Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. 279-312. Publié aussi en version électronique.

Les polymères biomimétiques incorporant des groupes zwitterioniques mimant la phosphatidylcholine, comme par exemple la phosphobétaïne, la sulfobétaïne ou encore la carboxybétaïne, ont reçu une attention grandissante pour une utilisation dans la prochaine génération de matériaux en contact avec le sang, grâce à leur excellentes propriétés anti-bioadhésives. Le poly(methacrylate de sulfobétaïne) (polySBMA), avec un squelette methacrylate et un analogue de la taurine bétaïne (CH2CH2N+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-) comme groupe pendant, est de loin le polymère le plus étudié en raison de sa relative facilité de préparation. Il est maintenant admis que les brosses polymères recouvrant une surface de groupes zwitterioniques permettent l'obtention d'une surface résistance à l'adsorption de biocomposants, permettant d'envisager une application potentielle pour des matériaux mis en contact du sang, comme les implants par exemple. Dans cette thèse, la nouvelle fonctionnalisation de copolymères dérivés du sulfobétaïne et leurs potentielles applications sont développées et étudiées.Dans une première partie, des copolymères diblocs « schizophréniques » contenant des blocs nonioniques et zwittérioniques ont été préparés pour différentes masses molaires via la polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP : atom-transfer radical polymerization). Dans ce travail nous présentons une étude systématique de la relation entre la conformation des chaînes copolymères en solution et leur impact sur l'hémocompatibilité dans une solution de sang humain. Le comportement « schizophrénique » de copolymères PNIPAAm-b-PSBMA a été observé par RMN 1H, diffusion dynamique de la lumière et turbidité, démontrant ainsi une double transition morphologique avec à la fois une LCST (lower critical solution temperature) et une UCST (upper critical solution temperature) en solution aqueuse. En dessous de l'UCST du bloc PSBMA, des micelles sont obtenues avec un cœur insoluble de PSBMA entouré d'une écorce soluble de PNIPAAm alors que la structure inverse est observée au-dessus de la LCST du bloc PNIPAAm. Entre l'UCST et la LCST, des unimères parfaitement solubles ont été détectés. La taille hydrodynamique des copolymères et des homopolymères correspondants a également permise de corréler directement la morphologie micellaire avec la compatibilité avec du sang humain. L'adsorption isolée de fibrinogènes humains sur le copolymère à bloc a été étudiée par DLS pour déterminer la stabilité de la résistance à la bio-adhésion d'une suspension de copolymères. Le PNIPAAm-b-PSBMA a démontré une activité anti-coagulante et anti-hémolytique extrêmement élevées sur une large gamme de température allant de 4 à 40°C. La non-dépendance de la biocompatibilité à la température, associée au comportement schizophrénique en solution aqueuse, nous a amené à réfléchir à d'éventuelles applications.Dans la seconde partie de ce manuscrit, des copolymères diblocs « intelligents » contenant des blocs ioniques et zwittérioniques ont été préparés par polymérisation radicalaire contrôlée de type RAFT (reversible the addition-fragmentation chain transfer). Dans ce travail, nous présentons une étude systématique sur la formation d'un nouveau vecteur d'ADN à partir d'un coeur polyplexe ADN/ poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), recouvert, via des interactions électrostatiques, de copolymères poly(acide acrylique)-block-poly(méthacrylate de sulfobétaïne) (PAA-b-PSBMA). Son impact sur l'hémocompatibilité ainsi que sur l'efficacité de la transfection de gènes ont été vérifiés, en prenant comme référence des polyplexes formés à partir de polyethyleneimine (Pei). La capacité d'interaction des plasmides ADN avec le Pei, PDMAEMA, et PAA-b-PSBMA a été évaluée par « ethidium bromide displacement assays » et « agarose gel retardation assays » en fixant le rapport en atomes d'azote de polymère par atomes de phosphore des nucléotides (rapport N/P) ainsi que le pH de la solution. La mesure du temps de coagulati / Biomimetic polymers containing zwitterionic structures poly(sulfobetaine methacrylate) (polySBMA) has become the most widely studied zwitterionic polymer due to its easy of synthetic preparation. It is now recognized that grafted dense polymer brushes, composed of zwitterionic polySBMA, formed an effective and stable nonfouling surface, potentially enabling the practical use in human blood-contacting devices and implants. In this dissertation, the new functionalization of zwitterionic sulfobetaine-based copolymers and their potential biomedical applications was developed and investigated. In the first part of the dissertation, “schizophrenic” diblock copolymers containing nonionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via the atom-transfer radical polymerization (ATRP). In this work, we demonstrate a systematic study of how morphological changes of poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PNIPAAm-b- PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in the human blood solution. The “schizophrenic” behavior of PNIPAAm-b-PSBMA was observed by 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR), dynamic light scattering (DLS), and turbidity measurement with double morphological transition, exhibiting both lower critical solution temperature (LCST) and upper critical solution temperature (UCST) in aqueous solution. Human fibrinogen adsorption onto the PNIPAAm-b-PSBMA copolymers from single-protein solutions was measured by DLS to determine the nonfouling stability of copolymer suspension. The new nonfouling nature of PNIPAAm-b-PSBMA copolymers was demonstrated to show an extremely high anticoagulant activity and antihemolytic activity in human blood over a wide range of explored temperatures from 4 ºC to 40 ºC and suggests their potential in blood-contacting applications.In the second part of the dissertation, “intelligent” diblock copolymers containing ionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via reversible the addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. In this work, we demonstrate a systematic study of how zwitterionic shielding on a new self-assembled cargo of plasmid DNA/poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) polyplexes conjugated with poly(acrylic acid)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PAA-b-PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in human blood solution and gene transfection onto target cells. The carrier stability, cell toxicity, hemocompatibility, and gene transfection efficiency of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes was investigated as compared with DNA/polyethyleneimine (PEI)/PAA-b-PSBMA. Hemocompatibility of the prepared polyplexes was evaluated by the anticoagulant activity of the blood coagulant determined by testing the plasma-clotting time and the antihemolytic activity in human blood by measuring red blood-cell hemolysis. The pH-dependent gene transfection of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes, along with their stimuli-responsive behavior, suggests their potential in blood-contacting gene delivery applications.In the final part of the dissertation, ionic/zwitterionic PAA-b-PSBMA diblock copolymer was extended to prepare anti-fouling poly(ether imide) membranes with well-controlled nano-pore structures and water flux via layer-by-layer self-assembled coating process. The surface charge property of the prepared membrane can be regulated by PEI/PAA ratios. Low protein-fouling membrane surfaces from BSA and fibrinogen solution with respect to uncoated membrane surfaces are achieved with optimized block ratio of PAA and PSBMA. Thus, positively charged membranes, coated with zwitterionic copolymers containing anionic groups via charge-driven, are ideal for highly resisting protein adsorption if the membrane surface density of the zwitterionic groups is controlled to a high-level densities.

