L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters. / The last decades have witnessed the remarkable growth of biomaterial science and engineering field, especially for cardiovascular applications, for which devices have evolved from simple material to complex structures. This development has stemmed from the necessity for biomaterials to exhibit different properties, related to their function, which are not always inherently compatible. Historically, the first materials selected for medical devices conception were the ones exhibiting the best compromise between all the physicochemical, mechanical and biological requirements. Nevertheless, while physicochemical and mechanical properties are often handily combined, the development of materials which also possess suitable biological properties have proved to be much more challenging, leading to clinical complications. Surface modification represents a valid solution to improve the biological performances of medical devices while maintaining the bulk properties of the material. Biomaterial coatings may modulate the biological response at the biomaterial-host interface and decreases the undesirable effects. Coatings have been optimized in regards to two main aspects: the biological response and the mechanical response. For the biological response, the two main approaches consist in 1) inducing cell adhesion, proliferation or migration with pro-active coatings and 2) using inert material, mostly, and avoiding the adhesion of any biological components with passive coatings. In certain cases, it is interesting to be able to favor particular cells and to limit others, for example to avoid restenosis, which is mostly due to the uncontrolled proliferation of smooth muscle cells leading to the re-obstruction of the artery, after stent implantation. So, researchers’ aim are stent coatings capable of limiting this cell proliferation along with facilitating the re-endothelialization, which means allowing the adhesion and the proliferation of endothelial cells. In other cases, it is interesting to obtain surfaces limiting any cell adhesion, as for catheter use. Depending on their function, catheters should be able to avoid cell adhesion, in particular bacteria adhesion that leads to infections, and to be hemocompatible, particularly in the vascular field. Previous studies showed that a copolymer made of dextran and poly(butyl methacrylate) (PBMA) demonstrated such biological properties and a good resistance to deformation, which is an important parameter related to the deformation implied in a stent implantation. In this project, the approach was to use this copolymer as a stent coating and to increase its adhesion to surface by providing covalent bonds with the surface. To do so, the dextran part of the copolymer firstly needed to be activated in order to be grafted to the surface. Thus, it was important to ascertain the influence of the multiple modifications on the biological and mechanical properties of the resulting materials at each step, but also towards a chemical point of view, the influence that these modifications may have on the subsequent copolymerization. Firstly, only dextran has been considered and was modified by oxidation and carboxymethylation reactions and grafted to fluorocarbon surfaces. Physicochemical analyses were used to validate a way of dextran modification which allowed the grafting without hindering the subsequent copolymerization. The modification by carboxymethylation led to a better surface coverage and kept the polysaccharide’s structure. Then, the grafting of carboxymethyl dextran (CMD) was optimized according to different degrees of modification, also considering the influence these modifications could have on biological properties. Finally, the previous studied CMD, with defined biological properties, were copolymerized with butyl methacrylate monomers (BMA). The resulting copolymers were then characterized by physicochemical, biological and mechanical analyses. Preliminary results showed that copolymers films were anti-adhesive to cells, which allowed to find new applications to the project. Elastic and anti-adhesive properties of the CMD-co-PBMA copolymers films, make them particularly interesting for catheter coatings application.

Ce mémoire présente les travaux effectués pour la mesure rapide des éléments des terres rares (ETR), comprenant Sc et Y, dans des matériaux géologiques. La digestion acide sur plaque chauffante, la digestion micro-onde et la digestion par fusion boratée ont été étudiées en tant que méthodes de digestion possibles pour les minéraux porteurs d’ETR. Une nouvelle procédure de digestion a été développée en utilisant un appareil de fusion. La température élevée de la digestion (1050 °C) et l'utilisation de LiBO2 comme fondant se sont montrées efficaces pour la digestion de chaque ETR. L'analyse par activation neutronique (NAA), la spectroscopie d’émission atomique par plasma micro-onde (MP-AES), la spectroscopie d’émission optique couplée à un plasma induit (ICP-OES) et la spectrométrie de masse en tandem couplée à un plasma induit (ICP-MS/MS) ont été explorées à titre des techniques d'analyse possibles pour la mesure des ETR dans divers échantillons de minerais. L'étude comparative a montré que les résultats obtenus par ICP-MS/MS sont en accord avec les résultats de matériaux de références certifiés, alors que les autres techniques d'analyse révèlent plusieurs interférences spectrales pour certains ETR. En outre, la spectrométrie de masse en tandem permet de nouvelles configurations de filtrage de masse, ce qui réduit les interférences polyatomiques lors de la détermination du Sc dans des matrices minérales. La conversion des ions Sc+ en ions ScO+ a fourni des conditions analytiques sans interférence et des limites de détections suffisamment basses, en bas de 3 ng/L, pour quantifier avec précision le Sc. La précision de la méthode proposée a été évaluée par l'analyse de cinq matériaux de référence certifiés différents (BX-N, 2-OKA, NIM-L, SY-3 et GH). / In this work, an innovative analytical protocol is introduced for rapid measurement of rare-earth elements (REE), including Sc and Y, in geological materials. Open-vessel acid digestion, microwave digestion and alkali digestion were investigated as possible digestion methods for minerals bearing REE. A new digestion procedure was developed using a fusion apparatus. The high digestion temperature (1050 ºC) and the use of LiBO2 as a flux were found to be effective for the digestion of every REE. Instrumental neutron activation analysis (NAA), microwave induced plasma atomic emission spectroscopy (MP-AES), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) were explored as possible analytical techniques for the measurement of REE in various mineral samples. The comparative study showed that the results obtained by ICP-MS are in good agreement with the certified reference materials (CRM) data, whereas the other analytical techniques reveal several spectral interferences for some REE. Furthermore, the tandem quadrupole instrument enables new mass filtering configurations, which can reduce polyatomic interferences during the determination of Sc in mineral matrices. Conversion of Sc+ ions into ScO+ ions provided interference-free conditions and sufficiently low limits of detection, down to 3 ng/L, to accurately quantify Sc. The accuracy of the proposed methodology was assessed by analyzing five different CRM (BX-N, OKA-2, NIM-L, SY-3 and GH).

