Two chemical methods, multi-reducing end modification and bleach oxidation, were used to prepare polysaccharide aldehydes and ketones. Their derived hydrogels and microgels were made for potential drug-delivery applications. Polysaccharide aldehydes and ketones are reactive intermediates for adding other functional moieties through chemo selective reactions such as Schiff-base formation or reductive amination. The most widely used method to prepare polysaccharide aldehydes is periodate oxidation. However, this method impacts higher-order polysaccharide structure, decreases degree of polymerization (DP), and increases polysaccharide instability, leading to degraded mechanical properties. Developing a new method to prepare polysaccharide aldehydes while preserving DP, stability, and desirable physical properties is challenging. Inspired by the reactive reducing ends of polysaccharides, which are the anomeric carbons (at the chain end), one per natural polysaccharide molecule, that (for aldose-based polysaccharides) is in equilibrium between a ring-closed hemiacetal and an open-chain aldehyde form, we developed a novel method to prepare polysaccharide aldehydes by attaching monosaccharides to polysaccharide chains. Herein, we describe the approach of attachment through amination between amine group at the C2 position of the monosaccharide and carboxylic acid groups on polysaccharides. In this way, more reducing ends (C1 of the monosaccharide) can be introduced to the polysaccharides. We have chosen to call this new family of polysaccharides "multi-reducing end polysaccharides (MREPs)". We call this method "multi-reducing end modification". We then fabricated injectable, self-healing, fast gelling Schiff base hydrogels based on MREPs. Previous methods to fabricate Schiff base polysaccharide hydrogels usually required periodate oxidation which leads to degraded mechanical properties, with gelation time typically from minutes to hours. We employed acetic acid to induce fast gelation of our MREPs hydrogels within seconds. The Schiff base MREP hydrogels exhibited self-healing and injectable behavior with limited cytotoxicity, which is promising for future biomedical applications such as targeted drug delivery or tissue engineering. Microgels are dispersible but undissolvable colloids of three-dimensional polymer networks with numerous applications. We synthesized all-polysaccharide microgels (herein, we use the general term "microgels" to describe small gel particles of nanometer to micron diameters) using oxidized hydroxypropyl cellulose (Ox-HPC), carboxymethyl chitosan (CMCS), and calcium chloride. By tuning the calcium concentration, uniform microgels can be obtained with gel size in the hundreds of nanometers. Model amine-containing drugs such as picloram or p-aminobenzoic acid (pABA) can be chemically attached to Ox-HPC through Schiff base chemistry, creating imine bonds that are reversible in water, thereby permitting slow release. This class of all-polysaccharide microgels showed promising applications in agriculture, such as controlled release of agrochemicals. We anticipated that these strategies would benefit future polysaccharide chemistry research and permit synthesis of novel hydrogel or microgel systems with potential drug-delivery applications. / Doctor of Philosophy / Polysaccharides are long chains composed of sugar units ("sugar polymers"). Many natural-derived polysaccharides are sustainable, biodegradable and have low toxicity. Hydrogels are composed of porous solids and water, similar to the structure of human tissues. "Microgels" are used herein to describe small gels of nanometer to micron diameters. Fabrication of polysaccharides into hydrogels or microgels can be advantageous for drug-delivery applications. Chemical modification of polysaccharides is usually required before making polysaccharide-based hydrogels or microgels. However, previously described methods usually destroy the chemical structure of polysaccharides and cause degradation. To overcome this challenge, we developed a non-destructive chemical modification method to prepare hydrogels without these disadvantages. This method also introduced a new concept in polysaccharide science. Following our novel chemical modification method, polysaccharide-based hydrogels were made. Compared to the previous polysaccharide hydrogels which usually required long gelation times, our polysaccharide hydrogels gel within seconds with addition of tiny amounts of vinegar. Besides, our polysaccharide-based hydrogels are injectable and spontaneously repair themselves with low toxicity to cells. These properties make our hydrogels promising for cancer-targeted drug delivery. Food is the first necessity of human beings. Pesticides are often used in excessive amounts and in broad distribution, to guarantee high crop productivity. Excess use and/or distribution of pesticides can pollute to the environment and pose threats to human health. To solve this problem, we made all polysaccharide microgels, dispersed in benign water, that can permit slow release of pesticides, applied in a form that can promote great precision. Overall, we developed new ways to modify polysaccharides to create effective and harmless hydrogels or microgels. We aim to push the boundaries of science and benefit human society through our research.

