Les cellules adhérentes, dont les cellules souches, sont très prometteuses pour de nombreuses applications dans le domaine des biotechnologies. Toutefois, leur culture représente un défi puisque les méthodes enzymatiques et mécaniques, couramment utilisées pour l’étape de détachement du support de culture, présentent des inconvénients majeurs. Le but de ce travail de thèse a été de développer un support pour la culture de cellules adhérentes permettant leur détachement par modification de la température. Pour cela, nous avons produit des échantillons thermo-associatifs de xyloglucane, un polysaccharide naturel, par réaction avec une enzyme, la ß-galactosidase. Les échantillons obtenus ont été caractérisés par rhéologie, viscosimètrie, diffusion de la lumière et chromatographie par perméation de gel. Nous nous sommes aussi intéressés à l’évaluation de méthodes de stérilisation efficaces capables de préserver les propriétés du polymère. De plus, afin de rendre ce polymère bioadhésif, nous avons étudié son activation et sa fonctionnalisation par un peptide contenant le motif arginine-glycine-aspartate (RGD). Nous avons montré que des cellules modèles A375 surexprimant le récepteur pour le RGD sont capables d’adhérer et de proliférer à 37°C sur des films formés à partir de xyloglucane modifié par du RGD. Leur détachement est possible à température ambiante. L'utilisation de ce nouveau support pour la culture de cellules souches embryonnaires humaines, la production d’un système pour la libération contrôlée de facteurs de croissance ainsi que la conception de billes de taille micrométrique à base de xyloglucane font partie des perspectives de cette thèse. / Adherent cells, including stem cells, hold great promise for many applications in biotechnology. However, cell detachment from standard culture surfaces remains a challenging task since both commonly used enzymatic and mechanical methods have major drawbacks. The aim of my PhD work was to develop a thermoresponsive culture surface supporting cell attachment and survival while enabling a temperature-assisted cell detachment. In order to achieve this goal, thermoresponsive xyloglucan was initially produced by partial galactose removal after reaction with the β-galactosidase enzyme. Samples were characterized by rheology, viscosimetry, light scattering analysis and size-exclusion chromatography. We were also interested in evaluating sterilization methods and their effect on the properties of the polymer. Additionally, in order to obtain a bioadhesive polymer from partially degalactosylated xyloglucan, we studied its functionalization with a peptide containing the arginine-glycine-aspartate (RGD) groupment motif. We have shown that A375 model cells overexpressing the RGD receptor were able to adhere and proliferate at 37 °C on xyloglucan-derived films grafted with RGD and their detachment at room temperature was also demonstrated. The culture of human embryonic stem cells, as well as the introduction of a controlled release system for growth factors and the development of thermoresponsive beads for cell culture comprise the perspectives of this thesis.

The efforts of the pioneers who designed stimuli-sensitive polymers are compensated by several emerging applications inspired by this new technology. The specificity of these polymers lies in the conformation and / or solvation changes of macromolecular chains under the variation of an external stimulus such as pH, temperature, light, magnetic or electric waves. In this research project, a thin film of stimuli-sensitive polymer that acts as a transducer was deposited on a plasmonic layer to produce a sensor chip designed to detect ferric ions. To do this, microgels composed of a dual stimuli sensitive polymer called poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (PNIPAm-co-AAc) were synthesized with a thermo initiator: ammonium persulfate (APS), a monomer responsible for thermosensitivity: N-isopropylacrylamide (NIPAm), a comonomer responsible for pH sensitivity: AAc and a crosslinking agent: N,N'-methylenebisacrylamide (BIS). First, several studies on the thermo and pH-sensitivity of microgels are carried out. From these studies we obtain the temperature of the volume phase transition (VPTT) of microgels, which is between 25 to 35 °C. The reproducibility of the synthesis is conclusive because the VPTT and the size of the microgels in each synthesis remain approximately the same. Then, the microgels are functionalized with dopamine which has catechol groups known to chelate the ferric ions. Although the VPTT of the functionalized microgels is shifted towards higher temperatures and their degree of freedom to collapse decreases, they remain stimuli sensitive. In a second step, the functionalized microgels are deposited on a gold-coated prism using the Langmuir-Blodgett technique. In order to optimize the surface assembly, the surface pressure and the number of dipping cycles were varied. The deposited microgels are characterized by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Once assembled, surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) is employed to study the sensitivity of the microgels to Fe³⁺. The shift in the surface plasmon resonance wavelength (Δλ[subscript SPR]) in the presence of Fe³⁺ will be highlighted to demonstrate this sensitivity. / Les polymères sensibles aux stimuli diffèrent des polymères conventionnels. La spécificité de ces polymères réside dans le changement de la conformation et/ou de la solvatation des chaînes macromoléculaires sous l'action de la variation d'un stimulus externe comme le pH, la température, la lumière, les ondes magnétiques ou électriques. Dans ce projet un film mince de polymère stimuli-sensible a été déposé sur une couche plasmonique pour fabriquer un capteur qui sert à détecter les ions ferriques. Pour ce