Thèse (D. en psychologie)--Université du Québec à Montréal, 2005. / En tête du titre: Université du Québec à Montréal. Comprend des réf. bibliogr. Publié aussi en version électronique.

La surveillance personnalisée est une ambition émergente pour les technologies de la santé qui répond aux besoins des patients et des professionnels de santé. L'objectif de ce travail est d'aller jusqu’aux soins, en utilisant un actionneur télécommandé pour mettre en œuvre automatiquement une prescription médicamenteuse. Un système transdermique intelligent est conçu, sous la forme d’un patch, pour administrer de manière contrôlée des médicaments. Des expérimentations sont réalisées pour démontrer l’intérêt des techniques d’aide à la diffusion en termes de contrôle et d’amélioration de la quantité délivrée. Le contrôle de la dose administrée est corrélé à l’actionneur intégré via une loi de commande. Une modélisation et une simulation numérique de la diffusion transdermique est mise en place en liaison avec les résultats obtenus lors d’expérimentations sur une cellule de Franz, ce modèle est appliqué sur une structure planaire "patch classique". Différents scénarios de stimulations électriques et de facteurs de formes ont été conduits pour obtenir un profil d’administration optimal. La conception du système électronique est présentée d’adapter la dose administrée selon les besoins du patient est présentée. Un premier prototype est réalisé, intégrant des fonctions d’actionnement, et de récupération de données issues de capteurs intégrés. / Personalized monitoring is an emerging ambition for health technologies responding the needs of patients and healthcare professionals. In this regard, the purpose of this work is to propose a e-health care device offering active control and permanent actuating link able to control the amount of drug delivered. A first part presents our motivations related to the problems of the aging of the population, recalls the current approaches for the monitoring of the elderly and describes the need in the systems of actuations in particular for the aid to the taking of drugs. From these needs, a state of the art is proposed on the techniques for controlling the delivery of drugs. Experiments are carried out to demonstrate the efficiency of diffusion techniques controlling and improving the quantity delivered. The control of the administered dose is correlated to the integrated actuator via a control command. We present a modeling and a numerical simulation of the transdermal diffusion related to the results obtained during experiments on a Franz cell, and the transposition of the model on a planar structure. Different scenarios of electrical stimulations and shape factors have been conducted to obtain optimal administration profile. Finally, the last part is devoted to technological locks and to the design of the intelligent system which adapt the dose administered according to the needs of the patient. A prototype is made, integrating actuation functions, and data recovery from integrated sensors.

La prostaglandine E₁ permet de maintenir en vie un nouveau-né atteint de cardiopathie congénitale jusqu'à sa chirurgie cardiaque. Il serait profitable de trouver une alternative aux traitements intraveineux, mieux adaptée aux nouveaux-nés prématurés. La voie transdermique serait moins douloureuse et permettrait un meilleur contrôle sur la libération du médicament. Le but de cette étude est de fabriquer une formulation liposomale adaptée à l'usage transdermique de la prostaglandine E₁. La formulation doit posséder une stabilité maximale pendant l'entreposage, un taux d'encapsulation suffisant du médicament et la capacité de traverser la peau. La comparaison de liposomes conventionnels et de proliposomes, à base de phospholipides choisis en fonction de leur température de transition de phase et de leur charge, a été effectuée. Les méthodes de fabrication de liposomes conventionnels étudiées ont été : évaporation-hydratation, congélation-décongélation, ±Reverse Phase Evaporation Vesicles¿ (REV). Pour le proliposome, des formulations avec et sans sorbitol ont été utilisées. Pour chaque échantillon, l'effet de l'entreposage à 4°C sur le diamètre pour une période de 3 mois a été évalué. Ensuite, le taux d'encapsulation des formulations les plus stables a été calculé. Finalement, des tests in-vitro ont été menés à l'aide de cellules de diffusion de Franz et de modèles cutanés pour déterminer le flux de passage transdermique des formulations. Les liposomes fabriqués par les méthodes évaporation-hydratation et REV, contenant des phospholipides chargés et 30 % de cholestérol, sont les plus stables. Pour les proliposomes, la L-α-phosphatidylcholine et le dimyristoyl phosphatidylcholine avec sorbitol et le distearoyl phosphatidylcholine avec 12 % de phospholipides chargés sans sorbitol sont les plus stables. Les proliposomes avec sorbitol ont démontré les meilleurs taux d'encapsulation et ont donnés des résultats satisfaisants quant au taux de transfert sur nos modèles cutanés. Il est possible de fabriquer des liposomes qui soient stables pendant 3 mois au réfrigérateur et qui aient un haut taux d'encapsulation de la prostaglandine E₁. Ces formulations traversent les modèles cutanés imitant la peau d'un nouveau-né prématuré