Polysaccharides are one of the most abundant and diverse families of natural polymers, and have an incredibly wide range of natural functions including structural reinforcement, energy storage, aqueous rheology modification, and communication and identity. Application of native polysaccharides like cellulose as sustainable materials is limited by some inherent drawbacks such as insolubility in common solvents including water, and poor dimensional stability. To increase their functionality and utility, researchers have sought to tailor the chemical and physical properties of cellulose and other polysaccharides using a variety of chemical modification techniques, resulting in a number of important, useful commercial derivatives. Because of their greater biocompatibility and biodegradability, and low immunogenicity, naturally derived cationic polymers including cationic polysaccharide derivatives are very attractive candidates for biomedical applications, due to the fact that they are capable of binding with anionic biomolecules, such as nucleic acids and certain proteins, via electrostatic interactions. However, there are relatively few practical synthetic methods reported for their preparation. We demonstrated a useful and efficient strategy for cationic polysaccharide salt preparation by reaction of 6-bromo-6-deoxypolysaccharides such as 6-bromo-6-deoxycellulose esters with pyridine or 1-methylimidazole exclusively at the C-6 position, resulting in high degrees of substitution (DSs). These permanently cationic polysaccharide derivatives have been demonstrated to dissolve readily in water, and bind strongly with a hydrophilic and anionic surface. Availability of these cationic polysaccharides will facilitate structure-property relationship studies for biomedical uses including drug delivery and bioelectronics applications. We also extended the chemistry, reacting 6-imidazolo-6-deoxycellulose with propane sultone, leading to a new synthetic pathway to zwitterionic cellulose derivatives. In addition to cationic and zwitterionic derivatives, we found a simple, efficient route to carboxyl-containing polysaccharide derivatives from curdlan esters via regioselective ring-opening reactions catalyzed by triphenylphosphine (Ph3P) under mild conditions. Curdlan, a polysaccharide used by the food industry and in biomedical applications, was employed as starting material for preparing these carboxyl-containing derivatives by a reaction sequence of bromination, azide displacement and ring-opening reaction with cyclic anhydrides, affording high conversions. These modification techniques have been demonstrated to display essentially complete regio- and chemo-selectivity at C-6. These novel polysaccharide-based materials starting from abundant and inexpensive curdlan are promising for some applications such as amorphous solid dispersion (ASD) oral drug delivery. / Ph. D. / Polysaccharides are chains of natural sugars. They constitute one of the most abundant and diverse families of natural polymers (polymers are chains of small molecules, and polysaccharides are a class of polymers), and in nature polysaccharides play an incredibly wide range of functions such as structural reinforcement, energy storage, changing the viscosity of solutions of things in water, and communication. Cellulose, a polymer comprising long chains of linked glucose molecules, may be the most abundant natural polysaccharide on earth. Application of native cellulose as a sustainable material is limited by its inability to dissolve in water or commonly used organic solvents, poor dimensional stability, inability to melt and flow when heated, and the fact that it degrades when exposed to the environment. In order to increase its functionality and utility, a number of research groups have tried to tailor the chemical and physical properties of things made from cellulose (cellulose “derivatives”) using various chemical modification techniques, resulting in some important, useful commercial cellulose derivatives. The Edgar group, in the recent years has developed a series of new techniques to synthesize various cellulose derivatives for effective oral drug delivery. We have demonstrated that these cellulose derivatives are capable of preventing drugs from forming insoluble crystals, meanwhile protecting the drugs from the harsh environment of the stomach. As a result, these formulations based on cellulose derivatives enhance the solubility of drugs in the digestive tract, and the ability of the drug to permeate to the blood stream, thereby enhance distribution to the parts of the body where it is needed, is enhanced as well. Cellulose- and other polysaccharide-based polyelectrolytes are very attractive candidates for biomedical and therapeutical applications. However, currently, the set of commercially available cellulose derivatives is limited in number and diversity, and contains no positively charged derivatives. This dissertation focuses on the development of new ways to make charged polysaccharide derivatives using chemical modification of cellulose, cellulose esters, and other polysaccharides. Unlike conventional methods which require harsh reaction conditions or metal catalysts, the new approaches in this dissertation offer simple and efficient ways to make a wide variety of charged derivatives of cellulose or other polysaccharides under mild conditions. Availability of these polysaccharide-based charged polymers will help us design more useful, economical materials for biomedical, pharmaceutical, and other applications including gene or drug delivery, oral delivery of potent and selective protein drugs, agricultural applications, and coatings.