La conception des ouvrages miniers souterrains repose sur une caractérisation géotechnique du massif rocheux. Lors des essais en laboratoire sur le roc intact, les données géotechniques sont amassées suivant les recommandations prescrites par la Société internationale de mécanique des roches (SIMR) (Brown, 1981). Bien que les essais en laboratoire sur le roc intact soient effectués selon les recommandations de la SIMR, ils ne sont pas réalisés d’une manière optimale quant au nombre de spécimens testés, à la localisation des essais, à la temporalité des essais, aux critères de rejet de certains spécimens testés et à l’utilisation des résultats dans la définition du critère de Hoek-Brown. Avec le coût élevé des essais en laboratoire, il est primordial d’optimiser les campagnes d’essais en laboratoire et de s’assurer d’utiliser et de maximiser l’information provenant des résultats tout en s’assurant de leur représentativité. À l’aide de deux études de cas réalisées sur des sites miniers québécois, ce mémoire a pour objectif global d’effectuer la caractérisation statistique de paramètres géomécaniques dans le but d’optimiser les campagnes d’essais et de de maximiser l’information obtenue par l’entremise d’essais en laboratoire sur le roc intact. Les analyses statistiques permettront de mieux quantifier la connaissance des propriétés du roc intact dans le cadre d’un projet minier. Elles permettront également d’optimiser le nombre d’essais à réaliser tout en s’assurant de la représentativité des résultats. Finalement, elles permettront d’identifier plus efficacement de nouvelles cibles de caractérisation.

Depuis trente ans, des efforts ont été menés dans le domaine de l'ingénierie des matériaux afin de concevoir des appareils médicaux pouvant être en contact avec les tissus humains. Néanmoins l'interaction entre la surface du matériau et l'environnement physiologique entraine la plupart du temps des complications. Le laboratoire d'ingénierie des surfaces est spécialisé dans l'élaboration de surfaces biomimétiques capables d'interagir de manière proactive avec leur environnement. Pour des applications cardiovasculaires, une des stratégies consiste à utiliser des protéines de la matrice extracellulaire, comme la fibronectine, connue pour la promotion de l'adhésion des cellules endothéliales. Dans ce contexte, parce que la bioactivité de la fibronectine est fortement liée à sa conformation, l'objectif est de comparer différentes stratégies d'immobilisation en caractérisant la quantité de fibronectine immobilisée ainsi que son activité biologique. Les précédentes études menées au laboratoire ont souligné le fait que la fibronectine immobilisée par les cystéines présente une meilleur bioactivité que lorsque celle-ci est immobilisée par les groupements lysines qu'elle contient. L'actuel projet porte sur l'étude de l'influence de l'utilisation d'un bras d'ancrage hydrophile ou hydrophobe entre la protéine et la surface sur la bioactivité de la protéine. Les résultats ont d'une part montré l'efficacité des bras d'ancrage dans l'immobilisation de la fibronectine et d'autre part les limites de leur utilisation pour une étude comparative portant sur la quantification et la bioactivité de la protéine.

