Nous étudions la structure des solutions concentrées de polyélectrolytes (PE). Celle-ci n’a fait l’objet que de rares études expérimentales et aucun ordre d'orientation n'a jamais pu être observé dans les solutions de PE flexibles et semi-flexibles, bien que des travaux théoriques, basés sur l’approche d’Onsager, prévoient l'apparition d'une phase nématique aux fortes concentrations. Nous avons mesuré la position q* dans l'espace réciproque du pic présent dans la fonction de corrélation des solutions de PE fortement chargés obtenue par diffusion de rayonnement (DXPA et DNPA), et avons confronté sa variation avec la concentration c aux lois d'échelles théoriques q*~ca. Nous avons combiné des très fortes concentrations avec une haute résolution spatiale. La rigidité intrinsèque du PE est le paramètre clef de l’étude. En effet, le PSS, PE flexible, présente 3 régimes déjà connus : a=1/2 -régime semi-dilué- a=1/4 -régime concentré- un régime « ionomère » aux plus fortes concentrations pour lequel a=0. Le PDADMAC, PE semi-flexible, présente un comportement plus original puisque 4 régimes se succèdent : régimes semi-dilué et concentré avec a=1/2 et 1/4, puis deux régimes pour lesquels a=1 puis 1/2 qui sont totalement inédits. Le PaMSS, de rigidité intrinsèque intermédiaire, présente un comportement ambivalent, puisque les régimes semi-dilué et concentré précèdent un régime où a=1, puis un comportement « ionomère ». Nous introduisons un modèle simple permettant d'interpréter la succession des régimes a=1 puis 1/2 par l'apparition d'un ordre d'orientation. Nous discutons aussi les différences observées par DXPA et DNPA, et le rôle de la force ionique, variée par ajout de sel. / The structure of concentrated polyelectrolyte (PE) solutions is studied. There is a lack of experimental data on these systems. Specifically, no orientational order has ever been observed in solutions of flexible or semi-flexible PE, even though the existence of a nematic phase has been theoretically predicted at high concentration. We have measured the position q* in the reciprocal space of the peak that is present in the correlation function of aqueous solutions of highly charged PE, obtained by scattering measurements (SAXS and SANS). We combined high spatial resolution and a very wide concentration range to compare the variation of q* versus the concentration c, with the predicted scaling laws q*~ca. The intrinsic stiffness of PE is the key parameter of our study. Indeed, PSS, a flexible PE, exhibits 3 regimes already described: a=1/2 -semi-dilute regime- a=1/4 -concentrated regime- an “ionomeric” regime at extreme concentrations, for which a=0. PDADMAC is semi-flexible and exhibits a unique series of exponents involving 4 regimes: semi-dilute and concentrated regimes with a=1/2 and 1/4, followed by 2 regimes associated with a=1 and 1/2 respectively, which are new and unpredicted for PE solutions. PaMSS has an intermediate intrinsic stiffness, and exhibits hybrid behaviour. The semi-dilute and concentrated regimes are followed by an a=1 regime, and then an “ionomeric” regime for extreme concentrations. We introduce a simple model which explains the succession of the a=1 and 1/2 regimes as the appearance of an orientational order. We also discuss the differences between SAXS and SANS measurements, and the role played by the ionic strength, when salt is added.

