Ce travail avait pour but de synthétiser et caractériser des copolymères amphiphiles à base de poly(éthylène glycol) (PEG) et de poly(acide lactique) (PLA) pour la confection de systèmes de délivrance de principes actifs (PA). Les polymères ont été choisis pour leur biocompatibilité et de leur biorésorbabilité. Plusieurs architectures de copolymères amphiphiles ont été créées et leur comportement auto-associatif en milieu aqueux ainsi que leur capacité à encapsuler des principes actifs ont été étudiés. Tout d'abord, un copolymère greffé a été synthétisé par copolymérisation d'un monomère fonctionnel, le glycolide monopropargylé, avec du L-lactide pour obtenir un squelette polyester fonctionnel sur lequel des branches hydrophiles de PEG ont été greffés avec plusieurs degrés de substitution. Ensuite, un copolymère peigne tribloc a été synthétisé à partir d'un bloc central PLA dont les extrémités de chaînes ont été modifiées pour permettre l'amorçage de la polymérisation de méthacrylate d'oligo(éthylène glycol) avec des taux de substitution variables. L'étude de l'auto-assemblage et de la capacité à encapsuler des PA a révélé que l'architecture et la balance hydrophile/hydrophobe sont des facteurs déterminants pour la nature des objets formés et leur potentiel d'encapsulation. Enfin, des stratégies de fonctionnalisation ont été mises en place afin d'augmenter et de moduler l'efficacité des PA encapsulés. Ceci est illustré par le couplage d'une molécule fluorescente modèle et, dans le cadre d'une collaboration, par la conjugaison d'un peptide immunostimulateur sur un système dibloc amphiphile. La comparaison à d'autres formulations a montré que le conjugué permettait de moduler et renforcer l'efficacité du PA utilisé. / The objective of this work was to synthesize and characterize amphiphilic copolymers based on poly(ethylene glycol) (PEG) and poly(lactic acid) (PLA) intended for drug delivery applications. The polymers were chosen regarding to their biocompatibility and bioresorbability. Different architectures of amphiphilic copolymers were prepared, and their behavior in aqueous media, as well as their abilities to encapsulate drugs were studied. First, a graft copolymer was synthesized through copolymerization of a functional monomer, monopropargylated glycolide, with L-lactide to yield a functionalized polyester backbone. The latter was then grafted with different densities of hydrophilic branches of PEG. Then, a brush-like triblock copolymer was synthesized through ROP and ATRP. To this end, chain ends of a telechelic block of PLA were modified to yield a macroinitiator able to initiate oligo(ethylene glycol) methacrylate polymerization with variable substitution degrees. Self-assembly and drug loading studies revealed that architecture and hydrophobic/hydrophilic balance played a major role on the nature of the formed objects and on their encapsulation potential. Finally, to modulate and increase the efficacy of encapsulated drugs, functionalization strategies were realized. This is illustrated by the linking of a fluorescent model molecule on a triblock brush-like copolymer and, in a collaboration project, the linking of an immunostimulant peptide on an amphiphilic diblock system. Comparison with other formulations revealed that the conjugate allowed modulating and reinforcing the drug's efficacy.