Le forgeage de préformes fabriquées par métallurgie des poudres nous permet d’atteindre une densification voisine de la densité théorique ce qui a comme incidence directe une amélioration substantielle des propriétés mécaniques finales des pièces, notamment la résistance en fatigue. La démarche préconisée pour améliorer cette performance critique de pièces forgées par métallurgie des poudres consiste à optimiser leurs caractéristiques métallurgiques et leur densité concomitante. À ce propos, une nouvelle formulation d’acier MP a été développée et caractérisée. La stratégie de développement portait sur l’utilisation d’éléments de microalliage préalliés, comme le vanadium et le niobium. Pour ce faire, on a optimisé le paramètre de mise en œuvre primordial, qui est la température de forgeage, afin d’obtenir une fine taille de grains à la fin du cycle du traitement réalisé accompagnée d’une densité élevée des pièces forgées. Une série de traitements d’austénisation sur une gamme étendue de température variant entre 900 °C à 1250 °C a été effectuée ce qui nous a permis par la suite de connaître, pour chaque mélange, l’évolution de la taille des grains en fonction de la température d’austénisation. La nouvelle formulation de composition chimique a démontré un impact marqué quant au contrôle de la taille de grains en fonction de la température d’austénitisation. Une étude comparative nous a permis d’identifier la température de forgeage la plus appropriée pour ce type de pièces et de dégager la méthodologie à suivre en fonction des propriétés mécaniques et microstructurales. / Powder forging allows us to achieve a very high densification neighbouring that of full density causing a substantial improvement in final mechanical properties of the parts, particularly the fatigue strength. The approach advocated to improve this critical performance of powder forging parts is to optimize metallurgical characteristics and density simultaneously. In this regard, a novel PM steel powder was developed and characterized. The strategy relied on the utilization of prealloyed microalloying elements such as vanadium and niobium. To do this, we have optimized the primordial parameter of this operation, which is the forging temperature, to obtain a fine grain size at the end of the processing cycle carried out accompanied by a higher density of forged parts. A series of heat treatment over a range of temperature between 900 °C to 1250 °C was performed which allowed us later measure the evolution of grain size between this new alloy and a reference PM steel as a function of the austenitizing temperature. The difference in chemical composition between the two alloys had a fairly significant impact on their final grain size. The comparative study of these two materials allowed us to identify the most appropriate forging temperature for this type of pieces, to determine the most efficient alloy and therefore to identify the methodology to follow according to the mechanical properties and microstructure.

Il est de plus en plus évident que la matrice extracellulaire (MEC), au-delà de sa fonction d’échafaudage cellulaire, génère des signaux de nature biochimique et biophysique jouant un rôle primordial au cours du processus de différenciation des cellules souches. A l’heure actuelle, plus de 15 différents facteurs extrinsèques (environnementaux), incluant l’organisation spatiale de la MEC, sa topographie, rigidité, porosité, biodégradabilité et chimie ont été identifiés comme modulateurs potentiels de la différenciation des cellules souches en lignées cellulaires spécialisées. Ainsi, il est plausible que l’intégration d’un biomatériau au sein de l’organisme dépendra largement de sa capacité à mimer les propriétés de la MEC du tissu à remplacer. Récemment, les techniques de micro-ingénierie ont émergé comme outil innovant pour découpler les différentes propriétés de la MEC et étudier l’impact individuel ou combiné de ces facteurs sur le comportement des cellules souches. De plus, ces techniques de microfabrication ont un intérêt particulier dans une perspective de reconstruction de la MEC dans tous ses aspects, in vitro. Dans ce projet de thèse, le concept de déconstruction/reconstruction de la complexité de la MEC a été appliqué pour récapituler, in vitro, plusieurs aspects inhérents à la MEC osseuse et explorer leurs effets individuels ou combinés sur la différenciation ostéoblastique des cellules souches mésenchymateuses (CSMs) humaines. Trois principales composantes ont été utilisées tout au long du projet : un matériau modèle (verre borosilicate), des séquences peptidiques mimétiques dérivées de la MEC naturelle, favorisant à la fois l’adhérence cellulaire (peptide RGD) et la différenciation ostéoblastique (peptide BMP-2) des CSMs prélevées de la moelle osseuse des patients. La première étude du projet consiste à greffer, d’une manière aléatoire, les peptides RGD et/ou BMP-2 sur la surface du matériau. Brièvement, nous avons développé trois types de matériaux bioactifs : matériaux fonctionnalisés avec le peptide RGD, matériaux fonctionnalisés avec le peptide BMP-2 et matériaux bi-fonctionnalisés avec les peptides RGD/BMP-2. La caractérisation physicochimique de ces matériaux a été réalisée en utilisant la spectrométrie photoélectrique à rayons X (XPS) pour évaluer la composition chimique de la surface, la microscopie à force atomique (AFM) pour évaluer la topographie de la surface et la microscopie à fluorescence pour confirmer la présence des peptides sur la surface et évaluer leur densité. L’objectif de cette étude est d’évaluer le potentiel individuel et synergétique de ces peptides à induire et contrôler la différentiation ostéoblastique des CSMs. Dans un premier temps, la caractérisation physicochimique nous a permis de confirmer l’immobilisation covalente des peptides sur la surface et de mesurer leur densité. En effet, la densité des peptides, mesurée sur les surfaces greffées uniquement avec le peptide RGD ou BMP-2, était de 1.8 ± 0.2 pmol/mm² et 2.2 ± 0.3 pmol/mm², respectivement. Cependant, sur