Nanoparticles (such as, carbon nanotubes, carbon black, clay etc.) have one or more dimensions of the order of 100 nm or less. Owing to very high van der Waals force of attraction, these nanoparticles exist in a highly aggregated state. It is often required to break these aggregates to truly experience the “nanosize” effect for any required end use. There are several strategies proposed for dispersing/exfoliating nanoparticles but limited progress has been made towards controlling their dispersion state. The ability to tailor nanoparticle dispersion state in liquid and solid media can ultimately provide a powerful method for tailoring the properties of solution processed nanoparticle-filled polymer composites. This dissertation reports the use of a variety of stimuli-responsive polymers to control the dispersion state of single-walled carbon nanotubes. Stimuli-responsive polymers exhibit conformational transitions as a function of applied stimulus (like pH, temp, chemical etc.). These variations in conformations of the polymer can be used tailor nanotube dispersion state in water and solid composites.The use of pH and temperature responsive polymers to stabilize/disperse single walled carbon nanotubes (SWNTs) in water is presented. Non-covalent functionalization of SWNTs using pH and temperature responsive polymer show tailored dispersion state as a function of pH and temperature, respectively. Carbon nanotube microstructure in these aqueous suspensions was characterized using several techniques (cryo-TEM, viscosity measurements, uv-vis spectroscopy, zeta potential measurements and settling behavior). Furthermore, nanotube dispersion state in aqueous suspensions is preserved to a large extent in the composites formed by drying these suspensions as evidenced by SEM images and electrical conductivity measurements. Based on the results obtained a mechanism is proposed to explain the tailored dispersion of SWNTs as a functions of applied external stimulus (i.e., pH, temperature). Such stimuli-controlled dispersion of carbon nanotubes could have a variety of applications in nanoelectronics, sensing, and drug and gene delivery systems. Furthermore, this dissertation also contains a published study focused on controlling the dispersion state of carbon black (CB) in epoxy composites using clay.

Das corneale Endothel bildet die innere, einschichtige Zelllage der Cornea und ist für die Aufrechterhaltung der cornealen Transparenz zuständig. Krankheiten oder Verletzungen des cornealen Endothels können zu schweren Beeinträchtigungen des Sehvermögens führen und eine corneale Transplantation erforderlich machen. Der während und nach der Operation auftretende endotheliale Zellverlust erschwert das Überleben des Transplantates. Darum besteht ein Hauptziel des cornealen Tissue Engineerings in der Bereitstellung von transplantierbaren humanen cornealen Endothelzellsheets (HCEC-Sheets) mit einer adäquaten Zelldichte. Thermo-responsive Zellkulturträger fanden für die schonende, enzymfreie Gewinnung von Zellsheets für verschiedene Gewebetypen bereits Verwendung. HCEC stellen in diesem Kontext einen besonderen Fall dar, da sie eine starke Adhäsion zu ihrem Kultursubstrat ausbilden, was deren schonende, thermisch induzierte Ablösung als funktionelles Zellsheet erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger thermo-responsiver Zellkulturträger entwickelt. Dieser basiert auf dem durch Elektronenbestrahlung immobilisierten und vernetzten thermo-responsiven Polymer Poly(vinylmethylether) (PVME) sowie dem alternierenden Co-Polymer Poly(vinylmethylehter-alt-maleinsäureanhydrid) (PVMEMA) als biofunktionalisierbare Komponente. Die Kombination dieser Polymere führte zur Etablierung eines thermo-responsiven Zellkulturträgers, dessen physikochemische und biomolekulare Eigenschaften in weiten Grenzen einstellbar und dadurch an die spezifischen Anforderungen von HCEC anpassbar waren. Das PVME-PVMEMA-Blend ermöglichte die Bildung konfluenter HCEC-Monolayer mit den morphologischen Grundlagen für ein funktionelles corneales Endothelgewebe. Durch Inkorporation von Poly(N-isopropylacrylamid) (PNiPAAm) als weitere thermo-responsive Polymerkomponente konnte das Ablösungsverhalten funktioneller HCEC-Sheets weiter verbessert werden. In einem weiteren Schritt erfolgte der Transfer abgelöster HCEC-Sheets auf ein planares, biofunktionalisiertes Kultursubstrat sowie auf endothelfreie porcine Corneae. Die HCEC-Sheets wurden auch nach dem Transfer umfassend biologisch analysiert. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Bereitstellung klinisch anwendbarer Alternativen für das Tissue Engineering von cornealem Gewebe.