Nous proposons dans le cadre de ce travail de thèse, une nouvelle approche de la détection non invasive de l’alcoolémie sanguine à l’aide de microcapteurs d’éthanol à base de SnO2. Cette méthodologie se base sur une détection indirecte de l’alcoolémie sanguine par une mesure des vapeurs d’éthanol émises par la perspiration cutanée suite à une consommation d’alcool. Afin de valider cette approche, il a fallu dans un premier temps démontrer la pertinence et la faisabilité de cette méthodologie de détection par la réalisation d’essais cliniques pilotes en collaboration avec une équipe médicale d’étude pharmacologique du CPCET Marseille. Les différentes mesures du taux d’éthanol réalisées dans les fluides biologiques tels que le sang et l’air expiré ont pu être précisément corrélées avec les mesures de vapeurs d’éthanol réalisées à travers la perspiration à l’aide de trois microcapteurs de gaz commerciaux à base d’oxydes métalliques intégrés à un bracelet. Ces dispositifs ont l’avantage d’être sensibles mais pas sélectifs à la nature du gaz détecté. Durant ces travaux, des couches sensibles de SnO2 ont été déposées par pulvérisation cathodique RF magnétron réactive sur un transducteur breveté par notre équipe, intégrant trois capteurs sur une même puce. L’optimisation des paramètres de dépôt et les analyses structurales des couches de SnO2, nous ont permis de réaliser un multicapteur d’éthanol démontrant des performances sous éthanol ; en termes de sensibilité sous atmosphère humide, de répétabilité et de temps de réponses et de recouvrement ainsi que du point de vue sélectivité / A new approach of a noninvasive detection of blood alcohol concentration using ethanol microsensors based on SnO2 Is developed in this work. The methodology is based on an indirect detection of blood alcohol concentration by measuring the ethanol vapor emitted through the skin perspiration after alcohol consumption. In order to validate this approach, first we demonstrated the relevance and the feasibility of this detection method by carrying out pilot clinical trials in collaboration with a medical team of pharmacological study of CPCET Marseille. The different measurements of the ethanol concentration carried out in biological fluids such as blood and exhaled air could be precisely correlated with the measurements of ethanol vapors performed through the perspiration using three commercial gas microsensors based on metal oxides integrated into a bracelet. . These devices have the advantage of being sensitive but not selective to the nature of the gas detected. During this thesis work, sensitive layers of SnO2 were deposited by reactive magnetron RF sputtering on a transducer patented by our team, integrating three sensors on the same chip. The optimization of the deposition parameters and the structural analyzes of the SnO2 layers, allowed us to develop an ethanol multi-sensor demonstrating performances under ethanol; in terms of sensitivity on humidity, repeatability and response and recovery times as well as from the point of selectivity

L'objectif principal de cette thèse est d'apporter une contribution à la modélisation de la cinétique de libération de principes actifs à partir de systèmes polymère-médicament, en tentant de réduire le "burst effect" et augmenter le temps de libération. L'idée de base est, dans un premier temps, l'encapsulation du médicament dans des liposomes, vésicules lipidiques capables de transporter le médicament, puis son inclusion dans des hydrogels polymères de manière à créer deux barrières dans le processus de libération du médicament. Les hydrogels sont à base de chitosane/gélatine et chitosane/poly(alcool vinylique) réticulés, partiellement avec de l'aldéhyde glutarique et de manière prédominante par voie ionique avec des anions sulfate ou polyphosphate. Une seconde catégorie est à base de chitosane, seul ou en combinaison avec le poly(alcool vinylique), réticulé avec de l'acide tannique à travers de nombreuses interactions hydrogène. Les hydrogels sont caractérisés d'une part par leur structure, leur morphologie, leur comportement en milieu aqueux et leur stabilité thermique; d'autre part leurs propriétés comme biomatériau (hémocompatibilité et cytotoxicité), leur capacité à inclure et libérer un composé modèle (la calcéine) libre ou encapsulé dans des liposomes. La dépendance de ces propriétés (gonflement, libération des composés solubles inclus) avec les paramètres du processus de préparation (quantité de réticulant, rapport ente les polymères utliisés, masse molaire du chitosane) est établie. Les études de cinétique de libération de la calcéine (incluse direment dans les hydrogels ou encapsulée dans