Dans le cadre d'un projet de modélisation multi-échelle des propriétés mécaniques des polymères semi-cristallins, nous avons entrepris au cours de cette thèse une étude à l'échelle moléculaire. Les polymères semi-cristallins se caractérisent par la coexistence de phases cristalline et amorphe et la modélisation à l'échelle moléculaire de ces matériaux est un défi scientifique. En effet, l'observation expérimentale d'une interface entre le cristal et l'amorphe est encore impossible. Il est donc nécessaire de réaliser des hypothèses pour la construction de cette interface. Par ailleurs, les dimensions des molécules étudiées, les temps de relaxation associés à leur dynamique et la différence de structure entre les phases constituent des difficultés supplémentaires pour la représentation aux échelles de taille et de temps de la modélisation moléculaire. Ce travail a été structuré selon deux axes de recherche : la construction d'un modèle moléculaire de polymère semi-cristallin et la validation de différentes méthodes de calcul des constantes élastiques à l'aide de la simulation moléculaire. L'originalité de ce travail a été, d'une part, la réalisation d'une étude comparative des différentes méthodes de calcul utilisées, et d'autre part, la construction d'un modèle prenant explicitement en compte l'interface entre les phases cristalline et amorphe. / As part of a project aiming to predict mechanical properties of semicrystalline polymers using multi-scale models, we did a numerical study at the molecular level during this thesis. Semicrystalline polymers are special in that they contain two phases: one crystalline and one amorphous. This makes their molecular modelling an actual scientific challenge. The interface between the phases is still not directly observable through experiment and in order to build a model of this interface, many assumptions and hypotheses are to be done. Furthermore, the length of the molecules, relaxation times associated with their dynamics and the difference of internal structure between the phases are parameters that have to be taken into consideration because of the typical scales of time and space in molecular simulation. This work is built along two axes: the construction of a molecular model for semicrystalline polymer and a review of the methods that are proposed to compute mechanical properties at the molecular scale. The originality of this work is, on the one hand, the comparative benchmark of the different computation methods, and, on the other hand, the making of a molecular model which takes explicitly in account the interface between amorphous and crystalline phases.

L’objectif général de cette thèse était d’identifier les mécanismes moléculaires du frottement d’un fluide de polymère sur une surface solide à partir de l’écart à la condition de vitesse nulle à la paroi.La première partie de cette thèse a consisté à développer une nouvelle méthode de mesure du glissement des liquides de polymère par suivi d’un motif photolysé dans un fluide fluorescent. Cette méthode, qui est une évolution de celle utilisée précédemment dans le groupe, donne directement accès au champ de déplacement du fluide lors de l’écoulement. À l’aide de ce nouveau dispositif, nous avons étudié expérimentalement l’effet de la nature de la surface, de la viscosité du liquide et de la température sur le glissement de fondus de polymère (T>Tg). Il est apparu que l’effet de glissement est contrôlé par la viscosité des fondus et par un coefficient de frottement à l’interface qui ne dépend que des natures moléculaires du liquide et de la surface. En particulier, ce coefficient de frottement est le même pour un fondu ou pour un élastomère constitué du même polymère. La dépendance en température de cet effet est fixé par la différence des énergies d’activation des processus activés que sont la viscosité du liquide et le frottement sur la surface solide. Nous avons également étudié le cas des solutions concentrées de polymère pour lesquelles le mécanisme du frottement est différent. En effet nous avons montré que le coefficient de frottement n’est plus une grandeur locale et dépend de la concentration de la solution. Enfin nous nous sommes intéressés à l’évolution temporelle de la transition de glissement dans les fondus et les solutions causée par la présence de chaînes de polymère adsorbées sur les parois. / The goal of this work was to identify the molecular mechanisms governing the friction of a polymeric liquid on a solid surface by studying the deviation from the no-slip boundary condition.First, we developed a new method of measurement of slip of a polymeric liquid based on the observation under shear of a pattern photobleached in a fluorescent fluid. This method, which is an evolution of one already used in the group, give a direct access to the displacement field of the liquid under shear. Using this setup, we studied experimentally the effect of the chemical nature of the surface, of the liquid viscosity and of the temperature on the slip of polymer melt (T>Tg). It appeared that the slip effect is governed by the viscosity of the liquid and a friction coefficient which depends only on the chemical natures of the liquid and the surface. In particular this coefficient is the same for a melt and for an elastomer made of the same polymer. The temperature dependence of this effect is characterized by the difference of activation energy of viscosity of the liquid and of the friction on the solid surface that both are activated processes. We also studied the case of concentrated polymer solutions for which the molecular mechanism of friction differs. Indeed we showed that the friction coefficient is no longer a local quantity and depends on the concentration. Finally, we investigated the evolution over time of the slip transition of polymer melts and solutions which is due to the adsorption of polymer chains on the solid walls.

