Les composites renforcés avec des nanotubes de carbone présentent un réel potentiel en terme de renforcement mécanique, d’amélioration de conductivités électrique et thermique des matériaux cependant les effets toxicologiques des nanotubes de carbone sur la santé humaine sont toujours à l’étude, et tout laisse à penser que ceux-ci feront prochainement l’objet de normes et autres législation. C’est pourquoi les fabricants de composites renforcés nanotubes de carbone ont tout intérêt à prendre les devants sur de futures législations en contrôlant le relargage de nanotubes isolés lors de différentes sollicitations de ces matériaux telles que la casse ou l’abrasion. Un bon état de dispersion des nanotubes au sein de la matrice est un paramètre qui améliore les performances du composite et que l’on suppose faire baisser le relargage de nanotubes de carbone isolé dans l’environnement. Le but final de cette étude est donc ici de savoir si la qualité de l’état de dispersion des nanotubes influe sur la nature des particules relarguées suite à une dégradation d’un composites. Il faut savoir si l’on a relargué des nanotubes isolés, ou bien des particules de polymère dans lesquelles des nanotubes seraient complètement enrobés, d’où l’intérêt de bien maitriser cette étape de dispersion. Pour contrôler la dispersion des nanotubes de carbone dans un système polymère, différentes méthode peuvent être utilisées, notamment la microscopie électronique (MEB et MET), mais également des méthodes telles que la caractérisation des propriétés mécaniques, la conductivité électrique, thermique ou encore la rhéologie des suspensions. Ces différentes méthodes étant plus ou moins efficaces et simple à mettre en œuvre pour indiquer si les nanotubes sont individuellement dispersés, en fagots, voire en agglomérats. Une fois l’état de dispersion des composites biens caractérisés, il s’agit de le corréler avec une prédisposition plus ou moins prononcée de ce nanocomposite au relargage. La théorie prédit que l’interface entre un nanotube et le polymère est supposé bien plus forte que celle entre un nanotube entouré par d’autres nanotubes au sein d’un agrégat. Des observations microscopiques de fractures ainsi que la caractérisation des particules relarguées lors des tests en abrasion standardisés (mesures granulométriques combinées à des observations par microscopie électronique) menées sur ces matériaux modèles permettent alors de confirmer les prédictions théoriques et de caractériser les particules relarguées en termes de taille, nombre et nature. Les résultats ne permettent pas d’affirmer que des nanotubes de carbone isolés sont relargués pendant la sollicitation mécanique des nanocomposites, quel que soit l’état de dispersion des nanotubes de carbone. En revanche, les interactions entre les particules de matrice polymère et les nanotubes de carbone observés sur celles-ci, apparaissent extrêmement dépendantes de cet état de dispersion. / Carbon nanotubes (CNT) reinforced polymer-based composites represent a significant opportunity in terms of mechanical reinforcement and electrical and thermal conductivity improvements. However specific issues for nanotubes and related composites on human health are still under studied. It is strongly expected that standards and regulations on carbon nanotubes and on carbon nanotubes composites should appear soon. Due to their high aspect ratio they could migrate into breathing apparatus (because of their small diameter) and remain stuck to the walls (due to their length) causing damages like pulmonary fibrosis or cancer. Exposition of human people to carbon nanotubes must be controlled and an occupational exposure limit must be defined. That is why suppliers of carbon nanotubes have large interest to predict rules in controlling carbon nanotube release during the use of materials prepared from nanotubes, especially under abrasion or other cyclic mechanical solicitations. A key point is to check if a good dispersion state is a required condition to decrease isolated carbon nanotubes release. As the dispersion state of carbon nanotubes in polymer-based nanocomposites was known and controlled, standardized abrasion tests were performed in a glove box in order to simulate the wear use of a nanocomposite during its lifecycle, i.e. to generate particles. Released particles were collected on TEM grids and by particle sizing devices and these ones were analyzed in term of number, size and nature thanks to different characterization methods. Granulometric data, TEM micrographs and EDX measurements were all performed and founded to be influenced by several parameters amongst which the carbon nanotubes dispersion state. Carbon nanotubes were found in the abraded particles but never isolated from other polymer particles but could be linked to released polymer particles via Van der Waals interactions and physical entanglement. It clearly appears that the dispersion state of CNT has an influence on the shape and the aspect of released particles.

