L’environnement géologique a-t-il accumulé et conservé les molécules liées à la biominéralisation des carbonates qui forment les dépôts calcaires ? Si oui, ces molécules ont-elles conservé une activité biologique? La sédimentologie montre que la Provence possédait au Crétacé il y a 120 millions d’années, un rivage tropical bordé d’une plateforme carbonatée où se sont accumulés des biocalcaires d’une grande pureté comme à Orgon. Sur ce site, le calcaire piège les molécules organiques au cours de la diagenèse sous forme d’inclusions dans la calcite des rudistes (principaux producteurs de carbonates) grâce à un processus de dissolution/recristallisation centrifuge. Plusieurs modes opératoires ont été testés afin d’extraire ces molécules. Ils permettent d’obtenir deux grands types de complexes organo-minéraux: un extrait plutôt lipidique, obtenu essentiellement à l’alcool et l’autre plutôt protéique obtenu à l’eau. Leur activité a ensuite été testée sur la peau et sur l’os. L’activité dermatologique est démontrée sur des explants de peau humaine maintenus en survie. On observe un renouvellement de l’épiderme dès 9 jours sans dérèglement, une restructuration de la jonction dermoépidermique et dans le derme un réseau de collagène densifié ainsi que la production d’acide hyaluronique. Sur l’os, les extraits ont stimulé la différenciation des cellules de la lignée ostéoblastique et également le dépôt d’hydroxyapatite à partir de culture de cellules souches. Ce travail démontre que des molécules vieilles de 120 millions d’années sont préservées, exploitables et qu’elles possèdent une série d’activités à visée thérapeutique sur la peau et sur l’os. / Did the geological environment accumulate and conserve molecules related to the biomineralization of carbonates? If so, did these molecules retain their biological activity? Sedimentology shows that Provence owned during Cretaceous, 120 million years ago, a tropical shore surrounded by a carbonated platform where biolimestones of high purity accumulated such as in Orgon. In this site, limestone trapped the organic molecules during diagenesis as inclusions in rudist’s calcitic shell (major producers of carbonates) through a process of dissolution / recrystallization centrifuge. Several protocols were tested to extract these molecules. It provides two main types of organo-mineral complex: an extract rather lipidic, obtained mainly with alcohol and another one rather proteinic obtained with water. Their activity was then tested on skin and bone. The dermatological activity was demonstrated on human skin explants maintained in survival. We observed the renewal of the epidermis in 9 days perfectly regulated, the restructuring of the dermo-epidermal junction and, in the dermis, the densification of the collagen network and hyaluronic acid production. On bone, the extracts stimulated the differentiation of the osteoblast lineage cells and also deposits of hydroxyapatite from stem cells cultures. This work has demonstrated that molecules as old as 120 million years are preserved, exploitable and own a series of therapeutic activities on the skin and bone.

L'environnement géologique a-t-il accumulé et conservé les molécules liées à la biominéralisation des carbonates qui forment les dépôts calcaires ? Si oui, ces molécules ont-elles conservé une activité biologique? La sédimentologie montre que la Provence possédait au Crétacé il y a 120 millions d'années, un rivage tropical bordé d'une plateforme carbonatée où se sont accumulés des biocalcaires d'une grande pureté comme à Orgon. Sur ce site, le calcaire piège les molécules organiques au cours de la diagenèse sous forme d'inclusions dans la calcite des rudistes (principaux producteurs de carbonates) grâce à un processus de dissolution/recristallisation centrifuge. Plusieurs modes opératoires ont été testés afin d'extraire ces molécules. Ils permettent d'obtenir deux grands types de complexes organo-minéraux: un extrait plutôt lipidique, obtenu essentiellement à l'alcool et l'autre plutôt protéique obtenu à l'eau. Leur activité a ensuite été testée sur la peau et sur l'os. L'activité dermatologique est démontrée sur des explants de peau humaine maintenus en survie. On observe un renouvellement de l'épiderme dès 9 jours sans dérèglement, une restructuration de la jonction dermoépidermique et dans le derme un réseau de collagène densifié ainsi que la production d'acide hyaluronique. Sur l'os, les extraits ont stimulé la différenciation des cellules de la lignée ostéoblastique et également le dépôt d'hydroxyapatite à partir de culture de cellules souches. Ce travail démontre que des molécules vieilles de 120 millions d'années sont préservées, exploitables et qu'elles possèdent une série d'activités à visée thérapeutique sur la peau et sur l'os.