Le but de cette étude est d’exploiter les fonctionnalités des nano-Composites Polymères Conducteurs (CPC) imprimés en utilisant la technologie FDM (modélisation par dépôt de monofilament en fusion) pour le développement de textiles fonctionnels et intelligents. L’impression 3D présente un fort potentiel pour la création d’une nouvelle classe de nanocomposites multifonctionnels. Par conséquent, le développement et la caractérisation des polymères et nanocomposites fonctionnels et imprimables en 3D sont nécessaires afin d’utiliser l’impression 3D comme nouveau procédé de dépôt de ces matériaux sur textiles. Cette technique introduira des procédés de fonctionnalisation de textiles plus flexibles, économes en ressources et très rentables, par rapport aux procédés d'impression conventionnels tels que la sérigraphie et le jet d'encre. L’objectif est de développer une méthode de production intégrée et sur mesure pour des textiles intelligents et fonctionnels, afin d’éviter toute utilisation d'eau, d'énergie et de produits chimiques inutiles et de minimiser les déchets dans le but d’améliorer l'empreinte écologique et la productivité. La contribution apportée par cette thèse consiste en la création et la caractérisation de filaments CPC imprimables en 3D, le dépôt de polymères et de nanocomposites sur des tissus et l’étude des performances en termes de fonctionnalité des couches de CPC imprimées en 3D. Dans un premier temps, nous avons créé des filaments de CPC imprimables en 3D, notamment des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT) et du noir de carbone à haute structure (Ketjenblack) (KB), incorporés dans de l'acide polylactique (PLA) à l'aide d'un procédé de mélange à l'état fondu. Les propriétés morphologiques, électriques, thermiques et mécaniques des filaments et des couches imprimées en 3D ont été étudiées. Deuxièmement, nous avons déposé les polymères et les nanocomposites sur des tissus à l’aide d’une impression 3D et étudié leur adhérence aux tissus. Enfin, les performances des couches de CPC imprimées en 3D ont été analysées sous tension et force de compression appliquées. La variation de la valeur de la résistance correspondant à la charge appliquée permet d’évaluer l'efficacité des couches imprimées en tant que capteur de pression / force. Les résultats ont montré que les nanocomposites à base de PLA, y compris MWNT et KB, sont imprimables en 3D. Les modifications des propriétés morphologiques, électriques, thermiques et mécaniques des nanocomposites avant et après l’impression 3D nous permettent de mieux comprendre l’optimisation du procédé. De plus, différentes variables du procédé d’impression 3D ont un effet significatif sur la force d'adhérence des polymères et des nanocomposites déposés sur les tissus. Nous avons également développé des modèles statistiques fiables associés à ces résultats valables uniquement pour le polymère et le tissu de l’étude. Enfin, les résultats démontrent que les mélanges PLA/MWNT et PLA/KB sont de bonnes matières premières piézorésistives pour l’impression 3D. Elles peuvent être potentiellement utilisées dans l’électronique portable, la robotique molle et la fabrication de prothèses, où une conception complexe, multidirectionnelle et personnalisable est nécessaire. / The aim of this study is to get the benefit of functionalities of fused deposition modeling (FDM) 3D printed conductive polymer nanocomposites (CPC) for the development of functional and smart textiles. 3D printing holds strong potential for the formation of a new class of multifunctional nanocomposites. Therefore, development and characterization of 3D printable functional polymers and nanocomposites are needed to apply 3D printing as a novel process for the deposition of functional materials on fabrics. This method will introduce more flexible, resource-efficient and cost-effective textile functionalization processes than conventional printing process like screen and inkjet printing. The goal is to develop an integrated or tailored production process for smart and functional textiles which avoid unnecessary use of water, energy, chemicals and minimize the waste to improve ecological footprint and productivity. The contribution of this thesis is the creation and characterization of 3D printable CPC filaments, deposition of polymers and nanocomposites on fabrics, and investigation of the performance of the 3D printed CPC layers in terms of functionality. Firstly, the 3D printable CPC filaments were created including multi-walled carbon nanotubes (MWNT) and high-structured carbon black (Ketjenblack) (KB) incorporated into a biobased polymer, polylactic acid (PLA), using a melt mixing process. The morphological, electrical, thermal and mechanical properties of the 3D printer filaments and 3D printed layers were investigated. Secondly, the performance of the 3D printed CPC layers was analyzed under applied tension and compression force. The response for the corresponding resistance change versus applied load was characterized to investigate the performance of the printed layers in terms of functionality. Lastly, the polymers and nanocomposites were deposited on fabrics using 3D printing and the adhesion of the deposited layers onto the fabrics were investigated. The results showed that PLA-based nanocomposites including MWNT and KB are 3D printable. The changes in morphological, electrical, thermal, and mechanical properties of nanocomposites before and after 3D printing give us a great understanding of the process optimization. Moreover, the results demonstrate PLA/MWNT and PLA/KB as a good piezoresistive feedstock for 3D printing with potential applications in wearable electronics, soft robotics, and prosthetics, where complex design, multi-directionality, and customizability are demanded. Finally, different variables of the 3D printing process showed a significant effect on adhesion force of deposited polymers and nanocomposites onto fabrics which has been presented by the best-fitted model for the specific polymer and fabric.