les surfaces bifonctionnalisées, la densité de chaque peptide a diminué de presque la moitié, atteignant 0.7 ± 0.1 pmol/mm² pour le peptide RGD et 1 ± 0.1 pmol/mm² pour le peptide BMP-2. Ensuite, l’évaluation biologique des différents matériaux fonctionnalisés a clairement révélé que contrairement au peptide RGD, le peptide BMP-2 induit la différenciation ostéoblastique des CSMs. Cependant, le greffage simultané des peptides RGD/BMP-2 améliore significativement la différenciation des CSMs en ostéoblastes et cela malgré la diminution significative de la densité de chaque peptide sur les surfaces bi-fonctionnalisées, comparativement aux surfaces contenant qu’un seul peptide. Ces résultats montrent que les peptides RGD et BMP-2 peuvent engendrer un effet synergétique pour améliorer la différenciation ostéoblastique des CSMs. Le second chapitre de thèse vise à déterminer si la microstructuration de la surface des matériaux avec des ligands bioactifs améliore la différenciation ostéoblastique des CSMs. En effet, les peptides RGD et BMP-2 ont été greffés séparément sur la surface du matériau sous forme de micro-motifs de différentes formes mais de taille similaire. En se basant sur des précédents travaux de littérature – discutés dans le chapitre II – nous avons sélectionné trois différentes formes de motifs peptidiques (triangle, carré et rectangle) dont la surface est de 50 μm². Ces micromotifs ont été créées grâce à une technique assez répondue et facile à utiliser qui est la photolithographie. Les surfaces microstructurées ont été caractérisées avec l’interférométrie optique et la microscopie à fluorescence. Les résultats montrent que les micromotifs peptidiques ont à la fois la forme et les dimensions prédéfinies. In vitro, les résultats de différenciation cellulaire ont révélé que la distribution spatiale des ligands à l’échelle micrométrique joue un rôle très important dans l’engagement et la différenciation des CSMs en ostéoblastes. En effet, contrairement aux micromotifs peptidiques en forme de rectangles, les micromotifs triangulaires et carrés améliorent significativement l’expression des marqueurs ostéogéniques (Runx-2 et Ostéopontine) comparativement à la distribution aléatoire des peptides. Il est important de noter que ce profile d’expression des marqueurs biologiques a été observé que sur les matériaux fonctionnalisés avec le peptide BMP-2, tant dis que les matériaux fonctionnalisés avec le peptide RGD n’ont induit aucun effet spécifique sur la différenciation des CSMs et cela peu importe la forme des micromotifs peptidiques. En conclusion, cette étude a permis d’identifier un nouveau facteur extracellulaire capable de contrôler la différenciation des CSMs. De plus, nous avons démontré que la distribution spatiale des ligands à l’échelle micrométrique affecte le devenir des CSMs, dépendamment de la nature du principe actif. Finalement, la troisième étude de ce projet de thèse est une suite logique de l’étude 1 et 2, puisqu’elle consiste à greffer simultanément les peptides RGD et BMP-2 sous forme de micromotifs. En effet, ces surfaces ont été développées afin de bénéficier à la fois de l’effet synergétique des peptides RGD/BMP-2, observé dans l’étude 1 (facteur 1), et de l’effet de la distribution spatiale contrôlée des ligands, observé dans l’étude 2 (facteur 2). Les différents types de matériaux ont été caractérisés avec les mêmes techniques de caractérisation de surface mentionnées dans l’étude 2. Les résultats montrent clairement que les surfaces microstructurées sont très bien définies et correspondent à un damier de micromotifs RGD, intercalé par un damier de micromotifs BMP-2. L’évaluation de la différenciation des CSMs sur ces matériaux a révélé que la combinaison des facteurs 1 et 2 améliore significativement la différenciation des CSMs vers le lignage ostéoblastique, comparativement à l’exposition des CSMs à un seul facteur extracellulaire (1 ou 2). De plus, cette étude confirme les résultats obtenus dans l’étude 2, puisque les micromotifs triangulaires et carrés ont permis une meilleure différenciation cellulaire, comparativement aux micromotifs rectangulaires. Il est important de noter également que l’évaluation biologique des différentes surfaces biomimétiques a été réalisée dans un milieu de culture basal qui ne contient pas de facteurs ostéogéniques solubles, afin d’étudier d’une manière assez précise et fiable les interactions des CSMs avec les différents microenvironnements in vitro développés dans ce projet. En conclusion générale, les travaux effectués jusqu’à présent ont permis d’identifier deux aspects de la MEC qui influencent considérablement la différenciation ostéoblastique des CSMs. De plus, nous avons démontré que ces deux facteurs peuvent coopérer pour induire une meilleure différenciation cellulaire. Cela révèle clairement l’intérêt des techniques de micro-ingénierie pour une meilleure et plus profonde compréhension des mécanismes d’interactions des cellules souches avec leurs niches, ce qui permettra éventuellement de concevoir des produits d’ingénierie tissulaire sur-mesure. Mots clés : Microstructuration de la surface des matériaux, matrice extracellulaire biomimétique, peptides mimétiques, BMP-2, cellules souches, ostéogenèse. / It is becoming increasingly appreciated that the role of extracellular matrix (ECM) extends beyond acting as scaffolds to providing biochemical and biophysical cues, which are critically important in regulating stem cell self-renewal and differentiation. To date, more than 15 different extrinsic (environmental) factors, including the matrix spatial organization, topography, stiffness, porosity, biodegradability and chemistry have been identified as potent regulators of stem cells specification into lineage-specific progenies. Thus, it is plausible that the behavior of biomaterials inside the human body will depend to a large extent on their ability to mimic ECM properties of the tissue to be replaced. Recently, nano- and microengineering methods have emerged as an innovative tool to dissect the individual