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands). / Bile acids are natural compounds and may have potential for pharmaceutical applications. Their structures provide an interesting platform for polymerization to obtain well-defined architectures. The anionic polymerization of oxirane derivatives, mainly PEG derivatives, endowed new aggregation properties and improvement of biocompatibility of the new amphiphilic polymers based on bile acids. A library of pegylated bile acids (BA(EGn)x) was prepared for the formulation of lipophilic drugs. The aqueous physicochemical behaviors of these derivatives (modulation of the length (2 < n < 19) and the number (2 < x < 4) of PEG arm) were investigated. In order to improve the bioavailability of insoluble active compounds (itraconazole, an antifungal drug), a binary system based on the association of BA(EGn)x and oleic acid, formed self-emulsifying drug delivery systems. The in vitro evaluation of cell toxicity and solubilization capacities of the BA(EGn)x systems followed by the in vivo evaluation in rats of the pharmacokinetic parameters demonstrated the advantages of our self-assembled system for controlled drug delivery for both oral and intravenous administration. Star-shaped block copolymers of pegylated cholic acid (CA(EGn-b-AGEm)4) were prepared by the introduction of a second hydrophobic block of PAGE poly(allyl glycidyl ether). They demonstrated thermosensitivity (8 oC < LCST < 37 oC) in aqueous solution, suggesting a mechanism based on the formation of aggregates in two steps. The PAGE block with pendant groups may facilitate futher functionalization. The thiolation of allyl yields a new class of charged PEGylated star polymers (with multiple amines or carboxylic groups). CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 and CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 derivatives showed self-assembled structures in solution with temperature and pH responsiveness, respectively. This functionalization may lead to broader application of pegylated star derivatives in DNA transfection systems, siRNA delivery systems or as selective delivery system (pH-dependent).

La Résonance Magnétique Nucléaire RMN DOSY (Diffusion Ordered SpectroscopY) 1H est une technique permettant de mesurer les coefficients de diffusion des espèces en solution. Elle permet ainsi d’obtenir des informations structurales de par sa dimension RMN conventionnelle mais également des informations physico-chimiques telles que la taille de la (macro)molécule ou encore la formation d’agrégats. L’objectif de ces travaux a été d’examiner comment les méthodes de RMN (RMN 1D ,2D et DOSY), permettent de fournir des informations sur la caractérisation des matériaux polymères. La première partie de ce travail souligne l’intérêt de la RMN pour la caractérisation de la microstructure de quelques matériaux polymères en s’attardant plus particulièrement sur l’exploration de leurs extrémités de chaînes. La RMN s’est en effet révélée très performante pour établir le lien entre extrémité de chaîne et méthode de polymérisation appliquée. Le deuxième volet de ces travaux concerne l’étude de quelques architectures complexes (type dibloc et tribloc) et la mise en évidence du caractère contrôlé d’une copolymérisation radicalaire grâce à la RMN diffusionnelle. Nous avons également vu comment déterminer la masse moyenne en poids (Mw) par une simple mesure du coefficient d’autodiffusion. Finalement, l’ensemble des travaux présentés dans ce manuscrit a été valorisé grâce à l’étude des interactions par RMN diffusionnelle. Plus particulièrement la RMN DOSY 1H a permis d’observer des phénomènes de micellisation, d’agrégation, d’encapsulation et de relargage de molécules de principe actif. / Diffusion Ordered Spectroscopic Nuclear Magnetic Resonance (DOSY NMR 1H) makes it possible to determine physicochemical data such diffusion coefficients. While typical NMR data on the structure of molecules can be obtained, this technique also permits determinations of the physicochemical characteristics, such as molecular sizes or aggregate formation. The objective of this work was to examine how various NMR methodologies, specifically, 1 and 2 dimensional DOSY NMR, can be applied to the characterization of polymers. The first part of the manuscript relates the NMR characterization of some polymeric materials with a special interest in chain-end groups. In particular, we demonstrate the relationships between chain-ends and the polymerization methods employed. In a second part, the potential of the DOSY technique is used to determine controlled features of a radical polymerization resulting in di- and triblock architectures. Molecular weights are also determined by self-diffusion coefficient measurements. The results presented herein demonstrate that diffusional NMR can be effectively employed to understand interactions in polymeric structures. Indeed, DOSY 1H-NMR provides new interesting results concerning micellization, aggregation, encapsulation phenomena and the release of active molecules.

