L’augmentation de la fréquence des pathologies cardiovasculaires ainsi que les limites des thérapies disponibles, conduiront, ces prochaines décennies, à des besoins importants en substituts vasculaires, surtout de faibles calibres. L’objectif de ce travail est d’élaborer de nouvelles matrices naturelles vasculaires, répondant aux qualités nécessaires pour le remplacement de vaisseaux endommagés. Nous avons choisi de valoriser des artères ombilicales humaines cryoconservées et désendothélialisées en les fonctionnalisant avec un film de polyélectrolytes. Ces films sont construits par dépôts alternés d’hydrochlorure de polyallylamine (polycation) et de poly (sodium-4-styrène sulfonate) (polyanion). L’évaluation des propriétés biomécaniques de la paroi du greffon après dépôt du film montre la restauration de son élasticité perdue au cours de la congélation. Pour le développement d’une surface luminale non thrombogène deux approches ont été envisagées : 1)- Favoriser la formation d’un néo-endothélium vasculaire sur un film qui se termine par une couche positive, 2)- Empêcher toute adhésion cellulaire sur la surface luminale chargée négativement. La caractérisation in vitro des artères endothélialisées a montré que le film permettait le développement d’un endothélium avec une morphologie proche de l’artère native. Nous observons également une meilleure résistance des cellules au cisaillement. L’implantation chez le lapin d’artères non endothélialisées a montré une bonne fonctionnalité (perméabilité, résistance, structure…) des artères après trois mois d’implantation. Ces résultats encourageants permettent d’envisager une évaluation des substituts fonctionnalisés endothélialisés ou décellularisés chez le gros animal. / The enhancement of cardiovascular pathology frequencies and unavailability of the adequate therapies will imply during the next decades an important requirement in vascular substitutes, especially for small calibre. The aim of this study is to elaborate a functional vascular substitute. We present here a new procedure to treat cryopreserved arteries based on their inner surface coating with poly(sodium-4-styrene sulfonate)/poly(allylamine hydrochloride) polyelectrolyte multilayer (PEM). We show that this treatment improves the mechanical properties of the cryopreserved vessel. In order to elaborate an antithrombogenic luminal surface two approaches have been considered. The first was to improve the endothelium formation when the terminal layer is a polycation. The second was to prevent cell adhesion on the negative luminal surface. In vitro results show that PEM allows the endothelial cell spreading and an enhancement of cell retention to shear stress. In vivo results show a good graft patency during three months of implantation after rabbit carotid replacement. All these promising results open the route towards the development of future new biocompatible tissue substitutes allowing long-term functionality after implantation.

Les dendrimères et polymères contenant des métaux de transition comme le fer, lecobalt et le rhodium peuvent servir à la fabrication des nanomatériaux utiles à lacatalyse, la reconnaissance moléculaire et l’électronique moléculaire. Pour leurconstruction, des liaisons ioniques, de la chimie click : CuAAC et hydroamination, lapolymérisation ROMP et la polymérisation radicalaire ont été utilisés et ont permis laformation de nouveaux types de polyélectrolytes metallocéniques. La synthèse denouvelles nanoparticules d’or, d’argent et de palladium à partir de cesmétallopolymères et métallodendrimères ont été mises au point, conduisant à desréseaux à architecture spécifique bien définie. Ces assemblages supramoléculaireset ingénierie moléculaire ouvrent la voie vers l’application de la chimieorganométallique dans la conception de nouveaux nanomatériaux nanoparticulairesstructurés à l’aide des propriétés rédox des métallomacromolécules. / Dendrimers and polymers containing transition metals such as iron, cobalt andrhodium can serve in the fabrication of useful nanomaterials for catalysis, molecularrecognition and molecular electronics. For their construction, ionic bonds, clickchemistry: CuAAC and hydroamination, ROMP and radical polymerization were usedand allowed the formation of new types of metallocenyl polyélectrolytes. Thesynthesis of new gold, silver and palladium nanoparticles from these metallopolymersand metallodendrimers has been developed, leading to specific and well-definedarchitectures. These supramolecular assemblies and molecular engineering opensthe way towards the application of organometallic chemistry in the design of newstructured nanoparticle-containing nanomaterials using the redox properties ofmetallomacromolecules.