Le but de cette thèse de doctorat était de concevoir des brosses de polymères stimuli-sensibles afin de contrôler dynamiquement les interactions adhésives entre une cellule et son substrat.Pour cela, nous avons utilisé la polymérisation radicalaire par transfert d'atomes (ATRP) initiée en surface, et sa variante permettant de régénérer in situ le catalyseur de polymérisation (ARGET-ATRP), pour préparer des brosses thermo-sensibles de poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM). Les deux méthodes ont été appliquées pour différentes densités surfaciques et temps de polymérisation, et les cinétiques de croissance de la brosse à l'aide des deux protocoles ont été étudiés. Une croissance de chaîne bien contrôlée a été observée avec le protocole ARGET-ATRP, mais pas avec la méthode ATRP. Le protocole testé ci-dessus a été utilisé pour fabriquer des brosses de PNIPAM qui ont été patternées par l'intermédiaire d'une stratégie d'ablation aux UV profonds, afin de concevoir des substrats permettant de contrôler spatialement l'adsorption de protéines. Ces substrats ont montré d'excellentes propriétés adhésives, sont réutilisables et peuvent se stocker sur de longues périodes.Les changements conformationnels de brosses PNIPAM ont été sondés grâce à un dispositif original mis en place sur la base d'un microscope en réflexion à contraste d'interférences (RICM). La technique RICM a permis d'estimer la réponse optique des brosses en fonction de leur profil de hauteur, ce qui en fait un outil intéressant pour leur caractérisation. La réponse de la brosse a été étudiée en fonction de sa densité de greffage et de la longueur de chaîne. Les résultats ont fourni une preuve unique de l'existence d'un phénomène de séparation de phase verticale, donnant lieu à des changements structurels non-uniformes dans les brosses lors du passage de la température inférieure de solubilité du PNIPAM dans l'eau. Le RICM a été utilisé pour réaliser la tâche complexe d'estimer les paramètres moléculaires de la brosse et la compréhension de l'origine physique du phénomène d'hystérésis thermique dans une brosse de polymère.De nouveaux polymères stimuli-sensibles ont été synthétisés dans le but d'obtenir des systèmes d'intérêt pour les études biologiques en conditions physiologiques. Nous avons conçus différents co-polymères photo-thermo-sensibles à base d'acrylamides et d'acrylates. Les changements de conformation des polymères conçus ont été étudiés en détail en faisant varier la composition globale des monomères dans le système. Nous avons identifié une composition de ter-polymères dont les solutions aqueuses ont montré une séparation de phase à 37°C qui peut être réversible sous irradiation lumineuse, ce qui la rend compatible pour les études d'adhésion cellulaire. / The aim of the current Ph.D thesis was to design stimuli responsive polymer brushes in order to dynamic control cell-substrate adhesive interactions.For this purpose, Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) and Activators Regenerated by electron Transfer (ARGET)-ATRP were used in order to prepare thermo responsive Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) brushes. Both the methods were applied under varying surface densities and polymerization times, and the kinetics of the brush growth using both the protocols was investigated. A well controlled chain growth was reported under ARGET-ATRP protocol, in contrast to the ATRP method. The above tested protocol was used to grow PNIPAM brushes that were patterned via deep UV photoablation strategy to design thermoresponsive patterned substrates for protein adsorption studies.The substrates showed excellent adhesive properties and reusability with long term storage capacity.The conformational changes of PNIPAM brushes, grown via the ARGET-ATRP protocol, were investigated using an original set-up based on Reflection Interference Contrast Microscopy (RICM). RICM allowed us to probe the optical response of the brushes as a function of their density profile, making it an interesting tool for brush characterization. The response of the brush was studied as a function of brush grafting density and chain length. The results provided a unique evidence for non-uniform structural changes within the brush thickness when the solvent temperature was varied across the Lower Critical Solution Temperature (LCST) of the polymer. RICM was employed to achieve the challenging task of estimating the molecular parameters of the brush and understanding the physical origin of the phenomenon of thermal hysteresis in a polymer brush.Stimuli Responsive Polymers, sensitive to non-invasive stimuli, were synthesized with an aim to address dynamic single cell adhesion studies at their physiological conditions. Free Radical Polymerization and ARGET-ATRP protocol were used to design two photo-thermo-responsive poly(DMA-AZAA) and poly(DMA-NIPAM-AZAAm) polymers. The conformational changes of the designed polymers were investigated at length by varying the overall composition of monomers in the system. The solutions of the DMA-NIPAM-AZAAm terpolymer showed a sharp phase separation at 37°C that could be reversibly switched under light irradiation, making it compatible for cell adhesion studies.