Ce manuscrit présente la synthèse de nouveaux matériaux élastomères dérivés du caoutchouc naturel et de monomères organiques possédant des propriétés antifouling et/ou antibactériennes, liés de manière covalente au réseau polymère. Des monomères acrylates originaux comportant un groupement bioactif (un groupe guanidinium ou des dérivés de l'acide Zostérique) ont été synthétisés et co-polymérisés avec des oligomères acrylates téléchéliques. Aucun relargage significatif des monomères bioactifs n’'a eu lieu après immersion dans l'eau. Les films auto-portés synthétisés uniquement à partir des oligoisoprènes de type acrylate ont montré une faible activité antibactérienne qui a pu être drastiquement améliorée en intégrant aux films des monomères bioactifs. Les revêtements se sont montrés actifs contre plusieurs souches de bactéries pathogènes, parmi lesquelles P.aeruginosa, S.aureus, Bacillus subtilis et S.epidermidis. Afin de greffer de manière covalente des brosses d'oligoisoprène sur des surfaces, de nouveaux oligoisoprènes bifonctionnels comportant un groupe terminal alkoxy-silane ont été préparés puis couplés avec des matériaux à base de silicium. Une autre approche a également été étudiée, consistant à pré-fonctionnaliser la surface avec des groupements amino puis à partir de ces fonctions à greffer des oligomères ayant des extrémités carbonylés. La post-polymérisation à partir des extrémités de chaîne libres à la surface a donné un revêtement épais d’'oligoisoprène offrant une forte résistance à l'immersion dans des solvants (eau, THF). De cette manière, nous avons pu accéder à des couches moléculaires denses et liées, à des films minces et à des revêtements épais. / This manuscript presents the synthesis of new elastomeric materials based on natural rubber derived building blocks and organic monomers having antifouling and/or antibacterial properties, covalently bound to the polymer network. Original acrylate monomers bearing an organic bioactive moiety (a Guanidinium group or Zosteric acid derivates) were synthesized and co-polymerized with telechelic acrylate oligomers from polyisoprene. No significant leaching of the bioactive monomers occurred and the material resisted to long water immersions. Freestanding films prepared from acrylate oligoisoprenes also showed a weak antibiofouling activity which was drastically increased by integrating the guanidinium and the Zosteric acid monomers. The coatings were active against several strains of pathogenic bacteria among which Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis and Staphylococcus epidermidis. In order to covalently graft oligoisoprenes to surfaces, new bifunctional oligoisoprenes bearing an alkoxy-silane end moiety were designed and coupled with silicon-containing materials. An alternative approach was followed by prefunctionalizing the surface with amino groups and by covalently grafting oligomers with carbonyl chain-ends. Post-polymerization from the surface free chain-ends resulted in a thick oligoisoprene coating with strong resistance to solvent immersion (water, THF). In this way, we were able to build dense and tethered molecular layers, thin films and thick coatings.

Dans les aciéries, la conversion de la fonte en acier est une opération qui génère des quantités très importantes de déchets : les laitiers d'aciérie de conversion (LAC), qui sont en partie valorisés en tant que granulats en génie civil. Cette thèse vise à quantifier et à expliquer le comportement à la lixiviation des LAC, c'est-à-dire leur altération et le relargage des métaux traces (Cr, V) qu'ils contiennent, par l'identification des mécanismes physico-chimiques qui régissent, au sein même de la matrice solide, la mobilité et le transfert des éléments. L'approche expérimentale choisie est basée sur des tests de lixiviation (en laboratoire à l'aide du CTG-Leachcrete et en lysimètre à l'échelle semi-pilote) et des spectroscopies d'absorption et de fluorescence des rayons X permettant de caractériser à l'échelle du site cristallochimique le degré d'oxydation, la symétrie et la nature des phases porteuses des éléments.<br />Le Cr exclusivement trivalent, très stable dans les sites octaédriques d'une ferrite de calcium, est très peu relargué lors des tests de lixiviation en laboratoire et en lysimètre. Une phase de type spinelle, issue de l'altération de (Fe, Mn, Mg)O contrôle également la mobilité du Cr(III). Au contraire, le V(III) subit une oxydation en V(V) au sein même de sa phase porteuse, qui s'accompagne d'une perte de symétrie, à l'origine de sa mobilité à l'échelle du laboratoire.<br />Les données issues de ces expériences ont permis d'écrire les équations thermodynamiques d'équilibre à l'origine de l'initialisation d'un modèle géochimique robuste (CHESS) reproduisant l'altération des LAC : évolution minéralogique et courbes cinétiques de relargage obtenues lors des tests de lixiviation statique et dynamique en laboratoire. Ce modèle vise à terme à prédire le comportement à long terme des LAC dans un scénario de valorisation donné.