Les polyélectrolytes sont des chaînes polymériques le long desquelles sont reliés, par liaisons covalentes, des groupements ioniques. Ces groupements possèdent un contre-ion qui est mobile lorsque mis en solution. Ce projet de maîtrise fut axé sm la synthèse et la caractérisation de polyélectrolytes à base de 2,7-carbazole dans le but de faire des dispositifs électroniques à base de matériaux organiques ioniques. Au cours de ce projet, les polymères anioniques synthétisés furent le Poly[N-propane-3'-sulfonate-2,7-carbazole-alt-1,4-phénylène] de sodium, le Poly[N-butane-4'-sulfonate-2,7-carbazole-alt-l, 4-phénylène] de sodium ainsi que le Poly[N-butane-4'-sulfonate-2,7-carbazole]de sodium. Ces matériaux anioniques furent synthétisés dans l'optique de procéder à l'auto-assemblage de polymères cationiques et anioniques par la méthode de déposition couche-par-couche développée par Decher en 1991. Cette méthode permet la superposition de polymères anioniques et cationiques grâce aux interactions électrostatiques en effectuant plusieurs trempages consécutifs dans les solutions de polyélectrolytes. Les polycarbazoles utilisés lors de ce projet sont des semi-conducteurs organiques et de bons transporteurs de trous d'électrons. Il est donc possible de penser que ces matériaux pourraient éventuellement être utilisés pour la fabrication de cellules photovoltaïques, de transistors ou de diodes électroluminescentes. L'objectif de ce mémoire repose donc sur la synthèse de polyélectrolytes conjugués à base de 2,7-carbazole solubles dans l'eau. C'est dans cette optique que les différents chemins synthétiques utilisés ainsi que la caractérisation des produits obtenus seront présentés.

Les surfaces de polymères électro-stimulables font partie de la catégorie des surfacesintelligentes. Elles sont capables de modifier leurs propriétés lorsqu’elles sont stimulées par unchamp électrique. Au cours de cette thèse nous avons fabriqué des surfaces de chaines depolyélectrolytes faibles greffées (PAA, P2VP, PDMAEMA), soit par auto-assemblage, soit partransfert via la balance de Langmuir. Nous avons ensuite étudié l’organisation des chaines depolyélectrolytes à la surface en fonction des conditions de pH et de sel de la sous-phase dans labalance de Langmuir. Avant de stimuler ces chaines de polyélectrolytes greffées à l’aide d’unchamp électrique, nous avons étudié leur sensibilité à la variation de pH et à la variation de laconcentration en sel. Pour cela des mesures d’épaisseurs de films de polyélectrolytes et desmesures d’angle de contact ont été effectuées. Ces études préliminaires nous ont permis desélectionner des valeurs de densité de greffage des chaines de polyélectrolytes ainsi que le pH etla concentration en sel de la solution adaptés pour la stimulation des surfaces par un champélectrique. Nous avons alors montré que les chaines greffées de PAA et de PDMAEMA étaienttrès sensibles à la variation de la tension électrique lorsque le pH est proche du pKa ou du pKb dela surface : pour une charge de la surface identique aux charges des chaines de polyélectrolytes,ces dernières vont adopter une conformation de brosse tandis qu’elles seront collapsées lorsque lacharge de la surface est de signe opposé aux charges des chaines. Cette transition réversible deschaines en fonction de la valeur de la tension appliquée permet de contrôler les propriétés demouillage et d’adhésion de ces surfaces. En revanche, pour un pH proche du pKb, les chainesgreffées de P2VP sont peu sensibles à l’application d’un champ électrique. Nous avons supposéque cela était dû à une variation de pH local au sein des chaines lorsque le champ électrique estappliqué. / Electro-responsive polymer surfaces are able to change their properties when they are stimulatedby an electric field. In this work, we grafted weak polyelectrolyte on surfaces by self-assembly orby transferring the molecules using the Langmuir-Schaefer method. First we studied theorganization of the polyelectrolyte chains at the surface for different pH and salt concentration ofthe subphase used in the Langmuir trough. Then we explored the response of the surfaces to pHand salt concentration changes by measuring the thickness variation of the polyelectrolyte filmsand the changes in contact angle. These preliminary studies allowed us to select the graftingdensity of polyelectrolyte chains and the pH and salt concentrations of the aqueous solutionadapted for the stimulation of the surfaces by an electric field. We then demonstrated that PAAand PDMAEMA grafted chains were very sensitive to the variation of the applied voltage whenthe pH is close to the pKa or from the pKb of the surface. If the charge of the surface has the samesign as the charges on the polyelectrolyte chains, the latter would adopt a brush conformation,whereas if the charge of the surface has the opposite sign compared to the sign of the charges onthe polyelectrolyte chains, the chains would collapse. This reversible transition of the chainsconformation with the sign of the applied voltage allowed us to control the wetting and theadhesion properties of these surfaces. Nevertheless, for a pH close to the pKb, the P2VP graftedchains are almost unresponsive to the application of an electric field. We supposed that this is theconsequence of a local pH variation inside the grafted chains when the electric field is applied.