faire, des microgels composés de réseaux polymériques du poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) (PNIPAm-co-AAc) ont été synthétisés à partir d'un thermo-initiateur, le persulfate d'ammonium (APS), d'un monomère responsable de la thermosensibilité , le N-isopropylacrylamide (NIPAm), d'un co-monomère d'acide acrylique (AAc) et d'un agent de réticulation, le N,N'-méthylènebisacrylamide (BIS). Dans un premier temps, plusieurs caractérisations seront effectuées en fonction de la variation de la température et du pH pour mettre en évidence la thermo- et pH-sensibilité des microgels. À partir de ces études s'en découle la température de transition de volume de phase (VPTT) des microgels qui se situe entre 25 et 35 °C. La reproductibilité de la synthèse est très satisfaisante car la VPTT et la taille des microgels issus des synthèses répétées restent relativement constantes. Par la suite, les microgels ont été fonctionnalisés avec la dopamine qui comporte des groupements catéchol, connus pour chélater les ions Fe³⁺. Suite à cette fonctionnalisation, la VPTT des microgels est déplacée vers les plus hautes températures et la transition devient plus progressive. Dans un deuxième temps, les microgels fonctionnalisés sont déposés à l'aide de la technique Langmuir-Blodgett sur un prisme de Dove revêtu d'une couche d'or afin d'étudier la sensibilité des microgels face au Fe³⁺ par spectroscopie de résonnance de plasmon de surface (SPR). Le déplacement de la longueur d'onde de la résonance de plasmon de surface (Δλ[indice SPR]) est mise en exergue dans ce travail pour démontrer cette sensibilité. Afin d'optimiser cet assemblage en surface, la pression de surface et le nombre de trempages ont été variés. L'assemblage a aussi été caractérisé par microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie à force atomique (AFM).

Pour s’affranchir des problèmes liés à l’hydrophobie des alcènes terminaux dans des réactions d’hydroformylation utilisant des catalyseurs organométalliques hydrosolubles, l’association de polymères et de cyclodextrines (CDs) a été mise à profit pour concevoir de nouveaux additifs et de nouveaux milieux réactionnels. Trois combinaisons polymères/CDs ont été développées, soit par liaison covalente, soit par assemblage supramoléculaire. Premièrement, le greffage covalent de CDs partiellement méthylées sur des chaines polymères a permis d’augmenter significativement les capacités de reconnaissance moléculaire des CDs vis-à-vis d’alcènes possédant des chaines alkyles linéaires de plus de 12 carbones. La coopérativité entre CDs résultant de ce greffage covalent a conduit à une amélioration significative des performances catalytiques. Deuxièmement, des hydrogels supramoléculaires composés de poly(éthylène) glycols et d’α-CDs ont été utilisés avec succès en tant que milieu réactionnel dans des réactions d’hydroformylation biphasique. Enfin, des nouveaux systèmes catalytiques dits « intelligents » ont été obtenus en additionnant les propriétés de reconnaissance moléculaire des CDs partiellement méthylées avec celles de polymères thermosensibles. / To overcome the problems related to the hydrophobicity of terminal alkenes in hydroformylation reactions using water-soluble organometallic catalysts, the combination of polymers and cyclodextrins (CDs) has been exploited to develop new additives and new reaction media. Three combinations polymers/CDs have been developed, either covalently or by supramolecular assembly. First, the covalent grafting of partially methylated CDs on polymer chains significantly increased the capacity of molecular recognition of the CDs regarding alkenes with linear alkyl chains longer than 12 carbons. Cooperativity between CDs resulting from the covalent grafting led to a significant improvement in catalytic performance. Second, supramolecular hydrogels composed of poly(ethylene) glycol and α-CDs have been successfully used as a reaction medium in biphasic hydroformylation reactions. Finally, new "smart" catalytic systems have been obtained by summing the molecular recognition properties of partially methylated CDs with those of thermosensitive polymers.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les réactions de Diels-Alder (DA) sont connues pour leur thermo-réversibilité. A basse température, le diène et les fonctions réactives diénophiles réagissent ensemble par la réaction de (DA) pour donner l'adduit. Le but de notre thèse est d'élaborer des réseaux réticulés thermoréversibles à base époxy-amine en utilisant des réactions de Diels-Alder. La thèse est composée de cinq chapitres dont le premier est consacré à la partie bibliographique. Celle-ci résume une partie des travaux réalisés sur la synthèse d'adduits et expose les différentes conditions utilisées pour aboutir à la synthèse, ainsi que les différentes méthodes d'analyse pour la caractérisation de ces adduits. Le deuxième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations des pré-polymères multi-diéne furanne ester. La synthèse de ces pré-polymères a été réalisée et confirmée par la RMN-1H, avec l'apparition de nouveaux signaux entre 4 et 5 ppm prouvant l'estérification. L'analyse IR- TF confirme l'apparition des deux bandes de vibration correspondantes à la fonction ester. Le troisième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations des pré-polymères acides multi-diénophiles (diénophiles ouverts) et une tri-maléimide diénophile (diénophile fermé). Les analyses RMN-1H et IR-TF confirment, respectivement, la disparition des protons de la fonction amine et les deux bandes anhydride, avec ouverture de la fonction époxy. Le quatrième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations de pré-polymères multi-diène furane. Ceux-ci ont été réalisés par la réaction de copolymérisation entre les fonctions époxydes de la DGEBA et la phényl diglycidyl éther (PGE) avec la furfurylamine (FAM). La RMN-1H a permis de calculer la fonctionnalité en fonction furane des diènes et de déterminer leur masse molaire moyenne en nombre. L'analyse thermogravimétrie (ATG) et l'analyse thermique par DSC ont montré que ces diènes sont des composés amorphes présentant une Tg de l'ordre de 20°C et restent stables thermiquement jusqu'à une température de 230°C. Enfin, dans le cinquième et dernier chapitre, la synthèse de réseaux thermoréversibles formés par la réaction de Diels-Alder entre les pré-polymères diène et la tri-maléimide diénophile sera présentée. La thermoréversibilité, les propriétés thermiques et d'autoréparation des réseaux seront étudiées