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Les flavonoïdes sont des ingrédients prometteurs pour différentes applications alimentaires et non alimentaires, grâce à leurs propriétés antioxydantes et biologiques. Cependant, la formulation de ces molécules est difficile à réaliser en raison de leur faible solubilité dans la plupart des solvants. Afin de remédier à cette difficulté, l’approche suivie dans cette étude est l’incorporation des flavonoïdes dans des particules à base de biopolymères (protéine-polysaccharide), stables et fonctionnelles. Le principal objectif de cette thèse était d’acquérir des connaissances à différentes échelles d’étude sur les mécanismes d’interaction et d’assemblage entre un flavonoïde, la quercétine, et deux biopolymères,B-lactoglobuline (BLG) et la gomme d’Acacia (AG). Dans une première étape, nous avons pu mettre au point des particules submicroniques (Dh : ~250 nm) de gomme d’Acacia-quercétine (GAQ) possédant une structure assimilée à un assemblage « cœur-couronne » et traduisant un comportement correspondant à celui de particules molles. Dans une seconde étape, nous avons étudié les mécanismes d’assemblage des particules de GAQ avec la BLG à pH 4,2 et à 25 °C. Les paramètres thermodynamiques d’interaction ont été déterminés par calorimétrie de titration isotherme (ITC) et montrent des isothermes de liaison caractérisées par une séquence exothermique-endothermique. Les différentes entités structurales formées durant la complexation entre la GA et la BLG ou la GAQ et la BLG ont été caractérisées en utilisant la même approche par titration que pour l’ITC. Enfin, des mesures par spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) ont montré une modification de la structure secondaire de la BLG après interaction avec la GA et la GAQ. D’importantes pertes de structures (hélices-α et feuillets-β), encore plus marquées en présence de quercétine / Flavonoids are promising ingredients in food and non food applications through their antioxidative and biological properties. However, their negligible solubility in most solvent renders problematic technological developments. In order to overcome this drawback, the approach followed in this study was the incorporation of flavonoids in stable and functional particles based on biopolymers (protein-polysaccharide). The main objective of this thesis was to acquire knowledge at different scales to study the mechanisms of interaction and linkage between a flavonoid, quercetin, and two biopolymers, B-lactoglobulin (BLG) and Acacia gum (AG). In a first step, we were able to develop submicronic particles (Dh : ~250 nm) of quercetin-Acacia gum (GAQ) based on a core of quercetin and a shell of Acacia gum, reflecting a behavior of soft particles. In a second step, we investigated the assembly mechanisms GAQ with BLG at pH 4.2 and 25 ° C. The thermodynamic parameters of interaction were determined by isothermal titration calorimetry (ITC) and show binding isotherm characterized by an exothermic-endothermic sequence. The various structural entities formed during the complexation between GA and BLG or BLG and GAQ were characterized using the same approach as for the ITC titration. Finally, measurements using infra-red Fourier transform (FTIR) showed changes in the secondary structure of BLG after interaction with the GA and the GAQ. There was a significant loss of secondary structures (α-helices and β-sheets), even more pronounced in presence of quercetin