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

L’augmentation de la fréquence des pathologies vasculaires va créer ces prochaines années, des besoins importants en substituts vasculaires de petits calibres. L’idéal, à ce jour, reste l’utilisation de vaisseaux autologues réduisant les risques infectieux et immunologiques mais d’usage limité ce qui est à l’origine de l’ingénierie cellulaire. L’identification des progéniteurs vasculaires est d’un intérêt majeur dans ce domaine. Ces cellules d’origine autologues sont douées d’une grande capacité de prolifération et d’un potentiel de différenciation en cellules vasculaires (cellules endothéliales (CE) et cellules musculaires lisses (CML)) mais la difficulté réside dans le choix du recouvrement de la surface du support de culture qui favorise leur adhésion et prolifération Dans ce travail, nous avons choisi les films multicouches de polyélectrolytes et mesuré leur impact sur le comportement de ces cellules progénitrices en fonction de différentes conditions de culture (normoxie ou hypoxie). Nous avons montré dans un premier temps, que ces films multicouches de polyélectrolytes permettaient d’accélérer la différenciation de ces cellules en CE matures. Nous avons également montré que ces mêmes cellules cultivées en hypoxie étaient capables de se différencier en cellules contractiles stables dans le temps, présentant un phénotype comparable à celui des CML matures. L’association de ces résultats additionnés aux avantages apportés par des feuillets détachables est à la base de la construction d’un substitut vasculaire autologue de petit calibre, composé de CE et de CML issues d’un même pool de cellules, mais cultivées dans des conditions différentes. / The increase of vascular pathologies is going to create these next years, important needs in vascular substitutes of small calibres. The gold standard, this day, remains the use of autologous vessels reducing the infectious and immunological risks, but of limited custom, which is at the origin of tissue engineering. The identification of vascular progenitor cells is of major interest in vascular engineering. These autologous cells present a high capacity of proliferation and a potential of differentiation in vascular cells (endothelial cells (EC) and smooth muscle cells (SMC)) but the difficulty lies in the choice of the coated surface of culture which facilitates their adhesion and proliferation. In this work, we chose polyelectrolytes multilayer films and measured their impact on these vascular progenitor cells in various conditions of culture (normoxia or hypoxia). We showed at first, that these polyelectrolytes multilayer films allowed to accelerate the differentiation of these cells into matures EC. We also showed that these same cells cultivated under hypoxic conditions were able to differentiate into stable and contractile cells, presenting a phenotype comparable to the mature SMC. The association of these results added to the advantages brought by detachable sheet is the basis of the construction of an autologous small calibre vascular substitute consisting of EC and SMC differentiated from the same pool of cells, but cultivated in different conditions.

