In this study we fabricated free standing multilayer films of polyelectrolyte complexes for potential use in tissue engineering of corneal stroma by using the layer-by-layer (LbL) approach. In the formation of these LbL films negatively charged, photocrosslinkable (methacrylated) hyaluronic acid (MA-HA) was used along with polycations polyethyleneimine (PEI) and poly(L-lysine) (PLL). Type I collagen (Col) was blended in with PLL for improving the water absorption and cell attachment properties of the films. It was shown that the LbL films could be easily peeled off from glass substrates due to the photocrosslinking of one of the LbL components, the hyaluronic acid. Film growth and composition were monitored with FTIR-ATR. Heights of peaks at 3383 cm-1, and 2958 cm-1increased along with the bilayer number confirming the polymer build-up. Film integrity and thickness were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). Films thicker than 5 bilayers (BLs) were found to be uniform in appearance and 10 BL (PEI/MeHA) films were calculated to be ca. 6 &mu / m thick. Atomic force microscopy (AFM) revealed that as the number of BLs increased, surface roughness decreased. Activity of methacrylated hyaluronic acid was shown by the increased resistance of photocrosslinked multilayer films against hydrolysis by hyaluronidase. Patterns could be created on the films by photocrosslinking further proving that the crosslinking step is successful. Since the ultimate goal was to construct a corneal stroma PEI/MA-HA films were tested with corneal stroma cells, keratocytes. Cell proliferation on PEI/MA-HA films was quite poor in comparison to TCPS. In order to improve the cell adhesion the tests were repeated with PLL/MA-HA. Collagen was added to decrease the hydrophilicity and introduce cell adhesion sequences (Arg-Gly-Asp, RGD) to improve cell proliferation on the films and thus PLL+Col/MA-HA films were also tested. Introduction of collagen to the PLL/MA-HA films was found to decrease water retention of the multilayer films and improve cell viability and proliferation. Col+PLL/MA-HA LbL thus appear to be a promising platform for tissue engineering, especially of corneal stroma.

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.

Une analyse détaillée des propriétés physico-chimiques des nanoparticules (NP) anthropogéniques est nécessaire pour comprendre à un niveau mécanistique leurs interactions/toxicité potentielle avec/envers les composants biotiques des systèmes aquatiques naturels. Une telle analyse est également requise pour réaliser une évaluation complète et une optimisation de la performance des méthodes d’(ultra)filtration développées pour circonscrire le relargage des NPs dans les milieux aquatiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse de doctorat était de déchiffrer les processus physico-chimiques fondamentaux régissant la capture de nanodendrimères carboxylés (PAMAM-COOH) - utilisés fréquemment dans des applications biomédicales – par des films multicouches du type (poly(diallyldiméthylammonium)chlorure-poly(acide acrylique))n ((PDADMAC-PAA)n) assemblés par déposition séquentielle des composantes polymériques cationique et anionique. À cette fin, une étude systématique des propriétés électrohydrodynamiques des NPs PAMAM-COOH a d'abord été effectuée en fonction du pH et de la concentration en sel monovalent du milieu. Sur la base de la théorie électrocinétique de particules molles ayant une fonctionnalité zwitterionique, il est démontré que les caractéristiques électriques interfaciales des NPs considérées sont déterminées à la fois par des contributions électrostatiques de surface et volumique des nanoparticules, lesquelles dependent de l’extension intraparticulaire de la double couche électrique. L’existence de ces deux types de contributions conduit à un changement remarquable de signe de la mobilité des NPs en modifiant la concentration du sel monovalent en solution et à une dépendance prononcé du point de zéro mobilité des NPs avec la concentration de l’électrolyte. En outre, une confrontation quantitative entre résultats expérimentaux et théorie souligne comment les modifications structurales des NPs induites par des changements de pH et de salinité affectent les caractéristiques électrocinétiques des dendrimères. Dans une deuxième partie, la structure, la morphologie et les propriétés mécaniques des films PDADMAC-PAA et leur évolution temporelle dans des conditions de vieillissement naturel ou après traitement thermique ont été déterminées par microscopie à force atomique (AFM) et analyses microspectroscopie Raman. Les résultats démontrent que les films multicouches PDADMAC-PAA de type exponentiel présentent des caractéristiques mécaniques et structurelles typiques de films polyélectrolytes multicouches à croissance linéaire. En particulier, leur relaxation lente vers un état d’équilibre est accélérée après traitement