L'objectif de cette thèse est de contrôler les propriétés optiques des nanoparticules d'or greffées de polymère en modulant les propriétés structurales de la couche protectrice de polymères. Des nanoparticules greffées de polymères thermosensibles avec une large gamme de masse molaire et différents degrés d'hydrophobicité sont synthétisées par la méthode de " grafting-to ". La DNPA est utilisée pour caractériser les propriétés structurales de la couche protectrice de polymère. Les spectres d'absorption sont modélisés en utilisant la théorie de Mie. Nous démontrons que la sensibilité de la SPR à la propriété diélectrique du solvant diminue progressivement avec la fraction volumique de la couche de polymère jusqu'à devenir quasi-nulle; dans ce dernier cas de figure, la SPR est dite " gelée " par la couche de polymère. Un déplacement significatif de la bande de SPR vers le rouge est induit (un changement de couleur se produit) dû à une transition de collapse de la couche de polymère avec la température. La gamme de température pour induire ce déplacement dépend du degré d'hydrophobicité du polymère et de la salinité. Une partie important de cette thèse est également consacrée aux propriétés des nanoparticules d'or greffées de polymères à l'interface air-eau. La technique de Langmuir est utilisée pour former des films minces dont la distance entre particule est contrôlée par la compression, la longueur des chaînes du polymère greffé et la température. Les propriétés structurales des films minces sont étudiées en déterminant la conformation de la couche de polymère greffée et l'organisation du cœur de l'or par la réflectivité de neutron et de X, respectivement. Les mesures de réflectivité nous permettent également d'évaluer et d'améliorer la stabilité des films minces pour un meilleur control de la distance entre particule, aspect important pour l'optimisation de la SPR. Enfin, les propriétés optiques des nanoparticules d'or à l'interface sont mesurées par des mesures de transmission.

Les gradients de concentration de peptides ou de protéines, ou leur relargage localisé, jouent un rôle primordial dans les voies de communication inter-cellulaire. L'activation locale de cellules est étudiée in vitro à l'aide de sources artificielles contraignantes ou invasives de protéines (pipettes, dispositifs microfluidiques). Des méthodes plus douces et moins invasives sont très demandées. À cet effet, nous avons développé deux types de capsules capables de libérer des macromolécules sous l'effet d'une stimulation extérieure. Le premier système emploie des liposomes additionnés d'un amphiphile à azobenzène, tensioactif ou polyélectrolyte, capable de générer des pores à travers la membrane sous l'effet de la lumière. Les temps de dissolution des assemblages lipides/tensioactifs et les cinétiques de relargage (perméabilité) sous irradiation lumineuse ont été étudiées par diffusion dynamique de la lumière et fluorescence. Le second système repose sur des capsules à cœur aqueux et à coque polymère, formées par polyaddition interfaciale. Nous avons montré que l'inclusion de chaînes thermosensibles dans la membrane (polyNIPAM, par ex.) rendait la stabilité de la capsule dépendante de la température. Nous avons démontré sur des capsules millimétriques, chargées avec du dextrane ou des protéines, que cela permettait le contrôle du relargage. L'utilisation de polymère à UCST en milieu aqueux nous a permis d'obtenir les premières capsules thermosensibles capables de libérer leur contenu par élévation de la température au dessus d'une valeur critique. Cela ouvre une voie prometteuse au développement d'un système biocompatible de libération de protéines. / Concentration gradients and local delivery of peptides or proteins play a crucial role in intercellular communication. In vitro, the effects of local activation of cells are studied with constrained or invasive artificial protein sources (pipettes, microfluidics). Milder and remotely-triggered techniques for the release of encapsulated biomolecules are highly in demand. To this aim we developed two classes of capsules able to release macromolecules upon an external stimulation. The first system is based on liposomes sensitized with azobenzene-containing amphiphiles (surfactants or polyelectrolytes) that can open pores in the membrane upon exposure to light. The dissolution time of lipids/surfactants assemblies and rate of release (permeability) under light irradiation has been assessed by dynamic light scattering and fluorescence measurements. The second system is a model of capsules with an aqueous core and a polymer shell, formed by interfacial polyaddition. We showed that inclusion of temperature-responsive chains in the membrane, e.g. polyNIPAM, confers temperature-dependant stability to the capsules; we demonstrated with millimeter-sized capsules loaded with dextran or proteins that this can be used to trigger the release. Using chains with UCST in water, we obtained the first temperature-sensitive capsules able to release their content upon increasing the temperature above a threshold. This represents a promising route to the biocompatible delivery of proteins.

