Depuis de nombreuses années, l’utilisation d’enzyme pour la synthèse de polymères naturels ou synthétiques a largement été développée en tant que procédé alternatif plus vert et plus respectueux de l’environnement. En effet, comparée aux méthodes conventionnelles de synthèse, les enzymes offrent une sélectivité élevée, une capacité à réagir dans des conditions de réaction douces, ainsi que la possibilité de recyclage du biocatalyseur. D’autre part, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) sont des matériaux synthétiques avec des propriétés de reconnaissance moléculaire spécifique envers une molécule cible. Récemment, les MIPs ont été utilisés dans les applications environnementales et biomédicales de part leur propriétés de reconnaissance moléculaire, leur spécificité et sélectivité. Cependant, leur application reste limitée en raison de leur faible biocompatibilité et de la présence de résidu de polymérisation potentiellement nocif. Ce travail de thèse a pour objectif de proposer une méthode alternative pour la synthèse de MIPs basée sur le concept de chimie verte. La peroxydase de raifort (HRP) est utilisée pour initier la co-polymérisation en milieux aqueux de monomères fonctionnels méthacrylates et d’agents réticulants en catalysant la génération des radicaux libres. Différents hydrogels ont été synthétisés et caractérisés, en particulier une cytotoxicité plus faible a été obtenue comparée à celle des polymères synthétisés traditionnellement. La synthèse a été optimisée afin de pouvoir contrôler la taille des particules et le rendement de polymérisation. Des MIPs sous forme de nanoparticules ont été préparés en milieu aqueux pour plusieurs molécules de faible poids moléculaire ainsi que pour des protéines par polymérisation radicalaire libre initiée par HRP. L’effet de la méthode d’initiation a été évalué en comparant les propriétés de ces MIPs à ceux préparées par les méthodes traditionnellement. L’immobilisation de l’HRP a été aussi effectuée pour synthétiser des hydrogels et des MIPs. L’enzyme immobilisée a pu être réutilisée pour synthétiser des MIPs avec les mêmes performances en termes de morphologie, rendement, spécificité et sélectivité. Ces nouveaux matériaux offrent de nombreuses perspectives pour des applications environnementales et biomédicales. / Enzyme-catalyzed synthesis of natural and synthetic polymers has been developed since several decades, as an eco-friendly process. Compared to the conventional methods, enzymes offer high selectivity, ability to operate under mild conditions and to recycle the catalyst. On the other hand, molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic materials with specific recognition properties for target molecules. They have recently attracted increasing attention in environmental and newly in biomedical applications for their specificity and selectivity. However, concerns about MIP toxicity for human and environment safety are of great importance. Herein, carrying forward the concept of green chemistry, an enzyme-mediated synthesis approach is described to prepare molecularly imprinted nanoparticles (MIP-NPs) in aqueous media. Horseradish peroxidase (HRP) is used to initiate the polymerization of methacrylate-based monomers and cross-linkers by catalyzing the generation of free radicals. Different hydrogels are synthesized and characterized. “Greener” hydrogels are obtained with lower cytotoxicity than that of polymers synthesized by traditional way. The hydrogels synthesis is optimized in order to control the particles sizes and polymerization yields. Moreover, water-compatible MIP nanoparticles for the recognition of different small molecules and proteins are prepared in aqueous media by HRP-initiated free radical polymerization and compared to MIPs prepared by the thermal or photopolymerization methods. HRP immobilization is also performed for hydrogels synthesis as well as MIP preparation. The reusability of immobilized enzyme is investigated for the preparation of several MIP batches with the same morphology, yield as well as good specificity and selectivity. We believe that this new synthesis method for MIPs will provide new opportunities to enlarge the use of molecular imprinting technology in biomedical and environmental applications.

