Janus particles, named after the two faced Roman god Janus, possess unique asymmetry and combine two distinct functions at their opposite sides, allowing them to target complex self-assembled architectures and materials inaccessible for homogeneous building blocks. In this study, three areas regarding the topic of Janus particles were explored: the synthesis of Janus particles, their (self-) assembly, and applications. In the first part of the work, we have drawn our attention to the optimization of the synthetic procedures concerning the preparation of Janus particles and to the extending of the current Janus particle library by adding new geometries to the list. In the case of spherical Janus particles, we have developed an easy approach to tailor the Janus ratio of the resulting particles, thus, extending the possibilities of the Pickering emulsion approach for the creation of a variety of Janus particle architectures. Additionally, a new methodology was employed to measure directly and in situ the position/contact angle of the prepared Janus particles with different Janus ratios at a water-oil interface. It was further concluded that having simply two different functionalities on a particle surface does not necessarily imply amphiphilic behavior: only in the case of large wettability contrasts our particles were in a true Janus regime. In the case of platelet-like Janus particles, we have developed a completely new approach for their large-scale synthesis, which involved a reduced number of steps compared to the spherical Janus particles. In the second part of the work, the assembly behavior of various kinds of functional spherical Janus particles was investigated depending on the nature of the Janus particles and the surrounding media conditions. Oppositely charged, uncharged amphiphilic, and charged amphiphilic Janus particles were fabricated comprising different responsive polymers on their surface, and their assembly was investigated depending on the pH value of the dispersion, the ionic strength, or the solvent. It was found that, under specific conditions, the Janus particles formed hierarchical chain-like structures in solutions, which were not observed in the case of the homogeneous particle mixtures. The obtained results indicate that the fundamental understanding of the Janus particle assembly mechanisms is crucial for the programmed formation of desired structures. In the third part of the work, we have focused on the applications of our developed hybrid hairy Janus particles and proposed two main directions that would benefit from the unique properties or architecture of the Janus particles. The first direction is based on the exploitation of the superior interfacial activity of the Janus particles and their use for interfacial catalysis. The second proposed direction for the application of Janus particles is based on their use as building blocks for functional structured surfaces. The prepared surfaces were thoroughly characterized and tested for their performance toward anti-icing as well as anti-fouling applications. Ultimately, the developed functional surfaces based on Janus particles as building blocks are very promising for their future application in the coating technology.

Artificial lipid bilayers formed on solid surface supports are widespread model systems to study physical, chemical, as well as biological aspects of cell membranes and fundamental interfacial interactions. The approach to use a thin polymer film representing a cushion for lipid bilayers prevents incorporated membrane proteins from pinning to the support and mimics the native environment of a lipid bilayer in certain aspects of the extracellular matrix and intracellular structures. A key component for cell anchorage to extracellular fibronectin is the transmembrane adhesion receptor alpha(5)beta(1) integrin. Its transport dynamics and clustering behavior plays a major role in the assembly of focal adhesions, which mediate mechanical forces and biochemical signals of cells with their surrounding. The system investigated herein is envisioned to use extrinsically controlled stimuli-responsive polymer cushions to tune the frictional drag between polymer cushion and mobile membranes with incorporated integrins to actively regulate lipid membrane characteristics. To attain this goal, a temperature- and pH-responsive polymer based on poly(N-isopropylacrylamide) copolymers containing varying amounts of carboxyl-group-terminated comonomers at different aliphatic spacer lengths (PNIPAAm-co-carboxyAAM) was surface-grafted to a poly(glycidyl methacrylate) anchorage layer. The swelling transitions were characterized using atomic force microscopy, ellipsometry and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) and found to be tunable over a wide range of temperature and pH. In agreement with the behavior of the polymers in solution, longer alkyl spacers decreased the phase transition temperature T(P) and higher contents of carboxylic acid terminated comonomers increased T(P) at alkaline conditions and decreased T(P) at acidic conditions. Remarkably, the point where the degree of carboxyl group deprotonation balances the T(P)-lowering effect of the alkyl spacer was distinctive for each alkyl spacer length. These findings illustrate how the local and global balance of hydrophilic and hydrophobic interactions along the copolymer chain allows to adjust the swelling transition to temperatures below, comparable, or above those observed for PNIPAAm homopolymers. Additionally, it could be shown that surface-grafting leads to a decrease in T(P) for PNIPAAm homopolymers (7°C) and copolymers (5°C - 10°C). The main reason is the increase in local polymer concentration of the swollen film constrained by dense surface anchorage in comparison to the behavior of dilute free chains in solution. In accordance with the Flory-Huggins theory, T(P) decreases with increasing concentration up to the critical concentration. Biological functionalization of the PNIPAAm-co-carboxyAAm thin films was demonstrated for the cell adhesion ligand peptide cRGD via carbodiimide chemistry to mimic extracellular binding sites for the cell adhesion receptors integrin. The outcome of QCM-D measurements of cRGD-functionalized surfaces showed a maintained stimuli-responsiveness with slight reduction in T(P). A drying/rehydration procedure of a 9:1 lipid mixture of the cationic lipid dioleoyl-trimethylammoniumpropane (DOTAP) and the zwitterionic dioleoyl-phosphatidylcholine (DOPC) was utilized to form lipid bilayer membranes on PNIPAAm-co-carboxyAAM cushions. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) revealed that lipid mobility was distinctively higher (6.3 - 9.6) µm2 s-1 in comparison to solid glass support ((3.0 - 5.9) µm2 s-1). In contradiction to the initial expectations, modulation of temperature and pH led to poor variations in lipid mobility that did not correlate with the PNIPAAm cushion swelling state. The results suggested a weak coupling of the lipid bilayer with PNIPAAm polymer cushions that can be slightly tuned by electrostatic interactions. The transmembrane adhesion receptor alpha(5)beta(1) integrin was reconstituted into liposomes consisting of DOPC/sphingomyelin/cholesterol 2:2:1 for the formation of polymer cushioned bilayers. PNIPAAm- co-carboxyAAM and maleic acid (MA) copolymers were used as cushions, both with the option for cRGD functionalization. On the MA copolymer cushions, fusion of proteoliposomes resulted in supported bilayers with mobile lipids as confirmed by FRAP. However, incorporated integrins were immobile. In an attempt to explain this observation, the medium-sized cytoplasmic integrin domain was accounted to hamper the movement by steric interactions with the underlying polymer chains in conjunction with electrostatic interactions of the cationic cytoplasmic domain with the oppositely charged MA copolymer. On the PNIPAAm-co-carboxyAAM cushion only a drying/rehydration procedure lead to bilayer formation. However, again the integrins were immobile, presumably due to the harsh treatment during preparation. Nevertheless, the results of the investigated set of PNIPAAm copolymer films suggest their application as temperature- and pH-responsive switchable layers to control interfacial phenomena in bio-systems at different physiological conditions. The PNIPAAm-co-carboxyAAm cushioned bilayer system represents a promising step towards extrinsically controlled membrane – substrate interactions.

Stimuli-responsive (stimuli-sensitive, intelligent, or smart) polymers are polymer materials which, after small external stimuli, evidently change their physical or chemical properties. Smart polymers can be classified according stimuli they respond to such as: temperature changes, mechanical stress, light irradiation, ultrasonic treatment, application of external magnetic as well as electric field, changes of pH, ionic strength, addition of the chemical agents and presence of biomolecules and bioactive molecules. Stimuli-responsive synthetic polymer systems has attracted considerable attention due to wide range of applications, i.e. controlled drug delivery and release systems, diagnostics, tissue engineering and 'smart' optical systems, as well as biosensors, microelectromechanical systems, coatings, and textiles. Among the types of stimuli for this dissertation temperature, pH and reactive oxygen species (ROS) responsive polymer systems were studied. In case of thermoresponsive polymers, when polymer chains are molecularly dissolved in a good solvent, changes (increasing or decreasing) of temperature result in insolubility (globular nanoparticles formation) of polymer chains, called temperature induced phase-separation. pH responsive polymers change properties such as: solubility, volume (gels),...