Nous avons étudié les propriétés volumiques de copolymères diblocs neutres-chargés dissymétriques. Ces molécules sont composées d'une courte partie neutre de poly(éthylène propylène) (PEP) ou de poly(tert-butyl styrène) (PtBs), et d'une longue partie chargée (polyélectrolyte) poly(styrène sulfonate) sodium (PSSNa) de taux de sulfonation supérieur à 80. Des expériences de diffusion de neutrons aux petits angles et de diffusion quasi-élastique de la lumière ont montré que ces copolymères s'auto-assemblent en solution aqueuse en micelles sphériques : coeur composé de l'auto-association des parties neutres en mauvais solvant, duquel émergent les parties chargées en une grande couronne qui peut être vue comme une brosse polyélectrolyte en géométrie sphérique. La forme et la taille des coeurs hydrophobes ont été trouvées invariantes en fonction de la concentration en polymère et de la concentration en électrolyte ajouté (sel monovalent, NaCl). Cette invariance a permis de déterminer les facteurs de structure des solutions (images des interactions) : les interactions électrostatiques ordonnent les solutions même dans le régime dilué (régime sans contact entre micelles). Dans le régime dilué sans sel ajouté, les parties polyélectrolytes (composant la couronne micellaire) ont été trouvées avec une conformation étendue (quasi-bâtons). Avec du sel ajouté, cette conformation devient de plus en plus flexible dès que la concentration en sel est supérieure à la concentration interne en sel d'une micelle. Dans le régime concentré sans sel ajouté, l'apparition d'un pic polyélectrolyte aux petites échelles, typique de la formation d'un semi dilué de polyélectrolytes, a été mise en évidence. De manière surprenante, cet ordre polyélectrolyte coexiste avec l'ordre entre micelles. L'influence du nombre de chaîne par micelle (nombre d'agrégation) a été discutée. Avec du sel ajouté, le pic polyélectrolyte disparaît, tandis que les solutions restent ordonnées. La distribution des contre-ions a été étudiée par des expériences de diffusion de rayons x aux petits angles. Les contre-ions Na+ ont été remplacés par d'autres contre-ions (typiquement Cs+ et TMA+) par dialyse des solutions. Dans le cas des micelles de faible nombre d'agrégation, la distribution des contre-ions a été trouvée en accord avec la distribution donnée par l'équation de Poisson-Bolztmann autour d'un bâton. Dans le cas des micelles de grand nombre d'agrégation, une forte corrélation entre contre-ions, due au recouvrement des différents nuages, a été mise en évidence. Enfin, la concentration micellaire critique (concentration à partir de laquelle des micelles existent) et l'équilibre des solutions ont été étudiés par électrophorèse capillaire. Les résultats ne sont pas encore bien compris : il existe, quelle que soit la concentration en polymère, 20% de chaînes libres (non associées en micelles).

Notre principale contribution à l'étude du matériau gel a été la mise au point d'un dispositif original de mesure directe de la pression osmotique dans les gels. Des expériences effectuées sur des gels cylindriques d'acide polyacrylique partiellement ionisés ont montré que la pression osmotique varie linéairement avec la concentration en contre ions en dessous du seuil de condensation. Ce résultat est conforme aux théories existantes. Le comportement, sous compression oedométrique, d'empilements lâches de billes de gel gonflées dans une solution de salinité donnée est non linéaire, et la caractéristique force-déformation peut être décrite par morceaux par une loi de puissance. Celle-ci présente trois régimes : un régime de consolidation décrit par un exposant de l'ordre de 1.6, comparable à l'exposant donné par la loi de Hertz. Dans le régime consolidé, le nombre de contacts augmente avec la déformation. Le comportement est alors gouverné par un exposant de l'ordre de 2.5, plus grand que l'exposant de Hertz. Enfin, apparaît un comportement fortement non linéaire décrit par un exposant de l'ordre de 3.5 : tous les contacts sont établis et le comportement est dominé par la contribution des particules fortement déformées. Lors des cycles de compression, l'hystérésis est principalement due à la dissipation visqueuse dans les billes sans expulsion de solvant. Sous compression isotrope générée au sein de l'empilement, contraint à occuper un volume constant, par variation de la taille des particules obtenue en faisant varier la salinité de la solution, le comportement de l'empilement est encore non linéaire avec le paramètre de contrôle de l'expérience. Le comportement observé s'apparente à un régime consolidé, décrit par un exposant supérieur à celui obtenu dans le même régime en compression oedométrique.