Le but de ce travail de thèse est le développement d'un outil miniaturisé basé sur la millifluidique en goutte qui permet de synthétiser et d'étudier en toute sécurité des réactions de polymérisation dans des conditions difficiles ou «extrêmes».À cette fin, le réacteur de polymérisation a été réduit à la taille d'une gouttelette de quelques microlitres. A cette échelle, le microréacteurs goutte a un rapport surface sur volume plus élevé que ceux qui sont couramment obtenus avec des réacteurs discontinus classiques (~ 1500 par rapport à 10). Cette surface importante permet le transfert de chaleur efficace entre le milieu intérieur de la gouttelette (où la réaction chimique a lieu) et le milieu externe, qui est chimiquement inerte. Ici, contrairement à une approche monophasique, les caractéristiques clés d'une goutte miniaturisés permettent : (1) les gouttelettes de haute viscosité interne peuvent circuler normalement sans boucher le canal et (2) la dispersion due à la convection et la diffusion est éliminé car les réactifs sont compartimentées dans les gouttelettes. Comme toutes les gouttelettes se déplacent à la même vitesse, elles ne coalescent pas et il n'y a pas de distribution du temps de résidence. Ceci est particulièrement important étant donné que la viscosité dans des réactions de polymérisation peut augmenter à des milliers de centipoises ou même plus dans le cas des processus de gel.L'utilisation de gouttes comme microréacteurs circulant dans un tube chauffé (1/8’’ dext et 1/16’’ dint) peut permettre d’observer rapidement et en toute sécurité des réactions de polymérisation à différentes conditions. Nous avons choisi d'utiliser des conditions expérimentales où le processus de polymérisation est rapide et exothermique et/ou la viscosité peut être un problème. L'acide acrylique à faible pH et à concentrations élevées est donc un bon candidat pour obtenir un tel comportement. La composition des gouttelettes dépendant uniquement des débits, il est facile d’étudier différentes conditions expérimentales, y compris celles qui ne pouvaient pas être observées dans des réacteurs discontinus conventionnels (i.e. les concentrations de monomère et températures élevées, 40% massique et 90°C).Par ailleurs, couplé avec des systèmes appropriés d'analyse, des données cinétiques de base peuvent être obtenus en ligne à travers la paroi du tube transparent. En utilisant la spectrométrie Raman et l'équivalence temps-espace qui est spécifique à l'utilisation de dispositifs micro-et millifluidique à base de gouttes, nous avons été capables de suivre la conversion du monomère en fonction du temps. Ainsi, nous avons obtenu une cinétique d'ordre 4/3 en fonction de la concentration initiale en monomère et une demi-dépendance avec la concentration initiale de l'amorceur. Nous avons également pu mesurer une énergie d'activation globale de la vitesse de polymérisation entre 68°C et 90°C.En conclusion, la millifluidique et goutte semble être une approche prometteuse pour le criblage haut débit, l’analyse, et l’obtention de données cinétique de base en synthèse de polymères. / The aim of this thesis work is the development of a miniaturized droplet-based millifluidic tool which allows to safely synthesize and investigate polymerization reactions in harsh or “extreme” conditions.For this purpose, the polymerization reactor was reduced to the size of a droplet of a few microliters. At this scale, the droplet microreactor has a surface to volume ratio higher than those commonly obtained with conventional batch reactors (~1500 compare to 10). This important surface allows efficient heat transfer between the internal medium of the droplet (where the chemical reaction takes place) and the external one, which is chemically inert. Here, in contrast to single-phase flows, other key characteristics to a miniaturized droplet-based approach consist in: (1) droplets can manage high internal viscosity issues without plugging the channel and (2) dispersion due to convection and diffusion is eliminated because the reactants are compartmentalized within droplets. Since all droplets move at the same speed, they do not coalesce and there is no residence time distribution. This is particularly important since viscosity in polymerization reactions can increase to thousand of centipoises or even higher in the case of gel processes.The use of droplets as batch microreactors flowing within a heated tube (1/8 in. o.d. and 1/16 in. i.d.) can allow investigating quickly and safely polymerization reactions at different conditions. We choose to use experimental conditions where fast and exothermic polymerization process occurs and/or viscosity can be an issue. Acrylic acid at low pH and high concentrations is hence a good candidate to obtain such behavior. Since droplet composition depends only on flow rates, it was easy to screen different experimental conditions, including those which could not be used in conventional batch reactors (i.e., high monomer concentrations and temperatures; 40% w/v and 90 °C).Moreover, coupled with appropriate and sensitive analytical systems, basic kinetic data can be obtained in line through the wall of the transparent tube. By using Raman spectrometry and the time-space equivalence which is specific to the use of droplet-based micro- and millifluidic devices, we were capable to monitor molar conversions and monomer concentrations as a function of time. Thus, we verified the 4/3 order kinetics in initial monomer concentration and a 1/2 dependence in initial initiator concentration. We also able measured the overall activation energy for the rate of polymerization between 68°C to 90°C.In conclusion, droplet-based millifluidics seems to be a promising high throughput screening approach for investigating kinetics and possibly tailoring polymer properties.