role of ECM features and understand how each element regulates stem cell fate. In addition, such tools are believed to be useful in reconstructing complex tissue-like structures resembling the native ECM to better predict and control cellular functions. In the thesis project presented here, the concept of deconstructing and reconstructing the ECM complexity was applied to reproduce several aspects inherent to the bone ECM and harness their individual or combinatorial effect on directing human mesenchymal stem cells (hMSCs) differentiation towards the osteoblastic lineage. Three main components were used throughout this project: a model material (borosilicate glass), ECM derived peptides (adhesive RGD and osteoinductive BMP-2 mimetic peptides) and bone marrow derived hMSCs. All cell differentiation experiments were performed in the absence of soluble osteogenic factors in the medium in order to precisely assess the interplay between hMSCs and the different artificial matrices developed in the current study. First, RGD and/or BMP-2 peptides were covalently immobilized and randomly distributed on glass surfaces. The objective here was to investigate the effect of each peptide as well as their combination on regulating hMSCs osteogenic differentiation. The most important funding was that RGD and BMP-2 peptides can act synergistically to enhance hMSCs osteogenesis. Then, micropatterning technique (photolithography) was introduced to control the spatial distribution of RGD and BMP-2 at the micrometer scale. The peptides were grafted individually onto glass substrates, as specific micropatterns of varied shapes (triangular, square and rectangle geometries) but constant size (50 μm² per pattern). In this second part of the project, the focus was made on investigating the role of ligands presentation in a spatially controlled manner in directing hMSCs differentiation into osteoblasts. Herein, we demonstrated that the effect of microscale geometric cues on stem cell differentiation is peptide dependent. Finally, glass surfaces modified with combined and spatially distributed peptides were used as in vitro cell culture models to evaluate the interplay between RGD/BMP-2 crosstalk and microscale geometric cues in regulating stem cell fate. In this study, we revealed that the combination of several ECM cues (ligand crosstalk and geometric cues), instead of the action of individual cues further enhances hMSCs osteogenesis. Overall, our findings provide new insights into the role of single ECM features as well their cooperation in regulating hMSCs fate. Such studies would allow the reconstruction of stem cell microenvironment in all the aspects ex vivo, which may pave the way towards the development of clinically relevant tissue-engineered constructs. Keywords: Chemical micropatterning, bioactive surfaces, mimetic peptides, BMP-2, mesenchymal stem cells, stem-cell differentiation, stem-cell niche, osteogenesis.

Depuis ces dernières décennies, le domaine des biomatériaux a connu un essor considérable, évoluant de simples prothèses aux dispositifs les plus complexes pouvant détenir une bioactivité spécifique. Outre, le progrès en science des matériaux et une meilleure compréhension des systèmes biologiques a offert la possibilité de créer des matériaux synthétiques pouvant moduler et stimuler une réponse biologique déterminée, tout en améliorant considérablement la performance clinique des biomatériaux. En ce qui concerne les dispositifs cardiovasculaires, divers recouvrements ont été développés et étudiés dans le but de modifier les propriétés de surface et d’améliorer l’efficacité clinique des tuteurs. En effet, lorsqu’un dispositif médical est implanté dans le corps humain, son succès clinique est fortement influencé par les premières interactions que sa surface établit avec les tissus et les fluides biologiques environnants. Le recouvrement à la surface de biomatériaux par diverses molécules ayant des propriétés complémentaires constitue une approche intéressante pour atteindre différentes cibles biologiques et orienter la réponse de l’hôte. De ce fait, l'élucidation de l'interaction entre les différentes molécules composant les recouvrements est pertinente pour prédire la conservation de leurs propriétés biologiques spécifiques. Dans ce travail, des recouvrements pour des applications cardiovasculaires ont été créés, composés de deux molécules ayant des propriétés biologiques complémentaires : la fibronectine (FN) afin de promouvoir l’endothélialisation et la phosphorylcholine (PRC) pour favoriser l’hémocompatibilité. Des techniques d’adsorption et de greffage ont été appliquées pour créer différents recouvrements de ces deux biomolécules sur un polymère fluorocarboné déposé par traitement plasma sur un substrat en acier inoxydable. Dans un premier temps, des films de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ont été utilisés en tant que surface modèle afin d'explorer l'interaction de la PRC et de la FN avec les surfaces fluorocarbonées ainsi qu’avec des cellules endothéliales et du sang. La stabilité des recouvrements de FN sur l'acier inoxydable a été étudiée par déformation, mais également par des essais statiques et dynamiques sous-flux. Les recouvrements ont été caractérisés par Spectroscopie Photoéléctronique par Rayons X, immunomarquage, angle de contact, Microscopie Électronique de Balayage, Microscopie de Force Atomique et Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire à Temps de Vol (imagerie et profilage en profondeur). Des tests d’hémocompatibilité ont été effectués et l'interaction des cellules endothéliales avec les recouvrements a également été évaluée. La FN greffée a présenté des recouvrements plus denses et homogènes alors que la PRC quant à elle, a montré une meilleure homogénéité lorsqu’elle était adsorbée. La caractérisation de la surface des échantillons contenant FN/PRC a été corrélée aux propriétés biologiques et les recouvrements pour lesquels la FN a été greffée suivie de l'adsorption de la PRC ont présenté les meilleurs résultats pour des