Les réactions de Diels-Alder (DA) sont connues pour leur thermo-réversibilité. A basse température, le diène et les fonctions réactives diénophiles réagissent ensemble par la réaction de (DA) pour donner l’adduit. Le but de notre thèse est d’élaborer des réseaux réticulés thermoréversibles à base époxy-amine en utilisant des réactions de Diels-Alder. La thèse est composée de cinq chapitres dont le premier est consacré à la partie bibliographique. Celle-ci résume une partie des travaux réalisés sur la synthèse d'adduits et expose les différentes conditions utilisées pour aboutir à la synthèse, ainsi que les différentes méthodes d’analyse pour la caractérisation de ces adduits. Le deuxième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations des pré-polymères multi-diéne furanne ester. La synthèse de ces pré-polymères a été réalisée et confirmée par la RMN-1H, avec l’apparition de nouveaux signaux entre 4 et 5 ppm prouvant l’estérification. L’analyse IR- TF confirme l’apparition des deux bandes de vibration correspondantes à la fonction ester. Le troisième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations des pré-polymères acides multi-diénophiles (diénophiles ouverts) et une tri-maléimide diénophile (diénophile fermé). Les analyses RMN-1H et IR-TF confirment, respectivement, la disparition des protons de la fonction amine et les deux bandes anhydride, avec ouverture de la fonction époxy. Le quatrième chapitre est consacré à la synthèse et caractérisations de pré-polymères multi-diène furane. Ceux-ci ont été réalisés par la réaction de copolymérisation entre les fonctions époxydes de la DGEBA et la phényl diglycidyl éther (PGE) avec la furfurylamine (FAM). La RMN-1H a permis de calculer la fonctionnalité en fonction furane des diènes et de déterminer leur masse molaire moyenne en nombre. L’analyse thermogravimétrie (ATG) et l’analyse thermique par DSC ont montré que ces diènes sont des composés amorphes présentant une Tg de l’ordre de 20°C et restent stables thermiquement jusqu'à une température de 230°C. Enfin, dans le cinquième et dernier chapitre, la synthèse de réseaux thermoréversibles formés par la réaction de Diels-Alder entre les pré-polymères diène et la tri-maléimide diénophile sera présentée. La thermoréversibilité, les propriétés thermiques et d’autoréparation des réseaux seront étudiées / The Diels-Alder (DA) reactions are known for their thermo-reversibility. At low temperatures, the diene and dienophile reactive functional groups react together by the reaction of (DA) to give the adduct. The aim of this thesis is to develop the thermo crosslinked networks based epoxy-amine using Diels-Alder reaction. The thesis consists of five chapters; the first is devoted to the bibliographic part. It summarizes some of the work on the synthesis of adducts and describes various conditions used to achieve the synthesis, and the different methods of analysis for the characterization of these adducts. The second chapter is devoted to the synthesis and characterization of multi-diene pre-polymers furan ester. The synthesis of these pre-polymers was carried out and confirmed by 1H-NMR, with the appearance of new signals between 4 and 5 ppm proving the esterification. FT-IR analysis confirmed the appearance of two bands corresponding to the ester vibration bands. The third chapter is devoted to the synthesis and characterization of pre-polymers multi-dienophiles acids (open dienophiles) and a tri-maleimide dienophile (dienophile closed). 1H-NMR analysis and FT-IR confirm respectively, the disappearance of the amine protons and two anhydride bands, with opening of the epoxy function. The fourth chapter is devoted to the synthesis and characterization of pre-polymers multi-furan diene. These were synthesized by the copolymerization reaction between the epoxy functions of DGEBA and diglycidyl phenyl ether (PGE) with furfurylamine (FAM). 1H-NMR was used to calculate the functionality dienes and to determine their number-average molar mass. The thermo gravimetric analysis (TGA) and the thermal analysis by DSC showed that these dienes are amorphous compounds having a Tg about 20°C and are thermally stable up to a temperature of 230°C. In the fifth and final chapter, the synthesis of thermo-reversible networks formed by the Diels-Alder reaction between pre-polymers diene and tri-maleimide dienophile will be presented. The thermoreversibility, thermal properties and self-healing networks are studied

