Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Sanofi à Vitry-sur-Seine et le Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée (LHFA) à Toulouse, et a pour but de développer de nouveaux nanovecteurs à base de conjugués polymériques biodégradables et biocompatibles capables d’encapsuler, de transporter et de libérer des agents thérapeutiques. Les travaux précédemment réalisés au laboratoire, ont montré que la libération de principes actifs hydrophobes, tels que le Cabazitaxel de la famille des taxanes, pouvait être contrôlée grâce à l’architecture de conjugués de nature PEG-PLA. Dans le premier chapitre, une étude a été menée afin d’améliorer la cinétique de libération du principe actif, en tirant profit de la différence de pH qui réside entre les tissus sains et les tissus cancéreux. Différents liens (reliant le principe actif au copolymère) ayant un comportement pH dépendant ont été étudiés, comme l’hydrazone, l’acétal et le β-thiopropionate. La liaison ester boronique, dynamique en fonction du pH, a aussi été étudiée dans le but de déstructurer la NP et permettre indirectement d’améliorer la libération du principe actif. La synthèse et l’évaluation des divers conjugués ont montré que la structure polymérique amphiphile des conjugués inhibait considérablement le comportement pH dépendant attendu. Dans le second chapitre, plusieurs technologies comme le ciblage, permettant de diriger la NP dans l’organisme, ou l’imagerie permettant de les visualiser, ont été étudiées. L’influence de la structure des conjugués de forme Y et L sur les propriétés de reconnaissance et d’imagerie a été analysée. La structure Y offre quelques avantages quant à la quantité de ligand requise pour obtenir un ciblage actif optimal ainsi qu’une meilleure visualisation, en comparaison des résultats obtenus avec les conjugués L. La méthode de co-nanoformulation a permis de faire varier la quantité de ligand ou de sonde d’imagerie au sein des NPs. Dans le troisième chapitre, la synthèse et l’efficacité de sels de (bi)pyridinium comme catalyseurs pour la ROP de l’ε-caprolactone sont présentées. Un phénomène de coopérativité avec des bipyridiniums, dications donneurs de deux liaisons hydrogènes (IHBD) a été mis en évidence pour l’activation de l’ε-caprolactone, avec des activités en ROP plus importante en comparaison des systèmes impliquant la participation d’une seule liaison H. Les meilleurs systèmes ont pu être évalués plus en détail et ont permis d’accéder à des polymères de masses définies allant jusqu’à 13 000 g/mol. / This PhD thesis is based on a joint between Sanofi in Vitry-sur-Seine and LHFA. This work consists in the development of new nanovectors based on biodegradable and biocompatible polymerics conjugate that enable to encapsulate, transport and deliver therapeutic agents. Previous works in the laboratory have shown that the release of hydrophobic drugs, such as Cabazitaxel, a taxane derivative, could be controlled by the architecture of the conjugated PEG-PLA. In the first chapter, a study was realized to improve the release kinetics of the drug, taking advantage of the difference of pH between healthy and cancerous tissue. Different linkers (linking the drug to the copolymer) having a pH dependent behavior have been studied, such as hydrazone, acetal and β-thiopropionate. The boronic ester bonding, dynamic function of pH, was also studied in order to destroy the NP and indirectly improve the release of drug. The synthesis and the evaluation of various conjugates have shown that the amphiphilic polymeric structure of the conjugates significantly inhibited the expected pH-dependent behavior. In the second chapter, several technologies such as targeting or imaging were studied. The influence of the Y and L-shape on the recognition and imaging properties was analyzed. The Y-shape offers advantages like the amount of ligand required for optimal active targeting and better visualization, in comparison with the results obtained with the L conjugates. The method of co-nanoformulation allowed to adjust the ligand amount or imaging probe within the NPs. In the third chapter, the synthesis and efficiency of (bi)pyridinium salts as catalysts for the ROP of ε-caprolactone are presented. A collaborative behavior with dication bipyridiniums is bearing two hydrogen bonds (IHBD) was demonstrated for the activation of the ε-caprolactone, with greater ROP activities compared to systems involving the participation of only one H bond. The best systems were evaluated in more details and allowed access to polymers with a molecular weight of up to 13 000 g / mol.