La reconstruction de la cornée in vitro fait l'objet de plusieurs études depuis quelques années. Cependant, la majorité des travaux utilisent des biomatériaux et des cellules animales ou humaines immortalisées. De plus, plusieurs des cornées ne sont que partiellement reconstruites, c'est-à-dire quelles ne possèdent qu'une ou deux des trois populations de cellules qui composent normalement une cornée. Un modèle de cornée reconstruite ressemblant davantage à une cornée native pourrait être très utile pour des études in vitro comme des tests pharmacologiques et toxicologiques. De plus, ces cornées reconstruites pourraient être utilisées comme tissu de remplacement in vivo. Pour ces raisons, une cornée complète, reconstruite par la méthode d'autoassemblage, a été produite en utilisant des cellules humaines non transformées et ce, sans ajout de matériel exogène. Les cornées reconstruites par cette méthode ont une structure histologique similaire à celle d'une cornée humaine native. L'épithélium pluristratifié et bien différencié possède des cellules basales et suprabasales clairement définies. Les kératines épithéliales sont correctement exprimées. L'endothélium, disposé en monocouche, exprime la protéine de transport Na+/K+-ATPase. Les composants des membranes basilaires ont également été identifiés à la jonction entre l'épithélium et le stroma des cornées reconstruites en laboratoire.

Les trois dernières décennies ont vu l’émergence de l’électronique organique ainsi que son établissement en tant que domaine scientifique interdisciplinaire et dans notre vie quotidienne. On dénombre actuellement deux défis scientifiques majeurs dans ce domaine. Le premier est de s’attacher à augmenter l’efficacité des dispositifs par l’utilisation de nouveaux matériaux, plutôt le deuxième consiste en l’intégration de fonctionnalités multiples un seul dispositif. Atteindre ces objectifs nécessite la compréhension des mécanismes fondamentaux de la physico-chimie, gouvernants les propriétés de base de l’électronique organique tels l’injection ou le transfert de charge et le transport. Ces travaux de thèse rapport le développement de systèmes complexes, auto assemblés, dont les propriétés électriques et optiques au sein de dispositifs organo-électroniques peuvent être modulées en réponse aux stimuli extérieurs. Ce but a été obtenu par le développement des briques élémentaires et par l’étude de leurs propriétés physico-chimiques afin de modéliser tous les mécanismes impliqués. / In the last three decades Organic Electronics emerged and established itself as an interdisciplinary field of science and as part of our daily life. Presently, the greatest scientific challenges in this field of research are two: the former relies on the improvement of devices efficiency which can be accomplished by using new materials, whereas the latter consist in the integration of multiple functionalities in a single device. To accomplish these goals one needs to develop a deep understanding on the fundamental physical-chemistry ruling the properties which are on the basis of organic electronics such as charge injection, charge transfer and transport. This PhD project reports the developing of efficient multicomponent electroactive self-assembled systems whose electro- and optical properties can be modulated, in devices, as a response to multiple external and independent stimuli. This goal has been achieved by engineering of the proper building blocks and the study of the the physico-chemical properties to be able to model all the mechanisms involved.

