Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’objectif de cette thèse est de formuler un adjuvant phytosanitaire qui permet d’optimiser les propriétés rhéologiques d’une préparation phytosanitaire (bouillie) afin de limiter la formation de gouttes susceptibles à la dérive lors de la pulvérisation, et d’améliorer le contact des gouttes avec le végétal traite. Les propriétés rhéologiques peuvent être optimisées par la présence de polysaccharides judicieusement sélectionnés. Comme la dissolution des polysaccharides représente une difficulté car ils forment des grumeaux, le passage par une émulsion permettant de les piéger dans la phase dispersée est nécessaire. La formulation est donc une émulsion de type eau-dans-huile (E/H) dont la phase dispersée est une solution concentrée de polysaccharide. La solution de polysaccharide est destinée par la suite a être relarguée lors de la préparation phytosanitaire dans un tank de pulvérisation. La formulation doit posséder une stabilité dans le temps répondant aux réglementations en vigueur pour les formulations phytosanitaires liquides. De ce fait, lastabilité de l’émulsion a été optimisée en utilisant la composition adéquate (phase continue, phase dispersée, tensioactif) et un procédé de fabrication optimise utilisant un système rotor-stator et un homogénéisateur à haute pression. Les formulations établies ont été caractérisées par des techniques permettant d’apprécier la taille moyenne et la distributionde la taille des gouttes dispersées telles que la granulométrie par diffraction laser et la calorimétrie a balayage différentielle (DSC). La température de cristallisation des gouttelettes mesurée lors de l’analyse DSC est corrélée à leur taille. La stabilité dans le temps a été évaluée en réalisant des tests de vieillissement naturel et des tests de vieillissement accéléré. Le relargage de polysaccharide a ensuite été étudiée afin de pouvoir être réalisé dans les conditions de préparation d’une bouillie au champ. Le relargage est réalisé par une déstabilisation préalable de la formulation à l’aide d’un tensioactif desémulsionnant. Le relargage est évalué par l’évolution de la conductivité électrique de la bouillie car les polysaccharides relargués s’ionisent en milieu aqueux. L’étude de la pulvérisation a par la suite été réalisée en utilisant un pilote reproduisant une rampe de pulvérisation agricole. La pulvérisation a été optimisée en faisant varier les propriétés physicochimiques de la préparation à pulvériser (tension de surface et rhéologie) et les paramètres de la pulvérisation (pression, buse de pulvérisation). La formulation de l’adjuvant retenue est une émulsion contenant 50 % (v/v) de solution de carboxymethylcellulose a 3 % (m/m), dispersée dans une phase huileuse constituée d’ester méthylique de colza avec 10 % (m/m) de polyricinoleate de polyglycérol. Le relargage est réalisé à l’aide d’un tensioactif éthoxylé, sélectionné parmi sept tensioactifs commerciaux. L’étude rhéologique de la formulation à pulveriser montre des propriétés qui permettent delimiter la formation des gouttes de petits diamètres, confirme par les essais de pulvérisation réalisés sur le pilote. / The objective of this thesis is to develop the formulation of a phytosanitary adjuvant to optimize the rheological properties of a preparation devoted to plant protection, in order to reduce the formation of droplets that may drift during spraying, and improve the contact of the droplets with the treated plant. Rheological properties can be optimized by the presence of wisely selected polysaccharides. As the dissolution of the polysaccharide is a problem because they form lumps, passing through the emulsion form to trap them in the dispersed phase is necessary. The formulation is a water-in-oil type emulsion (W/O), the dispersed phase is a concentrated solution of polysaccharide. The polysaccharide solution is devoted to be released during the preparation of the phytosanitary bulk in a spray tank. The formulation should have stability over time complying with the regulations for phytosanitary liquid formulations. Therefore, the stability of the emulsion was optimized using the appropriate composition (continuous phase, dispersed phase, surfactant) and an optimized manufacturing process using a rotorstatorsystem and a high pressure homogenizer. The formulations were characterized using techniques which allow assessing the average size and size distribution of the dispersed droplets such as laser light diffraction granulometry and differential scanning calorimetry (DSC). The crystallization temperature of the droplets measured during the DSC analysis is correlated to their size. The stability over time was assessed using natural ageing and accelerated ageing tests. The release of polysaccharide was then studied in order to be performed under the conditions of preparing of phytosanitary bulk by a farmer. The release is achieved by a prior destabilization of the formulation using a demulsifier surfactant. The release is evaluated by the evolution of the electrical conductivity of the bulk, as thepolysaccharides entrapped form ionized molecules in aqueous media. The study of the spray has subsequently been carried out using a pilot reproducing an agricultural spray boom. Spraying was optimized by varying the physicochemical properties of the bulk preparation (surface tension and rheology) and spraying parameters (pressure, spray nozzle).The retained adjuvant formulation is an emulsion containing 50 % (v/v) of solution of 3 % (w/w) of carboxymethylcellulose, dispersed in an oil phase consisting of rapeseed methyl ester with 10 % (w/w) of polyglycerol polyricinoleate. The release is achieved with an ethoxylated surfactant, selected among seven commercial surfactants. The rheological study of the spray formulation exhibits properties which limit the formation of drops of small diameter, confirmed by the tests performed on the spray pilot.