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands). / Bile acids are natural compounds and may have potential for pharmaceutical applications. Their structures provide an interesting platform for polymerization to obtain well-defined architectures. The anionic polymerization of oxirane derivatives, mainly PEG derivatives, endowed new aggregation properties and improvement of biocompatibility of the new amphiphilic polymers based on bile acids. A library of pegylated bile acids (BA(EGn)x) was prepared for the formulation of lipophilic drugs. The aqueous physicochemical behaviors of these derivatives (modulation of the length (2 < n < 19) and the number (2 < x < 4) of PEG arm) were investigated. In order to improve the bioavailability of insoluble active compounds (itraconazole, an antifungal drug), a binary system based on the association of BA(EGn)x and oleic acid, formed self-emulsifying drug delivery systems. The in vitro evaluation of cell toxicity and solubilization capacities of the BA(EGn)x systems followed by the in vivo evaluation in rats of the pharmacokinetic parameters demonstrated the advantages of our self-assembled system for controlled drug delivery for both oral and intravenous administration. Star-shaped block copolymers of pegylated cholic acid (CA(EGn-b-AGEm)4) were prepared by the introduction of a second hydrophobic block of PAGE poly(allyl glycidyl ether). They demonstrated thermosensitivity (8 oC < LCST < 37 oC) in aqueous solution, suggesting a mechanism based on the formation of aggregates in two steps. The PAGE block with pendant groups may facilitate futher functionalization. The thiolation of allyl yields a new class of charged PEGylated star polymers (with multiple amines or carboxylic groups). CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 and CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 derivatives showed self-assembled structures in solution with temperature and pH responsiveness, respectively. This functionalization may lead to broader application of pegylated star derivatives in DNA transfection systems, siRNA delivery systems or as selective delivery system (pH-dependent).

Les émulsions représentent une large gamme de produits alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques. Pour assurer leur stabilité, une interface chargée de tensioactif est nécessaire. Cette interface constitue une barrière contre la coalescence mais gène la libération des principes actifs encapsulés. Dans cette thèse, une nouvelle méthode d’émulsification est développée. Elle consiste à utiliser des ultrasons à hautes fréquences (UHF) (1,7MHz) qui permettent d’avoir des émulsions stables sans émulsifiants tout en évitant les effets mécaniques violents de la cavitation acoustique présente aux basses fréquences. L’étude des répartitions granulométriques a montré une diminution significative de la taille des gouttelettes d’huile au cours du temps de traitement par ultrasons de hautes fréquences. Le suivi du pH des émulsions montre une forte diminution et une charge de surface importante des gouttelettes est enregistrée ce qui montre une accumulation d’ions OH- à l’interface l'huile/eau conduisant à la stabilité des gouttelettes dans l'émulsion. La conductivité des émulsions diminue durant l’émulsification traduisant une baisse de la quantité d’ions en solution, ce qui indique la formation de la couche contre ions (charge positive) autour de la structure des OH-. Les résultats montrent une stabilisation électrostatique des émulsions obtenue par la formation d’une double couche ionique autour des gouttelettes d’huile. Contrairement aux procédés d’émulsification standard, les émulsions faites par ce procédé montrent une stabilité de 30 jours à 37°C. L’utilisation des émulsions sans émulsifiant faites par UHF pour la vectorisation de CoQ10 montre une prolifération cellulaire plus élevée que dans le cas des émulsions avec émulsifiant. Une étude approfondie des émulsions sans émulsifiant par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et par résonance magnétique nucléaire (RMN) a été réalisée et comparée à des émulsions contenant un ou plusieurs émulsifiants. L’étude SAXS montre clairement l’absence de micelles de tensioactifs pour les émulsions sans émulsifiants et les résultats de la RMN montrent l’absence de la signature des tensioactifs et des phospholipides dans les émulsions faites par ultrasons de hautes fréquences. Par ailleurs, la RMN montre l’absence d’interaction entre des différents constituants de l’émulsion et aussi l’absence de structure néoformées / Emulsions are systems containing two immiscible liquids, one dispersed as droplets (dispersed phase) throughout the other (continuous phase). When emulsifier is added, it may interact with the other formulations compounds creating new emulsion properties. Therefore, it becomes difficult to study the role of oil phase alone