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Switchable metal–organic frameworks (MOFs) change their structure in time and selectively open their pores adsorbing guest molecules, leading to highly selective separation, pressure amplification, sensing, and actuation applications. The 3D engineering of MOFs has reached a high level of maturity, but spatiotemporal evolution opens a new perspective toward engineering materials in the 4th dimension (time) by t-axis design, in essence exploiting the deliberate tuning of activation barriers. This work demonstrates the first example in which an explicit temporal engineering of a switchable MOF (DUT-8, [M1M2(2,6-ndc)2dabco]n, 2,6-ndc = 2,6-naphthalene dicarboxylate, dabco = 1,4diazabicyclo[2.2.2]octane, M1 = Ni, M2 = Co) is presented. The temporal response is deliberately tuned by variations in cobalt content. A spectrum of advanced analytical methods is presented for analyzing the switching kinetics stimulated by vapor adsorption using in situ time-resolved techniques ranging from ensemble adsorption and advanced synchrotron X-ray diffraction experiments to individual crystal analysis. A novel analysis technique based on microscopic observation of individual crystals in a microfluidic channel reveals the lowest limit for adsorption switching reported so far. Differences in the spatiotemporal response of crystal ensembles originate from an induction time that varies statistically and widens characteristically with increasing cobalt content reflecting increasing activation barriers.

R??sum?? : Les copolym??res ?? blocs sensibles aux stimuli (SR-BCPs) et leurs assemblages, tels que les micelles, les v??sicules et les hydrogels, peuvent subir des changements physiques ou chimiques en r??ponse ?? l'??volution des conditions environnementales. Pour un excellent SR-BCP, habituellement, de l??g??res modifications de l'environnement sont suffisantes pour induire des modifications relativement drastiques dans la conformation, la structure ou les propri??t??s du polym??re. Ces polym??res sont aussi appel??s polym??res stimuli-r??actifs ou polym??res intelligents et ils ont un grand potentiel d'application dans de nombreux domaines. Au cours des deux derni??res d??cennies, un int??r??t de recherche et d??veloppement particulier a ??t?? port?? sur l'exploitation des SR-BCPs pour utilisation comme syst??mes de relargage de m??dicaments. Dans de nombreux cas, les changements induits par des stimuli dans la structure ou la morphologie des assemblages de BCPs peuvent entra??ner la lib??ration de l'esp??ce encapsul??e, parfois d'une mani??re contr??lable spatialement et temporellement par le choix d'un stimulus appropri?? et en ajustant les param??tres de la m??thode de stimulation utilis??e. De fa??on g??n??rale, le fait d???avoir un certain type de groupements r??actifs ?? un stimulus donn?? dans la structure permet aux SR-BCPs de reconna??tre et r??agir ?? ce stimulus. Malgr?? les ??normes progr??s r??alis??s sur les SR-BCPs, un certain nombre de questions fondamentales restent ?? r??soudre afin de leur permettre de se trouver dans des applications pratiques. Pour y arriver, la cl?? ou le d??fi r??side dans l???am??lioration du niveau et de la complexit?? de contr??le sur les SR-BCPs ainsi que la sensibilit?? avec laquelle ces polym??res r??agissent ?? des stimuli. G??n??ralement, il est souhaitable d'obtenir une r??action rapide sous l'action d'une stimulation mod??r??e. A cette fin, il est n??cessaire d???effectuer des recherches fondamentales sur la conception rationnelle de nouveaux SR-BCPs ainsi que sur le d??veloppement de m??thodes de stimulation qui peuvent amplifier l'effet d'un stimulus. Les travaux de recherche pr??sent??s dans cette th??se s'inscrivent dans ce domaine de recherche. Plus sp??cifiquement, nous avons ??tudi?? des micelles de BCPs qui r??pondent ?? deux types de stimuli. D'une part, nous avons ??tudi?? un m??canisme d'amplification bas?? sur l???effet des ultrasons combin?? ?? la thermosensibilit?? de BCPs. D'autre part, nous avons d??velopp?? une nouvelle conception de BCPs qui permet aux micelles d?????tre d??truites soit de mani??re photochimique, soit par des r??actions d'oxydo-r??duction, tout en ayant le nombre minimum des groupes stimuli-r??actifs dans la structure du polym??re. Notre recherche a g??n??r?? de nouvelles connaissances dans ce domaine et sugg??re de nouveaux moyens sur la fa??on dont les questions de sensibilit?? et de contr??le complexe des micelles SR-BCPs peuvent ??tre abord??es, contribuant ainsi ?? l'avancement des connaissances fondamentales. Le c??ur de cette th??se est compos?? de trois publications r??sultant des projets r??alis??s. Dans le premier projet, afin de coupler la sensibilit?? aux ultrasons et la thermosensibilit??, nous avons men?? une ??tude ayant pour but de trouver des structures possibles de polym??res qui sont susceptibles d'??tre affect??es par les ultrasons. Nous avons effectu?? une ??tude comparative sur la destruction des micelles form??es par divers BCPs et la lib??ration concomitante d'un colorant hydrophobe encapsul?? (rouge du Nil) par les ultrasons focalis??s de haute intensit?? (HIFU). Nous avons constat?? que toutes les micelles form??es par les quatre copolym??res diblocs synth??tis??s, ??tant constitu??s d'un m??me bloc du polyoxyde d'??thyl??ne (PEO) hydrophile et d???un bloc de polym??thacrylate hydrophobe diff??rent, peuvent ??tre perturb??es par les ultrasons. Toutefois, l'ampleur de la perturbation et la lib??ration du colorant encapsul?? dans la micelle est influenc??e par la structure chimique du block hydrophobe. En particulier, les micelles du PEO-b-PIBMA (poly(1-isobutoxym??thacrylate d'??thyle)) et du PEO-b-PTHPMA (poly(m??thacrylate de 2-t??trahydropyrannyle)), qui poss??dent une unit?? ac??tal labile dans le groupe lat??ral, subissent des perturbations plus importantes en raison, probablement, d???une r??action d???hydrolyse de l???ester induite par les ultrasons, donnant lieu ?? une lib??ration plus rapide du colorant. En revanche, les micelles du PEO-b-PMMA (poly(m??thacrylate de m??thyle)), dont le bloc polym??thacrylate est plus stable, sont plus r??sistantes aux ultrasons et pr??sentent une cin??tique de lib??ration du colorant plus lente que les autres micelles. De plus, l???analyse des spectres infrarouges des solutions micellaires, enregistr??s avant et apr??s l???exposition aux ultrasons, sugg??re une r??action d???hydrolyses pour le PEO-b-PIBMA et le PEO-b-PTHPMA, mais montre l'absence d???une quelconque r??action chimique pour le PEO-b-PMMA. L'effet de la structure de copolym??re ?? blocs sur la r??activit?? des micelles ?? l'irradiation HIFU ?? hautes fr??quences permet de mieux comprendre comment des micelles de BCPs sensibles aux ultrasons peuvent ??tre con??ues. Sur la base du premier projet, dans le deuxi??me projet, nous avons d??montr?? une nouvelle approche pouvant amplifier l'effet de HIFU sur la destruction des micelles de BCPs en solution aqueuse. L???id??e est d???introduire une petite quantit?? des unit??s comonom??res sensibles aux ultrasons dans le bloc thermosensible et initialement hydrophobe. On peut alors former une micelle dont le noyau est compos?? du polym??re sensible aux ultrasons. Si la r??action induite par les ultrasons sur le noyau permet d???augmenter la temp??rature de solution critique inf??rieure (LCST) du polym??re thermosensible au-dessus de la temp??rature de la solution micellaire, la micelle doit ??tre dissolue car tout le BCP est devenu soluble dans l???eau. Pour tester la validit?? de ce nouveau m??canisme, nous avons synth??tis?? et ??tudi?? un copolym??re dibloc de PEO-b-P(MEO[indice inf??rieur 2]MA-co-THPMA) (MEO[indice inf??rieur 2]MA repr??sente 2-(2-m??thoxy??thoxy) m??thacrylate d'??thyle), dans lequel le bloc thermosensible P(MEO[indice inf??rieur 2]MA-co-THPMA) est hydrophobe ?? T>LCST. Le THPMA a ??t?? choisi en raison de sa plus grande r??activit?? vis-??