thermique à 60°C et se révèle être intimement liée à l'instabilité de domaines de films riches en PDADMAC, épuisés en eau (faits confirmés par la théorie de la fonctionnelle de la densité) et marqués par la présence de structures caractéristiques en forme de ‘donuts’. Dans une dernière partie, des résultats préliminaires sont donnés pour la dépendance de l'élasticité des films multicouches PDADMAC-PAA avec la concentration en solution de nanodendrimères. Les résultats suggèrent que ces films multicouches complexes constituent une option prometteuse pour la capture et l'élimination de nanodendrimères carboxylés présents en milieux aqueux / A detailed analysis of the physicochemical properties of engineered nanoparticles (NPs) is required to understand on a mechanistic level their interactions/potential toxicity with/towards biotic components of fresh water systems. Such an analysis is further mandatory to achieve a comprehensive evaluation and optimisation of the performance of (ultra)filtration methods developed to prevent NPs release into aquatic media. Within this context, the aim of this PhD thesis was to decipher the basic physico-chemical processes governing the loading of carboxylated-poly(amidoamine) (PAMAM-COOH) nanodendrimers -commonly employed in biomedical applications- into layer-by-layer assembled (poly(diallyl dimethyl ammonium) chloride-poly(acrylic acid))n ((PDADMAC-PAA)n) multilayer films. For that purpose, a systematic investigation of the electrohydrodynamic properties of PAMAM-COOH NPs was first performed as a function of pH and monovalent salt concentration in solution. On the basis of advanced electrokinetic theory for soft particles with zwitterionic functionality, it is demonstrated that the interfacial electrostatic features of the considered NPs are determined both by surface and bulk particle contributions to an extent that depends on electrolyte concentration. This leads to a remarkable NPs mobility reversal with changing monovalent salt concentration and to a marked dependence of the point of zero NPs mobility on electrolyte content. In addition, confrontation between experiments and theory further highlights how pH- and salt-mediated modifications of the NP particle structure affect dendrimer electrokinetic features at large pH and/or low salt concentrations. In a second part, the structure, morphology and mechanical properties of PDADMAC-PAA films, and their evolution over time under natural aging conditions or after thermal treatment, were addressed from atomic force microscopy (AFM) and Raman microspectroscopy analyses. Results evidence that PDADMAC-PAA multilayer films of exponential type exhibit mechanical and structural features that are typical for polyelectrolyte multilayer films with linear growth. In particular, their slow relaxation to equilibrium is accelerated after heating treatment at 60°C and, in line with density functional theory computation, this relaxation dynamics is shown to be intimately connected to instability of film domains rich in PDADMAC, depleted in water and marked by the presence of characteristic donut-like structures. In a final part, the reported dependence of PDADMAC-PAA multilayer films elasticity on concentration of nanodendrimers in bulk solution suggests that these complex multilayer films constitute a promising option to be further investigated for the loading and removal of carboxylated nanodendrimers from aqueous environments

Layer-by-layer assembly of polyelectrolytes is a simple technique based on the self-assembly of polycations and polyanions mainly by electrostatic interactions, which has gained considerable scientific interest for its versatility of applications. Ease of fabrication process, inexpensive approach and use to coat surfaces with various geometries prompts the researchers to select this technique not only for the surface modification applications but also to study the processes which exploit the 3D matrix properties of polyelectrolyte multilayer films (PEMs). Recent advances have been made where PEMs coatings have been utilized for their bio-applications like drug delivery and in tissue engineering for modifying the biomaterial's surfaces. In the field of drug delivery and tissue engineering the location and availability of the constituent molecules is very important, which is defined by their ability to diffuse through the encapsulating material or reservoir. So the main objective of this thesis is to understand the transport of molecules in ultrathin Polyelectrolyte Multilayer Films in lateral as well as transverse direction to the substrate. To study this transport behaviour in PEMs, we have employed various strategies which can enhance or suppress the diffusivity across PEMs. Thus, understanding the diffusion at nanoscale resolution will lead us to design better host materials for loading of drugs and growth factors for various biomedical applications.