La recherche concernant l’utilisation de nanoparticules dans le domaine médical a connu un essor considérable ces vingt dernières années, notamment dans le cadre du traitement du cancer. En particulier, l’effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques a été beaucoup étudié en radiothérapie, dans une perspective de réduction des effets secondaires générés par l’irradiation des tissus sains autour de la tumeur. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à des nanoparticules d’or greffées d’une couronne polymère. Celle-ci assure une grande stabilité des objets, tout en permettant de faire varier leurs propriétés physico-chimiques et d’en étudier l’impact sur leur comportement. Les polymères utilisés sont des polyméthacrylates, obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée, qui jouent le rôle de ligands lors de la synthèse des nanoparticules d’or. Nous avons pu faire varier deux paramètres, la masse molaire et la nature chimique des (co)polymères, afin de constituer une gamme de nano-objets aux propriétés différentes. Une caractérisation approfondie, notamment par diffusion de rayonnements aux petits angles, a mis en évidence une structure similaire pour l’ensemble des objets synthétisés. Un agent de chimiothérapie, la doxorubicine, et deux protéines ont en outre pu être greffés sur les ligands polymères. Les interactions de ces différentes nanoparticules avec les systèmes biologiques ont été étudiées de manière détaillée, en particulier l’impact des propriétés de la couronne polymère. Quatre aspects ont été examinés : la stabilité colloïdale en milieux biologiques, la capacité à diffuser dans la matrice extracellulaire, la captation cellulaire et la cytotoxicité. Tous les ligands étudiés assurent une bonne stabilité. Concernant les autres aspects, la comparaison systématique des résultats obtenus pour la gamme d’objets a permis de mettre en évidence un fort impact de la nature de la couronne polymère, notamment de la présence de charges positives ou de segments hydrophobes. Nous avons également montré que les propriétés de toxicité de la doxorubicine, et de captation accrue d’une protéine étaient bien conservées après greffage. Dans une perspective d’utilisation en radiosensibilisation, nous avons enfin étudié le comportement de nos nanoparticules sous irradiation. Une bonne stabilité de leur structure a été observée sous rayonnement, et leur association à l’iode 131 (radiothérapie interne) a montré un fort effet radiosensibilisant, à la fois in vitro et in vivo. Les résultats des essais menés en protonthérapie (radiothérapie externe) mettent cependant en évidence des différences de comportements selon le type d’irradiation. Nous avons également exploré la possibilité de détecter les nanoparticules in situ, lors d’une irradiation en protonthérapie, grâce à l’analyse des rayons X émis. / These past twenty years, there has been a great increase in the number of studies concerning the use of nanoparticles for medical applications, especially for cancer treatment. In particular, radiosensitizing effects of metal nanoparticles have been studied a lot in radiotherapy, in order to reduce the side effects created by the irradiation of healthy tissues surrounding the tumor. In this work, we focused on polymer-grafted gold nanoparticles. The polymer corona both ensured a great stability of the objects and allowed to change their physico-chemical properties, in order to study their impact on the nanoparticles behavior. We used polymethacrylates which were obtained through controlled radical polymerization and acted as ligands during the gold nanoparticles synthesis. A library of nano-objects with different properties was established by varying both molar mass and chemical nature of (co)polymers. Thorough characterization, including by small-angle radiation scattering, revealed similar structures for all synthesized objects. Grafting of one chemotherapy agent, doxorubicin, and two proteins was also performed on polymer ligands. Interactions between these various nanoparticles and biological systems were studied in detail. Special attention was given to the impact of polymer corona properties. Four aspects were examined: colloidal stability in biological media, ability to diffuse inside the extracellular matrix, cellular uptake, and cytotoxicity. All studied ligands ensured a great stability. Regarding the other aspects, systematic comparison of the results obtained for the whole library highlighted a strong impact of the ligands nature, especially the presence of positive charges or hydrophobic segments. We have also shown that grafted doxorubicin and protein kept their toxic and targeting properties respectively. Lastly, the prospect of using these nanoparticles for radiosensitization led us to study their behavior under radiations. When irradiated, their structure was found stable. Combining them with radioiodine (internal radiotherapy) showed a great radiosensitizing effect, both in vitro and in vivo, but experiments with protontherapy (external radiotherapy) revealed different behaviors depending on the type of radiations. We also investigated the use of particle-induced X-ray emission to detect nanoparticles in situ, during protontherapy treatment.