-vis des faisceaux HIFU que les autres monom??res ??tudi??s dans le premier projet. Les r??sultats montrent que les HIFU peuvent effectivement augmenter la LCST du bloc P(MEO[indice inf??rieur 2]MA-co-THPMA) et, par cons??quent, induire la dissociation des micelles ?? une temp??rature constante de la solution. Une analyse spectrale en RMN [indice sup??rieur 13]C a fourni des preuves montrant que l'hydrolyse des groupes THPMA se produit sous l???irradiation HIFU et que la destruction des micelles provient d'une augmentation de la LCST en raison de la conversion des motifs hydrophobes THPMA en motifs acides m??thacryliques (MAA) hydrophiles. Cette m??thode de modifier la LCST par une irradiation des ultrasons est g??n??rale et peut ??tre appliqu??e aux autres groupements sensibles aux ultrasons dans la conception de ce type de SR-BCPs. Cette ??tude a ainsi d??montr?? un nouveau m??canisme d'amplification et de contr??le des micelles de BCPs via la modification induite par les ultrasons de la temp??rature de transition de phase (LCST) du bloc constituant le noyau micellaire. Le troisi??me projet pr??sent?? dans cette th??se portait sur une conception rationnelle de BCPs ayant un but pr??cis: permettre aux micelles d?????tre perturb??es par deux types de stimuli en utilisant le nombre minimal des unit??s sensibles ?? des stimuli dans la structure de BCPs. Pour ce faire, nous avons con??u et synth??tis?? un nouveau copolym??re tribloc amphiphile de type ABC, soit le poly(oxyde d'??thyl??ne) - disulfure ??? polystyrene - o-nitrobenzyle - poly(2-(dim??thylamino) ??thylm??thacrylate) (PEO-S-S-PS-ONB-PDMAEMA). Il dispose d'une liaison disulfure redox-clivable entre les blocs PEO et PS ainsi que d'un groupe o-nitrobenzyle (ONB) photoclivable ?? la jonction des blocs PS et PDMAEMA. Nous avons montr?? que ce mod??le est une strat??gie utile pour permettre aux micelles de BCPs de r??pondre soit ?? un agent r??ducteur comme le dithiothr??itol (DTT) dans une solution, soit ?? l'exposition ?? la lumi??re UV, tout en ayant le nombre minimum des groups stimuli-r??actifs dans la structure du copolym??re (deux unit??s par cha??ne). Nos investigations ont r??v??l?? que les micelles de ce copolym??re tribloc peuvent ??tre perturb??es de diff??rentes fa??ons. Lorsqu'un seul stimulus est appliqu??, l'enl??vement d'un type des cha??nes de polym??re hydrophile ?? partir de la couronne de micelles, soit le PEO par clivage par oxydo-r??duction ou le PDMAEMA par photoclivage, entra??ne un effet limit?? de d??stabilisation sur la dispersion des micelles. L'agglom??ration de quelques micelles appara??t mais la dispersion reste essentiellement stable. En revanche, en cas d'utilisation combin??e des deux stimuli qui clivent ?? la fois le PEO et le PDMAEMA, une agr??gation importante du polym??re se produit ?? la suite de l'??limination de l'amphiphilicit?? du polym??re. // Abstract : Stimuli-responsive block copolymers (SR-BCPs) and their assemblies, such as micelles, vesicles and hydrogels, can undergo physical or chemical changes in response to changing environmental conditions. For an excellent SR-BCP, usually, slight changes in the environment are sufficient to induce relatively drastic changes in either the conformation or structure or properties of the polymer. Stimuli-reactive polymers are often referred to as smart polymers and they have great application potential in many fields. Over the past two decades, particular research and development interest has been focused on exploiting SR-BCP assemblies as drug delivery systems (DDSs). In many cases, stimuli-induced changes in the structure or morphology of BCP assemblies (drug carriers) can result in the release of loaded species, sometimes in a spatially and temporally controllable manner by choosing an appropriate stimulus and adjusting the parameters of the used stimulating method. Generally speaking, by having a certain type of stimuli-reactive moieties in the structure, SR-BCP assemblies have an ability to recognize a specific stimulus and react to its presence accordingly. Despite the tremendous progress achieved on SR-BCPs, a number of fundamental issues remain to be addressed in order to enable real-life applications of these smart polymers. Of them, an increasing level and complexity of control on SR-BCPs as well as the sensitivity with which these polymers react to stimuli are key and challenging. It is highly desirable to obtain a fast reaction under the action of a modest stimulation. To this end, fundamental research is necessary on rational and creative BCP structural design as well as on development of stimulation methods that can amplify the effect of a stimulus. The research work presented in this thesis falls into this important topic. More specifically, we studied BCP micelles that are responsive to two types of stimuli. On the one hand, we investigated an amplification mechanism based on coupling the ultrasound reactivity with the thermosensitivity of BCPs. On the other hand, we developed a BCP structural design that allows micelles to be disrupted by either light or redox agents while having the minimum number of stimuli-reactive moieties in the polymer structure. Our research provided new insights into and suggested new means on how the issues of sensitivity and complex control of SR-BCP micelles can be tackled, thus contributing to the advancement of fundamental knowledge. The core of this thesis is comprised of three publications resulting from the projects realized in our research work. In order to couple the ultrasound sensitivity and thermosensitivity, in the first project, we carried out studies to find possible polymer structures that are susceptible to be affected by ultrasound. We conducted a comparative study on the disruption of the micelles formed by various BCPs and the concomitant release of an encapsulated hydrophobic dye (Nile Red) by high-intensity focused ultrasound (HIFU). It was found that all micelles formed by the four synthesized diblock copolymers, being composed of a hydrophilic poly(ethylene oxide) (PEO) block and a different polymethacrylate hydrophobic block, could be disrupted by ultrasound. However, the extent of the micellar disruption and dye release was found to be influenced by the chemical structure of the micelle-core-forming hydrophobic polymethacrylate. In particular, micelles of PEO-b-PIBMA (poly(1-(isobutoxy)ethyl methacrylate)) and PEO-b-PTHPMA (poly(2-tetrahydropyranyl methacrylate)), whose hydrophobic blocks have a labile acetal unit in the side group and are more likely to undergo ester hydrolysis, could be disrupted more severely by ultrasound, giving rise to a faster release of Nile Red. By contrast, micelles of PEO-b-PMMA (poly(methyl methacrylate)), whose polymethacrylate block is more stable, appear to be more resistant to ultrasound irradiation and exhibit a slower rate of dye release than other BCPs. Moreover, infrared spectra recorded with micelles before and after ultrasound irradiation of the aqueous solution of the micelles give evidence for the occurrence of chemical reactions, most likely hydrolysis, for PEO-b-PIBMA and PEO-b-PTHPMA, but absence of chemical reactions for PEO-b-PMMA. The effect of BCP chemical structure on the reaction of micelles to high-frequency HIFU irradiation shows the perspective of designing and developing ultrasound-sensitive BCP micelles for ultrasound-based delivery applications. On the basis of the first project, in the second project, we demonstrated a new approach that could amplify the effect of HIFU on the disassembly of BCP micelles in aqueous solution. By introducing a small amount of ultrasound-labile comonomer units into the micelle core-forming thermosensitive polymer, the ultrasound-induced reaction of the comonomer could increase the lower critical solution temperature (LCST) of the thermosensitive polymer due to a polarity change, which renders the BCP soluble in water without changing the solution temperature and, consequently, results in disassembly of BCP micelles. To prove the validity of this new mechanism, we synthesized and investigated a diblock copolymer of PEO-b-P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA) (MEO[subscript 2]MA stands for 2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate). In the thermosensitive random copolymer block P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA), which is hydrophobic at T>LCST, THPMA was chosen due to its greater reactivity under HIFU than other monomer structures investigated in the first project. We found that HIFU could indeed increase the LCST of the P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA) block and, as a result, dissociate the BCP micelles at a constant temperature. A [superscript 13]C NMR spectral analysis provided critical evidence that hydrolysis of the THPMA groups occurs under HIFU irradiation and the micellar disassembly originates from an increase in the LCST due to the ultrasound-induced conversion of hydrophobic comonomer units of THPMA onto hydrophilic methacrylic acid (MAA). This ultrasound-changeable-LCST approach is general and can be applied by exploring other ultrasound-labile moieties in the BCP design. By transducing an ultrasound-induced effect into a changing thermosensitivity of the micelle core-forming block, this study demonstrated a new amplification and control mechanism for SR-BCP micelles. The third project presented in this thesis dealt with a rational BCP design that had a specific purpose: allowing BCP micelles to be disrupted by two types of stimuli while using the minimum