Nous étudions la structure des solutions concentrées de polyélectrolytes (PE). Celle-ci n'a fait l'objet que de rares études expérimentales et aucun ordre d'orientation n'a jamais pu être observé dans les solutions de PE flexibles et semi-flexibles, bien que des travaux théoriques, basés sur l'approche d'Onsager, prévoient l'apparition d'une phase nématique aux fortes concentrations. Nous avons mesuré la position q* dans l'espace réciproque du pic présent dans la fonction de corrélation des solutions de PE fortement chargés obtenue par diffusion de rayonnement (DXPA et DNPA), et avons confronté sa variation avec la concentration c aux lois d'échelles théoriques q*~ca. Nous avons combiné des très fortes concentrations avec une haute résolution spatiale. La rigidité intrinsèque du PE est le paramètre clef de l'étude. En effet, le PSS, PE flexible, présente 3 régimes déjà connus : a=1/2 -régime semi-dilué- a=1/4 -régime concentré- un régime " ionomère " aux plus fortes concentrations pour lequel a=0. Le PDADMAC, PE semi-flexible, présente un comportement plus original puisque 4 régimes se succèdent : régimes semi-dilué et concentré avec a=1/2 et 1/4, puis deux régimes pour lesquels a=1 puis 1/2 qui sont totalement inédits. Le PaMSS, de rigidité intrinsèque intermédiaire, présente un comportement ambivalent, puisque les régimes semi-dilué et concentré précèdent un régime où a=1, puis un comportement " ionomère ". Nous introduisons un modèle simple permettant d'interpréter la succession des régimes a=1 puis 1/2 par l'apparition d'un ordre d'orientation. Nous discutons aussi les différences observées par DXPA et DNPA, et le rôle de la force ionique, variée par ajout de sel.

L’auto-assemblage de macromolécules amphiphiles dans des solutions aqueuses est un mécanisme important sous-jacent à de nombreux processus présents dans les organismes vivants. La formation spontanée de structures auto-organisées de phospholipides et de biomacromolécules se produit en raison d'un équilibre délicat entre les forces d'attraction et de répulsion. Ces forces comprennent l'attraction hydrophobe, la liaison hydrogène, les forces de coordination des métaux et la répulsion stérique ou électrostatique. En outre, l'auto-assemblage de molécules amphiphiles synthétiques est largement utilisé dans divers domaines technologiques. Un exemple frappant est celui des surfactants de faible poids moléculaire qui peuvent modifier de manière significative les propriétés des systèmes. Les autres domaines importants dans lesquels les tensioactifs et les macromolécules amphiphiles sont activement utilisés sont la cosmétologie et l'hygiène. Cependant, l'utilisation de structures auto-organisatrices de macromolécules amphiphiles nécessite une étude approfondie et soulève quelques questions pour les chercheurs concernant leur structure, leur comportement sous l'influence de facteurs externes et leur stabilité. L'objectif principal de la thèse était de développer une théorie de champ analytique auto-cohérente de l'auto-organisation dans des solutions de copolymères de déblocage non ioniques linéaires dendritiques et dendritiques doubles dans des solvants sélectifs. Cette théorie nous permet de prédire comment la dendronisation d'un ou des deux blocs affecte les propriétés structurelles et thermodynamiques d'assemblages auto-organisés formés par des copolymères. Il a été démontré que la dendronisation des corona bloc permet d’obtenir les micelles stables de taille relativement petite, mais avec de nombreux groupes terminaux. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante dans le contexte de la liberation contrôlée, puisque les groupes terminaux exposés à l'environnement peuvent être facilement fonctionnalisés par des groupes de ligands pouvant être ciblés. Ces deux caractéristiques peuvent être obtenues simultanément car la dendronisation des corona bloc réduit le nombre d'agrégation à l'équilibre et les dimensions globales des micelles par rapport aux micelles formées par des molécules de copolymères diblocs linéaires homologues tout en conservant un grand nombre de groupes terminaux par micelle. La dendronisation du bloc insoluble peut être utilisée pour augmenter le nombre d'unités monomères terminales dans le core. Nous avons également démontré que la dendronisation des blocs solubles favorise la formation de micelles sphériques, alors que les gammes de stabilité thermodynamique des micelles cylindriques et des dendrimersomes sont déplacées vers un degré plus élevé de polymérisation des séquences insolubles. Au contraire, la dendronisation du bloc insoluble a l'effet inverse et conduit à un élargissement des gammes de stabilité des polymeres et des micelles cylindriques.Nous avons étudié