Les hydrogels de Polyacrylamide (PAAM) hydrolysés sont des matériaux électroactifs biocompatibles non biodégradables. Ils possèdent des propriétés très proches de celles du muscle naturel et leur mode opérationnel basé sur la diffusion d’ions est similaire à celui existant dans les tissus musculaires naturels. Compte tenu de ces caractéristiques, ces hydrogels sont de bons candidats pour la conception de nouveaux muscles artificiels. Le problème qui limite leur utilisation réside dans leur temps de réponse qui reste encore inférieur à celui du système de fibres musculaires naturelles. Leur fonction actuatrice est limitée par le phénomène de diffusion en raison de leur structure massique qui est à l’origine de cycles de fonctionnement relativement lents. Dans le but de développer un nouveau système artificiel mimant le comportement du muscle squelettique naturel cette étude se divise en deux grandes étapes. La première étape vise le développement d’une étude de la synthèse de l’hydrogel de PAAM et de son mode de fonctionnement. Dans cette étude les effets des paramètres gouvernant la polymérisation sur les propriétés des hydrogels sont évalués. Les propriétés électrochimiques et le mécanisme d’activation des actuateurs soumis à une excitation électrique sont étudiés et le mode de fonctionnement des actuateurs est caractérisé et expliqué. La seconde étape est la proposition et le développement d’une nouvelle architecture de muscle artificiel à base de PAAM. Cette architecture consiste en une structure fibreuse du gel encapsulée par une couche en gel conducteur jouant le rôle d’électrodes. La structure fibreuse permet au système d’exhiber une réponse rapide et la couche en gel améliore ses propriétés mécaniques. Comme un premier pas dans la réalisation du modèle nous avons mis en place un nouveau procédé basé sur la technique d’électrofilage qui permet la génération de fibres linéairement disposées. En utilisant ce processus nous avons réussi à fabriquer des microfibres de PAAM réticulées, électroactives montrant des réponses rapides. / Hydrolyzed Polyacrylamide (PAAM) hydrogels are electroactive, biocompatible and non-biodegradable materials. Their main attractive characteristic is their operative similarity with biological muscles and particularly their life-like movement. They suit better the artificial muscle fabrication despite their response time which stays low compared to natural human muscle due to their bulky structure and due to the kinetics of the size dependence of their volume change. In order to copy the natural skeletal muscle design into a new artificial muscle system this study is divided into two steps. The first step is the development of a comprehensive study of the hydrogel itself in order to obtain the elementary background needed for the design of actuating devices based on this material. The effect of polymerization parameter on the hydrogel properties is investigated. The electrochemical properties and actuation mechanisms of the hydrogel is studied, the bending of PAAM actuators induced by electric field is discussed and a mechanism for the bending phenomenon is proposed. The second step is the proposition of a new artificial muscle architecture based on PAAM hydrogel. The model consists on a fiber like elements of hydrolyzed PAAM, working in parallel, embedded in a thin conducting gel layer which plays the role of electrodes. The fiber-like elements enable the system to exhibit relatively rapid response and the gel layers enhance their mechanical properties. Aiming to realize the model we have put in place a new electrospinning setup which is a modified process for the production of micro to nanofibers via electrostatic fiber spinning of polymer solutions. The main advantage of this technology is to produce aligned electrospun fibers over large areas by simple and a low cost process making it possible to produce fiberbased devices efficiently and economically. Using this setup, we succeeded in the fabrication of electroactive crosslinked hydrogel microfibers that can achieve fast electroactive response

