Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Liées de façon covalente à des chaînes polymères, les nanoparticules POSS (polysilses-quioxanes polyédriques) permettent l’obtention de matériaux nanocomposites hybrides orga-nique/inorganique. Ces nanoparticules présentent deux intérêts majeurs: des dimensions bien définies (cœur inorganique: 0.5 nm), ainsi que leur caractère hybride ( groupements organiques entourant les cages inorganiques). Les nanocomposites polymère/POSS peuvent présenter un renfort important des propriétés mécaniques et de la stabilité thermique de la matrice polymère. Cependant, l’origine moléculaire de ce renfort reste mal comprise. Aussi, afin de mieux comprendre le renfort des propriétés mécaniques de la matrice, nous avons étudié l’effet des particules POSS sur l’organisation à l’état solide et la dynamique des chaînes po-lymères au sein d’une matrice semi-cristalline. Pour cela, nous avons considéré une série de copolymères polyéthylène-POSS, caractérisés par une large gamme de concentration en POSS. Le polyéthylène et le POSS ayant intrinsèquement tendance à cristalliser, les copolymères présentent des organisations à l’état solide complexes que nous avons caractérisés par l’utilisation combinée de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), de la diffraction des rayons X aux grands angles (DRX) et de la résonance magnétique nucléaire en phase solide (RMN). Dans un second volet de cette étude, nous nous sommes intéressés à la dynamique des chaînes de polyéthylène en phase amorphe et à l’évolution de celle-ci avec le taux de charge des nanocomposites. Enfin, nous avons également étudié, de façon sélective, la dynamique des segments de chaînes de polyéthylène situés au voisinage de la charge / Grafting polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) to polymer chains offers a novel avenue to prepare hybrid organic/inorganic nanocomposites. The great advantage of such an approach holds in the very well-defined dimensions of the filler particles(inorganic core: 0.5 nm), in contrast with polymer/clay systems. Polymer/POSS nanocomposites display attractive properties such as significant mechanical reinforcement and increased thermal stability. However, the molecular origins of these enhancements are still an open question. The aim of this work is to describe both bulk organization and molecular motions of the polymer chains within these materials: these molecular properties should lead to a deeper knowledge of the enhancement of the polymer-POSS mechanical properties. The systems investigated are polyethylene (PE)-POSS copolymers with various POSS contents. The (semi-)crystalline behaviour of both PE and POSS particles induces complex bulk organization of these hybrid materials. The combined use of NMR, DSC and X-ray scattering experiments enabled to monitor the variation of the solid-state organization with the filler loading. In the second part of this work, the PE chain dynamics was investigated in the amorphous phase and its variation with the filler content was considered. Lastly, selective NMR experiments were used to probe the PE chain segment mobility close to the POSS nanoparticles

La perméabilité aux gaz et aux liquides des matériaux polymères est une propriété qui est mise à profit dans de nombreux domaines industriels. Cette thèse est effectuée dans l'optique de mieux appréhender la problématique de l'étanchéité des conduites flexibles par les polymères. Ainsi, les perméabilités de H2S, CO2 et CH4 dans le polyéthylène (PE) ont fait l'objet d'une étude effectuée dans le contexte de cette thèse. La perméabilité est une propriété qui résulte de la solubilisation des gaz dans le polymère puis de la diffusion de ces produits à travers la matière. La solubilité, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à pouvoir s’absorber dans le polymère, est une propriété d’équilibre, qui pourra être étudiée par les techniques de Monte Carlo. La diffusion, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à se mouvoir plus ou moins rapidement dans le réseau polymère, sera quant à elle, étudiée par dynamique moléculaire. Au dessous de la température de fusion, le polyéthylène est à l'état semi-cristallin. Cet état est composé de régions contenant des chaînes orientées aléatoirement (régions amorphes) et des régions contenant des chaînes orientées sur un réseau (régions cristallines). La morphologie complexe des polymères semi-cristallins présente des hétérogénéités de dimensions nanométriques, ce qui est difficilement accessible par la simulation moléculaire. A fin d'étudier la solubilité et la diffusion de gaz dans le polyéthylène semi-cristallin, nous modéliserons uniquement la phase amorphe au cours de ce travail. Par contre, l’effet des régions cristallines sur la phase amorphe