les effets de l'extensibilité finie dans les brosses polyélectrolytes à chaîne linéaire et à dendron contenant des groupes ioniques. Nous avons développé la théorie analytique des brosses polyélectrolytiques dans l'approximation de Poisson-Boltzmann qui explique explicitement l'extensibilité finie des chaînes de polyélectrolytes formant des brosses. Il a été montré que pour la même série de paramètres de la brosse, la théorie basée sur l’élasticité non linéaire des polyions prédit une épaisseur de la brosse plus faible et une plus grande amplitude du saut de la densité du polymère au bord du pinceau. Les connaissances obtenues fourniront une base rationnelle pour la conception moléculaire de nouveaux copolymères à blocs complexes sur le plan architectural, y compris ceux destinés à des applications médicales. / An important mechanism underlying many processes occurring in living organisms is self-assembly of amphiphilic (macro)molecules in aqueous solutions. Spontaneous formation of self-organized structures of phospholipids and biomacromolecules occurs because of a delicate balance between attraction and repulsion forces. Such forces include hydrophobic attraction, hydrogen bonding, metal coordination forces and steric or electrostatic repulsion.In addition, self-assembly of synthetic amphiphilic molecules is widely used in various technical fields. A striking example are low molecular weight surfactants (small amphiphilic molecules) that can significantly change the properties of systems. Other important areas in which surfactants and amphiphilic macromolecules are actively used are cosmetology and hygiene. However, the use of self-organizing structures of amphiphilic macromolecules requires detailed study and raises a few questions for researchers regarding their structure, behavior under the influence of external factors and their stability.The main goal of the present work was development of the theory of self-assembly of diblock copolymers where one or both of blocks (soluble or/and insoluble) exhibit dendritic branching and established relations between degree of branching of the block(s) and structural properties (size, shape, aggregation number) of the self-assembled aggregates.The major focus of the thesis was on developing an analytical self-consistent field theory of self-organization in solutions of non-ionic linear-dendritic and double-dendritic deblock copolymers in selective solvents. This theory enables us to predict how dendronization of one or both blocks affects structural and thermodynamic properties of self-organized assemblies formed by copolymers. It was demonstrated that dendronisation of the corona blocks allows obtaining the stable micelles of relatively small size, but with many terminal groups.The latter feature is most attractive in the context of controlled delivery, since the exposed to the environment terminal groups can be readily functionalized by targetable ligand groups. Both these features can simultaneously be achieved because dendronization of the corona blocks reduces the equilibrium aggregation number and overall dimensions of micelles compared to micelles formed by homologous linear-linear diblock copolymer molecules while keeping large number of terminal groups per micelle. Dendronization of the insoluble block may be used for increasing of the number of terminal monomer units in the core. Such terminal groups can be further functionalized to be able to interact with active drugs, thereby increasing the loading capacity of the micelle.We have also demonstrated that dendronization of the soluble blocks favors formation of spherical micelles, whereas the ranges of thermodynamic stability of cylindrical wormlike micelles and dendrimersomes are shifted to larger degree of polymerisation of the insoluble blocks. On the contrary, dendronization of the insoluble block has the opposite effect and leads to widening of the stability ranges of polymersomes and cylindrical micelles.We investigated effects of finite extensibility (non-linear elasticity) in linear chain and dendron polyelectrolyte brushes containing ionic groups. We developed the analytical theory of polyelectrolyte brushes within the Poisson-Boltzmann approximation which explicitly accounts for finite extensibility of the brush-forming polyelectrolyte chains. It was shown that for the same set of the brush parameters the theory based on non-linear elasticity of the polyions predicts smaller thickness of the brush and larger magnitude of the jump in polymer density at the edge of the brush.The obtained knowledge will provide a rational background for molecular design of novel architecturally complex block copolymers, including those for medical applications.