Nous avons optimisé des liposomes thermosensibles, encapsulant un principe actif anticancéreux, le 5-Fluorouracile (5-FU), afin de déclencher sa libération par une hyperthermie locale modérée (39-42°C) induite par des ultrasons focalisés. L'hyperthermie sera appliquée au niveau de la tumeur, afin d'améliorer l’efficacité thérapeutique et de réduire la toxicité systémique. Les liposomes ont été formulés par hydratation du film lipidique en mélangeant la 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DPPC) pour sa thermosensibilité à 41,5 ± 0,5°C, le cholestérol (CHOL) pour favoriser la stabilité des liposomes vis-à-vis des composants du sang, et le 1,2-distéaroyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine-N-[méthoxy(polyéthylène glycol)-2000] (DSPE-PEG) pour assurer la furtivité de la formulation. Les expériences ont confirmé que les liposomes formulés à base de DPPC/CHOL/DSPE-PEG dans un ratio molaire 90 : 5 : 5 mol% sont thermosensibles. Des liposomes composés du même mélange lipidique dans un rapport 65 : 30 : 5 mol% ont été considérés comme contrôle négatif non thermosensible. L’optimisation de l’encapsulation passive du 5-FU a permis d’obtenir une efficacité d’encapsulation (5-FU encapsulé/5-FU total) de 13%, mais le 5-FU est très faiblement retenu (12%) dans la cavité aqueuse des liposomes du fait du gradient osmotique à la dilution. La rétention du 5-FU a été optimisée (93%) par la technique d’encapsulation active basée sur la complexation intraliposomale du 5-FU avec le complexe cuivre-polyéthylèneimine préalablement encapsulé dans les liposomes. Cette technique a également permis d’améliorer l’efficacité d’encapsulation d’un facteur trois environ (37%), avec un taux de charge (ratio final 5-FU/lipides, mole/mole) de 50% environ. Nous avons alors obtenu des liposomes thermosensibles d'un diamètre hydrodynamique de 65 nm et de charge de surface de -10 mV. Les liposomes non thermosensibles, ont été caractérisés par un diamètre hydrodynamique de 105 nm et une charge de surface de -4,9 mV. La libération du 5-FU déclenchée par une hyperthermie induite par des ultrasons focalisés a été mesurée in vitro. En réponse à une hyperthermie de 42°C, les liposomes thermosensibles libèrent 68% de leur contenu, au bout de 10 min, alors que les liposomes non thermosensibles en libèrent moins de 20%. En outre, la cytotoxicité des liposomes encapsulant le complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine a été évaluée vis-à-vis de la lignée cellulaire HT-29 du carcinome colorectal humain. Les résultats ont révélé que les lipides à une concentration de 800 µM ne sont pas cytotoxiques (80% de viabilité). De plus, la complexation du 5-FU n’influence pas sa cytotoxicité ce qui prouve que la toxicité provient du 5-FU et non des excipients. En revanche, l’encapsulation du complexe 5-FU-cuivre-polyéthylèneimine dans les liposomes induit une diminution de la concentration inhibitrice médiane de 115 (solution du complexe) à 49 µM environ, corrélée à leur internalisation cellulaire. La pharmacocinétique chez des souris porteuses d’un modèle de tumeur colorectale HT-29 xénogreffée a montré que les liposomes permettent de prolonger d’un facteur 1,4 la demi-vie plasmatique de distribution du 5-FU. De plus, les aires sous la courbe des concentrations plasmatiques sur 24 h sont 1,9 et 2,9 fois plus élevées lorsque le 5-FU est administré sous forme de liposomes thermosensibles et non thermosensibles, respectivement, par rapport à la solution de 5-FU. Enfin, les liposomes non thermosensibles augmentent significativement d'un facteur 2 l'accumulation du 5-FU dans la tumeur par rapport à la solution de 5-FU. En conclusion, les liposomes thermosensibles développés présentent un fort intérêt pour une application thérapeutique en combinaison avec des ultrasons focalisés. / We optimized thermosensitive liposomes encapsulating an anticancer drug, 5-Fluorouracil (5-FU), in order to trigger the release upon focused ultrasound-mediated mild hyperthermia at the tumor. This approach would improve drug efficacy and would lower side effects. Liposomes were prepared by the lipid hydration method by mixing 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) for its temperature sensitivity at 41.5 ± 0.5°C, cholesterol (CHOL) to promote liposome stability towards blood components, and 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG) to confer stealthiness to the formulation. The experiments confirmed that the liposomes formulated with DPPC/CHOL/DSPE-PEG in a molar ratio 90:5:5 mol% are thermosensitive, while liposomes composed of the same lipid mixture in a ratio 65:30:5 mol% were considered non thermosensitive negative control. The optimization of passive encapsulation of 5-FU yielded an encapsulation efficacy (encapsulated 5-FU/total 5-FU) of 13%. 