In this study, tetraphenylthiophenen (TP) with aggregation-induced emission enhancement (AIEE) property is served as terminal and central fluorophores of poly(£^-benzyl-L-glutamate) (PBLG)-based polymers of TP1PBLG and TP2PBLG, respectively, to probe for the relationship between the secondary structure (£\-helix) of polypeptides and the ALEE-operative fluorescence (FL). Intermolecular aggregation of the central TP unit in the di-substituted TP2PBLG is sterically blocked by the large £\-helical PBLG chains, which lead to the reduced AIEE-oriented FL. On the contrast, the terminal TP units in TP1PBLG can easily approach each other to form aggregates with strong FL. Factor (e.g. solvent annealing) controlling the fraction of £\-helix chain also varies the corresponding emission intensity. Conformational difference between TP1PBLG and TP2PBLG evaluated from the infrared and the X-ray (wide- and small-angle) diffraction spectra is also used to verify its influence on the AIEE-operative FL behavior.

Polylactic acid (PLA) is one of the most promising bio-compostable and biodegradable thermoplastic made from renewable sources. PLA, is typically obtained by polymerising lactide monomer. The technique mainly used for ring opening polymerization (ROP) of Lactide is based on metallic/bimetallic catalyst (Sn, Zn, and Al) or other organic catalysts in suitable solvent. However, the PLA synthesized using such catalysts may contain trace elements of the catalyst, which may be toxic. In this work, reactive extrusion experiments using stannous octoate Sn(Oct)2 and tri-phenyl phosphine (PPh)3 were considered to perform ROP of lactide monomer using ultrasound as an alternative energy (AE) source for activating and/or boosting the polymerization. Mathematical model of ROP of lactide, was developed to estimate the impact of reaction kinetics and AE source on the polymerization process. Ludovic® software, a commercial code was used. It was adopted for the simulation of continuous reactive extrusion of PLA. Results from experiments and simulations were compared to validate the simulation methodology. Results indicate that the application of AE source in reaction process boost the PLA formation rate. Result obtained through Ludovic simulation and experiments were validated. It was shown that there is a case for reducing the residence time distribution (RTD) in Ludovic due to the ‘liquid’ monomer flow in the extruder. This change in the parameters resulted in validation of the simulation. However, it was concluded that the assumption would have to be established by doing further validations. The simulation model includes the details of kinetics of reactions involved with in the process and helps to upscale the reaction output. This work also estimates the usefulness and drawbacks of using different catalysts as well as effect of alternative energies and future aspects for PLA production.

Les poly(hydroxyalcanoate)s (PHAs), et notamment les poly(hydroxybutyrate) (PHB) et poly(malolactonate d’alkyle)s (PMLARs), sont des polyesters biosourcés et biodégradables intéressants pour des applications comme polymères de commodité ou dans le domaine médical. La polymérisation par ouverture de cycle (ROP) de β-lactones est une stratégie très efficace pour la synthèse de PHAs, permettant un contrôle de la masse molaire, de la microstructure et de la fonctionnalité des polymères. Ainsi, il s’agit de moduler ces paramètres pour optimiser les propriétés physico-chimiques des polymères. Cette approche a permis de synthétiser de nouveaux (co)polymères PHAs, présentant des fonctionnalités, des tacticités (atactiques, syndiotactiques) et des topologies (copolymères à blocs, aléatoires et alternés) originales. L’utilisation de différents systèmes catalytiques et amorçants a permis la synthèse de PHAs α-base, ω-crotonate téléchéliques atactiques, mais également des premiers exemples de PMLARs (R = allyle, benzyle et méthyle) syndiotactiques. De la même manière, l’ingénierie catalytique offre la synthèse de copolymères P(BL-b-MLABe) et P(BL-ran-MLABe) par copolymérisation séquentielle et simultanée du couple rac-BL/rac-MLABe. Enfin la copolymérisation simultanée des comonomères (R)-MLAAll/(S)-MLABe en présence de complexe d’yttrium a conduit à la synthèse de copolymères alternés P(MLABe-alt-PMLAAll). Leur modification chimique post-polymérisation ouvre la voie à la synthèse de PHAs portant des fonctions latérales réactives alternées. / Biobased and biodegradable polyesters of the family of poly(hydroxyalkanoate)s (PHAs), and more specifically poly(hydroxybutyrate) (PHB) and poly(alkyl malolactonate)s (PMLARs), display a wide array of valuable uses ranging from commodity plastics to biomedical applications. Ring-opening polymerization (ROP) of β-lactones is an efficient strategy for the synthesis of PHAs with control of the molar mass, the microstructure and the functionalities of polymers. So, it is a question of modulating these parameters to optimize the physicochemical properties of polymers. This approach allowed the synthesis of new (co)polymers PHAs, exhibiting original functionalities, tacticities (atactic, syndiotactic) and topologies (block, random and alternating copolymers). Tunable catalytic/initiating systems afford the synthesis of α-base, ω-crotonate telechelic atactic PHAs and of the first examples of syndiotactic PMLARs (R = allyl, benzyl and methyl). Similarly, catalytic engineering offers the synthesis of P(BL-b-MLABe) and P(BL-ran-MLABe) copolymers from the simultaneous and sequential copolymerization of the comonomers rac-BL/rac-MLABe. Finally, simultaneous copolymerization of the comonomers (R)-MLAAll/(S)-MLABe, in the presence of yttrium complexes, leads to the synthesis of alternating copolymers P(MLABe-alt-PMLAAll). Further post-polymerization modifications of these copolymers foresee a route towards a new class of functionalized alternating PHAs.