on emulsion properties. In this thesis, emulsifier free emulsion was developed with high frequency ultrasounds (HFU) generated by piezoelectric ceramic transducer vibrating at 1.7 MHz. pH measurement showed significant decrease and negative electrophoretic mobility showed the accumulation of OH- at oil/water interface leading to droplets stability in the emulsion. Emulsions conductivity showed a decrease of the ions quantity in solution, which indicated formation of positive charge layer around OH- structure. They constituted a double ionic layer around oil particles providing emulsion stability. This study showed a strong correlation between turbidity measurement and proportion of emulsified oil. Unlike standard emulsification methods, emulsions made this process demonstrates stability for 30 days at 37 °C. The use of emulsions without emulsifier made by HFU for vectoring CoQ10 shows a higher cell proliferation in the case of emulsion without emulsifier. A study of emulsions without emulsifer by small angle X-ray scattering (SAXS) and nuclear magnetic resonance (1H NMR) was performed and compared to emulsions containing emulsifiers. NMR analysis showed no interactions between different compounds and the HFU manufacturing process did not cause chemical degradation or neoformed compounds. SAXS showed a thin interface between two phases with different electronic density (water/oil) for emulsions with and without emulsifiers. For emulsion with emulsifiers SAXS showed surfactant micelles diffusion signal which doesn’t appear in the emulsion without emulsifiers

Le principal objectif de ce travail de thèse était d’étudier l’influence de la fonctionnalisation des protéines par des sucres ou des polyphénols de raisin dans la formulation et le comportement de microsphères de vitamine A. La formulation de différents conjugués issus soit de la réaction de Maillard soit de la complexation des polyphénols sur les protéines a été effectué sur trois matières premières protéiques : les protéines de pois, le caséinate de sodium de lait de vache et la gélatine de type A porcine. Dans une première partie, les caractéristiques et le pouvoir émulsifiant des conjugués ont été étudiés, et ont confirmé le potentiel de stabilisation d’une huile dans le temps. Une seconde partie s’est concentrée sur les observations au microscope électronique à balayage des microsphères et sur une méthodologie d’observation spécifique à ce genre d’échantillon. Une troisième partie a étudié l’influence des fonctionnalisations sur la stabilité de la vitamine A dans le temps, sur sa libération dans des milieux de digestion gastriques et entériques simulés, et sur la libération de géraniol co-encapsulé. La dernière étude a porté sur le potentiel muco-adhésif des microsphères en utilisant une technique d’analyse originale. / The main objective of this thesis was to study the influence of functionalization of proteins by sugars or grape polyphenols in the vitamin A microsphere formulation and behavior. The formulation of different conjugated stemming either from the Maillard reaction or from the complexation of polyphenols on proteins was made on three proteins : pea proteins, sodium caseinate and type A gelatin. In a first part, the characteristics and the emulsifying power of the combined were studied, and confirmed the potential of stabilization of oil in the time. A second part was on the observations with scanning electron microscope of microspheres and on the methodology of specific observation in this kind of sample. The third part studied the influence of functionalization on vitamin A stability in the time, liberation on gastric or enteric digestion media, and liberation of co-encapsulated geraniol. The last study concerned the muco-adhesive potential of microspheres by using an original analysis.

Le traitement d'une infection ostéo-articulaire nécessite une prise en charge longue, obligeant à des chirurgies itératives et à un traitement antibiotique systémique prolongé. À ce jour, le polyméthacrylate de méthyle est le vecteur d’antibiotique local le plus fréquemment utilisé chez l’homme pour traiter une infection ostéo-articulaire. Cependant les PMMA sont non résorbables et obligent à multiplier les interventions chirurgicales afin d’aboutir au traitement définitif de l’infection ostéo-articulaire. Le PMMA ne permet pas une libération complète de l’antibiotique avec de surcroît des doses inférieures à la CMI du germe en cause, pouvant faciliter l’émergence de bactéries résistantes. L'objectif de notre travail était d’obtenir une libération locale efficace et prolongée d’antibiotique grâce à un polymère entièrement résorbable. Le cahier des charges établi pour l’élaboration de ce polymère était le suivant : système matriciel offrant une libération de gentamicine à une dose de 1 à 2 mg/jour/g de mélange sur une période de plus de 10 jours. De plus, le polymère