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement du cancer qui utilise la combinaison d'un photosensibilisant, de la lumière et d'oxygène moléculaire. L'application de nanosubstances liposomales pour délivrer les photosensibilisants dans la tumeur est devenu un sujet important de la recherche en PDT.La présente étude porte sur les formulations liposomales conventionnelles et stériquement stabilisées de photosensibilisant mTHPC, Foslip® et Fospeg®, dans le but de déterminer les paramètres pour l'optimisation de la PDT liposomale. La caractérisation du comportement in vitro de la mTHPC liposomale a été étudiée, particulièrement sa localisation, l'état d'agrégation et les propriétés photophysiques des drogues dans les liposomes. Nous avons démontré l'état monomérique de la mTHPC dans les vésicules lipidiques et une localisation partielle du mTHPC dans Fospeg® dans la partie PEG des liposomes, alors que la majeure partie est liée à la bicouche lipidique. Nous avons ensuite étudié les cinétiques de relargage des drogues, le mode de liaison aux protéines et la destruction des liposomes dans le sérum. Dans ce but, une méthodologie basée sur la fluorescence pour estimer le relargage de la mTHPC à la fois in vitro et in vivo a été développée. Le relargage de la mTHPC des liposomes PEGylés a été retardé par rapport aux liposomes conventionnels et la destruction des liposomes a été considérablement diminuée. La connaissance de tous ces paramètres permet de mieux prédire le taux de relargage de la drogue, les paramètres pharmacologiques et l'effet tumoricide in vivo. Le traitement PDT pourrait être plus avantageux avec le Fospeg® comparé à la mTHPC incorporée dans les liposomes conventionnels / Photodynamic therapy (PDT) is a photochemical-based modality of cancer treatment that uses a combination of a photosensitizer, light and molecular oxygen. Application of liposomal nanocarriers to deliver photosensitizers to tumor targets has become a major direction of PDT research. The present study investigates conventional and sterically stabilized liposomal formulations of the photosensitizer mTHPC, Foslip® and Fospeg®, with a view to determine the parameters for optimizing liposomal PDT. The characterization of in vitro behaviour of liposomal mTHPC was conducted, with an emphasis on drug localization, aggregation state and photophysical properties of the compounds in liposomes. We demonstrated the monomeric state of mTHPC in lipid vesicles and a partial localisation of mTHPC in Fospeg® in a PEG shell, while the main part was bound to the lipid bilayer. We further studied the drug release kinetics and binding pattern to serum proteins and the destruction of liposomes in serum. With this aim, a fluorescence-based methodology of estimating mTHPC release both in vitro and in vivo was developed, as well as an in vitro assay to characterize liposome destruction. The release of mTHPC from PEGylated liposomes was delayed compared with conventional liposomes along with greatly diminished liposome destruction. Knowledge of these parameters allows to better predict the drug release rate, pharmacological parameters and in vivo tumoricidal effect. The PDT treatment could be more advantageous with Fospeg® compared to mTHPC embedded in conventional liposomes

Le comportement d'hydrogels polyélectrolytiques gonflés de solutions de polymère linéaires soumis à une contrainte mécanique (cisaillement, compression) est étudié avec des outils rhéo-optiques afin d'obtenir une meilleure compréhension du comportement de gel et d'ouvrir la voie vers des applications dans des formulations cosmétiques. L'étude en cisaillement a été effectuée avec des particules de gel isolées suspendues dans une matrice d'huile silicone. Différents régimes ont été identifiés: a faible contrainte, la particule se déforme, mais moins qu'une goutte de son solvant. Au-delà d'un premier seuil de contrainte, nous observons le relargage de bouts de solvant dans la direction de l'écoulement. Ces bouts restent attachés à la particule. Le solvant est libéré et dispersé dans la matrice au-delà d'une deuxième contrainte seuil. Relargage et éjection ont également été observés dans la direction de la vorticité. Des volumes importants de solvant peuvent être libérés. Les effets de la taille de la particule, du degré de gonflement, de la concentration de la solution de polymère et de la tension interfaciale ont été étudiés. L'étude en compression a été réalisée avec des disques de gels gonflés à l'équilibre d'eau ou d'une solution de polymère et entourés d'air. Le gel se déforme et relargue partiellement son solvant dès qu'il est soumis à une contrainte. L'analyse thermodynamique d'un tel système prédit que ce relargage est plus important pour des gels chargés que pour des gels neutres.