sera pris en compte dans la simulation par une contrainte ad-hoc. / The gas permeability through the polymers is a property that is exploited in many industrial fields. The objective of this thesis is to better understand the problem of sealing of flexible pipes with polymers. Thus, the permeability of H2S, CO2 and CH4 in polyethylene (PE) was studied during this work. Permeability is a property resulting from the dissolution of gases in the polymer and then diffusion of these products through the material. Solubility, which characterizes the ability of a gas to be absorbed in the polymer, is a property of equilibrium, which can be studied by Monte Carlo techniques. Diffusion coefficient, which characterizes the ability of a gas to move more or less rapidly into the polymer network, will in turn studied by molecular dynamics.Below the melting temperature, polyethylene is in semi-crystalline state. This state is composed of regions containing randomly oriented chains (amorphous regions) and regions containing chains oriented regularly on a network (crystalline regions). The complex morphology of semi-crystalline polymers has nanometric heterogeneities, which is not easily accessible by molecular simulation. In order to study the solubility and diffusion coefficient of gases in semi-crystalline polyethylene, we model only the amorphous phase in this work. However, the effect of crystalline regions on the amorphous phase will be taken into account in the simulation by an ad-hoc constraint.

Le glioblastome constitue la tumeur primitive maligne la plus fréquente et la plus agressive du système nerveux central, caractérisée par un pronostic sombre. L’infusion locale dans le parenchyme cérébral du cisplatine a présenté des résultats encourageants sur des modèles précliniques. La nanovectorisation permet de concentrer l’efficacité thérapeutique d’agents anticancéreux à leur cible. Leur fonctionnalisation par des unités d’imagerie offre la possibilité de suivre de façon non invasive par imagerie par résonance magnétique (IRM) leur biodistribution au sein du tissu lésé. Dans cette optique, un copolymère tribloc amphiphile biocompatible a été synthétisé par polymérisations par ouverture de cycle successives à partir d’un oxyde de polyéthylène (PEO). Après micellisation dans l’eau, des complexes de gadolinium ont été greffés sur la couronne de PEO et les fonctions carboxylates situées en périphérie du coeur micellaire se sont réticulées sur le cisplatine, conduisant à la formation d’une prodrogue macromoléculaire de taille nanométrique stable dans le temps. Le potentiel de ces nanoparticules bifonctionnelles comme agents de contraste IRM a été exploré à haut champ magnétique. Une telle vectorisation du cisplatine a en outre permis d’augmenter de façon significative l’accumulation du platine dans deux lignées humaines de glioblastome ainsi que la formation d’adduits à l’ADN par rapport à la drogue libre. L’implication de mécanismes biologiques sous-jacents à cette étude pose la question de l’existence d’autres cibles alternatives critiques des dérivés du platine, remettant en cause le paradigme établi depuis un demi-siècle définissant l’ADN comme la cible ultime du cisplatine. / Glioblastoma is the most frequent and aggressive primary malignant tumor of the central nervous system with a gloomy prognosis. Local infusion of cisplatin within the brain parenchyma exhibited promising results in preclinical models. Nanovectorization of anticancer agents even promotes the concentration of their therapeutic efficiency on their target. Anchorage ofimaging moieties on such smart drug delivery systems further enables the non-invasive monitoring of their biodistribution within the damaged tissue by magnetic resonance imaging (MRI). From this perspective, a biocompatible amphiphilic triblock copolymer was synthesized by successive ring-opening polymerizations from a polyethylene oxide (PEO). After micellization in water, gadolinium complexes were grafted to the PEO corona and the carboxylate functions located at the surface of the micelle’s core were able to cross-link with cisplatin. A stable nano-sized macromolecular prodrug was therefore recovered. Relaxomety measurements at a high magnetic field confirmed the intrinsic potential of these hybrid nanoparticles as alternative MRI contrast agents. Besides, cisplatin vectorization allowed for substantially increasing the accumulation of platinum compounds in two human glioblastoma cell lines as well as the subsequent formation of DNA adducts in comparison with the free drug. Biological mechanisms below this study raise the question whether critical alternative targets of platinum derivatives might exist, thus undermining the old-established paradigm that defines DNA as the ultimate target of cisplatin.