In der vorliegenden Arbeit werden off-lattice Monte-Carlo-Simulationen von Systemen einfacher Tensidmodelle präsentiert. Die verwendeten Modellmoleküle bestehen aus einem hydrophilen Kopfsegment und zwei hydrophoben Kettensegmenten. Zwischen den Segmenten wurden square-well-Wechselwirkungen benutzt, um den Hydrophoben Effekt und andere Wechselwirkungen zu simulieren. Die Aggregation der Tensidmodelle wurde im Lösungsvolumen und an Feststoffoberflächen untersucht. In der Lösung wurden Kugelmicellen, Wurmmicellen, Bischichten und Vesikel beobachtet. Die Struktur der Aggregate wird bei der Adsorption an Feststoffoberflächen mit niedriger oder mittlerer Adsorptionsenergie nicht grundlegend verändert. An Oberflächen wurden in Abhängigkeit vom Verhältnis der Adsorptionsenergie zur Stärke des Hydrophoben Effektes verschiedene Strukturen der adsorbierten Schichten beobachtet. Eigenschaften der adsorbierten Aggregate wurden bei unterschiedlichen Oberflächenkonzentrationen ermittelt.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cancer is not only difficult to treat but the patients also suffer from the pain associated with anticancer treatments. Targeted chemotherapeutics can reduce the adverse effects by reducing the dose required for tumor cell kill. Cancers of various origins often have characteristic marker molecules that distinguish them from the normal tissues. Folate receptors are such marker molecules present in ovarian and cervical cancers. The hypothesis for the current study is that amphiphiles constructed out of folic acid, the natural ligand for the folate receptor, can deliver paclitaxel, a chemotherapeutic compound, to folate receptor expressing cancer cells. To test this hypothesis, amphiphilic molecules were synthesized out of folic acid and fatty acids or long chain aliphatic amines. The gamma carboxylic group of folic acid was converted to an N-alkyl substituted amide. The alkyl group had various chain lengths varying from eleven methylene groups to seventeen methylene groups giving rise to a number of amphiphiles. The amphiphiles formed micelles in aqueous solutions. The critical micellization concentrations of the amphiphiles were measured by pyrene fluorescence and were found to be in the range of 10–70μM. HeLa and Caco-2 cells were taken as in vitro tumor models. Folate receptor expression was verified in HeLa and Caco-2 cells by western blot analysis. HeLa showed more than forty fold expression of the receptor when compared to Caco-2 and was chosen as receptor positive cell line while Caco-2 served as a negative control. Uptake of the folate labeled delivery system in the cell lines was tested by a fluorescent probe (aminocoumarin) labeled amphiphile. To test the specificity of the delivery system towards the receptor positive HeLa cells, the receptors were knocked down (70%) by folate receptor specific siRNA. Fluorescent amphiphile uptake in the knockdown cells was comparable to that of the negative control, Caco-2. Finally cytotoxicity studies were performed for paclitaxel formulated with the folate labeled amphiphiles and compared to free drug treatment in HeLa and Caco-2. IC50 values in HeLa for formulations with the folate labeled amphiphiles were ten folds less than those observed for free drug treatment whereas in Caco-2 no significant difference was noted.

Nous avons étudié l'utilisation du phénomène de ségrégation de surface afin de fonctionnaliser des matériaux polystyrène (PS). L'incorporation d'un additif copolymère à blocs est réalisée dans une matrice d'homopolymère de polystyrène sous forme de film ou de particule. Quand les mélanges sont recuits dans un environnement humide le copolymère amphiphile migre à la surface pour réduire la tension de surface du matériau. Nous avons synthétisé au laboratoire trois copolymères à blocs de nature chimique différente: le PS-b-PAA (polyacide acrylique), le PS-b-PGA (polyacide glutamique) et le PS-b-PDMA (polyméthacrylate de diméthylaminoéthyle). Ces copolymères nous permettrons d’accéder à des comportements superficiels variés. Les films sont réalisés par spin-coating et les particules par polymérisation par précipitation. Ces matériaux sont ensuite caractérisés par mesure de l'angle de contact, par XPS, AFM, etc…, afin de déterminer leur fonctionnalité et leur structuration en surface. / We describe the use of surface segregation to functionalize the surface of polymeric materials. The incorporation of an additive (amphiphilic block copolymer) in a homopolymer host initially leads to its homogeneous distribution within the matrix. When annealed, directed by the decrease of the surface free energy, the surface is enriched on the additive. In our laboratory, polystyrene thin films and particles were functionalized by following this approach. We employed amphiphilic block copolymers composed of one PS block to compatibilize with the homopolymer matrix, and a second block which will bring the desired function at the surface. Thus, PS-b-poly(acrylic acid), PS-b-poly(L-glutamic acid) or PS-b-poly(L-Lysine) afford pH sensitivity and PS-b-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) gives pH and thermo sensitivity. Contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, zeta potential measurement or scanning electron microscopy were carried out to characterize the materials and their responsive behavior.