Les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) sont des matériaux synthétiques dans lesquels des sites récepteurs spécifiques d'une molécule cible ont été créés. En raison de leur meilleure stabilité chimique et mécanique ainsi que leur faible coût de production par rapport aux systèmes de reconnaissance naturels, les MIPs sont de bons matériaux alternatifs dans des domaines tels que les sciences séparatives, les biocapteurs, les tests immunologiques, la synthèse et la catalyse. Cependant, l'utilisation de ces matériaux dans les systèmes de libération contrôlée de principes actifs pour des applications cliniques reste encore très limitée à cause de la non-dégradation et l'incompatibilité de leur structure avec l'organisme humain. Ces limitations sont dues principalement à l'utilisation à l'heure actuelle de monomères et d'agents réticulants issus de la pétrochimie difficilement biodégradables. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude de monomères fonctionnels et agents réticulants à base de sucres pour l'élaboration de MIPs biodégradables par voie enzymatique et biocompatibles. Nous avons étudié la synthèse de di-, tri-, et oligosaccharides substitués sélectivement par des fonctions polymérisables liées par des esters, des amides et des cycles triazole. Lors des études de dégradation enzymatique de ces molécules, nous avons observé des coupures de liaisons glycosidiques en plus de l'hydrolyse de certaines fonctions. Enfin, dans des études préliminaires de polymérisation, nous avons pu démontrer que nos composés permettent de synthétiser des polymères hydrophiles et sensibles aux dégradations enzymatiques / Molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic biomimetic materials, capable of recognizing and specifically binding a target molecule in a similar way to the natural receptors (antibodies, enzymes, hormone receptors). Considering their screening ability, their mechanical and chemical stability and their weak production cost compared to conventional biomolecules, these materials are used in separative, bioreceptors, synthesis and catalysis fields. However, the use of these materials in controlled drug delivery for clinical applications is still limited due to their lack of biodegradation and biocompatibility. The main drawback lies in the use of functional monomers and cross-linking agents based on petrochemicals products. In this work, we have studied the use of functional monomers and cross-linking agents based on sugars for the development of biodegradable and biocompatible MIPs. These molecules derived from biomass resources are potentially cleavable by enzymes. Firstly, our study focused on selective modification in order to graft polymerisable functions through ester, amide and triazole groups of derivatives based on di-, tri-, and oligosaccharides. Under enzymatic conditions, we observed and verified the cleavage of glycosidic bonds. We finally began a preliminary study of polymerization with these new molecules. Our first results showed that our compounds allowed obtaining hydrophilic polymers, which are degradable under enzymatic conditions

Les gels sont des solides mous constitués d'un réseau de molécules emprisonnant une phase liquide. Certains gels constitués de polymères biologiques sont appelés biogels. Biocompatibles, biorésorbables et déformables, ils possèdent une structure similaire à la matrice extracellulaire. De plus, la phase aqueuse d'un gel représente 95% de sa masse. Il est donc possible d'inclure des molécules au sein du réseau gélifié et de les faire diffuser vers l'extérieur. Ces qualités confèrent aux biogels de grandes potentialités en tant que biomatériaux innovants et systèmes de délivrance thérapeutique.Durant cette thèse, nous avons étudié la diffusion des molécules à partir de différents gels de gélatine.Dans un premier temps la diffusion à partir d'un gel chimique à été caractérisée grâce à l'utilisation de différentes molécules modèles. Elles balaient une large gamme de poids moléculaire et de charge ionique. Il a été montré que la diffusion depuis ces gels dépend de la nature du réseau de gélatine et de la nature des molécules diffusantes.Dans un second temps, les gels chimiques de gélatine ont été modifiés afin de contrôler et stimuler la libération moléculaire. Cinq nouvelles matrices gélifiées ont donc été synthétisées puis testés en diffusion. La phase sol du gel a tout d'abord été modifiée à l'aide d'un polymère viscosigène : l'alginate. Celui-ci limite la diffusion de certaines molécules. De plus son hydrolyse progressive induit la libération graduelle de molécules piégées. Le réseau de gélatine a ensuite été modifié. La synthèse d'un deuxième réseau au sein du gel de gélatine augmente ses capacités de rétention. Enfin l'utilisation de la technologie enzgel permettant la resolubilisation enzymatique contrôlée et programmée du gel de gélatine permet la libération massive et totale des molécules.Dans un troisième temps, l'ensemble des résultats de diffusion a permis la mise au point d'un unique modèle mathématique de diffusion pour l'ensemble des matrices. Ce modèle repose sur la deuxième loi de Fick et prend en compte l'encombrement stérique au sein du réseau de gélatine. Ainsi, il