L'ingénierie tissulaire a vu émerger dans la dernière décennie, la nanomédecine régénérative en combinant non seulement les cellules souches mais aussi les facteurs de croissance. Le but de ce travail a été d'utiliser les techniques de l'ingénierie osseuse et cartilagineuse pour améliorer ou créer des biomatériaux en les rendant bioactifs et vivants à une échelle nanométrique. Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au développement de biomatériaux (naturels ou synthétiques), tridimensionnels (3D), implantables et utilisables pour le traitement de diverses pathologies de l'appareil loco-moteur, qui sont capables d'induire une meilleure différenciation cellulaire et une régénération tissulaire plus stable. Nous avons développé 3 types d'implants nanostructurés, à base de titane recouvert d'hydroxyapatite et de nanotubes de carbone, de capsules ou de membranes nanofibreuses nanofonctionnalisées par des facteurs de croissance, qui ont permis d'obtenir une régénération osseuse ou ostéo-articulaire, in vitro comme in vivo / During the last ten years, tissue engineering has merged with regenerative nanomedecine by combination, not only of stem cell technology but also of growth factors. The goal of this thesis was to use bone and cartilage engineering as a model, in order to improve and to develop active and living nanostructured implants. During this PhD studies, we were interested in the development of biomaterials (natural or synthetic), tridimentionnal (3D), transplantable for bone and cartilage diseases treatments, that are able to induce more cellular differentiation and improved tissue regeneration. In this thesis, we have developed 3 types of nanostructured implants, (i) titanium implants coated with hydroxyapatite and carbone nanotubes; (ii) active capsules functionalized by growth factors and stems cells for bone induction (in vitro/in vivo); (iii) electrospun nanofibrous membranes functionalized by growth factors and (Osteoblasts/Chondrocytes) for bone and cartilage regeneration, in vitro and in vivo

De nos jours, de nombreuses maladies chroniques telles que le cancer ou l’arthrose nécessitent encore de nouvelles modalités de traitement. Des biomatériaux naturels capables de véhiculer des substances actives font partie des solutions à cette problématique. Récemment, des travaux ont été menés sur un nouveau type de biomatériau, les Complexes de Polyélectrolytes Compacts (CoPEC). Dans le cadre de cette thèse, des CoPEC à base de polyélectrolytes biosourcés, le chitosan et l’alginate, fonctionnalisés avec la β-cyclodextrine (βCD) ont été formulés. Le CoPEC βCD-chitosan/alginate, non-cytotoxique, a présenté des propriétés anti-inflammatoires intrinsèques dans le cadre d’un modèle in vitro d’inflammation. De plus, ce CoPEC a présenté une capacité à contenir et relarguer deux substances actives hydrophobes modèles, le piroxicam et la prednisolone. Enfin, une stratégie d’inclusion de substances actives hydrophiles au sein du matériau a été mise en œuvre. Le nouveau CoPEC est prometteur car il peut exposer un effet anti-inflammatoire intrinsèque et d’autres effets thérapeutiques via l’inclusion de substances actives au sein des cyclodextrines. / Nowadays, many chronic diseases, such as cancer or osteoarthritis, still need new modalities of treatment. Natural biomaterials able to convey active substances represent a solution to this problematic. Lately, several research works have been conducted on a new type of biomaterial named Compact Polyelectrolyte Complexes (CoPEC). As part of this thesis, CoPEC have been prepared from two biosourced polyelectrolytes, chitosan and alginate, functionalized with β-cyclodextrin (βCD). Through an in vitro inflammation model, the non-cytotoxic βCD-chitosan/alginate CoPEC has displayed intrinsic anti-inflammatory properties. Moreover, this CoPEC has demonstrated a capacity to host and release piroxicam and prednisolone, two model hydrophobic active substances. Finally, a strategy to include hydrophilic active substances into the material has been implemented.Thus, the newly CoPEC is promising because it can exhibit an intrinsic anti-inflammatory effect as well as other therapeutic effects through the inclusion of active substances into the cyclodextrins.