Dans ce travail, la caractérisation mécanique de l’interphase entre les zones amorphes et cristallines dans le polyéthylène a été abordée. La caractérisation élastique est effectuée en appliquant deux approches micromécaniques à partir des données de la simulation moléculaire pour la zone interlamellaire. Ces approches micromécaniques sont d’une part le modèle étendu d’inclusion composite, et d’autre part la méthode de double inclusion. Les résultats des deux approches s’accordent parfaitement. Il a été mis en évidence que le tenseur de rigidité de l’interphase n’est pas défini positif, l’interphase est donc mécaniquement instable. La comparaison avec les résultats expérimentaux valide la méthodologie proposée. Pour la caractérisation hyperélastique, l’algorithme hybride proposé consiste à appliquer la loi de comportement d’un milieu continu isotrope, compressible et hyperélastique aux résultats de la simulation de la dynamique moléculaire d’un élément unitaire de polyéthylène. La notion d’optimisation d’un ensemble de fonctions coûts non négatives est l’idée clé de cette partie. Les paramètres hyperélastiques identifiés sont en bon accord avec ceux qui ont été estimés expérimentalement. L’évolution des frontières de l’interphase avec la déformation est le second résultat de cette analyse. La fin du travail est dédiée à la simulation numérique de la grande déformation viscoplastique d’un agrégat de polyéthylène. Le modèle de Gent adopté pour la contrainte de rappel, le tenseur de projection proposé pour l’approche modifiée de Taylor, et l’optimisation multiniveau font parties des contributions apportées. / Elastic characterization of the interphase layer in polyethylene is implemented by applying the relationships of two micromechanical approaches, “Extended Composite Inclusion Model” and “Double-Inclusion Method”, to the Monte Carlo molecular simulation data for the interlamellar domain. The results of the two approaches match perfectly. The interphase stiffness lacks the common feature of positive definiteness, which indicates its mechanical instability. Comparison with experimental results endorses the proposed methodology. For the hyperelastic characterization of the interlamellar domain and the interphase layer, the proposed hybrid algorithm consists in applying the constitutive equations of an isotropic, compressible, hyperelastic continuum to the molecular dynamics simulation results of a polyethylene stack. Evolution of the interphase boundaries are introduced as auxiliary variables and the notion of minimizing a set of nonnegative objective functions is employed for parameter identification. The identified hyperelastic parameters for the interlamellar domain arein good agreement with the ones that have been estimated experimentally. Finally, the large, viscoplastic deformation of an aggregate of polyethylene is reexamined. The Gent model adopted for the back stress of the noncrystalline phase, correcting the projection tensor for the modified Taylor approach, and the idea of multilevel optimization are among the contributions made.