Les poly(3-hydroxyalcanoate)s ou PHAs sont des biopolyesters linéaires biodégradables et biocompatibles synthétisés par des microorganismes bactériens en tant que réserve de carbone et d'énergie. Ils sont synthétisés par des bactéries à partir de ressources renouvelables et la diversité de leurs structures possibles se traduit par un large éventail de polymères ayant des propriétés mécaniques très différentes. Nous avons tout d'abord testé les capacités de production de PHAs de nouvelles souches bactériennes marines provenant de tapis microbiens de Polynésie française, en utilisant, entre autres, des substrats naturels comme l'huile de coprah, le glucose et l'acide oléique. Nous avons notamment montré que la souche Pseudomonas guezennei est capable de produire des PHAs avec des taux d'insaturation contrôlés et de masse molaire très élevée. Puis, des oligomères de PHAs fonctionnalisés de structures contrôlées portant des fonctions terminales alcynes ou alcènes ont été préparés par transestérification. Ces oligomères ont ensuite été utilisés pour l'élaboration par chimie click de copolymères amphiphiles greffés EPS-g-PHA avec des exopolysaccharides (EPS) bactériens. Enfin la dernière partie de ces travaux a consisté en la réalisation d'un support de croissance pour le développement de cellules souches pour l'ingénierie tissulaire combinant les propriétés mécaniques des PHAs et les propriétés hydrophiles et bioactives des EPS / Poly(3-hydroxyalkanoate)s, or PHAs, are linear biodegradable and biocompatible biopolyesters synthesized by bacterial microorganisms as energy and carbon supply. They are synthesized by bacteria from renewable resources and the diversity of the achievable structures leads to a large range of mechanical properties. First, we studied the PHAs production ability of several new marine bacteria strains, isolated from microbial mats from French Polynesia, using, among others, natural substrates such as coprah oil, glucose and oleic acid. We showed particularly that the strain Pseudomonas guezennei was able to produce PHAs with controlled amounts of insaturations and high molar masses. Then, we prepared functionalized PHAs oligomers with controlled structure and bearing a terminal alkyne or alkene function. Following that, these oligomers were used to elaborate amphiphilic by click chemistry graft copolymers EPS-g-PHA with bacterial exopolysaccharide (EPS). Finally, the last part of this work was the making of a scaffold for stem cell culture for tissue engineering which combined the mechanical properties of PHAs and the hydrophilicity and bioactive properties of EPS

In der vorliegenden Arbeit wurden drei unabhängige Problemfelder moderner biophysikalischer und materialwissenschaftlicher Forschung untersucht: Diffusion in binären Legierungen, der Umbauprozess in trabekulärem Knochen und die Voraussage mechanischer Eigenschaften, insbesonders der Biegesteifigkeit, selbstorganisierender, amphiphiler Membrane. Für alle drei Problemfelder wurden Gittermodelle gewählt, um ausgesuchte Fragestellungen zu untersuchen. Für den Fall der Diffusion in Legierungen war dies, inwieweit sich der Diffusionprozess, der sich auf atomarer Ebene als diskrete Platztäusche zwischen Atomen und Leerstellen manifestiert, auf einer größeren, makroskopischen, Ebene mit Hilfe einer kontinuumstheoretischen Theorie beschreiben lässt. Im Fall der Beschreibung des Umbauprozesses in in trabekulärem Knochen wurde die die spongiöse Architektur des Knochens auf ein Gitter abgebildet und mittels einer vereinfachten mechanischen Beschreibung die lokale Belastung in jedem Knochenelement bestimmt. Die zeitliche Entwicklung des Systems wurde mittels eines stochastischen Umbaugesetzes gesteuert, das die Wahrscheinlichkeit für Knochenan- bzw. -abbau als Funktion der lokalen Volumenänderung vorgab. Es wurde gezeigt, dass ein nicht-lineares Umbaugesetz bessere Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zeigt, als ein rein lineares. Weiters wurde das Krankheitsbild der Osteoporose untersucht und es konnte eine Unterscheidung zwischen einem normalen Alterungsprozess der Knochenstruktur und einer krankhaften Veränderung gezogen werden. Um die mechanischen Eigenschaften selbstorganisierender Membrane zu bestimmen, wurden linear elastische Federkräfte zwischen benachbarten Molekülen angenommen. Die volle elastische Matrix und daraus die gewünschten Eigenschaften wurden für unterschiedliche Zusammensetzungen der Membrane bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Biegesteifigkeit solcher Membrane in einem begrenzten Konzentrationsbereich um mehrere Größenordnungen variieren kann. / This thesis presents the results of investigations on three independent research topics of modern biophysical and materials science research: substitutional diffusion in binary alloys, the remodelling process in