linéaires. Dans cette thèse, nous faisons l’étude de deux matrices polymères potentielles composées de matériaux biocompatibles : le polylactide et la poly(2-isopropyl-2-oxazoline). La première partie de la thèse, est consacrée à l’étude des polyester-co-éthers portant des groupements pendants fonctionnalisables. Nous avons développé ces copolymères par polymérisation aléatoire en masse de lactones (le lactide ou la caprolactone) et différents taux d’éthers de propargyle et de glycidyle (GPE), à 120°C, en utilisant l’octanoate d’étain comme catalyseur. L’efficacité de la copolymérisation a été mise en évidence par des analyses FTIR, RMN 1H et COSY. Toutefois, L’analyse GPC a montré une diminution de la masse molaire des polymères et un élargissement de la dispersité en rapport avec l’augmentation du taux de glycidyle initial. De plus, les analyses RMN 1H ont montré que le taux de propargyl (provenant de l’éther de glycidyle) au sein du copolymère ne dépassait pas 50%. La faisabilité des modifications post-polymérisation a été évaluée en couplant le (9-azidomethyl) anthracène au chaîne de poly(ester-co-éther)s via la chimie clic CuAAC. Cette méthode s’est révélée inoffensive pour la chaîne de polyesters. Des études de cytotoxicité ont prouvé l’innocuité des poly(ester-co-éther)s. Des nanoparticules sphériques ont été préparées à partir de ces polymères et peuvent être utilisées comme nanosphères pour le transport de molécules bioactives hydrophobes. La copolymérisation des lactones avec des éthers de glycidyles s’avère être une stratégie intéressante de fonctionnalisation des chaînes des polyesters permettant la synthèse d’une large gamme de copolymères pour des applications biomédicales. Afin d’améliorer la synthèse des poly(ester-co-ether)s, nous avons proposé une approche mécanistique tenant compte des réactions de transfert de chaînes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié un polymère en étoile composé d’un polymère thermosensible : la poly(2-isopropyl-2-oxazoline) PIPOZ. Nous avons premièrement exploré deux approches synthétiques afin d’obtenir une série d’étoiles de PIPOZ (S-PIPOZ) de structure bien définié à savoir l’approche « coupling-onto » et l’approche « core-first ». Une première série de S-PIPOZ a été réalisée directement à partir d’un coeur pentaérythrityl tétratosylés par polymérisation cationique par ouverture de cycle (CROP) de 2-isopropyl-2-oxazoline pour l’approche « core-first ». Pour l’approche « coupling-onto », une deuxième série de S-PIPOZ a été réalisée par couplage via la CuAAC entre des PIPOZ-N3 linéaire (L-PIPOZ N3) et un cœur à 4 bras portant des alcynes terminaux. Tous les S-PIPOZs obtenus ont été analysés par RMN 1H, IR, MALLS-LS, des analyses UV et par microcalorimétrie différentielle à balayage (HS-DSC). Les polymères obtenus par l’approche « core-first » ont montré une microstructure mal-définie comparé à ceux obtenus par l’approche « coupling-onto ». Suite à ces résultats, nous avons défini l’approche « coupling-onto » comme voie d’obtention des S-PIPOZ. Une explication sur la structure mal-défini des polymères obtenus par l’approche « core-first » sera développée dans cette section. Nous exposerons aussi une méthode de purification permettant l’élimination rapide et efficace des L-PIPOZ N3 qui contaminent les échantillons de S-PIPOZ faits par l’approche « coupling-onto ». Cette méthode peut être applicable à d’autres polymères thermosensibles dans une certaine gamme de température. Dans la troisième partie, nous avons étudié l’effet de l’architecture et de la composition des bras-polymères sur la température de transition de phase et les propriétés des S-PIPOZs. Afin d’étoffer notre étude nous avons synthétisé un polymère en étoile à bloc composé de PIPOZ et de poly(éthylène glycol) PEG. Cette étude a été réalisée en examinant des solutions chauffées de polymères (S-PIPOZ, S-PIPOZ-b-PEG et tous les précurseurs linéaires) par des analyses de spectrométrie d’absorption UV, HS-DSC, diffusion de la lumière LS. Nous avons évalué la présence ou l’absence de cristaux au sein d’échantillons de S-PIPOZs provenant de solutions chauffées. Cette évaluation a été réalisée par diffusion des rayons-X aux grands angles (WAXS) et par microscopie électronique à transmission (TEM) et à balayage (SEM). La présence de cristaux est néfaste pour la conception de nanomatériaux destinés à des applications biomédicales. Nous exposons aussi dans cette section une méthode basée sur l’amination réductrice permettant de fonctionnaliser les S-PIPOZ avec différents types de macromolécules. Cette thèse expose les avantages et les inconvénients (synthèses, fonctionnalisation, structures…) des PLA-co-GPE et des S-PIPOZs et constitue dans son ensemble à une première ébauche vers une conception améliorée de futurs nanomatériaux. / Treatment of cancer is one of the biggest challenges in modern medicinal