Le sujet de cette thèse concerne l’élaboration de copolymères greffés possédant un squelette poly(1,4-butadiène) et une haute densité de greffons polaires. La synthèse de copolymères à squelette strictement poly(1,4-butadiène) et possédant une haute densité de greffons selon un enchaînement strictement tête-à-tête a été réalisée par polymérisation par ouverture de cycle par métathèse (ROMP) de monomères cyclobutène 3,4-disubstitués. Le choix des greffons polaires s’est porté sur des poly(Ɛ-caprolactone)s (PCL) et des poly(L-lactide)s (PLLA) obtenus par polymérisation par ouverture de cycle (ROP). Ces polyesters aliphatiques qui présentent une biocompatibilité élevée et une (bio)dégradation rapide, sont utilisés dans de nombreuses applications biomédicales. De plus, les copolymères greffés à greffons polyester peuvent donner accès à des nanomatériaux poreux suite à leur organisation en solution ou à l’état solide, suivie de l’hydrolyse des chaînes polyester.Les copolymères greffés poly(1,4-butadiène)-g-polyester ont été synthétisés selon les stratégies grafting through et grafting from, à partir d’inimers (initiator-monomer) cyclobutène portant une ou deux fonctionalités alcool, capable d’amorcer la ROP du L-lactide ou de l’ Ɛ-caprolactone. La stratégie grafting through a, dans un premier temps, été étudiée. Des macromonomères polyester de type PCL ou PLLA ont été synthétisés. La ROMP de ces macromonomères a conduit à des copolymères greffés poly(1,4-butadiène)-g-polyesters en forme d’étoile de structure définie et dont la densité des greffons est parfaitement contrôlée. La stratégie grafting from a, quant-à-elle, permis d’accéder à des copolymères greffés en forme de peigne. L’organisation des architectures macromoléculaires obtenues a été visualisée par microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à transmission (TEM). / The objective of this work was the preparation of graft copolymers with a poly(1,4-butadiene) backbone and a high density of polar grafts. We used a consecutive Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP)/Ring-Opening Polymerization (ROP) route to prepare poly(1,4-butadiene)-g-polyesters from cyclobutenyl macromonomers bearing one or two polyester segment(s) derived from L-lactide (L-LA) or Ɛ-caprolactone (Ɛ-CL). Poly(L-lactide)s (PLLA) or poly(Ɛ-caprolactone)s (PCL) are important polymers as they are easily (bio)degradable and have tremendous applications as engineering plastics and within the biomedical field. An attractive feature of polyester-grafted copolymers is their potential to act as building blocks for nanomaterials synthesis thanks to the hydrolytically degradable polyester grafts. Cyclobutenyl polyester macromonomers bearing one and two PCL or PLLA arms have been successfully prepared by organocatalyzed ROP of Ɛ-CL or L-LA from a cyclobutenyl alcohol acting as an initiator. Subsequent "grafting through" by ROMP using Grubbs’ second generation catalyst afforded poybutadiene brushes featuring pendant polyester (PLLA or PCL) side-chains. This efficient ROP/ROMP two-step approach has thus allowed the synthesis of well-defined poly(1,4-butadiene)-g-polyester copolymers. The synthesis of graft copolymers via the grafting from approach by ROMP and ROP was also studied. ROMP of 3,4-disubstituted cyclobutenes containing one and two initiating hydroxyl sites for ROP was first investigated with ruthenium initiators. The resulting well-defined poly(1,4-butadiene)s were then used as macroinitiators for the ROP of L-LA or Ɛ-CL. After the ROP, brush copolymers with high molecular weight have been obtained and characterized by microscopy.