La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la miscibilité de trois systèmes de polymères [styrène-anhydride maléique (SMA)/(styrène-acrylonitrile (SAN 17 et SAN29)) et SMA/poly(méthyl méthacrylate) (PMMA)l en utilisant les techniques de la calorimétrie différentielle (DSC) et de la fluorescence. Les deux copolymères styrèneacrylonitrile (SAN 17 et SAN29) ont respectivement 17 et 29% en poids d'acrylonitrile. Le traceur de fluorescence utilisé est un SMA marqué à l'anthracène (SMA-An). Les résultats ont montré que l'intensité du signal de fluorescence du système SMA/SAN17 varie en fonction de la composition presque linéairement entre celles des composants purs SMA et SAN 17, ce qui est une caractéristique d'un système miscible. Cependant, pour le système SMA/SAN29, l'intensité du signal de fluorescence est plus élevée que celles des composants purs SMA et SAN29, une caractéristique d'un système immiscible. Cette immiscibilité mène à une accumulation du traceur SMA-An dans la phase SMA et par conséquent à une augmentation de l'intensité de fluorescence du système SMA/SAN29. La miscibilité du système SMA/PMMA a été caractérisée dans ce travail par des mesures d'extinction de fluorescence de l'anthracène en présence d'anhydride succinique et ainsi que par l'usage des fonctions acide succinique greffées sur la chaîne moléculaire même de SMA. La seconde partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la miscibilité de trois systèmes de polymères [SMA8 (8wt% de MA)/polystyrène (PS), SMA 14 (14wt% de MA)/SAN et PMMA/ poly(méthyl méthacrylate-co-éthyl acrylate)(PMMAEA)] dans une extrudeuse bi-vis (TSE) en se basant sur la distribution des temps de séjour (RTD) caractérisée par la technique de fluorescence. Deux traceurs de fluorescence ont été utilisés dans cette étude, SMA8-An et SMA 14-An. La RTD donne non seulement l'histoire des temps de séjours des composants du mélange à l'intérieur de la TSE, mais également leur degré de malaxage. Le temps de séjour moyen (t ), le nombre de Peclet (Pe) et l'intensité du signal de fluorescence ont été caractérisés en fonctions de la composition des trois systèmes ci-dessus. Pour les deux systèmes miscibles, SMA14/SAN et PMMA/PMMAEA, t est dépendant de la composition des deux systèmes alors qu'il ne l'est pas pour le système immiscible, SMA8/PS. Le nombre de Pe, qui est une mesure de la qualité de la dispersion le long de Textrudeuse, présente une déviation négative par rapport à la règle d'additivité pour le système miscible (c-à-d, un meilleur malaxage) et une déviation positive pour le système immiscible (c-à-d, moins de malaxage). L'effet de la réaction d'imidization partielle du SMA8 avec de l'aniline (SMI est le produit de la réaction) sur sa miscibilité avec le poly(vinyl méthyl éther) (PVME) et le PMMA a aussi été étudié. Il a été observé que les systèmes SMI/PVME et SMI/PMMA possèdent une température de solution critique inférieure (LCST). L'imidization du SMA8 augmente la température de séparation de phases du mélange de SMA/PVME et diminue celle du système SMA/PMMA. La dernière partie de cette thèse concerne la caractérisation en ligne du taux de greffage du polypropylène (PP) greffé anhydride maléique (PP-g-MAH) par le procédé d'extrusion réactive. En premier temps, l'extinction de fluorescence des pluorophores phénanthrène (Ph) et anthracène (An) par l'anhydride maléique et l'anhydride n-octadécenylsuccinique (ODSA) a été étudiée à l'état solide dans des films de PP et en solution dans le chloroforme. L'ODSA a été choisi comme composé modèle pour le PP-g-MAH car l'émission en fluorescence Ph dans les films de PP est atténuée plus efficacement par l'ODSA que par le MAH. Ceci peut être relié à la plus grande miscibilité du Ph avec l'ODSA qu'avec le MAH. La mesure en-ligne du taux de greffage de réaction PP-g-MAH a été ensuite réalisée sur une extrudeuse bi-vis. Un autre traceur, le fluoranthene (FA), a été choisi pour les raisons suivantes: (a) sa basse efficacité d'extinction par le MAH, (b) il ne présente aucune réaction avec le MAH, (c) il possède une intensité d'émission plus élevée que celle du Ph. La mesure a été fondée sur l'hypothèse que l'émission de fluorescence du FA a été éteinte par la molécule résiduelle et libre de MAH mais pas éteinte par le MAH greffé dans l'écoulement le long de l'extrudeuse.