applications cardiovasculaires : la promotion de l'endothélialisation et des propriétés d’hémocompatibilité. Concernant les tests de stabilité, les recouvrements de FN greffée ont présenté une plus grande stabilité et densité que dans le cas de l’adsorption. En effet, la pertinence de présenter des investigations des essais sous-flux versus des essais statiques ainsi que la comparaison des différentes stratégies pour créer des recouvrements a été mis en évidence. D'autres expériences sont nécessaires pour étudier la stabilité des recouvrements de PRC et de mieux prédire son interaction avec des tissus in vivo. / Over the past years, we have perceived the remarkable growth of the field of biomaterials, evolving from simple prosthetics to complex materials with specific bioactivities. Advances in materials science jointed with an improved understanding of biological systems have carried the ability to create synthetic materials, which would modulate and/or stimulate specific biological responses. In this way, it has been possible to greatly improving the performance of biomaterials. Indeed, when a dispositive is implanted in the human body, the clinical success of the biomaterial is influenced by the first interactions its surface establishes with the surrounding biological tissues and fluids. Regarding cardiovascular devices, various coatings have been investigated to modify the surface properties of stents and to improve their clinical efficacy. In this context, coating biomaterials with several molecules having complementary properties is an interesting approach to accomplish different biological targets. However, the elucidation of the interaction between those molecules will be relevant to predict the preservation of their specific properties on the biomaterial surface. In this work, coatings for cardiovascular applications were created containing two molecules with complementary properties: fibronectin (FN) to promote endothelialization and phosphorylcholine (PRC) for hemocompatibility. Adsorption and grafting techniques were used to achieve different coatings containing both molecules on stainless steel substrate previously coated with a fluorocarbon polymer deposited by plasma treatment. Polytetrafluoroethylene films were first used as model surfaces to explore the interaction of FN and PRC with fluorocarbon surfaces as well as with cells and blood. The stability of FN coatings on fluorocarbon/stainless steel substrates was accomplished through plastic deformation, static and under-flow dynamic tests. Coatings were characterized through X-Ray Photoelectron Spectroscopy, immunostaining, water contact angle, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (imaging and depth profiling analyses). The interaction of coatings with endothelial cells and blood was also assessed. Regarding FN coatings, those where the protein was grafted, presented denser and more homogeneous coatings. In the case of while PRC coatings, those adsorbed resulted in higher homogeneity than those where PRC was chemical activated during the grating process. Surface characterization of FN/PRC was correlated to the biological properties. Coatings where FN was first grafted followed by the adsorption of PRC exhibited the best results for cardiovascular applications: promotion of endothelialization and hemocompatibility properties. Concerning the stability tests, FN grafted exhibited higher stability than FN adsorbed. Indeed, the relevance of investigating under dynamic conditions (under-flow tests) versus static tests as wells as the comparison of different strategies to create coatings were evidenced. Further experiments are required to study the stability of PRC coatings and to enhance the mimicking of the biological environment in order to predict the interaction of the coatings with living tissues in vivo. / En los últimos años hemos sido testigos de un notable crecimiento en el ramo de biomateriales; hemos sido partícipes de la evolución de simples prótesis a materiales complejos con bioactividad específica. Los avances en ciencias de materiales, así como en la comprensión del funcionamiento de sistemas biológicos, han traído consigo la posibilidad de crear materiales sintéticos capaces de modular/estimular respuestas específicas del organismo vivo, con lo cual ha sido posible mejorar significativamente el desempeño clínico de distintos biomateriales. En lo que respecta a dispositivos cardiovasculares, diversos revestimientos han sido investigados para modificar las propiedades de la superficie de stents con el fin de mejorar su eficacia clínica. Efectivamente, cuando un dispositivo médico es implantado en un organismo vivo, su éxito clínico se verá fuertemente influenciado por las primeras interacciones que su superficie establecerá con los tejidos y fluidos biológicos de sus alrededores. La concepción de revestimientos de biomateriales con distintas moléculas con propiedades complementarias ha sido un enfoque interesante en los últimos años para alcanzar diferentes objetivos biológicos. La elucidación de la interacción de las diferentes moléculas entre sí, y con el substrato, tiene alta relevancia en lo que respecta a la predicción de la preservación de propiedades biológicas específicas a cada molécula en cuestión. En este trabajo, se han creado revestimientos para aplicaciones cardiovasculares que contienen dos moléculas con propiedades complementarias: fibronectina (FN) para promover la endotelialización y fosforilcolina (PRC) por sus propiedades de hemocompatibilidad. Con el fin de crear los diferentes revestimientos, se aplicaron distintas técnicas de adsorción y de enlaces químicos entre las dos moléculas bioactivas. Dichos revestimientos fueron creados sobre un polímero de fluorocarbono depositado por tratamiento con plasma sobre acero inoxidable. Durante los primeros trabajos, se utilizaron películas de politetrafluoroetileno como superficies modelo con el fin de explorar la interacción de FN y PRC con superficies de fluorocarbono así como con células y sangre. La estabilidad de los