Les films polyélectrolytes ont émergé comme un outil polyvalent dans le domaine desbiomatériaux et de l’ingénierie tissulaire. Dans cette étude, nous avons conçu des films à base debiopolymère, dont la rigidité peut être modulée par photo-réticulation. L’adhésion de bactéries etde cellules mammifères sur ces films a été étudiée. Une telle manipulation de rigidité superficielleconduit à une réponse différentielle des bactéries et des cellules mammifères. Les bactéries àGram négatif présentent une meilleure croissance sur des films nous alors que les cellulesmammifères préféraient les films plus rigides. Ces films ont été spatialement structurés à l’aided’un photomasque, permettant de créer des zones adjacentes de rigidité variable et de formecontrôlée. Les motifs photostructurés ont conduit les cellules à s’organiser préférentiellement surles zones les plus rigides. Une étude comparative a été réalisée avec des micropatronsbiochimiques. Les résultats ont montré des réponses similaires pour trois types cellulairesdifférents. Ces films offrent des perspectives intéressantes pour l’ingénierie tissulaire et pour letest de médicaments. / Polyelectrolyte multilayers have emerged as a versatile tool in the field of biomaterials and tissueengineering. In this study, photocrosslinkable polyelectrolyte films based on biopolymers whosestiffness can be easily tuned by UV irradiation were prepared. Then, they were tested againstbacteria and mammalian cells to address the influence of the film stiffness on cell behavior. Suchsuperficial stiffness manipulation resulted in differential response of bacteria and mammaliancells. Gram negative bacteria evidenced better growth on softer films while various mammaliancells preferred stiffer films. Stiffness patterns of various geometries and sizes were generated byexposing the films to the UV light through a photomask incorporated in transparent substrates.The patterned films composed of stiff motifs distributed in a soft background induced apreferential spatial organization, which depended on pattern shape and size. A comparative studywith commercial biochemical patterns revealed similar pattern fidelity for three differentmammalian cell types. Such mechanical patterns on a 2D film appear promising for futureapplications in tissue engineering or for drug screening.

Les polyélectrolytes sont des polymères avec des unités de répétition ionisables qui dans un solvant polaire, comme l’eau, se dissocient en libérant des contre-ions. Les polyélectrolytes, du fait leur présence dans de nombreuses formulations, de leur rôle dans les processus industriels, les milieux biologiques et environnementaux ont fait l’objet d’un grand nombre d’études. Pour mieux comprendre et exploiter les polyélectrolytes, leurs propriétés en présence d’autres composés doivent cependant être étudiées plus en détail. Dans cette optique, ce travail se concentre sur la modification des propriétés dynamiques de polyélectrolytes courts en présence de nanoparticules de silice. Dans ce but, nous avons conçu un système expérimental de diffuseurs dispersés au sein de suspensions d’obstacles chargés. Les diffuseurs sont des molécules de carboxylate de différentes tailles : des carboxylates simples jusqu’aux polyélectrolytes (polyacrylate de sodium, PAANa) courts. Les obstacles sont des nanoparticules de silice de différentes tailles et charges de surface. L’étude des carboxylates simples a été suggérée par la nécessité de réduire la complexité des diffuseurs. L’autodiffusion des molécules est étudiée principalement par diffusométrie RMN, technique qui permet d’étudier les mouvements browniens de molécules sur une échelle de temps de 10-1000 ms (10-100 μm en échelle spatiale). Ce travail examine également comment la présence de polyélectrolytes modifie les interactions entre particules de silice en utilisant la diffusion de neutrons aux petits angles. / Polyelectrolytes are a particular class of polymers with ionizable repetition units that dissociate in polar solvents (such as water) leading to macro-ions and counterions. Solutions and materials made of polyelectrolytes are extensively used in several formulations and in industrial, biological and environmental processes. For a better insight into these systems, the properties of polyelectrolytes in presence of other particles have to be studied in more detail. This work deals with the modification of the dynamics properties of short polyelectrolytes in presence of charged silica nanoparticles.To study this problem, we design an experimental system made of carboxylate molecules of various sizes, from simple carboxylate (propionate) up to short polyelectrolytes (sodium polyacrylate, PAANa), diffusing in aqueous dispersions of silica nanoparticles of different size and surface charge. Both polyelectrolytes and nanoparticles are negatively charged at high pH. Thanks to the use of simple carboxylates, it is possible to reduce the complexity of the diffusers. The self-diffusion of the molecules is investigated using NMR diffusion experiments, which monitors the Brownian motions of individual molecules on 10-1000 ms timescale (10-100 μm spatial scale). This work also investigates how the presence of polyelectrolytes modifies the phase behaviour of silica particles by using small angle neutron scattering.