est possible de prévoir la diffusion en fonction de la nature du réseau et de la molécule diffusante.Enfin les résultats ont été utilisés dans le but de développer un pansement actif permettant de stimuler la cicatrisation des plaies chroniques. / Gels are soft matter composed of a liquid phase entrapped in a polymer network. Biopolymers can form gels, and then called biogels. Biocompatible, bioresorbable, these structures are really closed to extracellular matrix. Furthermore, aqueous phase represents 95% of the whole gel. Its possible to include molecules inside this liquid phase. Molecules are then released from the gel to the external environment.During this PhD project, we have studied the molecular release from different gelatin matrices.First, the release of a large range of molecules from chemical gelatin gel was studied. Different molecular weights and ionic charges were compared. The results show that the release depend on both the network structure and the include molecule characteristics. Moreover, the simultaneous release of two different compounds is possible.In the second part of the manuscript, gelatin gel was modified in order to control or stimulate the release. Five matrices were synthesised and tested. At first, alginate, a viscous polymer was introduced into the aqueous phase. Alginate is able to limit diffusion and its hydrolysis stimulates molecular release. Then, the gelatin network itself was modified. The synthesis of a second network within gelatin gel increases the entrapment of molecules. On the contrary, the use of ephemeral gels, where gelatin network hydrolysis is programmed and timed-controlled, leads to stimulate the molecular release.Then, a simple model elaborated from Fick's second law was constructed to describe these different delivery systems. The originality of the model resides in the consideration of the steric hindrance inside the gel. This unique model is able to predict correctly the release kinetics of small and large molecules, with or without interaction with the solid network, the concomitant release of two molecules and the release from ephemeral gels.Finally, all results were used in order to develop a new wound dressing able to deliver drugs and stimulate chronics wound healing.

Le but de cette thèse est de développer un outil microfluidique d'étude de la cristallisation (et plus particulièrement de la nucléation) le plus adapté aux contraintes de l'industrie. C'est-à-dire un outil permettant de réaliser un grand nombre d'expériences de cristallisation tout en utilisant le moins de produits possible et en restant simple à mettre en place expérimentalement. Seule la microfluidique permet, en utilisant des volumes de l'ordre du nL, de répondre simultanément à ces deux contraintes. Les systèmes microfluidiques permettent en effet de générer des gouttes de quelques nanolitres qui sont autant de microcristallisoires permettant l'étude de la nucléation. Ce travail présente la mise au point de systèmes microfluidiques et des méthodes analytiques associées dédiés à l'étude de la nucléation de principes actifs pharmaceutiques. Un système microfluidique existant a été adapté afin de répondre dans un premier temps aux problèmes posés par la cristallisation de protéines dans l'eau. Ce système a permis de mesurer la limite de zone métastable ainsi que la fréquence de nucléation d'une protéine modèle, le lysozyme, également utilisée comme principe actif. Puis ce système a été à nouveau adapté afin de permettre l'étude de la nucléation dans des solvants organiques variés et donc l'étude d'un grand nombre de principes actifs pharmaceutiques. À l'occasion de cette nouvelle adaptation, des méthodes plus polyvalentes d'études de la nucléation ont dû être mises au point afin de résoudre les nouveaux problèmes soulevés. / The aim of this work is to develop a microfluidic tool to study crystallization (and specifically nucleation) adapted to industrial issue, that's mean doing a lot of experiment with only few materials. Microfluidic, thanks to using nanoliters volume, are able to solve simultaneously both issues. Microfluidic system allows us to generate plenty of nanoliters droplets and each droplet is a microcristallizer to study nucleation. Here I present the development of a microfluidic system and the related analytical method dedicated to nucleation study of active pharmaceutical ingredient. As a first step we adapt an existing microfluidic system to study the nucleation of protein in water. Thanks to this system we are able to measure the metastable zone width and nucleation frequency of model protein used as an active pharmaceutical ingredient, the lysozyme. In a second step we modify this system in order to allow nucleation study in organic solvent. Thanks to this new system we can study the nucleations of different APIs using polyvalent methods develop to avoid nucleation problems due to the crystallization of API. This microfluidic system and the method develop to study nucleation of API are really polyvalent and let us imagine to extend their applicative field to all industrial field where using nanoliter volume can reduce the cost (protein crystallization) and/or risk (explosives, radioactive hazard).