number of stimuli-reactive moieties in the BCP structure. The unveiling of such BCP structures provides insight into how to make BCP micelles sensitive to stimuli. To do this, we designed and synthesized a new amphiphilic ABC-type triblock copolymer, namely, poly(ethylene oxide)-disulfide-polystyrene- o-nitrobenzyl-poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylate) (PEO-S-S-PS-ONB-PDMAEMA), which features a redox-cleavable disulfide linkage between the PEO and PS blocks as well as a photocleavable ONB group as the junction of the PS and PDMAEMA blocks. We demonstrated that this design is a useful strategy to allow BCP micelles to respond to both a reducing agent like dithiothreitol (DTT) in solution and exposure to UV light while having the minimum number of stimuli-reactive moieties in the block copolymer structure (two units per chain). Our investigations found that the micelles of this triblock copolymer could be disrupted in different ways. When only one stimulus is applied, the removal of one type of hydrophilic polymer chains from the micelle corona, either PEO by redox-cleavage or PDMAEMA by photocleavage, results in a limited destabilization effect on the dispersion of the micelles. The agglomeration between a few micelles appears but the dispersion remains essentially stable. By contrast, under combined use of the two stimuli that cleaves both PEO and PDMAEMA, severe polymer aggregation occurs as a result of elimination of the polymer amphiphilicity. Moreover, by loading the hydrophobic Nile Red in the micelles, the fluorescence quenching of the dye by aqueous medium under the different uses of the two stimuli appears to correlate with the different extents of the micellar disruption. // ?????? : ??????????????????????????????SR-BCPs???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????SR-BCP???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????-??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????SR-BCP?????????????????????????????????DDSs???????????????????????????????????????BCP?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????-????????????????????????SR-BCP??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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Le repliement des protéines est principalement gouverné par les interactions spécifiques des structures secondaires. 1, 2 Toutefois, il existe expérimentalement peu d’informations sur les propriétés mécaniques fondamentales des hélices α et des feuillets β isolées. Les recherches antérieures sur l'étude du déploiement des hélices sont peu concluantes 3-5 et à notre connaissance l'étude des propriétés mécaniques d'un feuillet β isolé, intramoléculaire est sans précédent. Les copolymères PEG114-b-poly(L-lysine)134-(2-pyridyl disulfure),PEG114-b-poly(L-lysine)-b-PEG114 et poly(L-acide glutamique)85-b-(2-pyridyldisulfure) été synthétisés et utilisés comme systèmes modèles pour tester les propriétés mécaniques des motifs secondaires de type hélice α et feuillet β. Les résultats obtenus se sont révélés être en bon accord avec les résultats théoriques obtenus en utilisant un modèle statistique basé sur AGAGIR 6. La différence de force de déroulement comparant les hélices de poly(L-Lysine) ≈ 30 pN et de poly(L-acide glutamique) ≈ 20 pN des copolymères diblocs a été attribuée à l'hydrophobicité différente des chaînes latérales. La plus grande hydrophobie dumotif lysine conduit à de plus grandes interactions entre les chaînes latérales qui empêchent les fluctuations aléatoires au sein de l’hélice, et conduisent à une stabilité supérieure de l'hélice α. Lorsque les expériences ont été conduites dans des conditions favorisant la solubilité des chaînes latérales de lysine, les interactions ont diminué à une force de ≈ 20 pN, similaire à la force des interactions observées pour le poly(L-acide glutamique). Nous supposons qu'un minimum de ≈ 20 pN est nécessaire pour rompre la liaison hydrogène en maintenant l'hélice α, car cette force a été obtenue dans des conditions où les interactions de la chaîne latérale étaient minimisées. La présence de plateaux de force constants et d'inflexions correspondantes démontre une force de dépliement indépendante de la longueur, qui supporte un mécanisme de déroulement tour-par-tour pour l'hélice. De plus, la plus grande hydrophobie des chaînes latérales a été suggérée non seulement pour stabiliser la structure en hélice, mais également pour inhiber la formation d'une structure de type β-turn métastable intermédiaire lorsque les forces entropiques dominent. Des études préliminaires ont été effectuées sur le système de PEG114-bpoly(L-Lysine)134-(2-pyridyl disulfure) après induction d’une transition - β par un traitement thermique dans des conditions basiques. Une inflexion à une force≈ 70 pN a été obtenue, ce qui suggère la formation d'une interaction de type feuillet β. Une stratégie bottom-up a ainsi été proposée avec succès, démontrant le potentiel d'utilisation de tels systèmes artificiels pour simplifier et modéliser des systèmes biologiques réels. La compréhension de ces modèles isolés plus simples aidera sans doute la compréhension de systèmes plus complexes. / Proteins fold by the initial, preferential folding of secondarystructures 1, 2, however surprisingly little is known about the basic mechanicalproperties of isolated α-helices and β-sheets from an experimental standpoint.Previous investigations into studying the generic unfolding behaviour of α-heliceshave proved inconclusive 3-5, and to our knowledge the study of an isolated,intramolecular β-sheet is unprecedented.Bioinspired PEG114-b-poly(L-glutamic acid)85-(2-pyridyl disulphide),PEG114-b-poly(L-lysine)134-(2-pyridyl disulphide) and PEG114-b-poly(Llysine)134–b-PEG114 were designed, synthesized and utilized as model systems toprobe the mechanical properties of α-helix and β-sheet secondary motifs. Theobtained results were shown to be in good agreement with theoretical resultsobtained by utilizing a AGAGIR-based statistical mechanical model 6. Thedifference in unravelling force comparing the helices of poly(L-Lysine) ≈30 pNand poly(L-glutamic acid) ≈20 pN diblock copolymers was attributed to thediffering hydrophobicity of the side chains. The greater hydrophobicity of thelysine allowed greater interactions between the side chains and sterically hinderedrandom helix-coil fluctuations, which lead to a superior α-helix stability. Whenexperiments were conducted in conditions promoting the solubility of the lysineside chains, the interactions decreased to a force of ≈20 pN, similar to the force ofinteractions observed for the poly(L-glutamic acid). We infer that a minimum of≈20 pN is needed to rupture the hydrogen bonding maintaining the α-helix as thisforce was obtained in conditions where the side chain interactions wereminimized.The presence of constant force plateaus and corresponding inflectionsdemonstrates a length independent unfolding force, which supports a turn-by-turnunfolding mechanism for the α-helix.In addition, the greater hydrophobicity of the side chains was suggestedto not only stabilize the α-helix structure, but also to inhibit the formation of anintermediate metastable β-hairpin-like structure when entropic forces dominate.Preliminary studies were also conducted on the PEG114-b-poly(LLysine)134-(2-pyridyl disulphide) system after a α-β transition had been inducedby heat in basic conditions, where an inflection at a much higher force of ≈ 70 pNwas obtained suggesting the formation of a β-sheet interaction.A bottom-up, investigative strategy has thus been successfully proposeddemonstrating the potential of utilizing such artificial systems to simplify andexemplify real biological systems. The comprehension of these simpler isolatedmodels will no doubt aid the understanding of more complex systems.

Temperature-responsive hydrogels are polymer particles whose equilibrium size depends on the temperature of the water they are immersed in. Here we present an equivalent circuit model of a temperature-controlled microvalve based on hydrogel particles. The resulting network model consists of three physical subsystems. The thermal subsystem considers the heat capacities and thermal resistances of the layers of the valve and the coupling to the ambient environment. The polymeric subsystem describes the relaxation of the hydrogel particles to the temperature-dependent equilibrium size. The fluidic subsystem consists of the supply channel and a chamber whose cross section varies according to the size of the hydrogel particles. All subsystems are described and coupled within one single circuit. Thus the transient behavior of the valve can be calculated using a circuit simulator. Simulation results for a setup are presented and compared with experiments.