Le développement des énergies renouvelables est aujourd’hui devenu un enjeu mondial majeur comme alternative aux énergies fossiles dans la production d'énergie. Parmi elles, l’énergie solaire est considérée comme la source la plus prometteuse, permettant de couvrir l’ensemble des besoins énergétiques liés à l’activité humaine. Les cellules photovoltaïques les plus performantes aujourd’hui, entre 16 et 18 % en modules, sont composées de silicium, un semi-conducteur inorganique. Cependant, leur coût de production élevé a nécessité le développement de matériaux alternatifs moins couteux. Parmi les voies explorées, les cellules solaires organiques ont émergé comme une alternative prometteuse pour produire l’électricité à faible coût. Le sujet de cette thèse s’intègre dans ce contexte de recherche. Deux types de cellules solaires ont été étudiés : les cellules à hétérojonction en volume (BHJ) et sensibilisées au colorant (DSSCs). Le courant photogénéré repose généralement (i) dans les cellules BHJ, sur le transfert entre de charge entre un polymère donneur et un accepteur d’électrons (fullerène), tels que le couple poly(3-hexyl)thiophène (P3HT) et [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (PCBM), et (ii) dans les DSSCs, la sensibilisation de la surface d’un semi-conducteur inorganique tel que l’oxyde de titane par un colorant et la présence d’un électrolyte, jouant le rôle de médiateur redox. Bien qu’ayant atteint des rendements de photoconversion respectifs de 5 et 13 %, ces cellules nécessitent des améliorations pour une commercialisation à grande échelle. Tout d’abord, les performances des cellules BHJ à base de P3HT sont considérablement limitées par sa faible absorption, ne couvrant pas la globalité du spectre solaire. Afin de palier ce problème, nous avons combiné le P3HT avec des chromophores, i.e. des porphyrines, ayant une absorption plus étendue. Ensuite, pour assurer une meilleure extraction des charges au sein du dispositif, une couche interfaciale cathodique à base de polyélectrolytes pi-conjugués a été ajoutée. Enfin, des colorants extraits de la biomasse ont été préparés afin de remplacer les colorants coûteux à base de ruthénium. En outre, les électrolytes liquides étant volatils et corrosifs, ce qui limite considérablement la stabilité des DSSCs, des électrolytes solides à base de polymères ont été étudiés comme alternative. / Among renewable energies, the sunlight has by far the highest theoretical potential to meet the worldwide need in energy. Photovoltaic devices are thus currently the subject of intense research for low-cost conversion of sunlight into electrical power. In particular, organic photovoltaics have emerged as an interesting alternative to produce electricity due to their low manufacturing cost compared to silicon solar cells, their mechanical flexibility and the versatility of the possible chemical structures. In this dissertation, we focused our research on the development of new organic pi-conjugated materials for organic solar cells applications. Two types of solar cells have been studied during this work: bulk heterojunction and dye-sensitized solar cells. The charge transfer leading to the photocurrent is usually based on (i) a polymer donor and a fullerene acceptor in BHJ solar cells, such as the widely studied poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) materials and (ii) a metal oxide (titanium oxide) sensitized with a dye and an electrolyte in DSSCs. Despite power conversion efficiencies have reached 5 and 13 % respectively for these two types of devices, they still display several drawbacks that limit their commercialization. P3HT displays a narrow absorption of the solar spectrum thus limiting the conversion efficiency. To overcome this limitation, we combined P3HT with chromophores, i.e. porphyrins, having an extending absorption. Then, to ensure better charge transfer and extraction within the device, a cathode interfacial layer based on cationic pi-conjugated polyelectrolytes was added. Finally, dyes extracted from the biomass (chlorophyll a derivatives) were synthesized to replace the expensive ruthenium dyes in DSSCs. Since liquid electrolytes are volatile and corrosive, which considerably limit the DSSCs stability, solid polymer electrolytes were also developed as an alternative.