Le taux d’infection postopératoires des prothèses orthopédiques peut atteindre jusqu’au 2% des patients ce qui peut provoquer des douleurs persistant ou augmentant après l'intervention, un décèlement précoce et la présence d'un gros hématome. Le développement des prothèses de hanche à libération prolongée locale de médicaments peut prévenir ces complications. Le but est d’optimiser la fonctionnalisation des implants en titane (TiAl6V4) revêtus d’une couche de titane microporeux et d’une couche d’hydroxyapatite de 80 µm (HA) par des cyclodextrines (CDs) afin d’obtenir des propriétés anti-infectieuses améliorées. Le revêtement est également stérilisable et biorésorbable en quelques mois. Ce système permet d’avoir une activité thérapeutique locale, modulable (choix de la molécule bio-active jugé le plus opportun par le chirurgien) et prolongée, ce qui conduira à un dispositif polyvalent d’une nouvelle génération, capable de réduire les infections post opératoires et de favoriser l’intégration de l’implant. / Bacterial infections still presents as a common complication in orthopaedic surgery, the overall infection rate after total hip replacement is 0.5% to 2 %,which may cause many serious problems e.g. morbidity, poor functional outcomes. and become the major barrier for extended use. For preventing such risks, combining antibiotics with implants for increasing local drug concentration at targeted sites could be a solution. This study aims at modifying the HA coated titanium material (Ti-HA) surface with cyclodextrins (CDs) for loading the therapeutic molecules (biodegradable antibiotic carrier system), to achieve a sustained local drug delivery for implant materials. The prolonged antibacterial activity of antibiotic loaded Ti-HA-MeβCD samples confirmed that it could be a promising drug-delivery system for sustained antibiotics release to prevent post-operatory infection or other potential applications e.g. antimitotic agent release.

L'objectif de cette thèse consiste à développer une approche globale couplant les procédés sol-gel, les propriétés d'auto-assemblage des tensioactifs et l'atomisation séchage afin d'encapsuler directement des principes actifs dans des microsphères nanostructurées. Nous nous attachons en particulier à étudier les variations de la localisation et l'état physique des principes actifs en fonction des paramètres de synthèse. Le but de ce travail est également de mettre en relation les propriétés de libération avec la texture et la composition des microsphères. En parallèle, cette thèse a aussi pour objectifs la découverte de nouvelles familles de matériaux texturés et l'approfondissement des connaissances sur les mécanismes de formation des microsphères mésoporeuses. / For the first time, a new one-pot synthesis approach associating sol-gel, self-assembly andspray-drying allows in forming microspheres with tuneable textures (worm-like mesophases,drug nano-domains, core-shell organisation) and drug delivery properties (from burst todelayed releases). The parameters which control these properties are the surfactant content,the nature of the couples (drug, surfactant) as well as the functionalisation of the siloxanenetwork.