Une nouvelle famille de dérivés amphiphiles du dextrane a été obtenue par réaction du dextrane avec le 1,2-époxydodécane en milieu basique. Deux voies de synthèse ont été étudiées. La première en milieu aqueux dispersé n’a permis d’obtenir que des taux de modification faibles (< 10 %) car l’homopolymérisation de l’époxyde est prépondérante. Au contraire, la réaction en milieu organique homogène a permis la synthèse de dérivés dont le taux de modification atteint 164 %. Des émulsions huile dans eau ont été préparées par sonication en présence de plusieurs dérivés hydrosolubles (τ ≤ 25 %). La fraction volumique d’huile (hexadécane ou nujol) est comprise entre 10 % et 50 %. La taille des gouttelettes augmente avec la fraction volumique d’huile mais ne dépend pas du taux de modification du dextrane entre 10 et 25 %. Ces émulsions ont un comportement de gel d’autant plus marqué que la fraction volumique d’huile dispersée augmente. Des émulsions inverses eau : chloroforme, stables pendant au moins 2 mois, ont été obtenues par sonication en présence de dérivés organosolubles (τ = 164 %). Le processus dynamique d’émulsification sous cisaillement a été étudié pour des émulsions directes (hexadécane / eau) dont la fraction volumique d’huile était comprise entre 10 et 60 % et pour différents gradients de vitesse. Un suivi continu in situ de la viscosité des émulsions et du rayon des gouttes formées montre que le temps caractéristique d’émulsification dépend du gradient de vitesse et du rapport des viscosités mais pas de la fraction volumique d’huile dispersée. Dans le cas d’un système newtonien, la viscosité finale et la taille finale des gouttes dépendent du gradient de vitesse appliqué alors qu’elles sont invariantes dans le cas du système non newtonien sur tout l’intervalle exploré / A new family of amphiphilic dextran derivatives was obtained by reaction of 1,2-epoxydodecane on dextran in basic medium. Two reaction procedures were examined. The first one was carried out in biphasic medium but produced only low degrees of hydrophobic substitution. Epoxide homopolymerization was indeed predominant. On the contrary, the reaction in a homogeneous organic medium allowed the synthesis of dextran derivatives with substitution degrees as high as 164 %. Oil-in-water emulsions were prepared by sonication in the presence of different hydrosoluble derivatives (τ ≤ 25 %). Oil volume fraction (hexadecane or nujol) ranged from 10 % to 50 %. The size of the emulsion droplets increased with the oil volume fraction but did not depend on the substitution degree of modified dextran between 10 and 25 %. These emulsions behave like a gel which strengthened with the oil volume fraction. Water-in-oil emulsions (water in chloroform) were obtained by sonication in the presence of organosoluble derivatives (τ = 164 %). They were stable over at least two months.Furthermore, dynamic emulsification process under shear flow was investigated for oil-in-water emulsions (hexadecane in water). The volume fraction of oil ranged from 10 % to 60 % and various shear rates were applied. Simultaneous in situ measurements of viscosity of emulsions and droplet size were performed. The characteristic time of emulsification depended on shear rate and viscosity ratio but was independent of the oil volume. For the newtonian system, final shear stress and final droplet size depended on the applied shear rate while they were invariant in the non newtonian system

Le fractionnement au pressurage, étape clé de la méthode champenoise, et le type de pressurage, conditionnent de façon significative la composition biochimique du moût et du vin. Le pressurage est fractionné en séparant les premiers moûts extraits, qui constituent la "cuvée", et qui proviennent de la pulpe, partie la plus riche en sucre et en acides (tartrique et malique), des volumes suivants, appelés "tailles", qui sont aussi riches en sucre, en sels minéraux (potassium notamment) et en matières colorantes mais moins acides. Les moûts ont des caractéristiques analytiques bien spécifiques. L’évolution de la composition des moûts au cours du pressurage et la mesure des principaux paramètres analytiques permettant de juger de la qualité de l’extraction ont fait l’objet de quelques études (Valade et Blanck, 1989; Blouin, 1998) sur la base d’un fractionnement volumétrique répondant à un cahier des charges champenois. Toutefois, aucune étude portant sur un large nombre de paramètres, dont les propriétés moussantes, n’avait été entreprise avant ce travail de thèse.Une contamination du raisin par le champignon pathogène Botrytis cinerea (pourriture grise) et l’effet