trabecular bone and the prediction of mechanical properties of self assembling, amphiphilic bilayers. The basic description of all three projects is based on lattice models, a highly successful class of models that are used in several fields of modern physics to describe physical processes. For the diffusional process in alloys, which on a microscopic scale manifests in a discrete site exchange between one atom and a neighbouring vacancy, it was investigated how this microscopic description can be reconciled with a macroscopic continuum model. For the investigations on remodelling of trabecular bone, the architecture of bone was mapped onto a lattice and the local mechanical state of each element was determined by a simplified mechanical model. A stochastic description was chosen to model the time evolution of the system, relating the probability of bone formation and resorption, respectively, to the local volume changes of the bone elements. It was shown that a non-linear remodelling law is a better candidate to describe the remodelling process in real bone than a linear one. Furthermore, applying the model to osteoporosis - a wide spread bone disease - it was shown that in the features attributed to osteoporosis one has to distinguish between normal ageing of bone''s architecture and additional changes that stem from pathological alterations in the regulatory system. A simple concept was introduced to model the mechanical properties of self-assembled membranes. The molecules forming the membrane are assumed to occupy a triangular lattice, nearest neighbours are connected by linear elastic springs. It was shown that the bending rigidity exhibits a pronounced concentration dependence, varying over orders of magnitude in a narrow concentration regime.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes emprisonnés dans une matrice de polymères organiques extracellulaires (EPS) permettant de stabiliser ces édifices tridimensionnels. La cohésion des EPS polyanioniques dans un environnement hydraté est assurée par des microdomaines hydrophobes. La localisation de ces sites hydrophobes est très importante pour comprendre la variabilité ainsi que la réactivité des EPS. Notre travail vise la synthèse de nouvelles sondes fluorescentes hydrophiles ou amphiphiles capables de marquer les EPS. Dans ce but, nous avons synthétisé une série de nanocristaux fluorescents à coeur CdSe, appelés Quantum Dots (QDs), modifiés à leur périphérie par des ligands hydrophiles (acide 3-mercaptopropionic) ou amphiphiles (acide dihydrolipoique couplé à des acides aminés hydrophobes tels que la Leucine ou la Phénylalanine). Par microscopie confocale de fluorescence et spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), nous avons montré que les QDs fonctionnalisés s'associaient fortement aux EPS des biofilms de la bactérie S. oneidensis. La distribution de ces nanoparticules dans les EPS est dépendante de la structure du ligand et de sa densité à la périphérie des QDs. Une dispersion homogène des QDs hydrophiles dans l'ensemble du biofilm et une clusterisation des QDs amphiphiles dans des microdomaines hydrophobes ont notamment été observés. Les nouvelles sondes fluorescentes développées dans ce travail permettront de suivre le développement ainsi que la réorganisation de matrices biologiques complexes telles que les biofilms. / Microorganisms predominantly live in communities, such as biofilms, in which extracellular polymeric substances (EPS) form the matrix and stabilize the three-dimensional structure. Hydrophobic microdomains allow the cohesiveness of these hydrophilic, polyanionic systems. The localization of these hydrophobic sites is very important to understand the variability and the reactivity of the EPS. The objective of our work was to engineer new fluorescent probes with amphiphilic or hydrophilic properties able to label the EPS. For that purpose, we have synthesized a series of fluorescent CdSe-core nanocrystals, also called Quantum Dots (QDs), modified at their periphery with hydrophilic (3-mercaptopropionic acid) or amphiphilic ligands (dihydrolipoic acid coupled to hydrophobic aminoacids like Leucine or Phenylalanine). Using confocal fluorescence microscopy and fluorescence correlation spectroscopy (FCS), we demonstrated that the functionalized QDs strongly associated with the EPS of S. oneidensis biofilms and allow imaging of these microbial communities. The location of these probes within the EPS was dependent on the surface ligand structure and on its density at the periphery of QDs. A homogeneous dispersion of hydrophilic QDs in the whole biofilm was observed, while amphiphilic QDs clusterized in the small hydrophobic domains. These new fluorescent probes will be of great use to understand the development and the reorganization of complex biological matrix like biofilms.