L’optimisation de l’incorporation et de la libération de principes actifs dans les produits formulés constitue un des enjeux majeurs des industries pharmaceutiques et cosmétiques. L'objectif principal de notre étude est de proposer un modèle prédictif de la diffusion de petites sondes au sein des émulsions concentrées. Pour cela, il a fallu considérer à la fois la formulation d’émulsions concentrées stables et leur caractérisation rhéologique et structurelle ainsi que la prédiction des paramètres de transfert des sondes au sein des émulsions concentrées. On entend par paramètres de transfert, tous les paramètres permettant de caractériser les différents mécanismes de transfert de sondes dans les émulsions concentrées pris en compte dans notre système, à savoir le coefficient de diffusion dans les phases continue et dispersée, le coefficient de transfert à l’interface eau/huile, le coefficient de partage à l’équilibre de la sonde entre les deux phases de l’émulsion. Une nouvelle approche de caractérisation de la structure des émulsions concentrée a permis l’obtention des paramètres importants de structure (taille des gouttes et épaisseur du film de la phase continue). L’étude détaillée des mécanismes et processus diffusionnels est réalisée avec la prise en compte des résultats liés à la caractérisation structurelle du système d’étude. Ainsi, un modèle de diffusion fondé sur une approche phénoménologique est proposé pour prédire l'évolution des profils de concentration de la sonde dans les émulsions concentrées. Les cinétiques expérimentales de libération des sondes sont comparables à celles simulées par le modèle sans paramètres ajustables. Cette comparaison montre une bonne adéquation entre le modèle de diffusion et l’expérience / In the field of controlled release technology for new drugs, models that can predict its delivery during application are important for device design. The main objective of this work is to develop a predictive model able to describe the drug delivery from highly concentrated water-in-oil emulsions. These systems consist of deformed droplets dispersed in a continuous film. Their structure’s characteristics make them favourable for their use as releasing devices. A combination of different transfer mechanisms has been implemented in a mathematical model in order to simulate release experiments under different operating conditions (volume fraction, oil/surfactant ratio). A sensitivity analysis has been performed to point out the most relevant parameters affecting the drug’s release: drug partition and diffusion coefficients. Partition coefficient of the drug for different surfactant concentrations has been obtained through a predictive thermodynamic model UNIFAC, and the diffusion coefficient using Chang and Wilke equations in addition to the Stefan- Maxwell development. An original and simple technique has been used to determine indirectly the mean droplet size of the concentrated emulsions, through measurements of continuous phase’s thickness by analysis of incoherent polarized steady light transport through emulsion samples. In a general view, the diffusion model proposed for small drug diffusion in concentrated emulsions, which was first proposed for diluted emulsions, predicts successfully the evolution of mandelic acid concentrations during release experiments undertaken in perfect sink conditions

Le développement de nouveaux systèmes pour la délivrance locale et contrôlée de principes actifs (PA) peut avoir plusieurs intérêts : augmenter la biodisponibilité du PA, délivrer une forte dose prolongée en limitant les effets secondaires, et améliorer le confort du patient. Pour développer ces nouveaux systèmes de délivrance, des matériaux composites ont été élaborés. Ces matériaux sont constitués d’une matrice hydrogel intégrant des nanoparticules lipidiques (LNPs) capables de solubiliser un principe actif hydrophobe. Cette double encapsulation a pour but de solubiliser puis de délivrer un principe actif hydrophobe qui ne pourrait pas être encapsulé directement dans la matrice hydrophile, et de retarder sa libération en créant des interactions particules/polymères. Nous avons élaboré différents matériaux en sélectionnant 2 polysaccharides largement utilisés pour des applications biomédicales : la carboxyméthylcellulose (CMC) et le chitosane (CS). Ces 2 polymères ont été mélangés à du poly(éthylène glycol) (PEG), un polymère synthétique flexible, pour augmenter les possibilités de moduler la structure et les propriétés mécaniques de la matrice. Ces hydrogels hybrides de CMC/PEG ou CS/PEG réticulés chimiquement par chimies clics, ont été proposés sous forme d’hydrogel en volume, de films ou d’éponges. Après un travail sur le développement et la caractérisation de ces nouvelles matrices hydrogels, les propriétés des matériaux composites polysaccharides/LNPs ont été évaluées et corrélées à la diffusion des particules dans le réseau hydrogel. / Due to their high biocompatibility, macroscale hydrogels have been studied as promising materials for the design of drug delivery systems (DDS). Such systems devoted to the local administration and prolonged drug release can improve the efficacy of pharmaceutical coumpounds while limiting undesired side-effects. Hydrogels present a high water content and soft consistency with mechanical properties that can match those of biological tissues. Nevertheless, these systems are essentially limited to the delivery of hydrophilic drugs. Our approach for extended release of hydrophobic drugs is to design composite materials composed of lipid nanoparticles (LNPs) entrapped within polysaccharide hydrogels. We selected two polysaccharides which are currently used in pharmaceutical and biomedical applications: carboxymethylcellulose (CMC) and chitosan (CS). We also used poly(ethylene glycol) (PEG) as a plasticizer to tune the matrix mechanical properties. Three types of LNP-loaded hybrid materials were studied; i) bulk CMC/PEG hydrogels, ii) CS/PEG films, and iii) CS/PEG sponges. These materials were chemically crosslinked through attractive click reactions. LNPs were successfully entrapped within the three materials without affecting their properties. A deeper study was conducted with the CMC/PEG composite hydrogel. The LNP release profiles were correlated with the network structure and particles properties. The different materials appear promising systems for the time-controlled delivery of therapeutics.