les liposomes dispersés ensuite dans les hydrogels) prouve la pertinence de l'hypothèse de départ: quel que soit le type de réticulation employée pour la préparation des hydrogels, la libération de la calcéine à partir des systèmes complexes (hydrogel-liposomes-calcéine) est fortement retardée sans manifester de "burst effect". Le manuscrit conclut avec un chapitre de modélisation de la cinétique de libération à partir des systèmes employés. Etant données les applications potentielles de tels hydrogels sous forme de films pour traiter les affections de la peau, les résultats préliminaires de libération de lévofloxacine à partir d'un système transdermique qui simule les dermes humains sont montrés. / The main objective of the PhD thesis entitled “Complex polymeric biomaterials for modeling the drug release kinetics” was to bring contributions in modeling the release kinetics of active ingredients from polymer-drug systems, attempting to reduce the "burst effect"' and increase the release time. The basic idea of the thesis was, in a first stage, the encapsulation of the drug in liposomes -lipid vesicles capable of drug transport- and their subsequent inclusion in polymeric hydrogels in the rationale of creating two "barriers" in drug release process. First, obtained hydrogels are based on chitosan/gelatin and chitosan/poly(vinyl alcohol) partly covalently crosslinked with glutaraldehyde and dominantly ionically with anion sulfate or tripolyphosphate. A second category is based on chitosan hydrogels, alone or in combination with poly(vinyl alcohol), crosslinked with tannic acid through numerous hydrogen bonds. Hydrogels were characterized structurally, morphologically, in terms of the behavior in aqueous media and thermal stability, the qualities of biomaterial (hemocompatibility and cytotoxicity), the ability to include and release a model compound (calcein) free or encapsulated in liposomes. Dependence of properties (swelling, release of soluble compounds included) on the preparation process parameters (amount of crosslinker, polymers ratio used, chitosan molecular weight) is established. Performing calcein release kinetic studies (calcein included directly in hydrogels or encapsulated in liposomes subsequently dispersed in hydrogels) proves the correctness of the starting hypothesis: whatever type of crosslinking applied for the preparation of hydrogels, the release of calcein from complex systems (hydrogel-liposomes-calcein) is much delayed without manifesting practically "burst effect". The paper concludes with a chapter with modeling the release kinetics from the studied systems and with the Conclusions and Perspectives. Given the potential application of such hydrogels in the form of films for treating skin conditions, preliminary results of levofloxacin release from a transdermal system that simulates human dermis are shown.

La perméabilité de la peau ne permet pas la diffusion passive de grandes molécules, comme l'insuline ou encore les plasmides d'ADN, au travers de l'épiderme dans le but d'atteindre les vaisseaux sanguins. Cela est uniquement possible pour des molécules de plus petite taille comme la nicotine par exemple. Il existe différentes voies alternatives (électrique, mécanique, thermique) de délivrance transdermique permettant d'éviter l'utilisation de la seringue d'injection, qui pourraient améliorer la qualité de vie des patients atteints de maladies comme le diabète. Ces méthodes incluent par exemple les micro-aiguilles, l'électro-perméabilisation, et l'iontophorèse. L'électroperméabilisation permet, via l'application d'un champ électrique, d'augmenter momentanément la perméabilité de la peau et par conséquent de permettre le passage transdermique de molécules de haut poids moléculaire. L'objectif de ces travaux de thèse était de concevoir et de réaliser un patch nanocomposite à base de nanotubes de carbone permettant de stocker, mais également de relarguer un médicament lorsque qu'il est soumis à une électrostimulation. Pour ce faire, différents polymères ainsi que différentes techniques de mise en forme ont été explorées et développées pour permettre de démontrer la faisabilité de notre approche. Les études ont permis de proposer et de développer un hydrogel nanocomposite biocompatible comportant une matrice polymère agarose et contenant de nanotubes de carbone biparois dans le but d'améliorer les propriétés à la fois électriques et mécanique du matériau. Nous en avons étudié les différentes caractéristiques telles que la microstructure, la capacité de stockage et de relargage, ainsi que les propriétés électriques. Dans le contexte général de précaution en relation avec la mise en œuvre de nanoparticules, et sur la base de travaux antérieurs démontrant l'innocuité des nanotubes utilisés lorsqu'ils ne sont pas en contact direct avec des cellules. Nous avons aussi démontré qu'il n'y a pas de relargage des nanotubes dans des conditions extrêmes (sans électrostimulation) de température en milieu