L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle technique basée sur l'imagerie nucléaire pour mesurer à haute sensibilité et en temps réel la perméation de substances (molécules ou nanoparticules) à travers des polymères et des membranes biologiques. Les gants de polymère sont utilisés comme équipements de protection individuelle dans de nombreux domaines d'activité professionnelle où les risques chimiques sont présents. L'efficacité des gants à bloquer le passage de certaines substances est mesurée par des dispositifs dédiés appelés cellules de diffusion (DFC). Ces dispositifs sont constitués d'un compartiment donneur (DC) et d'un compartiment accepteur (AC), séparés par une membrane. Habituellement, la perméation des substances à travers les membranes est mesurée en prélevant des échantillons dans l'AC à différents moments, afin de révéler les profils de perméation à partir desquels les paramètres clés de perméation peuvent être extraits. Cependant, lorsqu'il faut mesurer le passage de faibles concentrations de composés potentiellement toxiques (par exemple, des pesticides ou des agents de chimiothérapie), ou de nanoparticules (NPs), les limites de détection des techniques analytiques actuelles sont généralement insuffisantes pour révéler leur profil de perméation avec précision. Il est donc difficile d'extraire les paramètres de perméation tels que le temps de latence, l'influx et les coefficients de diffusion. Afin de mesurer de manière précise et quantitative les paramètres cinétiques décrivant le passage de substances (molécules ou NPs) à travers des membranes polymériques et des membranes biologiques, il est nécessaire de développer une DFC utilisant un mode de détection avec un très haut degré de sensibilité et permettant des mesures en continu. Dans ce projet de recherche, une nouvelle technologie a été développée sous la forme d'une DFC adaptée à l'imagerie nucléaire. La tomographie par émission de positrons (TEP) permet la détection de molécules et de NPs avec un degré de sensibilité bien supérieur aux méthodes spectroscopiques et spectrométriques habituellement employées pour la détection des processus de perméation. Des études de diffusion des petites molécules radiomarquées à travers des membranes de dialyse ont d'abord été réalisées, afin de prouver le concept de cette nouvelle technologie. Ensuite, la perméation de NPs radiomarquées à travers des gants et des membranes biologiques a été évaluée. Les nanoparticules d'or (AuNPS) ont été utilisées comme type de contaminant car ce type de produit, de plus en plus utilisé en médecine, est particulièrement difficile à détecter par les techniques de mesure habituelles dans les tests de perméation. Les données acquises au cours de ces études ont permis de mettre en évidence des profils de perméation de NPs avec une très haute résolution temporelle, et une sensibilité de détection permettant de calculer tous les principaux paramètres décrivant la perméation des contaminants à travers les membranes (coefficient de diffusion, temps de latence, taux de perméation, etc). Cette technologie pourrait être utilisée pour évaluer la diffusion de matières dangereuses à travers les gants utilisés comme équipement de protection. La diffusion d'ingrédients actifs à partir de formulations topiques, buccales et ophtalmiques, ainsi que la diffusion de produits cosmétiques appliqués sur la peau, pourront aussi être étudiées. / The objective of this project is to develop a new measurement technique based on nuclear imaging, to measure at high sensitivity and in real-time, the permeation of substances (molecules or nanoparticles) through polymers and biological membranes. Polymer gloves are used as personal protective equipment in many areas of professional activity where chemical risks are present. The effectiveness of polymers in blocking the passage of certain substances is measured by dedicated devices known as diffusion cells (DFC). These devices are made of a donor (DC) and an acceptor (AC) compartment, separated by a membrane. Usually, the permeation of substances across membranes is measured by sampling from the AC at different time points, to reveal permeation profiles from which key permeation parameters can be extracted. However, for measuring the passage of low concentration of potentially toxic compounds (e.g. pesticides or chemotherapy agents), or nanoparticles (NPs), the detection limits of current analytical techniques are generally insufficient to reveal their permeation profile accurately. Thus, itis hard to extract permeation parameters as the lag time, the influx, and diffusion coefficients. In order to accurately and quantitatively measure the kinetic parameters describing the passage of substances (molecules or NPs) through polymeric and biological membranes, it is necessary to develop DFCs using a high sensitivity detection modality that allows continuous measurements. In this research project, a new technology was developed in the form of a DFC adapted to nuclear imaging. Nuclear imaging such as positron emission tomography (PET) allows the detection of molecules and NPs with a degree of sensitivity far superior to the spectroscopic and spectrometric methods usually employed for the detection of permeation processes. Diffusion studies of small molecular weight radiolabeled molecules across dialysis membranes was first performed, to prove the concept of this novel technology. Then, the permeation of radiolabeled NPs through gloves and biological membranes was evaluated. Gold nanoparticles (AuNPs) were used as a type of contaminant because they are increasingly used in medicine and because it is particularly difficult to detect them by the usual measurement techniques in permeation tests. The data acquired during these studies allowed to reveal NP permeation profiles with a very high temporal resolution, at a detection sensitivity allowing to calculate all the main parameters describing the permeation of contaminants through membranes (lag time, permeation rate, diffusion coefficient, etc). The technology could be used to assess the diffusion of hazardous materials through gloves used as protective gear, as well as the diffusion of active ingredients and NPs from topical, buccal and ophthalmic drug formulations, as well as the diffusion of cosmetic products applied to the skin.