de la maturité du raisin, autres paramètres clés dans l’élaboration du Champagne, ont un impact sur la qualité et la composition des moûts et des vins de base et notamment sur les compositions protéique, polysaccharidique et oligosaccharidique. Les essais ont été réalisés avec 2 pressoirs différents : un pressoir pneumatique industriel (capacité 8000 kg) et un pressoir de laboratoire (capacité 6 kg). Ce travail a été réalisé sur deux cépages : Pinot meunier (millésimes 2013 et 2015) et Chardonnay (millésimes 2014 et 2015). Les analyses suivantes ont été réalisées sur les moûts et vins de base : (i) paramètres œnologiques classiques des moûts et des vins, (ii) isolement et analyse des polysaccharides et oligosaccharides solubles des vins de base, (iii) quantification et identification des protéines solubles des vins de base, (iv) mesure de l’activité protéasique des vins de base (impact de Botrytis cinerea), (v) comparaison de la composition des moûts et des vins issus de raisins sains de deux millésimes : 2013 (pressoir industriel) et 2014 (pressoir de laboratoire).La connaissance de l’état sanitaire et l'optimisation du choix de la date des vendanges en fonction de la maturité sont des outils à la disposition de l’œnologue qui lui permettent d’améliorer la qualité des moûts produits au cours du pressurage et par conséquent celle des vins qui en sont issus. A la suite de cette approche, il serait intéressant de voir dans quelles conditions ces paramètres pourraient être reproduits à grande échelle pour une application industrielle. / Press fractioning is a key step in the Champagne method, and the type of pressing will significantly determine the biochemical composition of the juice and the wine. The first pressed juice obtained in the fractioned pressing cycle, called the “cuvée”, is rich in sugar and acids (tartaric and malic). The second pressed juice, called the “tailles”, is as rich in sugar, mineral salt (potassium in particular) and colorant materials as the first one but less acidic. Must has specific analytical characteristics. The evolution of composition in the must during the pressing cycle and the measure of current analytical parameters, allowing the understanding of grapes extraction, have led to little studies in the Champagne region (Valade et Blanck, 1989; Blouin, 1998). These studies have followed the changes between the Cuvée and the Tailles, according to the rules applied for Champagne production. Nevertheless, no study had considered a large number of parameters, including the foaming properties, before this thesis.The contamination of grapes by the pathogenic Botrytis cinerea (gray mold) and the effect of grape maturity, which are other key parameters in the elaboration of Champagne, have an impact on the quality of must and base wine, especially on proteins, polysaccharides and oligosaccharides. The essays were carried out in two different presses: an industrial automatic press (capacity 8000 kg) and a laboratory press (capacity 6 kg). This study was made on two grape varieties: Pinot meunier (vintages 2013 and 2015) and Chardonnay (vintages 2014 and 2015). The following analyzes were effectuated on must and base wine: (i) determination of current oenological parameters of must and base wine, (ii) isolation and analysis of soluble polysaccharides and oligosaccharides in base wine, (iii) analysis, quantification and identification of soluble proteins in base wine, (iv) quantification of protease activity in base wine (the impact of Botrytis cinerea), (v) comparison of composition of must and base wine from healthy grapes of two vintages: 2013 (industrial press) and 2014 (laboratory press).The knowledge of the sanitary state and the optimization of the harvest date are tools used by oenologist to improve the quality of must, obtained during the pressing cycle, and therefore of wine elaborated from them. Following this study, it could be interesting to examine in which conditions these parameters may be reproduced at a bigger scale for forward industrial applications.