sueur artificielle. L'avancée de ces travaux a permis d'effectuer les premiers tests de délivrance transdermique ex-vivo sur peau de souris et a démontré ainsi la faisabilité et l'intérêt d'utiliser les nanotubes de carbones biparois dans une matrice en polymère pour la délivrance transdermique électrostimulée de molécules de masse molaire de l'ordre de celle de l'insuline. Cette thèse en co-direction alliant la Science des Matériaux (CIRIMAT) et la Science du Vivant (IPBS) a réuni différentes compétences lui donnant un véritable contexte interdisciplinaire. Elle s'est intégrée dans un projet de plus grande ampleur associant la Sociologie et le Droit (Défi Nano CNRS), centré sur le cas du diabète. Ceci a permis de démontrer l'intérêt de développer un tel dispositif (du point de vue des médecins et des patients), mais aussi en nous orientant vers un dispositif médical afin d'éviter de futurs écueils juridiques en termes d'application. / The permeability of skin does not allow the passive diffusion across epidermis to reach blood vessels for large molecular weight molecules such as insulin or DNA plasmids. This is possible only for small molecules such as nicotine, for example. Alternative routes of transdermal delivery exist (thermal, electrical, mechanical) that avoid injections and improve the quality of life of patients suffering of diseases like diabetes. These methods known as "Transdermal Drug Delivery" (TDD) technologies, include for example electroporation, iontophoresis and micro needles. In particular, electropermeabilisation is known to temporarily increase the permeability of the skin, consequently allowing transdermal passage of molecules of high molecular weight. The aim of this work was to conceive and elaborate an innovative needle-free device for transdermal drug delivery, made of a nanocomposite material containing carbon nanotubes to improve both electrical and mechanical properties of the biocompatible polymer matrix. This nanocomposite device aims at permeabilising the skin and delivering drug molecules simultaneously when electrically stimulated. To reach this goal, we investigated different biocompatible polymers and shaping processes, finally demonstrating the feasibility of the fabrication of such a device. We have developed a bio-sourced and biocompatible nanocomposite hydrogel with an agarose matrix and containing double-walled carbon nanotubes, and characterized it in terms of microstructure, storage and release capacity, as well as electrical properties. In the general context of precaution in relation to the implementation of nanoparticles, and on the basis of previous work demonstrating the safety of nanotubes used when they are not in direct contact with cells, we have also demonstrated that there is no release of the nanotubes under extreme conditions of temperature (without electrostimulation) in an artificial sweat medium. Finally, we have demonstrated the feasibility of its first use as a TDD system using an ex vivo mouse skin model. These results provide good evidence that the use of double-walled carbon nanotubes makes possible the transdermal delivery of large molecules with a molecular weight similar to insulin with such a nanomaterial. This thesis was in co-direction, combining Materials Science (CIRIMAT) and Life Science (IPBS) in order to gather different skills, giving it a real interdisciplinary context. Moreover, this work was integrated into a larger project (CNRS, "Nano challenge"), also including Sociology and Law, focusing on diabetes. This has demonstrated the actual demand for such a device from both the medical doctors and the patients, but also directed our work towards a medical device thanks from the juridical point of view.

Ce travail de thèse présente en détail la conception et le développement d'un actionneur microfluidique pour la distribution de fluide au travers d'une matrice de microaiguilles. Cet actionneur est un élément d'un projet de recherche européen, Angioskin, visant à réaliser le traitement d'une maladie de peau (le psoriasis) par injection d'ADN codant pour une protéine antiangiogénique. Le contexte médical de ce projet a imposé plusieurs contraintes sur les caractéristiques du système de distribution fluidique ; ce dernier doit permettre de manipuler de petites quantités de fluide tout en limitant les pertes, et assurer l'injection d'une quantité définie de produit de manière uniforme au travers d'une matrice de cent microaiguilles malgré des conditions d'injection variables. Enfin, il a aussi été nécessaire de s'assurer que les molécules d'ADN pouvaient circuler correctement, et surtout sans être dégradées, dans le microsystème afin de garder leurs propriétés thérapeutiques. Ce microsystème a été réalisé en PDMS, et est constitué d'un réseau de micro-réservoirs connectés par des canaux ainsi que plusieurs éléments de contrôle (valves, diode fluidique, résistance hydrodynamique). Ce système a fait l'objet d'un brevet européen (EP1852142).