Les organismes vivants produisent des peptides antimicrobiens (PAMs) pour se protéger contre les microbes. La résistance croissante aux antibiotiques nécessite le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques et les PAMs sont des candidats prometteurs pour résoudre ce problème. Ils possèdent une activité à large spectre et leur principal mécanisme d'action par perméation de la membrane engendre peu de phénomènes de résistance. Néanmoins, leur faible biodisponibilité empêche leur utilisation. Certaines limitations peuvent être surmontées en développant des mîmes de PAMs qui conservent leur activité mais avec un potentiel thérapeutique accru. Les peptoïdes (oligomères de N-alkylglycine) structurés en hélice cationique amphiphile sont de bons mimes de PAMs. Les peptoïdes sont plus flexibles que les peptides en raison de l'isomérie cis/trans des amides N,N-disubstitués ; cependant la conformation des amides peut être contrôlée par un choix judicieux des chaînes latérales. Le but de cette thèse est d'étudier l'influence de chaînes latérales(hydrophobes ou cationiques) bloquant la conformation des amides en cis et induisant une structure hélicoïdale de type PolyProline I (PPI) robuste, sur l’activité antibactérienne et la sélectivité de peptoïdes. La conception, la synthèse et l’étude conformationnelle de nouveaux oligomères peptoïdes cationiques portant des chaînes latérales de type tert-butyle et/ou triazolium ont été réalisées. Dans un premier temps, la synthèse en solution d'oligomères à base de tert-butyle a été développée puis une stratégie de synthèse en phase solide a été mise en place pour accéder aux oligomères à base de 1,2,3-triazolium. Ensuite, ces nouveaux oligomères ont été évalués pour leur activité vis à vis d’un panel de bactéries Gram-positive et Gram-négative, leur l'activité antibiofilm et leur sélectivité cellulaire. Enfin, pour visualiser les effets des peptoïdes amphiphiles sur les bactéries, une étude de microscopie a été réalisée. / Living organisms produce antimicrobial peptides (AMPs) to protect themselves against microbes.The growing problem of antimicrobial resistance calls for new therapeutic strategies and the natural AMPs have shown ground-breaking potential to address that issue. They show broad-spectrum activity and their main mechanism of action by bacterial cell membrane disruption implies low emergence of resistance which makes them potent candidates for replacing conventional antibiotics. Nevertheless, few hurdles are impeding their use, notably poor bioavailability profile. Some of these limitations can be overcome by developing peptidomimetics of AMPs which exhibit antibacterial activities together with enhanced therapeutic potential. Peptoids (i.e. N-alkyl glycine oligomers) adopting cationic amphipathic helical structures are mostly competent AMP mimetics. From a conformational point of view, peptoids are fundamentally more flexible than peptides primarily due to the cis/trans isomerism of N,N-disubstituted amides but studies in this area have shown that cis amide conformation can be controlled by careful choice of side-chain to set a PolyProline I-type helical structure of peptoids. In this thesis, the genesis of novel amphipathic cationic peptoids carrying cis-directing tert-butyl and/or triazolium-type side-chains and their untapped potential to act against bacteria will be discussed comprehensively. First, the solutionphase synthesis of tert-butyl-based oligomers was developed. Second, novel method of solid-phase submonomer synthesis was optimised to access 1,2,3-triazolium-based oligomers. Then, the synthesised cationic oligomers were evaluated for their antibacterial potential, followed by antibiofilm activity and cell selectivity assays. In the end, to have insights on the mode of action of amphipathic peptoids, microscopy was carried out.