Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La radiothérapie externe est une modalité de traitement utilisée contre le cancer qui vise à distribuer de la dose de radiation à une région atteinte par la maladie. Les dosimètres sont les instruments utilisés pour mesurer de la dose livrée par l'appareil de traitement. Le besoin de valider des distributions de dose en trois dimensions pour des traitements de radiothérapie de haute précision a récemment généré de l'intérêt face aux dosimètres en gel. Le gel polymère est un type de gel permettant une mesure de la dose en 3D. Le principe de ces instruments repose sur les réactions de polymérisations croisées qui sont déclenchées dans la zone irradiée entraînant une diminution, proportionnelle à la dose, du temps de relaxation transversale T₂, obtenu en imagerie par résonance magnétique. Ce projet de maîtrise a pour but de faire la caractérisation et la comparaison de gels dosimétriques fabriqués à base du monomère N-Isopropylacrylamide 97 % (NIPAM). Plusieurs recettes ont été développées dans les précédentes études, mais aucune ne s'entend sur la composition du gel qui optimise ses performances dosimétriques. Dans le but de déterminer une recette optimisée de gel NIPAM, quatre recettes tirées de la littérature ont été comparées. L'analyse repose sur la réponse à la dose, la qualité des images produites, la sensibilité ainsi que le coût de chacun des dosimètres produits. Les résultats ont démontré qu'une plus grande concentration de NIPAM augmente la sensibilité du gel et permet d'obtenir une meilleure qualité d'image. La recette composée de 5% de NIPAM est celle qui offre le meilleur compromis entre la qualité d'image et le coût d'un dosimètre. Ces résultats ont permis l'élaboration d'une recette optimisée dont les performances ont été évaluées. Enfin, un dosimètre fabriqué à partir de cette recette optimisée a été utilisé pour valider un plan de traitement clinique. La carte de dose mesurée avec ce dosimètre est comparée à celle du logiciel de planification de traitement à l'aide d'une analyse Gamma 3 mm/3 % avec un seuil d'analyse de 10 % et 75 % des pixels analysés ont présenté un indice γ inférieur ou égal à 1. / External beam radiation therapy is a treatment modality used against cancer that aims to deliver a dose of radiation to a region of the body. Dosimeters are instruments used to measure the dose delivered by the treatment machines. The need to validate three-dimensional dose distributions for high-precision radiotherapy treatments has recently generated interest in gel dosimeters. Polymer gel is a type of gel that enables measurement of both absolute and spatial dose. Irradiation induces cross-linking polymerization reactions resulting in a decrease, proportionaly to delivered dose, in the transverse relaxation time T₂. The purpose of this master's project is to characterize and compare dosimetric gels made from N-isopropylacrylamide 97% monomer (NIPAM). Several recipes have been developed in previous studies, but none agrees on the composition of the gel that optimizes its dosimetric performance. In order to determine an optimized recipe for NIPAM gel, four recipes taken from the literature were compared. The analysis is based on dose response, image quality, sensitivity, and the cost of a phantom from each recipe. The results showed that a higher concentration of NIPAM increases the sensitivity of the gel and allows a better image quality. The recipe composed of 5% NIPAM is the one that offers the best compromise between image quality and the cost of a dosimeter. These results allowed the development of a optimized recipe whose performance was evaluated. Finally, a dosimeter made from this optimized recipe was used to validate a clinical treatment plan. The dose map measured with this dosimeter is compared to that of the treatment planning software using a 3mm/3% with threashold of 10% Gamma analysis, and 75% of the analyzed pixels showed a gamma index equal to or less than 1.