La thérapie photodynamique (PDT) est une modalité de traitement du cancer qui utilise la combinaison d'un photosensibilisant, de la lumière et d'oxygène moléculaire. L'application de nanosubstances liposomales pour délivrer les photosensibilisants dans la tumeur est devenu un sujet important de la recherche en PDT. La présente étude porte sur les formulations liposomales conventionnelles et stériquement stabilisées de photosensibilisant mTHPC, Foslip® et Fospeg®, dans le but de déterminer les paramètres pour l'optimisation de la PDT liposomale. La caractérisation du comportement in vitro de la mTHPC liposomale a été étudiée, particulièrement sa localisation, l'état d'agrégation et les propriétés photophysiques des drogues dans les liposomes. Nous avons démontré l'état monomérique de la mTHPC dans les vésicules lipidiques et une localisation partielle du mTHPC dans Fospeg® dans la partie PEG des liposomes, alors que la majeure partie est liée à la bicouche lipidique. Nous avons ensuite étudié les cinétiques de relargage des drogues, le mode de liaison aux protéines et la destruction des liposomes dans le sérum. Dans ce but, une méthodologie basée sur la fluorescence pour estimer le relargage de la mTHPC à la fois in vitro et in vivo a été développée, ainsi que d'un essai in vitro pour caractériser la destruction des liposomes. Le relargage de la mTHPC des liposomes PEGylés a été retardé par rapport aux liposomes conventionnels et la destruction des liposomes a été considérablement diminuée. La connaissance de tous ces paramètres permet de mieux prédire le taux de relargage de la drogue, les paramètres pharmacologiques et l'effet tumoricide in vivo. Le traitement PDT pourrait être plus avantageux avec le Fospeg® comparé à la mTHPC incorporée dans les liposomes conventionnels.

Nous cherchons à développer une sonde permettant le relargage sélectif de cations métalliques. Un tel système permettrait de capter et relarguer des cations sans contamination ni perturbation importante de l'environnement proche de l'électrode. Par la suite le dispositif pourrait être miniaturisé et utilisé in vivo. La stratégie adoptée consiste à concevoir des composés possédant un centre redox à proximité d'un ligand ayant une grande affinité vis-à-vis des cations métalliques, en particulier pour le calcium. Des groupes fonctionnels, séparés par un espaceur modulable, permettent le greffage à la surface de l'électrode. Lors de l'oxydation du centre redox initialement neutre, on peut s'attendre à ce que la constante de complexation soit diminuée de manière importante, principalement à cause de la répulsion électrostatique qui tend à éjecter le cation de la cavité. Lors de mon travail de thèse, quatre nouvelles familles de ligands possédant une phénylènediamine comme centre redox ont été synthétisées et étudiées. Parmi ces composés, les dérivés de type " demi-BAPTA " ont permis de démontrer le concept de relargage de calcium pour la première fois en milieu aqueux, à pH physiologique. Cependant, la constante d'affinité étant trop faible pour des applications in vivo, des composés basés sur le ligand BAPTA ont été préparés et s'avèrent prometteurs

La qualité microbienne de l'air intérieur représente un enjeu sanitaire important, notamment dans le secteur professionnel. Ces travaux de thèse ont permis d'étudier les conditions favorisant le développement des espèces microbiennes collectées sur des médias fibreux utilisés dans des CTA, ainsi que leur réentrainement an aval de la filtration, susceptible de dégrader la qualité de l'air. La première partie de l'étude s'est déroulée en laboratoire à partir de la filtration d'un consortium bactérien - fongique composé de Staphylococcus epidermidis et Penicillium oxalicum. L'influence de trois paramètres a été étudiée sur la croissance microbienne : le taux d'humidité relative (HR) de l'air, la nature du média fibreux, la présence/absence de flux d'air. Les résultats ont révélé notamment que quelles que soient les conditions,S. epidermidis n'arrive pas à croître. En revanche, lorsque l'HR de l'air approche 100%, P. oxalicum se développe sur les filtres et des spores sont relarguées en aval des filtres après une reprise de la filtration. Une seconde partie de l'étude a consisté à travailler avec un aérosol atmosphérique semi urbain. Deux unités de filtration d'air ont fonctionné pendant 5 mois en parallèle. La ventilation d'une des deux unités a été stoppée chaque week-end et redémarrée en début de semaine. Un suivi de la température, de l'humidité de l'air, de la perte de charge des filtres et de la concentration des particules totales dans l'air en amont de la filtration a été assuré tout au long de l'étude. Les concentrations en microorganismes cultivables ont été mesurées chaque semaine en amont et en aval de chaque filtre, notamment au redémarrage de la ventilation. En fonction des variations saisonnières de la concentration des microorganismes, les résultats ont montré en particulier des efficacités de filtration vis-à-vis des particules bactériennes faibles, voire négatives, dans l'unité de filtration fonctionnant en continu.