Ce doctorat portait sur le développement de nanoparticules (NPs) photosensibles constituées d’un cœur photolysablepoly(acrylate d'o-nitrobenzyle) (polymère hydrophobe biocompatible - PANB) et d’une couronne basée sur un dérivé du dextrane (polysaccharide bactérien, hydrophile et biodégradable). Dans un premier temps, le PANB-N3 a été synthétisé par i) polymérisation radicalaire contrôlée (SET-LRP) de l’acrylate d’o-nitrobenzyle puis ii) modification chimique de l’extrémité de chaîne par une fonction azoture. En parallèle, le dextrane a été hydrophobisé par quelques chaînes grasses dotées d’un groupe alcyne (obtention du DexAlcyne-15). Ces polymères précurseurs peuvent alors réagir par chimie click CuAAC (Cycloaddition azide-alcyne catalysée par Cu(I)) pour engendrer divers glycopolymères greffés Dex-g-PANB. Dans un deuxième temps, les NPs ont été formulées par deux procédés puis caractérisées en termes de taille, recouvrement en dextrane (quantité par gramme de PANB, épaisseur de la couche surfacique) et stabilité colloïdale en milieu salin, en présence de tensioactif compétitif ou dans un milieu de culture (DMEM). Le procédé de nanoprécipitation a été appliqué aux Dex-g-PANB présentant de fortes fractions massiques en PANB (>40%) alors que le procédé d’émulsion-évaporation de solvant organique a été mis en œuvre en utilisant le DexAlcyne-15 comme tensioactif hydrosoluble et le PANB-N3 comme matériau hydrophobe. Grâce à leurs fonctionnalités complémentaires, une réaction CuAAC peut (ou non) avoir lieu à l’interface liquide/liquide pendant l’élaboration des NPs et conduire à l’obtention de NPs « non clickées » ou « clickées ». Enfin, le caractère photosensible des NPs a été validé par irradiation UV en observant une disparition progressive des NPs résultant de la photolyse des PANB. Afin d’utiliser ces NPs comme systèmes stimulables de délivrance de médicaments, un anticancéreux (Doxorubicine - Dox) a été encapsulé au sein des NPs, pendant leur élaboration. Cette encapsulation a été optimisée et les NPs chargées de DOX ont été caractérisées en termes de taille et d’efficacité d’encapsulation. La libération de la DOX hors des NPs a ensuite été suivie par simple diffusion, ou provoquéepar irradiation UV. Enfin, le potentiel biologique de ces NPs a été évalué vis-à-vis d’une lignée cellulaire tumorale humaine d'origine intestinale isolée d'un adénocarcinome colique (Caco-2). Après vérification de leur biocompatibilité et de la résistance des Caco-2 aux irradiations UV, nous avons pu montrer que les NPs chargées pouvaient libérer suffisamment de DOX en seulement 30 secondes d’irradiation (puissane: 54mW/cm2) pour éradiquer plus de 50% de ces cellules cancéreuses. / This work was focused on the development of light-sensitive nanoparticles (NPs) based on a photodegradable poly(o-nitrobenzyl acrylate) core(PNBA, hydrophobic and biocompatible polymer) and a dextran derivative shell (dextran is a biodegradable and hydrophilic bacterial polysaccharide). Firstly, PNBA-N3 was synthesized by i) Single-Electron Transfer Living Radical Polymerization (SET-LRP) of o-nitrobenzyl acrylate then ii) introduction of one azide end-function. In the same time, DexAlkyne-15 carrying several alkyne groups was produced by hydrophobization of dextran. Such DexAlkyne-15 and PNBA-N3 can react by CuAAC (Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition) click chemistry leading to Dex-g-PNBA glycopolymers with various macromolecular parameters. Secondly, NPs were produced by comparing two processes then characterized in terms of size, dextran amount, shell thickness and colloidal stability in NaCl or cell culture media, or in presence of one strong surfactant. On one hand, NPs were made by nanoprecipitation of Dex-g-PNBA exhibiting high PNBA weight fractions (>40 %). On the other hand, NPs were produced by emulsion-evaporation of the organic solvent using DexAlkyne-15 as water-soluble surfactant and PNBA-N3 as hydrophobic materials. In this case, in situ CuAAC occurred (or not) at the liquid/liquid interface during the NPs formulation, leading to “clicked” and “not-clicked” NPs. Finally, NPs disruption was studied by UV irradiation according the PNBA chains photolysis. To use such NPs as smart drug delivery systems, Doxorubicin (DOX - an anticancer agent), was loaded inside the NPs during their elaboration. The experimental conditions were optimized to enhance the DOX encapsulation. The kinetics release of encapsulated DOX were studied by diffusion or under UV irradiation. Finally, the biological potential of these NPs was estimated towards Caco-2 (continuous line of heterogeneous human epithelial colorectal adenocarcinoma cells). After checking the NPs biocompatibility and theCaco-2 strength under UV irradiation, we proved that such loaded NPs can release enough DOX under 30 second irradiation (power: 54mW/cm2) to decrease the Caco-2 viability about more than 50%.