Introduction : Les conduits nerveux synthétiques représentent une alternative chirurgicale aux autogreffes dans la réparation des traumatismes aux nerfs périphériques. Afin d’améliorer la régénération nerveuse périphérique, plusieurs biomatériels, tels que la multicouche polyélectrolyte de soie (MPE), et modèles ont été étudiés. Dans le cadre de ma maitrise, nos objectifs de recherche sont d’établir si la MPE de soie permet d’améliorer la régénération nerveuse périphérique in vivo et si notre nouveau modèle de conduit (« jelly roll ») peut mener à une meilleure régénération du nerf sciatique chez le rat que le modèle de conduit creux. Méthodes : Dans cette étude, une technique chirurgicale in vivo de lacération et de réparation du nerf sciatique chez le rat fut utilisé. Cinq conditions expérimentales de conduits (autogreffe, conduit creux avec et sans MPE de soie et « jelly roll » avec et sans MPE de soie) furent implantées (n= 2 rats par condition). Après 4 semaines, les conduits furent récupérés et marqués par immunohistochimie avec le neurofilament et la protéine basique de la myéline (MBP). La performance de chaque conduit fut évaluée par sa capacité à supporter l’excroissance axonale à travers le long du conduit et à travers la largeur de ce dernier à divers endroits. Résultats : Chaque condition expérimentale a supporté une régénération axonale avec différents degrés de succès. Globalement, l’autogreffe a supporté une plus longue croissance de fibres. De plus, la surface de fibres obtenue était plus large que les autres conditions. Les conduits avec la MPE de soie ont eu une performance similaire à leurs homologues sans soie. De plus, le modèle de conduit creux a mené à une meilleure régénération axonale que le modèle du « jelly roll ». Conclusion : L’autogreffe demeure le meilleur conduit pour supporter la régénération nerveuse périphérique. Les conduits avec la MPE de soie peuvent supporter une régénération nerveuse similaire aux conduits sans soie tandis que le modèle de « jelly roll » a généré des performances inférieures au modèle de conduit creux. / Background: Synthetic nerve conduits constitute alternative surgical options to autografts in the repair of peripheral nerve injuries. Silk polyelectrolyte multilayer (PEM) as a biomaterial and novel conduit designs have been proposed to improve peripheral nerve regeneration. In my master’s project, my objective is to assess whether silk PEM can improve peripheral nerve regeneration in vivo and to assess whether our novel conduit design (“jelly roll”) can better support rat sciatic nerve regeneration than a hollow conduit design. Methods: In this study, an in vivo rat model of sciatic nerve laceration and repair was used. Five experimental conduit conditions (autograft, hollow conduit with and without silk PEM, and jelly roll with and without silk PEM) were implanted (n=2 rats per condition). After 4 weeks, the conduits were harvested and immuno-stained for neurofilament and myelin basic protein (MBP). Conduit performance was assessed by its ability to support axonal outgrowth throughout the conduit’s length and at various locations along its width. Results: Each condition supported axonal regeneration at varying levels of success. Overall, the autograft group outperformed all other groups by supporting the longest and widest occupying regenerating fibers. Conduits with silk PEM performed similarly to conduits without silk PEM. In addition, the hollow conduit design demonstrated better regenerative outcomes than the jelly roll design. Conclusion: The autograft remains the superior conduit to support peripheral nerve regeneration. Conduits with silk PEM support nerve regeneration in the same capacity as non silk-coated conduits while the jelly roll design underperformed in comparison to the hollow conduit design.

Cette étude a porté sur l'effet de différents fluidifiants (plus particulièrement le PolyNaphatalène Sulfonate : PNS et PolyCarboxylatePolyéthoxylé : PCP) sur la rhéologie d'une suspension de particules de gypse. Cette rhéologie a été caractérisée essentiellement par la contrainte seuil, par la viscosité dynamique et les modules de cisaillement. Nous avons montré, en utilisant différentes tailles de particules et différentes longueurs pour les molécules de fluidifiant, que la contrainte seuil était inversement proportionnelle au diamètre des particules et au carré de la distance entre les surfaces de particules. Un modèle nous a permis de remonter à l'épaisseur de la couche de polymère adsorbée sur la surface du gypse. Nous avons observé une diminution de l'efficacité du fluidifiant avec l'augmentation de la fraction volumique de particules de gypse qui a été associée à une diminution de l'écart entre les surfaces des particules. La viscosité dynamique d'une suspension de gypse broyé reste importante malgré la présence de fluidifiant et reflète la présence d'agrégats contenant plusieurs dizaines de particules. Les impuretés (ions divalents : Mg2+, trivalents : Al3+ et Fe3+) ainsi que la température (T>45°C) entraînent une dégradation de l'efficacité du PCP soit en réduisant l'interaction entre le polymère et la surface des particules dans le cas des cations, soit en réduisant la solvatation des polymères dans le cas de l'élévation de température.