revestimientos de FN en substratos de acero inoxidable recubierto del polímero fluorocarbonado fue investigada por medio de pruebas de deformación, así como pruebas en condiciones estáticas y dinámicas (bajo flujo). Los revestimientos fueron caracterizados por medio de análisis en Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X, inmunomarcado, ángulo de contacto, Microscopía Electrónica de Barrido, Microscopía de Fuerza Atómica y Espectrometría de Masa de Ionización Secundaria por Tiempo de Vuelo (éste último en análisis de imágenes y perfiles de profundidad). Igualmente, se realizaron pruebas de hemocompatibilidad, y se evaluó la interacción de los revestimientos con células endoteliales. Los revestimientos en los que la FN fue activada químicamente presentaron mayor densidad y homogeneidad que aquéllos donde la proteína fue simplemente adsorbida; mientras que la PRC adsorbida presentó mayor homogeneidad que aquélla que fue activada químicamente. La caracterización de superficie de los revestimientos de FN/PRC fue correlacionada con sus propiedades biológicas. Los revestimientos en los que la FN fue enlazada para posteriormente adsorber la PRC, mostraron los mejores resultados para aplicaciones cardiovasculares: promoción de la endotelialización y propiedades de hemocompatibilidad. En lo que respecta a las pruebas de estabilidad, la FN activada químicamente exhibió mayor estabilidad y revestimientos más densos incluso después de pruebas dinámicas bajo flujo. En efecto, gracias a estos experimentos, se logró poner de manifiesto la relevancia de la presentación de investigaciones de pruebas bajo flujo versus pruebas estáticas; de igual manera, fue posible poner en evidencia la relevancia de comparar diferentes estrategias en la creación de revestimientos con el fin de propiciar óptimas interacciones entre éstos y el organismo vivo. Como perspectivas y trabajos futuros, será requerido estudiar la estabilidad de los revestimientos de PRC, así como estudios biológicos más avanzados con el fin de predecir mejor la interacción de los revestimientos con tejidos in vivo.

Dans ce projet de recherche, le dépôt des couches minces de carbone amorphe (généralement connu sous le nom de DLC pour Diamond-Like Carbon en anglais) par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition en anglais) a été étudié en utilisant la Spectroscopie d’Émission Optique (OES) et l’analyse partielle par régression des moindres carrés (PLSR). L’objectif de ce mémoire est d’établir un modèle statistique pour prévoir les propriétés des revêtements DLC selon les paramètres du procédé de déposition ou selon les données acquises par OES. Deux séries d’analyse PLSR ont été réalisées. La première examine la corrélation entre les paramètres du procédé et les caractéristiques du plasma pour obtenir une meilleure compréhension du processus de dépôt. La deuxième série montre le potentiel de la technique d’OES comme outil de surveillance du procédé et de prédiction des propriétés de la couche déposée. Les résultats montrent que la prédiction des propriétés des revêtements DLC qui était possible jusqu’à maintenant en se basant sur les paramètres du procédé (la pression, la puissance, et le mode du plasma), serait envisageable désormais grâce aux informations obtenues par OES du plasma (particulièrement les indices qui sont reliées aux concentrations des espèces dans le plasma). En effet, les données obtenues par OES peuvent être utilisées pour surveiller directement le processus de dépôt plutôt que faire une étude complète de l’effet des paramètres du processus, ceux-ci étant strictement reliés au réacteur plasma et étant variables d’un laboratoire à l’autre. La perspective de l’application d’un modèle PLSR intégrant les données de l’OES est aussi démontrée dans cette recherche afin d’élaborer et surveiller un dépôt avec une structure graduelle. / The production of amorphous carbon coatings or as commonly known as diamond like carbon (DLC) coatings, using the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method is studied through optical emission spectroscopy (OES) as a plasma diagnostic technique and the partial least square regression (PLSR) statistical method. The objective is to establish a model to predict DLC properties independent of reactor-related parameters, in order to be used in any other similar deposition process. Therefore the model correlates the deposited coating properties to plasma parameters derived from OES. The OES derived data carries a variety of information about plasma characteristics. The relative spectral line intensities of CH and atomic H to specific Ar lines were employed as a probe of their concentrations according to actinometry method. The full width at half maximum of atomic H was also employed. This method can be used as a probe of gas temperature via Doppler broadening effect. The DLC coatings were characterized using profilometry for thickness and stress measurements and Auger electron spectroscopy (AES) for structural analysis. There were two series of PLSR analysis carried out: The first analysis studies the correlation between process parameters and plasma characteristics, as derived by OES, for a better understanding of the plasma deposition process. The second analysis shows how the OES can be used for prediction of coating properties and for process monitoring. According to the results, the OES data (especially the parameters that are related to the concentration of atomic hydrogen and CH species) are able to represent some parts of process parameters (plasma power, mode and pressure) in a statistical model that is designed for predicting DLC coating properties. In other words, this means that this plasma diagnostic technique can be employed for in-situ monitoring of growing DLC coating properties, instead of using process parameters, which are related to the deposition reactor and may vary from one system to another. The perspective of using the OES data and the PLSR analysis in designing and monitoring a structurally gradient DLC coating is also discussed.