Ce travail de thèse s'inscrit dans un domaine de recherche actuellement en pleine expansion, celui des nanomatériaux stimulables. Il vise à concevoir de nouveaux matériaux biocompatibles et biodégradables par modification chimique contrôlée de polysaccharides pour le traitement de patients diabétiques. Le diabète est un problème de santé publique majeur qui affecte environ 250 millions de personnes dans le monde actuellement contre 30 millions il y a 20 ans. Cette maladie se traduit par un taux de glucose anormalement élevé dans le sang dû à un manque d'insuline. Cette protéine est habituellement injectée de manière sous-cutanée, 2 à 4 fois par jour. Les hydrogels/nanogels visés dans ce travail doivent donc être capables de libérer l'insuline en fonction du taux de glucose dans le sang. Ce projet comporte plusieurs volets : (i) la synthèse contrôlée de polysaccharides porteurs de groupements permettant la réticulation des polymères ainsi que des molécules sensibles au glucose , (ii) la synthèse et la caractérisation d'hydrogels et nanogels (en utilisant des liposomes comme nanoréacteurs). / This PhD thesis belongs to the area of stimuli-responsive materials, which have attracted a growing interest since several years. Its aim is to design biocompatible and biodegradable stimuli-responsive nanogels obtained from chemically modified polysaccharides to treat diabetic patients. These systems may be used to release insulin in a self-regulated manner. This common disorder of blood glucose regulation due to a lack of insulin is a major public health problem affecting about 250 millions of people in the world today, as compared to 30 millions twenty years ago. Patients diagnosed with insulin-dependent diabetes must take insulin by injecting themselves with a needle at least twice a day. The nanogels targeted in this work are thus expected to release insulin as a function of blood glucose concentration.This project will thus consist in the controlled synthesis of polysaccharides bearing cross-linkable groups and a sugar sensor. These biopolymers will be then used to prepare hydrogels and nanogels (using liposomes as nanoreactors).

L’originalité de ce projet consiste au développement et à l’étude de nouvelles structures hybrides à base de nanocelluloses et de polymères stimulables. En particulier, c’est le design d’hydrogels aux propriétés thermosensibles qui est visé. Les nanocelluloses - nanoparticules issues de la cellulose - sont de deux types : les nanocristaux de cellulose (CNCs) et les nanofibrilles de cellulose (CNFs) et possèdent des propriétés bien particulières. Cette étude s’est concentrée sur l’élaboration d’hydrogels de CNCs. Plusieurs polymères thermosensibles ont été utilisés pour leur biocompatibilité et leur température de solution critique (LCST) aux abords de la température du corps humain. Ce travail a consisté en (i) la préparation des systèmes sur les principes de la chimie verte, (ii) l’étude rhéologique de ces gels thermosensibles et (iii) l’élaboration d’applications à forte valeur ajoutée pour ces biomatériaux uniques. A travers l’utilisation de grands équipements (SANS, SAXS), les interactions physico-chimiques CNCs/polymères ont été étudiées. L’utilisation de block copolymères a permis l’obtention de suspension de CNCs aux propriétés rhéologiques spécifiques : de liquide a température ambiante à gel viscoélastique à température du corps. D’un point vue applicatif, les hydrogels ainsi réalisés ont permis le déploiement de systèmes injectables pour le biomédical ainsi que des surfaces thermosensibles.Mots clés : nanocristaux de cellulose, hydrogel, thermosensible, stimulable / This project consists to develop and study new hybrid structures based on nanocelluloses and stimuli-responsive polymers, in particular, thermo-responsive polymers. Nanocelluloses - nanoparticles extracted from cellulose - exist in two forms: cellulose nanocrystals (CNCs) and cellulose nanofibrils (CNFs). This study focused on the design of CNCs hydrogels with stimuli-responsive polymers. Several thermo-responsive polymers have been used for their biocompatibility and lower critical solution temperature (LCST) close to body temperature. This work consisted of (i) preparation of systems using the principles of green chemistry, (ii) the rheological study of these thermo-sensitive hydrogels, and (iii) the development of smart applications for these unique biomaterials. Through the use of state of the art technologies (SANS, SAXS), physicochemical interactions between the polymers and CNCs have been studied. The use of block copolymers made it possible to create CNCs-based hydrogels with specific rheological properties: liquid at ambient temperature to viscoelastic gel at body temperature. These hydrogels can be used in the creation of injectable systems for biomedical applications, as well as thermosensitive surfaces.Key-words: Cellulose nanocrystals, hydrogel, thermo-responsive, stimuli-responsive

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22471号 / 工博第4732号 / 新制||工||1739(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 秋吉 一成, 教授 大内 誠, 准教授 松岡 秀樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.