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral se centra en el diseño, síntesis y caracterización de varios nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos, utilizando como soporte nanopartículas de sílice mesoporosa equipadas con enzimas y puertas moleculares, los cuales muestran capacidades comunicativas además de la evaluación de diferentes estrategias de comunicación. El primer capítulo incluye un resumen de diferentes conceptos sobre los que se fundamentan los estudios realizados tales como nanotecnología, materiales de sílice mesoporosa, materiales con puertas moleculares que reaccionan a estímulos específicos, partículas Janus y biocomputación. Finalmente, se incluyen conceptos básicos acerca de la comunicación química, materiales y estrategias empleados hasta ahora y ejemplos representativos. A continuación, en el segundo capítulo, se presentan los objetivos generales de esta tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. El tercer capítulo muestra un sistema de biocomputación para liberación basado en nanopartículas Janus de oro-sílice mesoporosa capaces de comunicarse con el entorno procesando la información e imitando la función lógica booleana propia de un demultiplexer y que resulta en la liberación controlada de la carga. Se muestra que dicho nanodispositivo puede llevar a cabo sus funciones en medios complejos como en células cancerígenas. En el cuarto capítulo, se presenta un modelo circular de comunicación dentro de una red de tres nanopartículas diferentes basado en el intercambio jerárquicamente programado de mensajes químicos. La parte mesoporosa del nanodispositivo 1 (S1βgal) es cargada con la especie fluorescente [Ru(bpy)3]Cl2 y tapada con cadenas de oligo(etilenglicol) que contienen puentes disulfuro y que funcionan como puertas moleculares, mientras que la enzima β-galactosidasa es unida a la parte del oro. En la nanopartícula 2 (S2galox), la enzima galactosa oxidasa es inmovilizada en la cara del oro mientras que la sílice mesoporosa es cargada con 4-(bromometil)benzoato de metilo y los poros tapados con un derivado de arilboronato autoinmolante sensible a H2O2 que forma un complejo huéspedanfitrión con β-ciclodextrina. Finalmente, el nanodispositivo 3 (S3est) es funcionalizado con la enzima esterasa en la parte del oro, cargada con la especie reductora hidroclururo de tris(2-carboxietil)fosfina (TCEP) en la parte mesoporosa y tapada con una nanoválvula supramolecular que responde a pH (βciclodextrina:benzimidazol). En el quinto capítulo, se muestra un modelo interactivo de comunicación química entre una nanopartícula Janus abiótica y un organismo vivo (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositivo está basado en nanopartículas funcionalizadas con glucosa oxidasa en la parte del oro, cargadas con el genotóxico fleomicina y tapadas con la puerta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganismo usado en el estudio es una levadura modificada que expresa GFP bajo el control del promotor del gen RNR3; la transcripción de dicho gen es inducida con la exposición a agentes que dañan el ADN. La ruta de comunicación interactiva empieza con la adición de sacarosa (estímulo de entrada) la cual es hidrolizada en glucosa por la invertasa localizada en el espacio periplásmico de las levaduras y que difunde al nanodispositivo donde es trasformada en el correspondiente ácido por la glucosa oxidasa de la parte del oro. La bajada local de pH da lugar a la apertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehículo y con ello a la liberación de fleomicina (mensaje de vuelta) que induce la expresión de GFP (señal de salida) en las levaduras. En el sexto capítulo, proponemos una estrategia para establecer una comunicación lineal entre dos microorganismos diferentes que no interactúan entre ellos mediada por un nanodispositivo que actúa como traductor químico. Finalmente, las conclusiones generales de la presente tesis doctoral son expuestas en el capítulo siete. El estudio de las capacidades comunicativas de los nanodispositivos mesoporosos funcionalizados con enzimas permite la construcción de estrategias de cooperación entre diferentes entidades que permiten funcionalidades que van más allá que aquellas llevadas a cabo por agentes individuales. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el disseny, síntesi i caracterització de diversos nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics, utilitzant com a suport nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb enzims i portes moleculars, i que mostren capacitats comunicatives a més de l’avaluació de diferents estratègies de comunicació. El primer capítol inclou un resum de diferents conceptes sobre els quals es fonamenten els estudis realitzats com ara nanotecnologia, materials de sílice mesoporosa, materials amb portes moleculars que reaccionen a estímuls específics, partícules Janus i biocomputació. Finalment, s’inclouen conceptes bàsics sobre la comunicació química, materials i estratègies utilitzades fins ara i exemples representatius. A continuació, en el segon capítol, es presenten els objectius generals d’aquesta tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. El tercer capítol mostra un sistema de biocomputació per alliberament basat en nanopartícules Janus d’or-sílice mesoporosa capaços de comunicar-se amb l’entorn processant la informació i imitant la funció lògica booleana pròpia d’un demultiplexer i que resulta en l’alliberament controlat de la càrrega. Es mostra que aquest nanodispositiu pot dur a terme les seves funcions en mitjans complexos com en cèl·lules canceroses. En el quart capítol, es presenta un model circular de comunicació dins d’una xarxa de tres nanopartícules diferents basat en l’intercanvi jeràrquicament programat de missatges químics. La part mesoporosa del nanodispositiu 1 (S1βgal) es carrega amb l’espècie fluorescent [Ru(bpy)3]Cl2 i es tapa amb cadenes d’oligo(etilenglicol) que contenen ponts disulfur i que funcionen com portes moleculars, mentre que l’enzim β-galactosidasa s’immobilitza a la part de l’or. A la nanopartícula 2 (S2galox), l’enzim galactosa oxidasa s’immobilitza a la cara de l’or mentre que la sílice mesoporosa es carrega amb 4-(bromometil)benzoat de metil i els porus són tapats amb un derivat d’arilboronat autoimmolant sensible a H2O2 que forma un complex hoste-amfitrió amb β-ciclodextrina. Finalment, el nanodispositu 3 (S3est) es funcionalitza amb l’enzim esterasa en la part de l’or, es carrega amb l’espècie reductora hidroclurur de tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) a la part mesoporosa i es tapa amb una nanoválvula supramolecular que respon a pH (β-ciclodextrina:benzimidazol). En el cinqué capítol, es mostra un model interactiu de comunicació química entre una nanopartícula Janus abiòtica i un organisme viu (Saccharomyces cerevisiae). En particular, el nanodispositiu està basat en nanopartícules funcionalitzades amb glucosa oxidasa en la part de l’or, carregades amb el genotòxic fleomicina i tapades amb la porta molecular sensible a pH (βciclodextrina:benzimidazol). El microorganisme utilitzat en l’estudi és un rent modificat que expressa GFP sota el control del promotor del gen RNR3; la transcripció d’aquest gen és induïda amb l’exposició a agents que danyen l’ADN. La ruta de comunicació interactiva comença amb l’addició de sacarosa (estímul d’entrada) la qual és hidrolitzada en glucosa per la invertasa localitzada en l’espai periplasmàtic dels rents i que difon al nanodispositiu on és transformada en el corresponent àcid per la glucosa oxidasa de la part de l’or. La baixada local de pH dona lloc a l’obertura de la nanoválvula sensible a pH del nanovehicle i amb això l’alliberament de fleomicina (missatge de tornada) que indueix l’expressió de GFP (senyal de sortida) en el rent. En el sisé capítol, proposem una estratègia per establir una comunicació lineal entre dos microorganismes diferents que no interactuen entre ells facilitada per un nanodispositiu que actua com a traductor químic. Finalment, les conclusions generals de la present tesi doctoral són exposades en el capítol set. L’estudi de les capacitats comunicatives dels nanodispositius mesoporosos funcionalitzats amb enzims permet la construcció d’estratègies de cooperació entre