Malgré le nombre important de spécialités pharmaceutiques mises sur le marché, certains patients hospitalisés ne peuvent bénéficier d’un traitement pour lequel aucun dosage et/ou forme pharmaceutique n’est disponible. Dans ce cas, la pharmacotechnie hospitalière peut être autorisée à formuler et contrôler des préparations.L’objectif de ces travaux a été de développer une forme transdermique semi-solide, à partir de véhicules prêts à l’emploi et contenant trois antiémétiques, pour traiter les nausées et vomissements chimio-induits. Pour ce faire, l’ondansétron, la dexaméthasone et l’aprépitant ont été formulés dans cinq véhicules commerciaux de composition liposomale (PLO®, Lipovan®, Pentravan® et Pentravan Plus®) ou phytosomale (Phytobase®). Après avoir protocolisé la formulation, un contrôle qualité a été réalisé sur chaque préparation finie. Il a essentiellement porté sur l’évaluation de la teneur en principes actifs dans les formulations et sur leur homogénéité. Dans ce but une méthode séparative utilisant la CLHP-UV et une méthode basée sur la PLS-UV ont été développées et validées selon les recommandations de la Société Française des Sciences Techniques et Pharmaceutiques pour doser simultanément les trois antiémétiques.Deux études in vitro ont ensuite été mises en œuvre sur des cellules de Franz. La première, menée à l’aide de membranes d’acétate de cellulose, a montré que le PLO® et le Pentravan Plus® sont les véhicules les plus performants pour libérer les trois principes actifs (PA) formulés séparément. La seconde visait à évaluer la perméation des mêmes PA à travers des épidermes de peau d’oreilles de cochon. Elle a mis en évidence les performances du Pentravan Plus® comme véhicule pour l’administration simultanée de l’ondansétron et de la dexaméthasone par voie transdermique. La perméation de l’aprépitant étant trop faible pour envisager son administration par voie transdermique, il n’a pas été intégré à la formulation finale. Différents promoteurs d’absorption ont été évalués afin d’améliorer le passage transcutanée : le tween 20 s’est révélé tout aussi performant que l’éthanol classiquement utilisé pour l’incorporation des PA dans ces véhicules. / Despite the high number of formulations available for a drug on the pharmaceutical market, it can arise that a patient needs a treatment for which none pharmaceutical form or dosage is available. In this case, pharmacy department of the hospital may have to prepare this form, in accordance with health agency.The goal of this work was to develop a semi-solid transdermic formulation from ready for use vehicle and containing three antiemetic drugs for the treatment of chemotherapy induced nausea and vomiting. Hence, ondansetron, dexamethasone and aprepitant have been formulated in five commercial vehicles of liposomal (PLO®, Lipovan®, Pentravan® and Pentravan Plus®) or phytosomal (Phytobase®) composition. After development of a formulation protocol, quality control was carried out on every finished preparation It focused on the evaluation of the content of active ingredients in formulations and their homogeneity. For this purpose a separation method using HPLC-UV and a method based on PLS-UV have been developed and validated according to the recommendations of the French Society of Pharmaceutical Science and Technology to assay the three antiemetics simultaneously.Two in vitro studies were then implemented on a Franz cell. The first, using cellulose acetate membranes, has shown that the PLO® and the Pentravan Plus® are the most efficient vehicles for releasing the three drugs formulated separately. The second one was performed to assess the permeation of the same drug through pig ears skin epidermis. It highlighted the performances of Pentravan Plus® as a vehicle for the simultaneous transdermal administration of ondansetron and dexamethasone. Nevertheless, as permeation of aprepitant is too poor to consider its transdermal administration, it has not been included in the final formulation. Different chemical enhancers were evaluated to improve the transcutaneous passage: tween 20 appeared to be as powerful as ethanol conventionally used for the incorporation of drugs in these vehicles.