devait être bio-résorbable, c’est-à-dire qu’il devait pouvoir être dégradé jusqu'à obtenir des fragments pouvant être éliminés naturellement par l'organisme. Afin de répondre à ces exigences, il a été créé le PLA50P, Poly(D,L-acide lactique) de haut poids moléculaire. Afin d’obtenir le mélange gentamycine-PLA, une technique de compression des poudres des deux composants a été mise en œuvre. Ce polymère pouvait être stérilisé par -irradiation, sans influence sur les caractéristiques de relargage du polymère.La cinétique in vitro de la gentamicine relarguée par le PLA50GS montrait un pic maximum de gentamicine libérée obtenu à 12 jours et une stabilisation ensuite jusqu’à 63 jours de la quantité relarguée. La quantité cumulée de gentamicine relarguée à 3 semaines in vitro est de 54 % de la quantité contenue initialement dans PLA50GS. In vivo, nous observions une libération in situ de 5,1 µg/mL de gentamicine à J3, de 1,9 µg/mL de gentamicine à J7 et de 0 µg/mL à 5 semaines avec disparition de PLA50GS à l’examen macroscopique. Nous avons ainsi pu mettre en évidence, in vitro et in vivo, un relargage de la gentamicine à des doses supérieures à la CMI du germe et ce pendant plus de trois semaines.Afin de confirmer ces observations, nous avons ensuite mis au point un modèle d’infection périostée chez le rat. Pour ce faire nous avons utilisé des rats âgés de 10 à 12 semaines avec une injection au contact de l’os et au 1/3 moyen de la patte arrière de deux fois 100 ml de SAMS d’origine animale. L’utilisation du PLA50GS a montré sa supériorité par rapport à une administration parentérale d’une dose équivalente de Gentamicine avec une négativation du contage bactériologique chez tous les rats traités par le polymère chargé à la Gentamicine. Nous avons ensuite voulu traiter une infection articulaire grâce à notre polymère. Nous avons donc créé un modèle animal utilisant un lapin femelle de 4 kg avec une injection de 1 ml d’une solution à 103 CFU/ml de staphylococcus méthi-sensible d’origine léporidée. Le PLA50GS nous a permis de réduire très significativement la charge bactérienne intra-articulaire (baisse de 3 à 4 log10 soit 1000 à 10000 fois moins de bactéries) alors que le traitement antibiotique par voie générale dit de référence ne nous a pas permis de réduire l’infection intra-articulaire de façon significative par rapport au groupe non traité. Le PLA50GS nous a ainsi permis de réduire l’infection de 3 log10 par rapport aux autres groupes avec 2 lapins sur 6 guéris de leur infection.Le PLA50GS présente, ainsi, les caractéristiques suivantes : (i) stabilité de la Gentamicine au sein du polymère, (ii) polymère sous forme de poudre stable, (iii) relargage prolongé de la Gentamicine pendant plusieurs semaines, (iv) effet « burst » présent mais limité, (v) très bonne biotolérance, et (vi) efficacité supérieure aux traitements antimicrobiens classiques. / The treatment of soft-tissue infections, osteomyelitis, and acute or chronic septic arthritis is a lengthy process that involves repeated surgical procedures and the systemic administration of antibiotics for at least 6 weeks to 3 months. Poor diffusion of antibiotics into bones and joints requires high doses given parenterally for long periods. At present, the antibiotic vector most widely used in humans with bone or joint infections is polymethylmethacrylate. Because PMMA is not bioabsorbable, multiple surgical procedures are required to eradicate infection. Furthermore, PMMA does not release its full antibiotic load over time and may yield local antibiotic concentrations lower than the minimal inhibitory concentration of the causative organism, thereby promoting the emergence of resistant strains. The objective of our work was to develop a fully bioabsorbable polymer capable of ensuring the prolonged and efficient release of its antibiotic load, thus improving the management of bone and joint infections. The specifications for the polymer included the release by the matrix system of 1-2 mg of gentamicin per day and per gram of mixture over more than 10 days. Other specifications were appropriate physical characteristics, a drug release rate sufficient to ensure optimal treatment safety, and ease of implantation. The polymer was also to be bioabsorbable, i.e., subject to degradation into fragments capable of being eliminated naturally by the body. High-molecular weight PLA50P, Poly(D,L-lactic acid) was created and found to meet these specifications. Use of this polymer as large particles (0.5 to 1 mm) limited the initial burst phenomenon. A gentamicin-PLA50P mixture was obtained by compression of the two components prepared in powder form. The antibiotic load was set at 20% to limit the initial burst. The polymer can be sterilized by gamma irradiation, which has no effect on drug release characteristics.In vitro kinetic studies of gentamicin release by the polymer showed a peak on day 12 