Le doctorant n'a pas fourni de résumé en français. / The research described in this thesis is directed to study an externally stimulated DDS that incorporates a hydrogel as the matrix for the therapeutic agent. The research does not investigate a particular site for the delivery of the therapeutic agent. However, the aim of this research program is to develop various hydrogel formulations with desirable characteristics and structures from which the drug release can be controlled with applied external energy in the form of low-frequency ultrasound. To accomplish this, two types of natural hydrogels from agarose and chitosan and one type of synthetic hydrogel from PVA were fabricated. Parameters that affect the structure were varied for each type of hydrogel in order to study the effect of structural changes on drug loading and release capacity of hydrogels. Next, the obtained hydrogels were assessed for the delivery of Theophylline as the model drug.Among the three types of hydrogels, chitosan was found to have the fastest swelling rates and the higher water uptakes while the least swelling was found with PVA hydrogels and then agarose hydrogels crosslinked at pH 12. Regarding the mechanical stability of hydrogels, the ranking of the elastic modulus was PVA hydrogels (highest), then agarose hydrogels and chitosan copolymers (lowest). It seemed that the more mechanically stable structure of the PVA hydrogels correlated with a reduced mobility of water, in comparison to the greater mobility of water in the mechanically weaker chitosan copolymers.The stimulated and passive release of Theophylline from those hydrogel carriers showed how ultrasound, as an external energy, stimulates and controls the release of the drug. The measurements confirmed that it is only the energy imparted by the longitudinal ultrasonic waves that act on the polymeric network. The mechanism by which the ultrasound affects the release is considered as a form of a ratchet motor. The polymer chains play the role of the “ratchet” steps and the ultrasonic waves accelerate the particle movement in the release media. Hence, once the ultrasound is applied, the particles descend chain-to-chain (i.e. step-by-step) driven down their concentration gradient by the applied energy until they reach the surface of the hydrogel and hence are released into the surrounding media.Increasing the ultrasound intensity vastly accelerates the drug release. Indeed a higher intensity equals a higher energy transferred from the ultrasonic waves to the drug particles, resulting in faster and less controlled release. This also depends on the type of drug carrier structure. If the hydrogel carrier is mechanically stable, such as the PVA samples or the agarose hydrogels crosslinked at pH 12, the effect of high ultrasound intensity is much less compared to a less mechanically stable carrier such as the chitosan blends. Ultrasound applied for a longer period of time increases the amount of drug released, with the consequent effect of increasing the amount of heat generated in the hydrogel. Generally, a longer duration of the applied energy results in a greater amount of energy absorption, and an increase in friction and heat generation. These effects are important considerations in relation to the heat sensitivity of the drug to be delivered and the thermal characteristics of the polymeric carrier.This PhD research has demonstrated that both natural and synthetic hydrogels coupled to an ultrasonic energy source provides a controllable DDS, which provide some novel outcomes and contributions to the body of knowledge in the field of controlled drug delivery.