La surface d'un matériau est le lieu privilégié des interactions entre le matériau et son environnement. La technique couche-par-couche, qui consiste en un dépôt alterné de polyanions et de polycations, ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des biomatériaux pour le contrôle de ces interactions. La cohésion des films multicouches de polyélectrolytes est principalement assurée par des interactions électrostatiques mais a été étendue à d'autres forces motrices telles que les interactions hôte-invité. Nos travaux s’articulent autour de deux axes principaux. D’une part, nous nous sommes intéressés aux films multicouches de polymères neutres basés sur des interactions hôte-invité et en particulier à l'influence de la force du complexe d’inclusion b-cyclodextrine/ferrocène sur la topographie de ces films. La force de l’interaction hôte-invité a d’abord été modulée en associant différents invités (l’adamantane, le ferrocène et le pyrène) avec la β-cyclodextrine. La force du complexe b-cyclodextrine/ferrocène a été ensuite modulée par la présence de différents sels de sodium à différentes forces ioniques au cours de la construction du film. Une force d'interaction intermédiaire du complexe semble être nécessaire pour former des films continus, tandis que, si elle est trop faible, la force d'interaction limite la construction du film.D’autre part, motivé par le fait que la prévention des infections microbiennes des dispositifs médicaux implantables constitue un problème médical et financier majeur, nous avons développé de nouveaux revêtements antimicrobiens grâce à la technique couche-par-couche. Des films multicouches à base de polysaccharides contenant la cateslytine, un peptide antimicrobien, permettent l’inhibition en 24h du développement de Candida albicans et Staphylococcus aureus, qui sont des agents pathogènes communs et virulents rencontrés dans les maladies nosocomiales. La libération des peptides antimicrobiens est déclenchée par la dégradation enzymatique du film en présence des agents pathogènes. Le revêtement est ainsi qualifié d’auto-défensif. La non-cytotoxicité du film vis-à-vis des cellules humaines permet une application cliniquement pertinente pour prévenir les infections sur les cathéters. Des dimères à base de cateslytine de différentes longueurs et un dendrimère ont été synthétisés afin d'améliorer l'activité biologique du peptide d'origine, i.e. ses propriétés antimicrobiennes et antiinflammatoires. Afin d’élaborer des films antimicrobiens mécaniquement robustes, le polyuréthane (polymère entrant dans la composition des cathéters) a été fonctionnalisé par une couche de polydopamine qui peut ensuite réagir avec des groupements thiol ou amine, permettant la fixation covalente des films de polysaccharides antimicrobiens réticulés étape par étape. / The surface of a material is the privileged location, where the interactions between the material and its environment take place. In the field of biomaterials, the challenge is to control these interactions. A very versatile coating technique is the layer-by-layer deposition, which consists in the alternated deposition of polyanions and polycations. The cohesion of polyelectrolyte multilayer films is primarily ensured by electrostatic interactions but was extended to other driving forces such as host-guest interactions. Our work was constituted of two main parts.In the first part, the buildup of neutral polymer multilayer films based on host-guest interactions was studied and in particular the influence of β-cyclodextrin/ferrocene interaction strength on the topography of these films. The host-guest interaction strength was first modulated by involving different guests (adamantane, ferrocene and pyrene) in the buildup. Then, β -cyclodextrin/ferrocene interaction strength was tuned by the presence of different types and concentrations of salts during the multilayer buildup. Intermediate interaction strength seems to be required to form continuous films, whereas, if too low, the interaction strength limits the film buildup.In the second part, motivated by the fact that the prevention of pathogen colonization of implantable medical devices constitutes a major medical and financial issue, polyelectrolyte multilayers were used as tools to develop new antimicrobial coatings. Polysaccharide multilayer films containing cateslytin, an antimicrobial peptide, fully inhibited in 24h the development of Candida albicans and Staphylococcus aureus, which are common and virulent pathogens agents encountered in care-associated diseases. The release of the antimicrobial peptides was triggered by the enzymatic degradation of the film due to the pathogens themselves introducing the concept of self-defensive coating. The non-cytotoxicity of the film, towards human cells, highlights a medically relevant application to prevent infections on catheters. Different cateslytin based dimers with various lengths and one dendrimer were synthesized in order to improve the bioactivity of the original peptide, i.e. antimicrobial and anti-inflammatory properties. In order to obtain mechanically robust antimicrobial films, polyurethane (polymer that composes catheters) was functionalized with a polydopamine layer that can further react with thiol or amine groups, allowing the covalent attachment of step-by-step cross-linked antimicrobial polysaccharide films.