followed by a plateau that lasted until day 63. After 3 weeks, the cumulative amount of gentamicin released in vitro was 54% of the total amount loaded onto the polymer. In vivo gentamicin concentrations measured in situ were 5.1 µg/mL on day 3, 1.9 µg/mL on day 7, and 0 µg/mL on day 35, when the polymer was no longer visible to the naked eye. Thus, both in vivo and in vitro, gentamicin was released in concentrations greater than the MIC of the microorganism, for longer than 3 weeks.To test the gentamicin-loaded polymer, we created a rat model of periosteal infection. Rats aged 10-12 weeks received two 100 mL injections of methicillin-susceptible Staphylococcus aureus collected from animals, into the middle third of the hind leg, in contact with the bone. Treatment with gentamicin-loaded PLA50P proved superior over parenteral administration of an equivalent gentamicin dose, consistently reverting the bacteriological cultures to negative. We then created a rabbit model of septic arthritis. A doe weighing 4 kg received an add intraarticular injection of 1 mL of a solution containing 103 cfu/mL of a methicillin-sensitive S. aureus strain collected from another rabbit. Gentamicin-loaded PLA50P treatment induced a highly significant drop in the intraarticular bacterial load (by 3-4 log10), whereas standard systemic gentamicin therapy failed to significantly diminish bacterial counts comparatively to the untreated controls. Thus, gentamicin-loaded PLA50P diminished the bacterial load by 3 log10 comparatively to the other groups and allowed eradication of the infection in 2 of the 6 rabbits.In sum, gentamicin-loaded PLA50P (i) ensures the stability of the antibiotic; (ii) is available as a stable powder; (iii) ensures the prolonged release of gentamicin over several weeks; (iv) produces a limited burst effect; (v) exhibits very good biotolerance; (vi) and is more effective than standard antimicrobial therapy.

Due to their unique properties, engineered nanomaterials are now widely used in numerous commercial products. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles (NPs) are among the most commonly used engineered NPs, with applications in surface coatings, catalysis, the manufacturing of semiconductors, biomedicine and agriculture. With the significant increase in the production and use of CeO2 NPs, concern is increasing over their release into the environment and their subsequent fate and toxicity. In order to evaluate their environmental risk, it is necessary to detect, quantify and characterize the NPs in all environmental compartments. Unfortunately, analyses of NPs in natural systems are challenging due to their small sizes, their low concentrations (∼ ng L-1) and the complexity of environmental matrices, which also contain natural colloids. Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS) is a specific and sensitive technique that enables the detection of very low concentrations (∼ ng L-1) of NPs and it can provide information on their number concentrations, sizes, and size distributions. This technique is often limited by high size detection limits (SDL). However, it is especially important to obtain rigorous size, concentration, and fate data for the smallest NPs, since they are expected to have the greatest environmental risk. To that end, the specific objective of this thesis was to develop an improved method for the detection, quantification, and characterization of CeO2 NPs in complex natural waters using SP-ICP-MS. The project was then divided into several objectives: (1) decrease the SDL for CeO2 NPs; (2) optimize the preparation method for natural water samples; (3) apply the preparation and the analysis methods to detect, quantify, and characterize CeO2 NPs in several natural water samples and commercial products, such as a paint and a stain; (4) identify the origin (natural or engineered) of the detected CeO2 NPs; (5) quantify and characterize the release of CeO2 NPs from paint and stain under natural weathering scenarios; and (6) evaluate the effect of different physicochemical conditions (pH, ionic strength, and NOM) on the fate of CeO2 NPs after their release. A high sensitivity sector field ICP-MS (SF-ICP-MS) with microsecond dwell times (50 μs) was used to lower the SDL of CeO2 NPs to below 4.0 nm. While filtration is often used as a preparation method for SP-ICP-MS, its effect on the concentrations and sizes of NPs is unknown. For this purpose, the interactions between six different membrane filters and CeO2 NPs in aqueous samples were examined. The highest recoveries were observed for polypropylene membranes, where 60 % of the pre-filtration NPs were found in a rainwater and 75% were found in a river water. Recoveries could be increased to over 80% by pre-conditioning the filtration membranes with a multi-element solution. Similar recoveries were obtained when samples were centrifuged at low