5-FU was, however, very weakly retained (12%) in the aqueous core of liposomes following dilution due to the generation of an osmotic gradient. The retention of 5-FU has been optimized (93%) by the active encapsulation technique based on the intraliposomal complexation of 5FU with copper-polyethylenimine complex encapsulated beforehand into liposomes. This technique also improved 5-FU encapsulation efficacy by 3-fold (37%), yielding a loading efficiency (final drug/lipid ratio, mol/mol) of approximately 50%. The resulting thermosensitive liposomes and non thermosensitive liposomes have a hydrodynamic diameter and a surface charge around 65 nm and -10 mV, and 105 nm and -4.9 mV, respectively. Heat-triggered drug delivery was evaluated using focused ultrasound, and showed a release of 68% of the encapsulated 5-FU from thermosensitive liposomes, within 10 min, whereas release remained below 20% for the non thermosensitive formulation. Furthermore, the cytotoxicity of 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes towards HT-29 human colorectal carcinoma cell line was evaluated. Results revealed that lipids at a concentration of 800 µM are not cytotoxic (80% viability). Moreover, 5-FU complexation has no impact on its cytotoxic activity, disclosing that liposomes toxicity arose from 5-FU and not from the excipients. Nevertheless, 5-FU-copper-polyethylenimine complex-loaded liposomes exhibited a lower half maximal inhibitory concentration of 49 µM compared to 115 µM for complex solution. This enhancement of cytotoxicity was attributed to the cellular internalization of liposomes. Pharmacokinetics in mice bearing HT-29 xenograft tumor showed that liposomes can extend the plasma distribution half-life of 5-FU by a factor 1.4. Furthermore, areas under the concentration-time curve over 24 h were higher by 1.9- and 2.9-fold when the drug was encapsulated into thermosensitive and non thermosensitive liposomes, respectively, compared to free 5-Fluorouracil. Finally, non thermosensitive liposomes significantly increased 5-FU accumulation in tumor by 2-fold, compared to 5-FU solution. In conclusion, these 5-FU-loaded thermosensitive liposomes represent valuable carriers to investigate the therapeutic efficacy following focused ultrasound-mediated heat application.

Résumé: Les polymères stimuli-répondants sont capables de changer leurs propriétés ou structures de façon importante en réagissant à un signal de stimulation. Parmi ceux-ci, des polymères sensibles à une variation de température ont fait l'objet de beaucoup de recherches et de développement, parce qu’un changement de température est un stimulus facile à appliquer, et que des fluctuations de température spontanées se produisent dans le milieu biologique. En plus, des polymères thermosensibles peuvent également répondre à d'autres stimuli tels que la lumière, le pH ou un champ magnétique. Ces polymères répondants à deux (ou plus) stimuli sont particulièrement intéressants pour des applications pratiques, notamment dans le domaine de biologie ou biomédical car des systèmes biologiques peuvent répondre sélectivement à de multiples changements dans les conditions environnantes plutôt qu’à un seul stimulus. La recherche menée dans cette thèse porte sur le développement de nouveaux polymères thermosensibles en solution aqueuse et l'étude de leur contrôle de solubilité à la fois par le changement de température et de pH. Les polymères thermosensibles en solution aqueuse peuvent afficher soit une température de solution critique inférieure (LCST) ou une température de solution critique supérieure (UCST). Fondamentalement, les polymères à LCST sont solubles dans l'eau à T<LCST mais deviennent insolubles à T>LCST, tandis que les polymères à UCST présentent une thermosensibilité inversée, étant solubles à T>UCST et insolubles à T<UCST. Jusqu'à présent, la plupart des études ont été consacrées aux polymères à LCST, alors que les polymères à UCST sont beaucoup moins étudiés. La raison principale est que ces derniers ne sont pas aussi facilement accessibles que leurs homologues à LCST. Ces deux types de polymères thermosensibles ont été étudiés dans cette thèse. En plus de la conception, la synthèse et la caractérisation de nouveaux polymères, en particulier les systèmes UCST, un objectif principal de la thèse est d'exploiter l'effet du pH sur LCST ou UCST afin de développer des polymères dont la solubilité dans l'eau peut être commutée, entre état soluble et état insoluble, par un changement de pH, et ce à une température de solution constante. Dans le premier projet, dans le but d'accroître l'ampleur du changement de la température LCST déclenché par une variation de pH, un nouveau comonomère portant un groupe d’acide acrylique et un groupe d'acide benzoïque de pareils pKa dans sa structure a été conçu et synthétisé, à savoir, le 4-((2-carboxyallyle )oxy)benzoïque (CAB). Par rapport aux comonomères contenant un seul groupe d'acide, cette structure particulière rend le comonomère plus hydrophobe dans l'état protoné (pH <pKa) dû au groupe phényle et plus hydrophile dans l'état déprotoné (pH> pKa) en raison de la double charge. L'efficacité de cette conception a été démontrée à l'aide d’un copolymère du N-isopropylacrylamide (NIPAM) et du CAB en tant que