Les protéines de soya constituent un substrat très avantageux pour la formation de systèmes de libération de molécules actives. Les globulines du soya montrent en effet des propriétés fonctionnelles remarquables, notamment gélifiantes, permettant leur utilisation dans la formation d 'hydrogels. Afin de former des gels aux propriétés de libération modulables, la formation de gels de protéines de soya par réticulation a été envisagée. Le présent travail vise à étudier l'impact de la nature de l'agent réticulant employé: le glycéraldéhyde versus le glutaraldéhyde, de leur concentration ainsi que des conditions de formation des gels, plus particulièrement la présence de chlorure de sodium, sur les propriétés macroscopiques des gels, leur microctructure ainsi que leurs propriétés de libération in vitro. Les résultats de ces travaux ont montré que les propriétés macroscopiques étaient très influencées par l'agent réticulant employé, sa concentration ainsi que par la présence de sel lors de la formation des gels. Ainsi, une augmentation du degré de réticulation des gels ou l' aj out de sels durant leur formation conduirait à des changements importants dans les propriétés rhéologiques des gels ainsi que dans leur gonflement. Au contraire, une modification du degré de réticulation des gels et/ ou l'ajout de chlorure de sodium ne conduirait qu'à pas ou peu de changement dans les propriétés moléculaires des gels (structure secondaire des protéines) ou dans leurs propriétés microstructurales, notamment dans la valeur prise par la dimension fractale des flocs composant les gels. Il apparaît donc que la réticulation des globulines de soya conduirait à l'obtention de systèmes aux propriétés macroscopiques modulables mais aux propriétés microscopiques inchangées. Des études de dissolution in vitro ont montré que le degré de réticulation des gels influait sur leurs propriétés de libération. Toutefois, un effet majeur de la charge ionique des molécules piégées au sein du gel ainsi que des conditions physico-chimiques (pH, présence d'enzymes) a été démontré. Par conséquent, si le degré de réticulation des gels ne montre qu'une faible influence sur les phénomènes de libération, les propriétés ioniques de la molécule à libérer et des protéines constituant le gel semblent avoir une importance capitale.

Ces travaux de recherche ont permis d ' élaborer une méthode de gélification 'à froid ' induite par l'addition de sels de calcium à des protéines de soya thermiquement dénaturées, le but ultime étant d'utiliser ces hydrogels dans le développement de nouveaux aliments fonctionnels et comprimés nutraceutiques ayant des effets bénéfiques sur la santé. Les résultats obtenus démontrent la formation de deux types d 'hydrogels distincts selon la teneur en sels de calcium utilisés. À faible teneur en sels de calcium, des hydrogels filamenteux caractérisés par une microstructure ordonnée et une bonne capacité de rétention d'eau sont obtenus, alors que des hydrogels poreux, agrégés et ayant une faible capacité de rétention d'eau sont identifiés lorsqu'une haute teneur en sels de calcium est utilisée. Ces deux types d 'hydrogels démontrent des propriétés rhéologiques distinctes, utilisées pour quantifier leur dimension fractale respective. Il a été démontré par cette étude que les hydrogels de type filamenteux sont sujet à un mécanisme de formation lent selon un patron dicté par l'encombrement stérique des agrégats primaires, tandis que les hydrogels agrégés sont formés rapidement de façon totalement aléatoire, créant une microstructure désordonnée. Des études in vitro en conditions gastro-intestinales montrent clairement la capacité des hydrogels filamenteux et agrégés à protéger des molécules de vitamine B2, emprisonnées dans leur structure, contre les conditions gastriques (enzymes digestives, pH acide) et à les libérer en conditions intestinales. Les hydrogels filamenteux montrent des profils de libération de la vitamine B2 plus constants que ceux agrégés dû à leur structure moins poreuse. Des comprimés formés à partir des hydrogels lyophilisés et compressés ont également été conçus. Les études in vitro effectuées sur ces comprimés démontrent, comme les études menées sur les hydrogels, une bonne protection de la vitamine B2 en présence de conditions gastriques et une libération accrue lorsque soumis aux conditions intestinales. D'intéressantes perspectives dans le développement de véhicules (hydratés ou comprimés) pour la protection de molécules nutraceutiques et leur libération intestinale sont donc envisageables à partir des hydrogels développés dans le cadre de cette étude.

La gélification de deux systèmes mixtes contenant des protéines (P) et du chitosane (CH) a été étudiée par rhéologie. Les systèmes ont été : 1) un mélange d’isolat de protéines de lactosérum (WPI) et CH, et 2) un mélange de gélatine bovine (Gb) et de CH. Les deux systèmes ont été étudiés dans des milieux acides et alcalins à différentes concentrations de polymères. Des gels avec des caractéristiques différentes ont été obtenus avec les deux systèmes dans toutes les conditions étudiées. À concentrations élevées en protéines, le CH a moins d’influence sur les gels formés. Les gels WPI-CH sont de couleur blanche et de texture crémeuse à pH acides, tandis qu’ils sont translucides et élastiques à pH basique. Les systèmes Gb-CH forment toujours des gels translucides, cependant la turbidité augmente à pH 6. Ce travail a permis de comprendre l'effet des concentrations des polymères ainsi que du pH et du type de protéine sur les propriétés rhéologiques des gels P-CH. / The gelation of two mixed systems containing proteins (P) and chitosan (CH) has been studied by rheology. The systems were: 1) a mixture of whey protein isolate (WPI) and CH, and 2) a mixture of bovine gelatin (Gb) with CH. Both systems have been studied in acid and alkaline environment at different polymers concentrations. Gels with different characteristics have been obtained with the two systems in all conditions studied. Chitosan has less influence on the gels at higher protein concentrations. The colour of the WPI-CH gels was white with a creamy aspect at acid pH, whereas they were translucent and elastic at alkaline pH. The Gb-CH systems always formed translucent gels; however the turbidity increases at pH 6. The work presented in this document has allowed the understanding the effect of the polymer concentrations as well as the pH and the type of protein on the rheological properties of the P-CH gels.