diferents entitats que permeten funcionalitats que van més enllà que aquelles dutes a terme per agents individuals. Esperem que els resultats obtinguts inspiren aplicacions futures en diferents àrees com ara biomedicina, nanorobots, materials que imiten la naturalesa i tecnologies de la informació. / [EN] This PhD Thesis is focused on the design, synthesis and characterization of several hybrid organic-inorganic nanodevices using mesoporous silica nanoparticles equipped with enzymes and molecular gates which display communication capabilities as well as the design and evaluation of different communication strategies. The first chapter includes an overview of the different concepts which lay the foundations of the presented studies such as nanotechnology, mesoporous silica materials, stimuli-responsive gated materials, Janus particles and biocomputing. Basic concepts of chemical communication, materials and enabling technologies employed so far and representative examples in this field are also included. Next, in the second chapter, the general objectives of this PhD Thesis that are addressed in the following experimental chapters are presented. The third chapter shows a biocomputing delivery system based on Janus gold-mesoporous silica nanoparticles capable of chemically communicating with the environment and processing the information mimicking a demultiplexer Boolean logic function which results in a programmed cargo release. Finally, it is shown that such nanodevice is operative in complex media such as cancer cells. In the fourth chapter, it is presented a circular model of communication within a network of three different nanoparticles based on the hierarchically programmed exchange of chemical messages. The mesoporous face of nanodevice 1 (S1βgal) is loaded with the fluorescent dye [Ru(bpy)3]Cl2 and capped with disulfidecontaining oligo(ethylene glycol) chains acting as gatekeepers, whereas the enzyme β-galactosidase is attached to the gold face. In nanoparticle 2 (S2galox), the enzyme galactose oxidase is immobilized on the Au face, while the mesoporous silica is loaded with methyl 4-(bromomethyl)benzoate and the mesopores capped with a H2O2-sensitive self-immolative arylboronate derivative which forms a host-guest complex with β-cyclodextrin. Finally, the nanodevice 3 (S3est) is functionalized with the enzyme esterase on the Au face, loaded with the reductive species tris(2- carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP) in the mesoporous face and capped with a pH-responsive supramolecular nanovalve (β-cyclodextrin:benzimidazole). In the fifth chapter, it is showed an interactive model of chemical communication between an abiotic Janus nanoparticle and a living organism (Saccharomyces cerevisiae). In particular, the nanodevice is based on Janus goldmesoporous silica nanoparticles functionalized with glucose oxidase on the Au face, loaded with the genotoxin phleomycin and capped with a pH-responsive (βcyclodextrin:benzimidazole) gatekeeper. The microorganism used in the studies is an engineered budding yeast that expresses GFP under the control of the RNR3 promoter; RNR3 gene transcription is induced upon exposure to DNA-damaging agents. The interactive communication pathway starts with the addition of sucrose (input) which is hydrolyzed into glucose by invertase located in periplasmic space of yeasts and diffuses to the nanodevice where it is transformed into the corresponding acid by glucose oxidase on the Au face. The local drop in pH leads to uncapping of the pH-sensitive nanovalve in the nanocarrier and the release of phleomycin (feedback messenger) that induces GFP expression (output) in yeasts. In the sixth chapter, we propose a strategy to establish linear communication between two different non-interacting microorganisms mediated by a nanodevice which acts as a chemical “nanotranslator”. Finally, the general conclusions from this PhD Thesis are presented in chapter seven. The study of communication capabilities of enzyme-functionalized mesoporous nanodevices enables the construction of strategies of cooperation between different entities allowing sophisticated functionalities that go beyond those carried out by individual agents. We hope that the obtained results inspire future applications in different areas such as biomedicine, nanorobots, life-like materials and information technologies. / The authors wish to thank the Spanish Government (projects RTI2018-100910-B-C41 and RTI2018-101599-B-C22 (MCUI/AEI/FEDER, UE), CTQ2017-87954-P), the Generalitat Valenciana (PROMETEO 2018/024), the Comunidad de Madrid (IND2017/BMD7642) and CIBER-BBN (NANOCOMMUNITY project) for support. / De Luis Fernández, B. (2021). Development of enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for advanced chemical communication [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171506 / Compendio

Résumé : Les copolymères à blocs sensibles aux stimuli (SR-BCPs) et leurs assemblages, tels que les micelles, les vésicules et les hydrogels, peuvent subir des changements physiques ou chimiques en réponse à l'évolution des conditions environnementales. Pour un excellent SR-BCP, habituellement, de légères modifications de l'environnement sont suffisantes pour induire des modifications relativement drastiques dans la conformation, la structure ou les propriétés du polymère. Ces polymères sont aussi appelés polymères stimuli-réactifs ou polymères intelligents et ils ont un grand potentiel d'application dans de nombreux domaines. Au cours des deux dernières décennies, un intérêt de recherche et développement particulier a été porté sur l'exploitation des SR-BCPs pour utilisation comme systèmes de relargage de médicaments. Dans de nombreux cas, les changements induits par des stimuli dans la structure ou la morphologie des assemblages de BCPs peuvent entraîner la libération de l'espèce encapsulée, parfois d'une manière contrôlable spatialement et temporellement par le choix d'un stimulus approprié et en ajustant les paramètres de la méthode de stimulation utilisée. De façon générale, le fait d’avoir un certain type de groupements réactifs à un stimulus donné dans la structure permet aux SR-BCPs de reconnaître et réagir à ce stimulus. Malgré les énormes progrès réalisés sur les SR-BCPs, un certain nombre de questions fondamentales restent à résoudre afin de leur permettre de se trouver dans des applications pratiques. Pour y arriver, la clé ou le défi réside dans l’amélioration du niveau et de la complexité de contrôle sur les SR-BCPs ainsi que la sensibilité avec laquelle ces polymères réagissent à des stimuli. Généralement, il est souhaitable d'obtenir une réaction rapide sous l'action d'une stimulation modérée. A cette fin, il est nécessaire d’effectuer des recherches fondamentales sur la conception rationnelle de nouveaux SR-BCPs ainsi que sur le développement de méthodes de stimulation qui peuvent amplifier l'effet d'un stimulus. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'inscrivent dans ce domaine de recherche. Plus spécifiquement, nous avons étudié des micelles de BCPs qui répondent à deux types de stimuli. D'une part, nous avons étudié un mécanisme d'amplification basé sur l’effet des ultrasons combiné à la thermosensibilité de BCPs. D'autre part, nous avons développé une nouvelle conception de BCPs qui permet aux micelles d’être détruites soit de manière photochimique, soit par des réactions d'oxydo-réduction, tout en ayant le nombre minimum des groupes stimuli-réactifs dans la structure du polymère. Notre recherche a généré de nouvelles connaissances dans ce domaine et suggère de nouveaux moyens sur la façon dont les questions de sensibilité et de contrôle complexe des micelles SR-BCPs peuvent être abordées, contribuant ainsi à l'avancement des connaissances fondamentales. Le cœur de cette thèse est composé de trois publications résultant des projets réalisés. Dans le premier projet, afin de coupler la sensibilité aux ultrasons et la thermosensibilité, nous avons mené une étude ayant pour but de trouver des structures possibles de polymères qui sont susceptibles d'être affectées par les ultrasons. Nous avons effectué une étude comparative sur la destruction des micelles formées par divers BCPs et la libération concomitante d'un colorant