comonomère, P(NIPAM-co-CAB). Les mesures expérimentales ont montré un grand changement réversible de LCST lors d'un changement de pH, confirmant ainsi l’utilisation d’un tel comonomère comme une stratégie utile pour améliorer l'efficacité et la sensibilité du pH pour le contrôle de la température critique des polymères à LCST. Dans le second projet, nos études ont montré que le copolymère statistique de poly (acrylamide-co-acrylonitrile) (P(AAM-co-AN)) synthétisé en utilisant la polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation (RAFT) peut afficher une UCST stable en solution aqueuse. Nous avons montré que ce polymère peut alors être utilisé comme agent de transfert de chaîne macromoléculaire (macro-CTA) pour croître un second polymère de choix pour la synthèse de copolymères blocs (BCP). Trois copolymères diblocs représentatifs ont été ainsi synthétisés avec le deuxième bloc étant soit le polystyrène hydrophobe (PS), le poly(diméthylacrylamide) (PDMA) hydrophile ou le poly(méthacrylate de N, N-diméthylaminoéthyl) (PDMAEMA) qui possède une LCST. Les structures auto-assemblées des ces trois copolymères présentent une variété de comportements thermosensibles dictés par UCST du bloc P(AAM-co-AN), tels que la dispersion-agrégation réversible de micelles, la dissolution-formation de micelles, et l'inversion des noyau et couronne de micelles. Nos résultats démontrent, pour la première fois, que le P(AAM-co-AN) est un polymère à UCST robuste pouvant être introduit dans des architectures polymères contrôlées productibles par la synthèse RAFT, et ce de la même façon que l'utilisation des homologues à LCST largement étudiés comme le PNIPAM. Cette possibilité ouvre la porte à l'exploration de nouveaux polymères thermosensibles basée sur la thermosensibilité opposée à LCST. Il est connu que même quelques groupes chargés dans des polymères à UCST peuvent grandement affecter la température de séparation de phase en raison d’un changement de l'enthalpie de solution très faible associé au processus. Cette propriété a été exploitée dans le troisième projet ayant pour but de développer des polymères dont la solubilité dans l’eau est contrôlable par le pH de façon ultrasensible. Pour rendre le polymère P(AAM-co-AN) sensible au pH, des unités comonomères de l'acide acrylique (AAC) ou de la 4-vinylpyridine (4VP) ont été introduites dans le P(AAM-co-AN) résultant en deux nouveaux polymères, à savoir le P(AAM-co-AN-co-AAC) et le P(AAM-co-AN-co-4VP). Nos résultats ont montré une forte augmentation ou diminution de la température UCST en conséquence d'un petit changement du pH. En particulier, un échantillon du P(AAM-co-AN-co-4VP) présente un déplacement UCST supérieur à 57 oC lors d’un changement de 0,25 unité de pH, et son passage de l'état soluble à l’état insoluble à la température ambiante peut être observé visuellement sur un changement du pH aussi peu que 0,05 unité. Pour illustrer les applications possibles, un copolymère de trois blocs de type ABA est synthétisé en utilisant cet échantillon comme macro-CTA pour polymériser la diméthylacrylamide soluble dans l'eau (DMA), ce qui donne lieu au P(AAM-co-AN-co-4VP)-b-PDMA-b-P(AAM-co-AN-co-4VP). À 37 oC, la micelle de ce copolymère triblocs peut être stable de pH 7,00 jusqu'à 4,75, mais brusquement dissociée au pH 4,50, ce qui suggère la possibilité de libération de médicament déclenchée par un très léger changement de pH. Cette étude démontre le potentiel de développement des polymères à UCST ainsi que leurs assemblages qui peuvent subir un changement de solubilité dans l'eau contrôlé par le pH d’une manière ultrasensible et, par conséquent, offre de nouvelles possibilités pour les applications. / Abstract: Stimuli-responsive polymers that undergo dramatic chemical or physical changes in response to external stimuli have attracted a great deal of attention from both fundamental and applied points of view. Among them, polymers sensitive to change in temperature have been particularly the focus of much research and development effort, because temperature change is a stimulus that can readily be applied in a reversible and non-invasive manner and spontaneous temperature fluctuations occur in biological environment. Moreover, many thermosensitive polymers can also respond to other stimuli such as light, magnetic field and pH. Such dual- or multi-stimuli-responsive polymers are particularly interesting for practical applications, especially in the biological area since biological systems can selectively respond to multiple environmental changes rather than a single stimulus. The research conducted in this thesis deals with the development of novel thermoresponsive polymers in aqueous solution and the study of their solubility control by both temperature and pH change. Thermoresponsive polymers in aqueous solution can display either a lower critical