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d'orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée. / This thesis describes fabrication steps and characterization results of biological tissue models prepared by using liquid crystals and polymers that control the diffusion and transmission of light by an electric field. This electric field creates a change of the orientation of liquid crystal molecules, which induces local variations of the refractive index in these materials. We used this control of the refractive index to control the level of dissemination and transmission in different types of samples. The samples used are made of a) pure liquid crystals, b) polymer spheres in a liquid crystal environment, c) liquid crystals or liquid crystal droplets in a polymer environment. The work carried out allowed us to propose an electro-optic method for simulating, using liquid crystals, scattering media such as biological tissues. In the research models, we showed that it is possible to control the frequency of the electric field of the liquid crystal droplets dispersed in a polymer matrix containing lithium ions. Selective sensitivity to the frequency of the applied voltage depending on the size of the droplets is observed. Subsequently, we demonstrated the effect of interferential "quenching" of scattering for a coherent optical probe by studying nonaligned liquid crystal matrix models (clustered) of liquid crystals. We have also demonstrated potential applications of this phenomenon such as wavelength filtering by adjusting an electric field. We then demonstrated that the use of liquid crystals - called "dual-frequency" - allows rapid modulation of states or structures of the material and the transmission and scattering of light thereof. Finally, we also found that these models can be checked to find the degree of polarization of scattered light.

La méthylation de l’ADN est l’un des facteurs épigénétiques les plus étudiés dans le cadre du dépistage de cancer. Détecter la méthylation de certains promoteurs de gènes permettrait d’identifier un cancer en particulier et d’améliorer, ainsi, le diagnostic lors de l’apparition de cellules cancéreuses. Plusieurs techniques ont été développées dans cette voie mais très peu sont basées sur une détection via des polymères conjugués. La majorité de ces techniques reposent sur une étape de PCR (Polymerase Chain Reaction) qui amplifie le nombre de copies d’ADN. L’utilisation de polymères conjuguée, notamment du poly(3-alkoxy-4-méthylthiophène) permettrait un affranchissement de cet étape due aux propriétés optiques associées aux changements conformationnels de ce dernier. Ce polymère a déjà fait ses preuves autant en détection d’éléments pathogènes (détection de séquences précises) qu’en études conformationnelles (détection de G-quadruplex). Ce mémoire traite de deux approches distinctes pour la détection d’ADN méthylé. La première approche se base sur l’impact de la méthylation d’ADN sur le polymère lui-même et l’étude de ces impacts par diverses techniques de caractérisation. La deuxième approche se penche sur la détection de séquence d’ADN modifiée artificiellement par un traitement au bisulfite de sodium. Ainsi, deux méthodes ont été abordées pour obtenir une détection d’ADN méthylé efficace et reproductible à des fins de diagnostics de cancer.