Ce travail de thèse a pour objet la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés de complexation de cages moléculaires riches en électrons, préparées selon une stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux, ainsi que l’étude de leur aptitude à complexer ou libérer un substrat à l’aide d’un stimulus redox.Une présentation de la stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux et de son efficacité pour l’élaboration de structures tridimensionnelles est d’abord proposée.Ce projet repose sur un travail préalable de synthèse de ligands riches en électrons, dérivés de l’unité tétrathiafulvalène (TTF) ou de son dérivé à système-pi étendu (ex TTF), motif dont les propriétés de donneurs pi sont bien établies. Plusieurs ligands tétra-topique sont ainsi été préparés et caractérisés.Les auto-assemblages discrets correspondant ont été obtenus par réaction avec divers complexes métalliques, donnant naissance à des cavités variées,contrôlées en termes de forme et de taille. Ces édifices ont été caractérisés par RMN (dont DOSY),spectrométrie de masse, le cas échéant par diffraction des rayons-X et leurs propriétés électrochimiques ont été étudiées par voltammétrie cyclique. Leur capacité à complexer des invités neutres ou ioniques a également été mise en évidence. Enfin, exploitant les caractéristiques géométriques et électroniques remarquables des dérivés à base ex TTF, l’aptitude de l’une des cages correspondantes à contrôler réversiblement le processus de libération/complexation d’un invité par oxydation/réduction chimique, a pu être démontrée. / This work is related to the synthesis and the characterization of electron-rich molecular cages, which are generated through a coordination-driven selfassembly strategy, as well as to the study of their ability to complex or release a substrate using a redox stimulus. A presentation of the metal-driven self-assembly methodology and of the corresponding efficiency in the preparation of three-dimensional structures is first proposed. This project is based on preliminary efforts in the design and the synthesis of electron-rich ligands, which are derived from the tetrathiafulvalene unit (TTF) or its piextended derivative (exTTF), whose pi-donating properties are well-established. Several tetratopic ligands were prepared and characterized. The corresponding discrete self-assemblies were obtained by reaction with various metal complexes, giving rise to various cavities whose shapes and sizes can be triggered. These structures were characterized by NMR (including DOSY), mass spectrometry, X-ray diffraction in some cases. Their electrochemical properties were studied by cyclic voltammetry. Their good binding properties for various neutral and ionic guests were also shown. Finally, exploiting the remarkable geometric and electronic features of exTTF derivatives, the ability of one of the corresponding cages to trigger reversibly the release/complexation process of a guest upon chemical oxidation/reduction, could be demonstrated

La production à l'échelle industrielle et la diversité d'utilisation des nano-objets manufacturés, leurs agrégats et agglomérats (NOAA) et leur possible libération dans l'environnement aquatique naturel ont conduit à une préoccupation croissante parmi la communauté scientifique des sciences de l'environnement et des nanotechnologies. Parmi eux, les ciments photocalytiques sont basés sur la propriété photocatalytique de NOAA-TiO2 ajoutés dans la matrice du ciment. Lors de l'exposition au rayonnement UV, les NOAA-TiO2 provoquent l‘oxydation (i.e. dégradation) des composés adsorbés à la surface du ciment. Sa validation environnementale est requise, en termes d'impacts et risques associés à l'incorporation des NOAA-TiO2. Le but de cette étude est de déterminer les mécanismes de relargage des NOAA-TiO2 incorporés dans le ciment autonettoyant durant le processus de vieillissement et d’identifier les paramètres qui pourraient le contrôler. Les éléments relargués (fractions particulaires et solubles) et leurs cinétiques ont été quantifiés par ICP-OES et caractérisés par MET. Nous avons ensuite analysé la phase solide (du cœur à la couche altérée) en utilisant plusieurs techniques aux rayons X, la DRX (diffraction des rayons X), μ-XRF (micro X-Ray spectroscopie) et une combinaison sans précédent de nano et micro X-ray tomographie pour effectuer une caractérisation complète de la matrice du ciment altéré comprenant la structure de pores. / The industrial scale production and wide variety of applications of manufactured nano-object, their aggregates and agglomerates (NOAA) and their possible release into the natural aquatic environment have produced an increasing concern among the nanotechnology and environmental science community.Among them, the photocatalytic cements are based on the photocatalytic property of TiO2-NOAA added in the cement matrix. During continuous UV radiation exposure, TiO2-NOAA lead to the oxidation (i.e. degradation) of compounds adsorbed at the cement surface. Such NOAA application in building construction is promising as it exhibits improved properties but its environmental validation (in terms of impacts and risks associated with the incorporation of TiO2 NOAA) is also required.The aim of this study is to determine the mechanisms of TiO2-NOAA release from a self-cleaning cement during aging process and to identify cement parameters controlling it.. The elements released (particulate and soluble fractions) and their kinetic were quantified by ICP-OES and characterized with TEM. We analyzed the solid phase (core to altered layer) using several X-ray based techniques: XRD (X-Ray Diffraction), µ-XRF (micro X-Ray Spectroscopy) and an unprecedented combination of nano and micro X-ray computed tomography to perform a original and omplete altered cement matrix characterization including pore structure.