L'objet de cette thèse est l'étude de la pénétration des actifs cosmétiques dans la peau. Les axes d'investigation principaux ont concerné l'influence des propriétés physicochimiques des actifs et des ingrédients de la formule sur les mécanismes de pénétration. Les actifs cosmétiques choisis sont le rétinol, actif lipophile, et la caféine, actif hydrophile. Les formulations investiguées sont des émulsions de type huile dans eau, comparées aux solutions de tensioactifs correspondantes. Trois huiles cosmétiques ont été utilisées: Butylène glycol de cocoate, Octyldodecyl myristate et la Paraffine liquide, stabilisées en émulsion avec des tensioactifs ester de polyéthylène glycol (PEG20 et PEG6) possédant des longueurs de chaîne carbonées variables (C8, C12, C18 et C18:1). La pénétration percutanée a été mesurée quantitativement en utilisant la méthode des cellules de diffusion de Franz en fonctionnement statique et dynamique et qualitativement par la microscopie confocale Raman. Avec cette combinaison de techniques analytiques, il est possible, de mesurer la pénétration et d’évaluer l'impact de chaque composant de la formulation sur la pénétration cutanée d'un actif. Une corrélation a pu être établie entre l’effet fluidifiant d’une huile et l’augmentation de la pénétration du rétinol. Par ailleurs les tensioactifs, même s’ils ont montré un effet moindre en terme de fluidification conduisent également à une augmentation de la pénétration en raison d’une variation du coefficient de partage de l’actif entre la formule et la peau. Concernant la caféine, l’influence de la structure des tensioactifs et en particulier de la longueur de chaîne carbonée a été mise en évidence / The purpose of this thesis is to study the penetration of cosmetics actives into the skin. The main lines of investigation concerned the influence of actives and formulation components physicochemical properties on the penetration mechanisms. The selected cosmetic actives are retinol, lipophilic, and caffeine, hydrophilic. The investigated formulations are oil in water emulsions, compared to their corresponding surfactant solutions. Three cosmetic oils were used: Butylene glycol cocoate, Octyldodecyl myristate and liquid paraffin. Emulsions are stabilized with polyethylene glycol ester surfactants (PEG20 and PEG6) having variable carbon chain lengths (C8, C12, C18 and C18: 1). Percutaneous penetration was measured quantitatively using Franz diffusion cells in a static and dynamic way and qualitatively by confocal Raman microscopy. With this combination of analytical techniques, it is possible to measure the penetration and evaluate the impact of each formulation component on skin penetration of an active. A correlation could be established between the fluidizing effect of an oil and the increase in retinol penetration. Moreover, the surfactants, although they showed less effect in terms of fluidizing also lead to an increase in penetration due to a variation of the active partition coefficient between the formula and the skin. Regarding caffeine, the influence of the surfactant structure and in particular the carbon chain length has been pointed out

La Compaction à Grande Vitesse (CGV) est un procédé efficace pour mettre en oeuvre par frittage, et dans un temps court, des poudres polymères semi-cristallins quelle que soit leur viscosité en partant d’une température inférieure au point de fusion. L’échauffement et la fusion du matériau est obtenu par une succession d’impacts à une énergie donnée ce qui offre la possibilité de définir finement la quantité d’énergie que l’on souhaite apporter au matériau et la qualité du frittage. Une fusion partielle de la poudre permet de profiter de la cristallinité élevée de la poudre native, un compromis est alors possible entre de hautes propriétés élastiques et une ductilité élevée. La contre-partie de cette efficacité est une mise au point délicate du procédé. Dans le cas du polyéthylène ultra haute masse molaire (UHMWPE), il a été montré que le procédé permet une quasi-abstraction des effets de la masse molaire. Le frittage du UHMWPE demande seulement une réorganisation à courte distance des chaînes qui peut se faire dans un temps très limité. La cohésion de la poudre est assurée essentiellement par la cocristallisation et la création de nouveaux enchevêtrements. La modélisation du procédé a permis de comprendre comment l’énergie cinétique lors des impacts est transformée en chaleur dans la poudre et elle a permis l’établissement d’un critère de processabilité par CGV. Ce critère de processabilité repose sur la déformabilité de la poudre contenu dans la matrice au moment de l’impact. Celle-ci doit être suffisante pour que l’énergie dissipée dans le matériau permette sa fusion en moins de cent coups. Ceci a permis de comprendre pourquoi le polyoxyméthylène peut difficilement se mettre en forme par CGV. / High Velocity Compaction (HVC) is an efficient process to mold, in a short time, semicrystalline polymers powders any about their viscosity by starting from a temperature below melting point. Heating and melting occur by successive impacts at a preset energy that offers the possibility to set accurately the energy amount that we would bring to the material and the sintering quality. Partial melting of powder enable to take advantage of the high cristallinity of nascent powders, a compromise is possible between high elastic properties and high ductility. The flip-side of this efficiency is a delicate process settings. For the ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), it has been shown that the process makes it possible a quasi abstraction of molecular weight effects. UHMWPE sintering needs only a short length reorganisation of chains that could be done in a really short time. Powder cohesion is essentially bring by cocrystallisation and by new entanglements creation. Process modelling allowed to understand how kinetic energy during hits is converted into heat in powder and it’s enable to define a HVC processability criterion. This processability criterion rests on the strainability of powder place in a die during a hit. It has to be sufficient to the dissipated energy in material allows his melting in less than one hundred impacts. This criterion allows to understand why the polyoxymethylene is hard to mold by HVC.