Le polydioxanone est un polymère cristallin et bioabsorbable qui a été développé pour une utilisation médicale, spécifiquement pour la réalisation de points de sutures. Il présente une meilleure combinaison de propriétés mécaniques (souplesse, résistance et extensibilité) par rapport à d'autres fibres synthétiques. Ce polymère a fait fobjet de plusieurs études fondamentales qui visaient à en connaître plus sur ses propriétés physico-chimiques. Au cours de nos travaux, nous avons utilisé deux techniques expérimentales, soit la diffraction des rayons X et la microspectroscopie Raman, afin de caractériser quantitativement l'orientation des chaînes dans la fibre et obtenir des informations sur leur conformation dans la phase cristalline. Parallèlement, des méthodes de simulation moléculaire ont été utilisées pour l'étude de la structure cristalline et le repliement des chaînes. La diffraction des rayons X a été employée pour déterminer la période de la fibre et son degré d'orientation. Les clichés de diffraction des rayons X nous ont permis d'identifier directement la valeur de la période de fibre, qui est la réciproque de la distance entre les strates de taches de diffraction observées. Le coefficient de distribution d'orientation P₁₀₀ cham est calculé à partir de l'intensité des taches de diffraction des plans (hkl). Les résultats obtenus indiquent que la valeur de la période de fibre, ou paramètre de maille V est différente de celle attendue pour une conformation entièrement trans coplanaire, ceci indiquant que la conformation de la chaîne n'est pas trans. La valeur de P₁₀₀cham montre que les chaînes dans la fibre sont hautement alignées suivant l'axe de cette dernière et que la distribution des cristaux est unimodale. La spectromicroscopie Raman a été utilisée pour déterminer quantitativement l'orientation des groupements carbonyle dans la fibre. Les paramètres d'ordre P200 et P400 ont été déterminés à partir de la variation de l'intensité de la bande C=0 avec la polarisation de la radiation. Ces paramètres d'ordre ont permis de déterminer la distribution d'orientation la plus probable de la bande C=0. Les résultats indiquent que les groupements carbonyle possèdent une distribution d'orientation gaussienne et sont orientés principalement de façon perpendiculaire à l'axe de la fibre. Une étude des conformations possibles a de plus été menée par la méthode Monte-Carlo. Avec les informations obtenues par les méthodes expérimentales, nous avons proposé une conformation probable des chaînes dans la forme cristalline, soit (tgttg). D'autres études de simulation de la cristallisation ont été effectuées par dynamique moléculaire en utilisant les logiciels Insight // et Discover, dans le but d'obtenir un aperçu des conformations, d'empilements et des repliements des chaînes qui peuvent être présents dans la phase cristalline. Les résultats obtenus montrent que les chaînes ont tendance à former des hélices. Différents repliements des chaînes ont été observés, composés chacun d'une à deux unités de répétition, qui peuvent correspondre à une chaîne adjacente impliquée dans le repliement suivant les différentes plans cristallographiques. Les résultats obtenus au cours de nos travaux ont permis de mieux comprendre l'organisation structurale du polydioxanone. Les travaux effectués ont mis en évidence que la diffraction des rayons X et la spectromicroscopie Raman sont des techniques bien adaptées pour l'étude de la structure cristalline et l'orientation moléculaire des fibres. L'analyse conformationnelle et la dynamique moléculaire sont deux méthodes qui donnent de l'information sur les conformations possibles des chaînes, la déformation induite par la cristallisation et le repliement des chaînes. bable de la bande C=0. Les résultats indiquent que les groupements carbonyle possèdent une distribution d'orientat gaussienne et sont orientés principalement de façon perpendiculaire à l'axe de la fibre. Une étude des conformations possibles a de plus été menée par la méthode Monte-Carlo. Avec les informations obtenues par les méthodes expérimentales, nous avons proposé une conformation probable des chaînes dans la forme cristalline, soit (tgttg). D'autres études de simulation de la cristallisation ont été effectuées par dynamique moléculaire en utilisant les logiciels Insight // et Discover, dans le but d'obtenir un aperçu des conformations, d'empilements et des repliements des chaînes qui peuvent être présents dans la phase cristalline. Les résultats obtenus montrent que les chaînes ont tendance à former des hélices. Différents repliements des chaînes ont été observés, composés chacun d'une à deux unités de répétition, qui peuvent correspondre à une chaîne adjacente impliquée dans le repliement suivant les différentes plans cristallographiques. Les résultats obtenus au cours de nos travaux ont permis de mieux comprendre l'organisation structurale du polydioxanone. Les travaux effectués ont mis en évidence que la diffraction des rayons X et la spectromicroscopie Raman sont des techniques bien adaptées pour l'étude de la structure cristalline et l'orientation moléculaire des fibres. L'analyse conformationnelle et la dynamique moléculaire sont deux méthodes qui donnent de l'information sur les conformations possibles des chaînes, la déformation induite par la cristallisation et le repliement des chaînes.