This work focused on the design of functional capsules made of chemically modified polysaccharides. The layer-by-layer capsules have attracted great interest due to their Indeed, as an advanced multifunctionality which can be advantageously used for pharmaceutical and biomedical applications. Polysaccharides, which are generally biocompatible and biodegradable, are very attractive materials for the construction of bio-related multilayer systems. Considering the intrinsic antibacterial properties of chitosan (CHI), this polysaccharide was selected and quaternized to prepare in physiological conditions contact-killing capsules by combination with hyaluronic acid (HA). The relationship between the antibacterial activity of the quaternized chitosan derivatives (QCHI) and that of QCHI-based capsules was investigated. Then, in order to encapsulate small hydrophobic drugs within the wall of capsules, alkylated derivatives of HA were used as the negatively charged partner of QCHI for the capsules formation. The encapsulation of the hydrophobic dye, nile red (NR), in the hydrophobic shell of capsules was determined. At last, to release the payload under mild conditions was studied by synthesizing rapidly degradable capsules composed of hydrolysable cationic dextran derivatives and HA. The degradation of the layer-by-layer assemblies, both multilayer films and microcapsules is discussed. / Ce travail de thèse porte sur la conception de capsules fonctionnelles à base de polysaccharides chimiquement modifiés. Les capsules couche par couche connaissent actuellement un essor important lié à leur multifonctionnalité pouvant être avantageusement mise à profit dans les domaines pharmaceutique et biomédical. Les polysaccharides, généralement biocompatibles et biodégradables, constituent des matériaux de choix pour la construction de systèmes multicouches. Compte tenu des propriétés antibactériennes intrinsèques du chitosane (CHI), ce polysaccharide a été choisi puis quaternisé afin de préparer dans des conditions physiologiques des capsules par complexation avec l'acide hyaluronique (HA), capables de tuer les bactéries par simple contact. La relation entre l'activité antibactérienne des dérivés quaternisés du chitosane (QCHI) et celle des capsules préparées à partir de QCHI a été étudiée. En outre, afin d'encapsuler des médicaments hydrophobes dans la paroi des capsules, des dérivés alkylés du HA ont été utilisés en tant que partenaire chargé négativement du QCHI pour la formation des capsules. L'encapsulation d'une sonde fluorescente hydrophobe, le nile rouge (NR), dans le réservoir hydrophobe des capsules a été réalisée avec succès. Enfin, pour libérer des médicaments encapsulés dans des capsules dans des conditions douces, des capsules rapidement dégradables comprenant des dérivés cationiques hydrolysables du dextrane et de HA ont été préparées. La dégradation des assemblages couches par multicouches a été analysée par différentes approches à la fois à partir de capsules et de films plans.

Les vaccins conjugués furent développés suite à l’inefficacité des vaccins polysaccharidiques chez les nourrissons et les personnes âgées. Les vaccins conjugués sont composés d’un polysaccharide extrait de la capsule bactérienne et d’une protéine porteuse. Celle-ci permet de décupler la réponse immunitaire, permettant aux vaccins d’être efficaces. L’évolution des connaissances en chimie et en analytique permettent aujourd’hui de mieux caractériser ces vaccins et de mieux maîtriser leur production. Cependant, les chimies de conjugaison utilisées pour lier le polysaccharide et la protéine porteuse, ne sont pas toujours définies et cela mène souvent à l’obtention de produits hétérogènes. Les objectifs de cette thèse ont été d’étudier le polysaccharide, les protéines porteuses et de nouvelles voies de conjugaisons pour lier spécifiquement ces deux biomolécules.Différents outils analytiques ont été utilisés afin d’acquérir une meilleure connaissance des deux partenaires de conjugaison. Cela a également permis d’établir une stratégie d’analyse efficace pour caractériser les produits de réaction. La spécificité des réactions de conjugaison a été induite par l’utilisation d’espaceurs bi-fonctionnels, réagissant spécifiquement sur certains acides aminés. Leur réactivité a d’abord été testée sur un modèle peptidique. Cela a permis de faciliter la caractérisation et d’étudier l’efficacité et la spécificité des réactions. Les réactions efficaces ont ensuite été testées différents modèles : de la protéine au vaccin. Sur les quatre réactions testées, une a été efficace sur tous les modèles. Cette chimie de conjugaison est prometteuse pour le développement de nouveaux vaccins / Conjugate vaccines were developed because polysaccharide vaccines were not efficient in infant and old people. These vaccines were composed of the polysaccharide