solution temperature (LCST) or upper critical solution temperature (UCST). Basically, for LCST polymers, they are soluble at temperatures below LCST but become insoluble above LCST, while UCST polymers exhibit a reversed thermosensitivity by being soluble in water at temperatures above UCST and insoluble below the phase separation temperature. Until now, most studies have been dedicated to LCST polymers, and UCST polymers have much less been investigated because they are not as easily accessible as their LCST counterparts. These two types of thermosensitive polymers have been studied in this thesis. In addition to the design, synthesis and characterization of novel polymers, especially UCST systems, a main objective of the thesis is to explore the effect of pH on LCST or UCST in order to develop polymers whose water solubility can be switched, between soluble and insoluble state, by a change in pH at a constant solution temperature. In the first project, in order to increase the magnitude of pH-triggered LCST shift, a new comonomer bearing an acrylic acid and a benzoic acid group of similar pKa in the structure was designed and synthesized, namely, 4-((2-carboxyallyl)oxy)benzoic acid (CBA). With respect to comonomers containing a single acid group, this particular comonomer structure makes it more hydrophobic in the protonated state (pH < pKa) due to the phenyl group and more hydrophilic in the deprotonated state (pH > pKa) due to the double charge. The efficiency of this design has been demonstrated by using CBA as a comonomer to polymerize with N-isopropylacrylamide (NIPAM) to obtain a copolymer P(NIPAM-co-CBA). The cloud point measurements showed large and reversible shift of LCST upon pH change, confirming the comonomer design principle as a useful strategy for enhancing the efficiency and sensitivity of the pH-responsiveness of LCST polymers. In the second project, our studies found that the random copolymer of poly(acrylamide-co-acrylonitrile) (P(AAm-co-AN)) synthesized using the reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT) method can display a sharp and stable UCST in aqueous solution. We showed that this polymer can then be utilized as macromolecular chain transfer agent (macro-CTA) to grow a second polymer of choice for block copolymer (BCP) synthesis. Three representative diblock copolymers were synthesized with the second block being either hydrophobic polystyrene (PS) or hydrophilic poly(dimethylacrylamide) (PDMA) or poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) displaying a LCST. The three BCPs of different designs can all exhibit thermally induced changes as dictated by the UCST of the P(AAm-co-AN) block, in a reversible and robust way in both pure water and phosphate-buffered saline (PBS). Their self-assembled structures exhibit a variety of behaviors such as the reversible dispersion-aggregation of micelles, dissolution-formation of micelles, and reversal of micelle core and corona. Our obtained results point out that P(AAm-co-AN) is a robust UCST polymer that can be introduced into controlled polymer architectures producible by RAFT, much the same way as using the extensively studied LCST counterparts like poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM). This possibility makes the door wide open to exploring new thermosensitive polymers based on the thermosensitivity opposite to the LCST. Even a few charged groups in UCST polymers may affect greatly the phase separation temperature due to a small solution enthalpy change associated with the process. This property has been exploited in the third project to develop ultrasensitive pH-induced solubility switch. To render the UCST polymer P(AAm-co-AN) sensitive to pH, either acrylic acid (AAc) or 4-vinyl pyridine (4VP) comonomer units were introduced into P(AAm-co-AN) resulting in P(AAm-co-AN-co-AAc) or P(AAm-co-AN-co-4VP). The results found a large increase or decrease of the cloud point over a small change of pH. In particular, one P(AAm-co-AN-co-4VP) sample could exhibit a 57 oC cloud point shift over 0.25 pH unit, and its transition from soluble to insoluble state at room temperature can be visually observed over a pH change as little as 0.05 unit. To demonstrate possible applications, an ABA-type triblock copolymer was synthesized using this sample as macro-CTA to polymerize water-soluble dimethylacrylamide (DMA), giving rise to P(AAm-co-AN-co-4VP)-b-PDMA-b-P(AAm-co-AN-co-4VP). At 37 oC, the micelle of this triblock copolymer could be stable from pH 7.00 down to 4.75, but abruptly disassembled at 4.50, implying the possibility of drug release triggered by a slight pH change. This study demonstrates the potential of developing UCST polymers and their assemblies that can undergo ultrasensitive pH-controlled water solubility switch and thus offer new possibilities for applications.