hydrophobe encapsulé (rouge du Nil) par les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). Nous avons constaté que toutes les micelles formées par les quatre copolymères diblocs synthétisés, étant constitués d'un même bloc du polyoxyde d'éthylène (PEO) hydrophile et d’un bloc de polyméthacrylate hydrophobe différent, peuvent être perturbées par les ultrasons. Toutefois, l'ampleur de la perturbation et la libération du colorant encapsulé dans la micelle est influencée par la structure chimique du block hydrophobe. En particulier, les micelles du PEO-b-PIBMA (poly(1-isobutoxyméthacrylate d'éthyle)) et du PEO-b-PTHPMA (poly(méthacrylate de 2-tétrahydropyrannyle)), qui possèdent une unité acétal labile dans le groupe latéral, subissent des perturbations plus importantes en raison, probablement, d’une réaction d’hydrolyse de l’ester induite par les ultrasons, donnant lieu à une libération plus rapide du colorant. En revanche, les micelles du PEO-b-PMMA (poly(méthacrylate de méthyle)), dont le bloc polyméthacrylate est plus stable, sont plus résistantes aux ultrasons et présentent une cinétique de libération du colorant plus lente que les autres micelles. De plus, l’analyse des spectres infrarouges des solutions micellaires, enregistrés avant et après l’exposition aux ultrasons, suggère une réaction d’hydrolyses pour le PEO-b-PIBMA et le PEO-b-PTHPMA, mais montre l'absence d’une quelconque réaction chimique pour le PEO-b-PMMA. L'effet de la structure de copolymère à blocs sur la réactivité des micelles à l'irradiation HIFU à hautes fréquences permet de mieux comprendre comment des micelles de BCPs sensibles aux ultrasons peuvent être conçues. Sur la base du premier projet, dans le deuxième projet, nous avons démontré une nouvelle approche pouvant amplifier l'effet de HIFU sur la destruction des micelles de BCPs en solution aqueuse. L’idée est d’introduire une petite quantité des unités comonomères sensibles aux ultrasons dans le bloc thermosensible et initialement hydrophobe. On peut alors former une micelle dont le noyau est composé du polymère sensible aux ultrasons. Si la réaction induite par les ultrasons sur le noyau permet d’augmenter la température de solution critique inférieure (LCST) du polymère thermosensible au-dessus de la température de la solution micellaire, la micelle doit être dissolue car tout le BCP est devenu soluble dans l’eau. Pour tester la validité de ce nouveau mécanisme, nous avons synthétisé et étudié un copolymère dibloc de PEO-b-P(MEO[indice inférieur 2]MA-co-THPMA) (MEO[indice inférieur 2]MA représente 2-(2-méthoxyéthoxy) méthacrylate d'éthyle), dans lequel le bloc thermosensible P(MEO[indice inférieur 2]MA-co-THPMA) est hydrophobe à T>LCST. Le THPMA a été choisi en raison de sa plus grande réactivité vis-à-vis des faisceaux HIFU que les autres monomères étudiés dans le premier projet. Les résultats montrent que les HIFU peuvent effectivement augmenter la LCST du bloc P(MEO[indice inférieur 2]MA-co-THPMA) et, par conséquent, induire la dissociation des micelles à une température constante de la solution. Une analyse spectrale en RMN [indice supérieur 13]C a fourni des preuves montrant que l'hydrolyse des groupes THPMA se produit sous l’irradiation HIFU et que la destruction des micelles provient d'une augmentation de la LCST en raison de la conversion des motifs hydrophobes THPMA en motifs acides méthacryliques (MAA) hydrophiles. Cette méthode de modifier la LCST par une irradiation des ultrasons est générale et peut être appliquée aux autres groupements sensibles aux ultrasons dans la conception de ce type de SR-BCPs. Cette étude a ainsi démontré un nouveau mécanisme d'amplification et de contrôle des micelles de BCPs via la modification induite par les ultrasons de la température de transition de phase (LCST) du bloc constituant le noyau micellaire. Le troisième projet présenté dans cette thèse portait sur une conception rationnelle de BCPs ayant un but précis: permettre aux micelles d’être perturbées par deux types de stimuli en utilisant le nombre minimal des unités sensibles à des stimuli dans la structure de BCPs. Pour ce faire, nous avons conçu et synthétisé un nouveau copolymère tribloc amphiphile de type ABC, soit le poly(oxyde d'éthylène) - disulfure – polystyrene - o-nitrobenzyle - poly(2-(diméthylamino) éthylméthacrylate) (PEO-S-S-PS-ONB-PDMAEMA). Il dispose d'une liaison disulfure redox-clivable entre les blocs PEO et PS ainsi que d'un groupe o-nitrobenzyle (ONB) photoclivable à la jonction des blocs PS et PDMAEMA. Nous avons montré que ce modèle est une stratégie utile pour permettre aux micelles de BCPs de répondre soit à un agent réducteur comme le dithiothréitol (DTT) dans une solution, soit à l'exposition à la lumière UV, tout en ayant le nombre minimum des groups stimuli-réactifs dans la structure du copolymère (deux unités par chaîne). Nos investigations ont révélé que les micelles de ce copolymère tribloc peuvent être perturbées de différentes façons. Lorsqu'un seul stimulus est appliqué, l'enlèvement d'un type des chaînes de polymère hydrophile à partir de la couronne de micelles, soit le PEO par clivage par oxydo-réduction ou le PDMAEMA par photoclivage, entraîne un effet limité de déstabilisation sur la dispersion des micelles. L'agglomération de quelques micelles apparaît mais la dispersion reste essentiellement stable. En revanche, en cas d'utilisation combinée des deux stimuli qui clivent à la fois le PEO et le PDMAEMA, une agrégation importante du polymère se produit à la suite de l'élimination de l'amphiphilicité du polymère. // Abstract : Stimuli-responsive block copolymers (SR-BCPs) and their assemblies, such as micelles, vesicles and hydrogels, can undergo physical or chemical changes in response to changing environmental conditions. For an excellent SR-BCP, usually, slight changes in the environment are sufficient to induce relatively drastic changes in either the conformation or structure or properties of the polymer. Stimuli-reactive polymers are often referred to as smart polymers and they have great application potential in many fields. Over the past two decades, particular research and development interest has been focused on exploiting SR-BCP assemblies as drug delivery systems (DDSs). In many cases, stimuli-induced changes in the structure or morphology of BCP assemblies (drug carriers) can result in the release of loaded species, sometimes in a spatially and temporally controllable manner by choosing an appropriate stimulus and adjusting the parameters of the used stimulating method. Generally speaking, by having a certain type of stimuli-reactive moieties in the structure, SR-BCP assemblies have an ability to recognize a specific stimulus and react to its presence accordingly. Despite the tremendous progress achieved on SR-BCPs, a number of fundamental issues remain to be addressed in order to enable real-life applications of these smart polymers. Of them, an increasing level and complexity of control on SR-BCPs as well as the sensitivity with which these polymers react to stimuli are key and challenging. It is highly desirable to obtain a fast reaction under the action of a modest stimulation. To this end, fundamental research is necessary on rational and creative BCP structural design as well as on development of stimulation methods that can amplify the effect of a stimulus. The research work presented in this thesis falls into this important topic. More specifically, we studied BCP micelles that are responsive to two types of stimuli. On the one hand, we investigated an amplification mechanism based on coupling the ultrasound reactivity with the thermosensitivity of BCPs. On the other hand, we developed a BCP structural design that allows micelles to be disrupted by either light or redox agents while having the minimum number of stimuli-reactive moieties in the polymer structure. Our research provided new insights into and suggested new means on how the issues of sensitivity and complex control of SR-BCP micelles can be tackled, thus contributing to the advancement of fundamental knowledge. The core of this thesis is comprised of three publications resulting from the projects realized in our research work. In order to couple the ultrasound sensitivity and thermosensitivity, in the