centrifugal forces (≤1000xg). SF-ICP-MS was then used to detect CeO2 NPs in Montreal rainwater, St. Lawrence River water, a paint, and a stain. A significant decrease in the concentrations of CeO2 NPs, initially contained in paint and stain, was measured over time under different conditions, which was attributed to agglomeration and/or dissolution. Finally, when painted and stained panels were placed outside, the released Ce in the precipitation was mainly in the dissolved form with no significant release of CeO2 NPs. / En raison de leurs propriétés uniques, les nanomatériaux manufacturés sont maintenant largement utilisés dans de nombreux produits commerciaux. Les nanoparticules (NPs) de dioxyde de cérium (CeO2) sont parmi les NPs manufacturées les plus couramment utilisées, avec des applications dans les revêtements de surface, la catalyse, la fabrication de semi-conducteurs, la biomédecine et l’agriculture. Avec l’augmentation significative de la production et l’utilisation des NPs de CeO2, l’inquiétude grandit quant à leur rejet dans l’environnement et à leur devenir et toxicité subséquente. Afin d’évaluer leur risque environnemental, il est nécessaire de détecter, quantifier et caractériser les NPs dans tous les compartiments environnementaux. Malheureusement, les analyses des NPs dans les systèmes naturels sont difficiles en raison de leurs petites tailles, de leurs faibles concentrations (∼ ng L-1) et de la complexité des matrices environnementales, qui contiennent également des colloïdes naturels. La spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) est une technique spécifique et sensible qui permet la détection de très faibles concentrations (∼ ng L-1) de NPs en fournissant des informations sur leurs concentrations en nombre, leurs tailles et leurs distributions de taille. Cette technique est souvent limitée par des limites de détection de taille (SDL) élevées. Cependant, il est particulièrement important d’obtenir des données précises sur la taille, la concentration et le devenir des plus petites NPs, qui présentent un plus grand risque environnemental. À cette fin, l’objectif spécifique de cette thèse était de développer une méthode améliorée pour la détection, la quantification et la caractérisation des NPs de CeO2 dans les eaux naturelles complexes à l’aide de SP-ICP-MS. Le projet a ensuite été divisé en plusieurs parties : (1) diminuer la SDL pour les NPs de CeO2; (2) optimiser la méthode de préparation des échantillons d’eau naturelle; (3) appliquer les méthodes de préparation et d’analyse pour détecter, quantifier et caractériser les NPs de CeO2 dans plusieurs échantillons d’eau naturelle et produits commerciaux, telles qu’une peinture et une teinture; (4) identifier l’origine (naturelle ou manufacturée) des NPs de CeO2 détectées; (5) quantifier et caractériser le relargage des NPs de CeO2 de la peinture et de la teinture sous différents scénarios météorologiques; et (6) Évaluer l’effet des différentes conditions physicochimiques (pH, force ionique, et la présence de la matière organique naturelle) sur le devenir des NPs de CeO2 après le relargage. Un ICP-MS à secteur magnétique (SF-ICP-MS) à haute sensibilité avec des temps d’acquisition (i.e. ‘dwell times’) à l’échelle de microsecondes (50 μs) a été utilisé pour diminuer la SDL des NPs de CeO2 à moins de 4.0 nm. Alors que la filtration est souvent utilisée comme méthode de préparation pour le SP-ICP-MS, son effet sur les concentrations et les tailles des NPs est inconnu. Pour cela, les interactions entre six filtres avec des membranes différentes et les NPs de CeO2 dans des échantillons aqueux ont été examinées. Les recouvrements les plus élevés ont été observés pour la membrane de polypropylène, où 60% des NPs de pré-filtration ont été trouvées dans l’eau de pluie et 75% dans les eaux de rivière. Les recouvrements pourraient être augmentés à plus de 80% en préconditionnant les membranes des filtres avec une solution multi-éléments. Des recouvrements similaires ont été obtenus lorsque les échantillons ont été centrifugés à une faible vitesse de rotation (≤1000xg). Le SF-ICP-MS a ensuite été utilisé pour détecter des NPs de CeO2 dans une eau de pluie de Montréal, une eau du fleuve St. Laurent, une peinture et une teinture. En se basant sur le rapport de cérium/lanthane (Ce/La), les NPs de CeO2 détectées dans la pluie sont majoritairement d’origine naturelle alors que celles dans la peinture et la teinture sont manufacturées. Une diminution significative des concentrations des NPs de CeO2, originairement contenues dans la peinture et la teinture, a été mesurée avec le temps, sous l’effet de différentes conditions, ce qui a été attribué à l’agglomération et/ou la dissolution. Finalement, lorsque des panneaux peints et teints ont été placés à l’extérieur, le Ce relargué était principalement sous la forme dissoute, sans relargage significatif des NPs de CeO2.