Les objectifs de cette thèse visent le développement d’un traitement inédit dans un repère spatiale tridimensionnel, pour le problème de la dynamique de collisions diffusives d’objets macromoléculaires en solution en écoulement hydrodynamique à l'intérieur des pores de largeur variable, soumis aux forces hydrodynamiques, du mouvement brownien et des collisions diffusifs aux parois des pores, en utilisant la modélisation théorique et les simulations numériques. L’approche par simulation numérique est nécessaire car il est extrêmement complexe d’utiliser des outils analytiques à présent pour traiter le problème de ces collisions diffusives aux parois solides. Les algorithmes que nous avons développés et les simulations correspondantes sont suffisamment généraux et avancés pour être directement appliquée à l'étude de la dynamique d'une grande variété de polymère et des particules biologiques dans des solutions diluées sous diverses conditions physiques et hydrodynamiques à l'intérieur des pores. Par ailleurs, les mécanismes conduisant à l'adhésion de nano particules et de particules macromoléculaires sous conditions de non-équilibre, en raison de l'influence contradictoire des collisions mécaniques diffusifs et les forces attractives de Hamaker aux parois solides, sont d'un intérêt majeur. Nous avons donc développé un modèle théorique pour calculer le coefficient de restitution. L'objectif est de quantifier le bilan énergétique pendant le processus de collision diffusive de ces particules aux parois, sous l'influence des forces de répulsion d'une part et les forces attractives de Hamaker. Cela se fait par l'élaboration d'un modèle, basé sur le JKR et les théories d’Hertz, pour tenir compte des pertes d'énergie lors des collisions et des gains d'énergie en raison des interactions Hamaker. L’adhésion arrive si le bilan énergétique le permet. Notre modèle théorique est développé en proposant une approche particulière basée sur le potentiel Hamaker. Nous démontrons ce bilan par le biais d'une équation caractéristique non linéaire pour le coefficient de restitution, et analysons ses propriétés qui déterminent l'adhésion ou non pour diverses conditions physiques initiales. / The purpose of this thesis is to develop a comprehensive model analysis in a three-dimensional spatial frame for the dynamics of molecular particles in dilute colloidal suspensions in solutions flowing inside pores of variable width, subject to hydrodynamic forces, Brownian motion and diffusive collisions at the rough pore boundaries, by using numerical simulations. The approach by simulations is necessary because it is extremely complex to use analytical tools at present to deal with the problem of diffusive collisions of the particles at the solid pore boundaries. The algorithms which we have developed and the corresponding simulations are sufficiently general and refined to be directly applied to the study of the dynamics of a wide variety of polymer and biological particles in dilute solutions under diverse physical and applicable hydrodynamic conditions inside pores. Moreover, the mechanisms leading to the adhesion of particles of nano sizes under what would be non-equilibrium conditions, due to the conflicting influence of the mechanical diffusive collisions and the attractive Hamaker forces at the boundaries, are of major interest. We have hence investigated a theoretical model to calculate the restitution coefficient from basic physical principles. The objective is to quantify the energy balance during the process of a diffusive collision of a nano particle under the influence of the repulsive forces on one hand, and the attractive Hamaker forces acting on the nano particle on the other. This is done by developing a model, based on the JKR and Hertz theories, to account for the energy losses during collisions, and for the energy gains due to the Hamaker interactions. Adhesion becomes an outcome if the energy balance permits this. Our theoretical model is developed by proposing a special analytic approach based on the Hamaker potential. We derive from the theoretical analysis a characteristic nonlinear equation for the restitution coefficient, and analyze its properties which determine under given physical conditions the outcome for adhesion or not.