L'usine Niobec traite un minerai de pyrochlore porteur de niobium pour produire le ferro-niobium utilisé pour la fabrication d'acier. L'usine récupère environ 60% des minéraux de niobium. Les rejets contiennent du niobium et d'autres espèces minérales potentiellement valorisables. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à identifier les espèces pouvant être valorisées dans les rejets de Niobec dont les plus prometteurs sont les éléments de terres rares, les minéraux de niobium et l'apatite. Dans le but de concentrer l'apatite des rejets de l'usine, une analyse chimique des rejets a permis de cibler comme flux d'intérêt les particules de dimension supérieure à 0,038mm dans le concentré de carbonates et les rejets du circuit de flottation du pyrochlore. La méthode utilisée pour valoriser les phosphates est la flottation. Les meilleurs résultats ont été obtenus par flottation directe des minéraux de phosphate du concentré de carbonates dans les rejets de Niobec. Le collecteur utilisé est un acide gras de type AERO 6493 avec un mélange d'amidon de tapioca et de NaOH utilisé comme déprimant pour les carbonates. Ces conditions ont permis de produire un concentré d'apatite titrant entre 30 à 32 % P2O5 avec un rendement de 50 à 60% du P2O5 contenue dans le concentré de carbonates. La teneur en MgO dans le concentré d'apatite est comprise entre 3 et 4% comparativement à 15% dans l'alimentation. Puisque le MgO est principalement associé à la dolomie ces résultats confirment une bonne dépression de ce minéral lors de la flottation de l'apatite du concentré de carbonates. La flottation de l'apatite à partir des rejets du pyrochlore n'a pas permis d'obtenir un concentré de valeur commerciale. Le meilleur résultat obtenu lors des essais de flottation sur les rejets pyrochlore correspond à une teneur de 14%avec un rendement de 53% P2O5. Les résultats obtenus montrent toutefois le potentiel associé à la récupération des minéraux de phosphates et justifient la poursuite des travaux, cette fois, moins exploratoires que les travaux rapportés dans ce mémoire.

Le présent mémoire expose les résultats d’une étude de la performance des chantiers ouverts dans un contexte de mines profondes ayant été effectuée dans le cadre du projet de recherche « Mines profondes : défis d’exploitation et impacts sur la récupération minéralurgique » réalisé par le département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux de l’Université Laval. Les données utilisées dans le cadre de cette étude sont en lien avec la planification et l’exploitation de plus de mille chantiers minés entre 860 et 2 450 m de profondeur à la mine souterraine LaRonde de Mines Agnico Eagle, la plus profonde actuellement de l’hémisphère ouest. On y présente une revue de la littérature qui fait la description des problématiques de dilution et de pertes opérationnelles de la réserve minérale liées à la performance des chantiers ouverts ainsi que de leurs conséquences sur les projets miniers. Une comparaison des performances planifiées et réalisées au site de LaRonde y est présentée, ainsi que les résultats d’analyses statistiques ayant permis de montrer que la variation du ratio des contraintes in situ avec la profondeur est un facteur d’influence significatif de la performance des chantiers. L’effet de ce facteur d’influence y est aussi illustré et validé à l’aide d’une série de modèles numériques. Le mémoire présente également une première approche visant à développer un modèle d’évaluation de la dilution dans les chantiers ouverts qui prend en compte la profondeur de minage. Finalement, afin d’améliorer la précision de l’estimation de la réserve minérale lors de l’évaluation de projets miniers, une méthodologie d’estimation intégrant le modèle d’évaluation proposé est présentée pour les projets dont les contextes géologique, géotechnique et opérationnel sont comparables à ceux du site de LaRonde. / This thesis presents the results of a performance study of open stopes in deep mines as part of the “Deep Mines: Operating challenges and impacts on mineralurgical recovery” research project developed by the Laval University Mining Engineering, Metallurgy and Materials Department. The data used in this study are sourced from more than 1,000 open stopes mined between 860 and 2,450 meters from surface at the LaRonde mine, the deepest underground mine in the Western hemisphere. This study contains a literature review that describes the problems related to dilution and ore losses stemming from open stope efficiency and their impacts on mining projects. The study presents a comparison of the planned and actual efficiency at LaRonde as well as a statistical demonstration that the variation of the in situ stress ratio and the depth is a significant factor that influences open stope productivity. The effect of this performance factor is illustrated and validated using a series of numerical models. This thesis also presents a preliminary step to develop an open stope dilution evaluation model taking into account the mining depth. Finally, in order to improve the precision of mineral reserve estimates during mine project evaluation, an estimation methodology integrating the proposed model is presented for projects that have similar geological, geotechnical, and operational parameters as the LaRonde mine.