chemistry. The vast majority of treatments are based on chemotherapy, involving the use of cytotoxic bioactive molecules. Although effective, most of these bioactive molecules have notorious drawbacks, such as the lack of cellular specificity and limited solubility in aqueous media. A way to address these problems is to dissolve these bioactive compounds into polymer matrices. There are different types of matrices, including liposomes, micelles, nanospheres, nanocapsules, dendrimers (and star-polymers), and conjugate and linear polymers. In this thesis, we explored two different prospective polymers that can be used as matrices. Both are composed of biocompatible materials: polylactide and poly(2-isopropyl-2-oxazoline). The first part of the thesis is dedicated to the investigation of polyester-co-ether with functionalizable pendant groups. First, we developed the polyester-co-ether by copolymerization of lactones (lactide or caprolactone) with different ratios of glycidyl propargyl ether (GPE) in the bulk at 120°C in the presence of Sn(Oct)2. The efficiency of the copolymerization was evidenced by FTIR, 1H and COSY NMR analyses. However, GPC analyses displayed a decrease of molecular weights and a broadening of the molecular weight dispersity with increasing of the epoxide molar ratio in the feed. 1H NMR analyses showed that the propargyl content from the epoxide does not exceed 50%. The feasibility of post-polymerization functionalization was evaluated by coupling anthracene to the poly(ester-co-ether)s through copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC). The polyester chain was found to support this reaction. Toxicity studies showed that the poly(ester-co-ether) was non-toxic. Spherical nanoparticles were prepared from these polymers. They can be suitable nanospheres for drug delivery. The copolymerization of lactone with glycidyl ether is an interesting approach to functionalize the PLA (or poly(ester)) main chain. It is also a powerful and straightforward strategy to synthesize a large array of functionalized polymers for biomedical applications. In order to improve the synthesis of the polyester-co-ether, we investigated the copolymerization mechanism of the chain transfer reactions leading to the chain reductions and we suggested a mechanistic explanation. In the second part of this thesis, we focused on developing star-polymers from the thermosensitive (2-isopropyl-2-oxazoline) polymer. In order to prepare a well-defined set of star-poly(2-isopropyl-2oxazoline) S-PIPOZs, we explored two different synthetic approaches: the “coupling-onto” and the “core-first” approach. Two sets of S-PIPOZs were prepared by these approaches. For the “core-first” approach, a set of S-PIPOZ was prepared by direct cationic ring opening polymerization (CROP) from a tetra tosylate-functionnalized pentaerythrityl core. For the “coupling-onto approach”, the S-PIPOZs were prepared by ligation between L-PIPOZ-N3 and a 4-arm core with an alkyne group via CuAAC. The prepared polymers were analysed by 1H NMR, IR, Multi Angles Laser Light Scattering - Gel Permeation Chromatography (MALLS-GPC), UV absorption spectroscopy and High Sensitive Differential Scanning Microcalorimetry (HS-DSC). Polymers obtained by the “core-first” approach shows ill-defined microstructure compared to those obtained by the “coupling-onto” approach. In light of these encouraging results, the “coupling-onto” method was pursued for preparing S-PIPOZ. An explanation on the ill-defined structure will be provided within this thesis. Moreover, we developed a purification method for the fast and efficient removal of free PIPOZs, which otherwise contaminate the star-PIPOZ samples that are prepared by the coupling-onto approach. This method is applicable to other thermosensitive polymers within a certain range of temperature. In the third part, we focused on the effect of the architecture and composition of the S-PIPOZs on the phase transition temperature of the polymer. For this, we synthesized a hetero-star block copolymer composed of PIPOZ and poly(ethylene glycol) PEG. This study was carried out by examining the aqueous polymer solution (the linear precursors, S-PIPOZs, S-PIPOZ-b-PEG) upon heating via UV spectroscopy, HS-DSC and light scattering. We also assessed the temperature-induced crystallinity of the Star-PIPOZs by Transmission (TEM) and Scanning (SEM) Electron Microscopy, WAXS. This is important for biomedical nanodevices. We also provided a straightforward method, based on aminative reduction, to functionalize the S-PIPOZ with different macromolecules. This thesis discusses the advantages and the drawbacks related to the synthesis, functionalization, structures of PLA-co-GPE and the star-PIPOZs. Overall, this represents a pioneering study for improving the design of prospective nanodevices.

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