first project, we carried out studies to find possible polymer structures that are susceptible to be affected by ultrasound. We conducted a comparative study on the disruption of the micelles formed by various BCPs and the concomitant release of an encapsulated hydrophobic dye (Nile Red) by high-intensity focused ultrasound (HIFU). It was found that all micelles formed by the four synthesized diblock copolymers, being composed of a hydrophilic poly(ethylene oxide) (PEO) block and a different polymethacrylate hydrophobic block, could be disrupted by ultrasound. However, the extent of the micellar disruption and dye release was found to be influenced by the chemical structure of the micelle-core-forming hydrophobic polymethacrylate. In particular, micelles of PEO-b-PIBMA (poly(1-(isobutoxy)ethyl methacrylate)) and PEO-b-PTHPMA (poly(2-tetrahydropyranyl methacrylate)), whose hydrophobic blocks have a labile acetal unit in the side group and are more likely to undergo ester hydrolysis, could be disrupted more severely by ultrasound, giving rise to a faster release of Nile Red. By contrast, micelles of PEO-b-PMMA (poly(methyl methacrylate)), whose polymethacrylate block is more stable, appear to be more resistant to ultrasound irradiation and exhibit a slower rate of dye release than other BCPs. Moreover, infrared spectra recorded with micelles before and after ultrasound irradiation of the aqueous solution of the micelles give evidence for the occurrence of chemical reactions, most likely hydrolysis, for PEO-b-PIBMA and PEO-b-PTHPMA, but absence of chemical reactions for PEO-b-PMMA. The effect of BCP chemical structure on the reaction of micelles to high-frequency HIFU irradiation shows the perspective of designing and developing ultrasound-sensitive BCP micelles for ultrasound-based delivery applications. On the basis of the first project, in the second project, we demonstrated a new approach that could amplify the effect of HIFU on the disassembly of BCP micelles in aqueous solution. By introducing a small amount of ultrasound-labile comonomer units into the micelle core-forming thermosensitive polymer, the ultrasound-induced reaction of the comonomer could increase the lower critical solution temperature (LCST) of the thermosensitive polymer due to a polarity change, which renders the BCP soluble in water without changing the solution temperature and, consequently, results in disassembly of BCP micelles. To prove the validity of this new mechanism, we synthesized and investigated a diblock copolymer of PEO-b-P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA) (MEO[subscript 2]MA stands for 2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate). In the thermosensitive random copolymer block P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA), which is hydrophobic at T>LCST, THPMA was chosen due to its greater reactivity under HIFU than other monomer structures investigated in the first project. We found that HIFU could indeed increase the LCST of the P(MEO[subscript 2]MA-co-THPMA) block and, as a result, dissociate the BCP micelles at a constant temperature. A [superscript 13]C NMR spectral analysis provided critical evidence that hydrolysis of the THPMA groups occurs under HIFU irradiation and the micellar disassembly originates from an increase in the LCST due to the ultrasound-induced conversion of hydrophobic comonomer units of THPMA onto hydrophilic methacrylic acid (MAA). This ultrasound-changeable-LCST approach is general and can be applied by exploring other ultrasound-labile moieties in the BCP design. By transducing an ultrasound-induced effect into a changing thermosensitivity of the micelle core-forming block, this study demonstrated a new amplification and control mechanism for SR-BCP micelles. The third project presented in this thesis dealt with a rational BCP design that had a specific purpose: allowing BCP micelles to be disrupted by two types of stimuli while using the minimum number of stimuli-reactive moieties in the BCP structure. The unveiling of such BCP structures provides insight into how to make BCP micelles sensitive to stimuli. To do this, we designed and synthesized a new amphiphilic ABC-type triblock copolymer, namely, poly(ethylene oxide)-disulfide-polystyrene- o-nitrobenzyl-poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylate) (PEO-S-S-PS-ONB-PDMAEMA), which features a redox-cleavable disulfide linkage between the PEO and PS blocks as well as a photocleavable ONB group as the junction of the PS and PDMAEMA blocks. We demonstrated that this design is a useful strategy to allow BCP micelles to respond to both a reducing agent like dithiothreitol (DTT) in solution and exposure to UV light while having the minimum number of stimuli-reactive moieties in the block copolymer structure (two units per chain). Our investigations found that the micelles of this triblock copolymer could be disrupted in different ways. When only one stimulus is applied, the removal of one type of hydrophilic polymer chains from the micelle corona, either PEO by redox-cleavage or PDMAEMA by photocleavage, results in a limited destabilization effect on the dispersion of the micelles. The agglomeration between a few micelles appears but the dispersion remains essentially stable. By contrast, under combined use of the two stimuli that cleaves both PEO and PDMAEMA, severe polymer aggregation occurs as a result of elimination of the polymer amphiphilicity. Moreover, by loading the hydrophobic Nile Red in the micelles, the fluorescence quenching of the dye by aqueous medium under the different uses of the two stimuli appears to correlate with the different extents of the micellar disruption. // 摘要 : 刺激响应嵌段共聚物（SR-BCPs）和它们的自组装体（例如胶束、囊泡和水凝胶）可以对环境的改变做出物理或者化学变化的响应。对于优良的SR-BCP，在通常情况下，环境中的微小变化都足以诱导无论是在聚合物构象或者结构或者性能上相对很大的变化。刺激-反应性聚合物通常被称为智能聚合物，它们在许多领域具有很大的应用潜力。在过去的二十年中，专业的研究和新产品的开发一直聚焦在利用SR-BCP自组装体作为载药体系（DDSs）。在许多情况下，刺激诱导BCP自组装体（药物载体）结构或者形貌的改变都可以导致加载药物的释放。通过选择适当的刺激和调节用于刺激方法的参数，可以实现加载药物在空间和时间上的可控释放。一般来说，通过具有特定类型的刺激-反应性结构部分，SR-BCP自组装体就具有了识别特定刺激并做出相应反应的能力。 尽管SR-BCPs已经取得了巨大的发展，但是使这些智能聚合物能够在现实生活中得到应用，一些根本性的问题仍然需要加以解决。其中的关键和挑战是增加对SR-BCPs控制的深度和复杂性，以及对刺激响应的敏感度。使SR-BCPs能够在适度的刺激作用下做出快速的反应是人们梦寐以求的。为此，对于合理地创造性地设计BCP结构以及发展可以放大刺激效应的刺激方法的基础研究是非常有必要的。在本论文中提出的研究工作属于这一重要课题。具体来说，我们研究了双重刺激响应BCP胶束。一方面，基于BCPs的超声温度双重敏感性，我们研究了一种放大机制。另一方面，我们开发设计了一种在聚合物结构中只含有最少数目刺激-反应单元的BCP结构，可以让胶束被光或者还原剂破坏。我们的研究对于如何解决SR-BCP胶束的敏感性和复杂可控性提出了新的见解和方法，从而有利于基础知识的进步。 本论文的核心是由三篇已经发表的研究工作组成。为了实现超声和温度双重敏感性，在第一个研究课题中，我们对于容易受超声影响的聚合物结构进行了研究。我们比较了由不同BCPs组成的胶束结构在高强度聚焦超声（HIFU）作用下的破坏情况以及伴随着的包覆疏水染料（尼罗红）的释放情况。实验结果显示，四种以聚环氧乙烷为亲水端，不同的聚甲基丙烯酸酯为疏水端的两嵌段聚合物胶束都可以被超声扰动。然而，形成胶束疏水内核的聚甲基丙烯酸酯的化学结构影响胶束破坏和染料释放的程度。特别是，PEO-b-PIBMA（聚（ 1-（异丁氧基）乙基甲基丙烯酸酯） ）和PEO-b-PTHPMA（聚（2-四氢吡喃基甲基丙烯酸酯） ）的疏水端具有不稳定的酯键侧基，因此在超声作用下更容易酯键水解。他们的胶束也更容易 被超声扰动，从而更快的释放尼罗红。相比之下，PEO-b-PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的聚甲基丙烯酸酯链段比较稳定。因此相对于其他胶束，PEO-b-PMMA胶束在超声下更稳定，释放染料的速度也相对较慢。根据超声辐照前后胶束水溶液的红外光谱显示，PEO-b-PIBMA和PEO-b-PTHPMA在超声辐照下发生了水解反应，但是PEO-b-PMMA没有发生化学反应。在高频率HIFU辐照下，BCP的化学结构对胶束反应的影响展现了设计和发展应用超声-敏感BCP胶束的新视角。 在第一个研究课题的基础上，在第二个研究课题中，我们展示了一种可以放大HIFU在水溶液中对BCP胶束破坏效果的新方法。通过在形成胶束内核的温敏性聚合物中引入少量的超声不稳定共聚单体，由于超声诱导共聚体极性的变化从而增加温敏性聚合物的最低临界溶液温度（LCST）。这使得在没有改变溶液温度的情况下，BCP溶于水，并进一步导致BCP胶束的瓦解。为了证明这种新机制的可行性，我们合成并研究了二嵌段共聚物PEO-b-P(MEO2MA-co-THPMA) （MEO2MA 代表2-（2-甲氧基乙氧基）乙基甲基丙烯酸酯）。当T > LCST时，无规的热敏嵌段共聚物P(MEO2MA-co-THPMA)是疏水的。选择THPMA是因为在第一个研究课题里，相比于其他结构的单体，它对于HIFU的辐照更敏感，具有更大的反应活性。我们发现， 通过HIFU的辐照确实可以增加P(MEO2MA-co-THPMA)链段的LCST，导致BCP胶束在温度不变的情况下瓦解。13C NMR 提供了关于超声诱导THPMA基团水解和由于超声诱导使疏水的THPMA共聚单元转变成亲水的MAA从而使LCST增加进一步导致胶束瓦解的关键证据。这种超声改变LCST的方法具有普遍意义，可以被用来探索在BCP设计中其他的超声不稳定基团。通过把超声诱导效应转换成胶束内核的温敏性变化，这项研究展示了一种全新的SR-BCP胶束的放大和控制机制。 在这篇论文中所展示的第三个研究课题是设计一个具有特定目的的合理的BCP结构。即允许在使用最少的刺激响应官能团的情况下，BCP胶束可以在两种刺激下瓦解。这种BCP结构的展示可以使我们更深入的了解如何使BCP胶束对刺激敏感。为此，我们设计并合成了新的两亲性ABC型三嵌段共聚物，即聚（环氧乙烷） - 二硫化物 - 聚苯乙烯 - 邻 - 硝基苄基 - 聚（ 2 - （二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯） (PEO-S-S-PS-ONB-PDMAEMA)。它在PEO和PS嵌段之间具有可还原裂解的二硫键，在PS和PDMAEMA嵌段之间具有可光裂解的ONB基团。我们证实，对于使具有最少数量的刺激-反应官能团（每条分子链上仅有两个）的BCP胶束可以同时在还原剂二硫苏糖醇 （DDT）水溶液中和紫外光照下发生响应，此设计是一种行之有效的策略。我们研究发现，这种三嵌段共聚物胶束可以以不同的方式被破坏。当只施加一种刺激时，无论是还原裂解PEO链段，或是光裂解PDMAEMA链段，都只有一种亲水链从胶束外壳被移走，这都只能导致胶束分散有限的不稳定。虽然一些胶束之间发生了团聚，但是分散体系总体上基本保持稳定。与之相对的，在两种刺激同时作用的情况下，PEO和PDMAEMA链段的同时断裂使聚合物的两亲性消失，从而导致聚合物严重的聚集。此外， 在两种刺激不同的施加情况下，通过在胶束中装载疏水尼罗红的方式，结果显示染料的荧光在水中的淬灭与胶束被破坏的不同程度有关。