Des copolymères à blocs polylactide-poly(éthylène glycol) (PLA-PEG) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle du L- ou D-lactide en présence de PEG mono- ou dihydroxylé. La masse molaire, la composition, la cristallisation et les propriétés thermiques des copolymères ont été caractérisées à l'aide de la DSC, NMR, GPC, etc. Des micelles biorésorbables ont été obtenues par la méthode dissolution directe sans utiliser de solvants organiques. Des mesures de tension de surface ont permis de déterminer la concentration micellaire critique des copolymères. Les résultats montrent que les micelles mélange L/D sont plus stables que les micelles seules en raison de l'effet stéréocomplexation entre les blocs L-PLA et D-PLA. Les comportements d'agrégation des micelles en milieu aqueux ont été étudiés en détail. Il apparaît que les micelles mélange présentent un nombre d'agrégation inférieur à celui des micelles seules. La dégradation hydrolytique des micelles a été étudiée dans les conditions in vitro. Le paclitaxel a été utilisé comme modèle de principes actifs pour évaluer les comportements in vitro et in vivo des micelles. Les méthodes dissolutio n directe et dialyse conduisent à des résultats comparables en ce qui concerne l'efficacité d'encapsulation et la teneur en principe actif. Les micelles mélange L/D présentent une meilleure capacité d'encapsulation que les micelles seules. Les expériences in vivo montrent que le paclitaxel est distribué dans tous les organes avec concentrations élevées après injection des micelles chargées. En comparaison avec la formulation clinique et les micelles par dialyse, les micelles chargées en paclitaxel par dissolution directe présentent un effet antitumeur plus important. / A series of polylactide-poly(ethylene glycol) (PLA-PEG) block copolymers were synthesized by ring-opening polymerization of L- or D-lactide in the presence of mono- or dihydroxyl PEG. The molar mass, composition, crystallization and thermal properties were characterized by using DSC, NMR, GPC, etc. Bioresorbable micelles were obtained by direct dissolution method without using any organic solvents. Surface tension measurements were used to determine the critical micellar concentration of the copolymers. The results show that L/D mixed micelles are more stable than single ones due to strong stereocomplexation effect between L-PLA and D-PLA blocks. The aggregation behavior of micelles in aqueous medium was investigated in detail. It appears that mixed micelles present lower aggregation number than single ones. The hydrolytic degradation of the micelles was investigated under in vitro conditions. Paclitaxel was used as a model drug to investigate the in vitro and in vivo behavior of micelles as drug delivery system. The direct dissolution method yields comparable drug encapsulation efficiency and loading content as the traditional dialysis method. The drug encapsulation ability is higher for L/D mixed copolymer micelles than single micelles due to stereocomplexation. In vivo experiments show that paclitaxel is widely distributed and kept at high concentration levels in various tissues after administration of drug-loaded micelles. Compared with the current clinical formulation and micelles by dialysis, paclitaxel-loaded micelles by direct dissolution exhibit the highest antitumor ability.