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La perméabilité aux gaz et aux liquides des matériaux polymères est une propriété qui est mise à profit dans de nombreux domaines industriels. Cette thèse est effectuée dans l'optique de mieux appréhender la problématique de l'étanchéité des conduites flexibles par les polymères. Ainsi, les perméabilités de H2S, CO2 et CH4 dans le polyéthylène (PE) ont fait l'objet d'une étude effectuée dans le contexte de cette thèse. La perméabilité est une propriété qui résulte de la solubilisation des gaz dans le polymère puis de la diffusion de ces produits à travers la matière. La solubilité, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à pouvoir s’absorber dans le polymère, est une propriété d’équilibre, qui pourra être étudiée par les techniques de Monte Carlo. La diffusion, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à se mouvoir plus ou moins rapidement dans le réseau polymère, sera quant à elle, étudiée par dynamique moléculaire. Au dessous de la température de fusion, le polyéthylène est à l'état semi-cristallin. Cet état est composé de régions contenant des chaînes orientées aléatoirement (régions amorphes) et des régions contenant des chaînes orientées sur un réseau (régions cristallines). La morphologie complexe des polymères semi-cristallins présente des hétérogénéités de dimensions nanométriques, ce qui est difficilement accessible par la simulation moléculaire. A fin d'étudier la solubilité et la diffusion de gaz dans le polyéthylène semi-cristallin, nous modéliserons uniquement la phase amorphe au cours de ce travail. Par contre, l’effet des régions cristallines sur la phase amorphe sera pris en compte dans la simulation par une contrainte ad-hoc. / The gas permeability through the polymers is a property that is exploited in many industrial fields. The objective of this thesis is to better understand the problem of sealing of flexible pipes with polymers. Thus, the permeability of H2S, CO2 and CH4 in polyethylene (PE) was studied during this work. Permeability is a property resulting from the dissolution of gases in the polymer and then diffusion of these products through the material. Solubility, which characterizes the ability of a gas to be absorbed in the polymer, is a property of equilibrium, which can be studied by Monte Carlo techniques. Diffusion coefficient, which characterizes the ability of a gas to move more or less rapidly into the polymer network, will in turn studied by molecular dynamics.Below the melting temperature, polyethylene is in semi-crystalline state. This state is composed of regions containing randomly oriented chains (amorphous regions) and regions containing chains oriented regularly on a network (crystalline regions). The complex morphology of semi-crystalline polymers has nanometric heterogeneities, which is not easily accessible by molecular simulation. In order to study the solubility and diffusion coefficient of gases in semi-crystalline polyethylene, we model only the amorphous phase in this work. However, the effect of crystalline regions on the amorphous phase will be taken into account in the simulation by an ad-hoc constraint.

Résumé indisponible