extracted from the bacterial capsule linked to a carrier protein. This protein created an immunological boost which allowed the vaccine to induce a proper protection for everyone. As chemistry knowledge and analytical techniques evolved, vaccines can now be better characterized and the production can be better controlled. Nevertheless, the chemistries used to bind the polysaccharide and the carrier protein are not always well-defined, which leads to the production of heterogeneous products. The objectives of this PhD were to study the polysaccharide, carrier proteins and new conjugation chemistries to specifically bind the two biomolecules. The other challenge was to be able to check the reaction specificity and characterize reaction products.To do so different analytical tools were used to allow a better knowledge of both conjugation partners but also to establish an efficient analytical strategy for glycoconjugate characterization. Conjugation reactions specificity was induced by using different bi-functional linkers, reacting specifically for one type of amino acid. Linkers’ reactivity was first tested on a model peptide. This allowed to facilitate the characterization and to check for both reaction specificity and reaction success. Efficient reactions were then tested on different models from carrier proteins to glycoconjugate vaccines. One of the four tested reactions was efficient from the peptide to the vaccine model. This conjugation is thus promising for the development of new conjugate vaccines

Cette thèse issue d'une collaboration entre l'Université Lyon 1 et Sanofi Pasteur (SP) porte sur l'étude du procédé de dépolymérisation et d'activation d'un polyoside capsulaire. Cette réaction est la première étape du couplage d'un vaccin (Menactra®) antiméningococcique conjugué (polyoside du méningocoque de groupe C conjugué à l'anatoxine diphtérique). L'objectif de ce travail, réalisé dans le cadre d'un programme d'amélioration de la conformité et de la robustesse des procédés de SP, est la compréhension du mécanisme et l'optimisation des paramètres clés de cette réaction. Le procédé de couplage de ce vaccin tel qu'il est décrit par SP comporte 3 étapes clés : la dépolymérisation/activation du polyoside par le peroxyde d'hydrogène, la dérivatisation par un "linker" et le greffage à la protéine. Si les 2 dernières étapes sont des réactions chimiques bien connues, la première qui permet, à la fois de réduire la masse molaire du polyoside et de générer des groupements réducteurs, est plus obscure. Une stratégie a été élaborée afin de comprendre cette réaction. Dans un premier temps, l'étude poussée du procédé a permis d'identifier les paramètres impactant la cinétique de dépolymérisation et l'activité réductrice. Ensuite, l'analyse structurale, par diverses techniques, du polyoside dépolymérisé a confirmé l'activation. Enfin, la caractérisation de modifications chimiques de macromolécules étant relativement complexe, de plus petits modèles (monomère, tétramère) ont été utilisés et ont permis d'établir un mécanisme réactionnel de la dépolymérisation du polyoside. A partir de ces résultats, plusieurs solutions ont été proposées à l'industriel pour améliorer le rendement et/ou la robustesse du procédé / This PhD work, initiated by Sanofi Pasteur in collaboration with the University of Lyon 1, concerns the study of the Menactra® vaccine, a glycoconjugate vaccine produced by covalently coupling Neisseria meningitidis serogroups A, C, W135, Y capsular polysaccharides to diphtheria toxoid. The objective was to better understand the chemistry involved in the conjugation process of the vaccine, in order to improve the process robustness and the overall conjugated yields with particular emphasis on the serogroup C. The conjugation process can be divided into 3 key steps: depolymerization/activation by hydrogen peroxide, derivatization, and conjugation. While the 2 last steps of the process are well known in bioconjugation chemistry, the exact mechanism of the first step, which serves 2 purposes, first to reduce the polysaccharide molecular weight and second, to generate the reducing groups on the polysaccharide chain, is poorly understood. An overall strategy for the characterization of the serogroup C polysaccharide depolymerization process was successfully applied to understand this reaction. We first provided a process description of this step, identified and optimized the key process parameters. Then, the structural comparison of the polysaccharide before and after the depolymerization obtained with specified analytical methods gave important information on the mechanism. Finally, well defined sialic and tetrasialic acids were reacted with H2O2 to complete the elucidation of this complex mechanism. From these results, several solutions were proposed to the industrial to improve the yield and the robustness