Thèse doctorat : Chimie-Physique : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 82-89. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Nous nous sommes inspirés des solutions élégantes que la Nature propose, concernant le contrôle et l’optimisation de réactions spécifiques, pour présenter une tentative d’imitation des interfaces biocatalytiques au niveau de nanotubes. Des brosses de nanotubes auto-assemblés à l’aide d’un composé enzymatique, la bêta-lactamase, ont été préparées via des techniques de nanofabrication comme le «layer-by-layer» et le «hard templating».En premier lieu, les effets de confinement géométriques et ses conséquences ont été étudiés et comparés pour des assemblages de films de chitosan/bêta-lactamase sur des surfaces planes et au sein de membranes nanoporeuses.Ensuite, des nanotubes de polyélectrolytes de dimensions contrôlées ont été préparés dans des membranes nanoporeuses puis ancrés sur une surface par couplage chimique pour obtenir des brosses de nanotubes. Des études cinétiques révèlent la présence d’enzymes actives dans ces brosses et une amélioration de la préservation de l’activité quand la bêta-lactamase a été déposée dans les couches intérieures des nanotubes.Enfin, une variété de couches thermo-sensibles avec différentes architectures a été testée pour contrôler la diffusion du substrat sur les films multicouches de bêta-lactamase. L’intégration d’éléments thermo-sensibles stables a été prouvée. Mais des expériences complémentaires avec des mécanismes plus complexes tels que le couplage des réponses thermiques et mécaniques sont nécessaires pour contrôler la biocatalyse impliquant des couches supplémentaires.En résumé, cette étude présente des éléments ouvrant la voie à l’intégration de techniques pour la fabrication de nanostructures complexes pour la biocatalyse. / Inspired by the elegant solutions that Nature has provided to control and promote specific site-reactions, my work presents an attempt to mimic filamentous biocatalytic interfaces. Brushes of self-assembled nanotubes with an enzymatic component (beta-lactamase) were prepared taking advantage of preexisting nanofabrication techniques, such as layer-by-layer and hard-templating.First, the effects of geometrical confinement and its consequences were investigated by comparison of (chitosan/beta-lactamase) multilayer film assembly on flat surfaces and in nanoporous membranes. In a second stage, polyelectrolyte nanotubes with controlled dimensions were prepared in nanoporous membranes and further anchored on a surface by chemical crosslinking to obtain brushes of nanotubes. The kinetic studies revealed the presence of active enzyme in the brushes and enhanced activity preservation when beta-lactamase was deposited as the inner layers of the nanotubes.As a final step, a variety of thermo-responsive coatings with different architectures were tested to control substrate diffusion on top of beta-lactamase-based multilayer films. The integration of stable thermo-responsive elements was proven, although further experiments are required to control biocatalysis with additional layers and using more complex mechanisms, such as coupled thermal and mechanical responses. Knowing that there are more challenges to face before reaching optimum nanotube brushes and apply them for controlled biocatalysis, this study contributes with some elements that may pave the way towards the integration of different techniques for the fabrication of complex biocatalytic nanostructures.

Le norovirus est le virus de la gastroentérite virale aiguë chez les humains et les animaux. Chaque année, il est responsable de la mort de près de 220 000 personnes et un coût de près de 65 milliards d’euros.C’est un petit virus à ARN simple brin de polarité positive. Sa capside icosaédrique est composée de 90 dimères d’une seule protéine structurale (VP1) à deux domaines : le domaine de spicule (P) exposé à l’environnement biologique, et le domaine shell (S) qui est le module d’assemblage de la capside. Un intermédiaire d'assemblage serait le pentamère de dimères, mais expérimentalement c'est un intermédiaire de 10-11 dimères qui a été rapporté.En utilisant des approches computationnelles (modélisation par homologie, recuit simulé, simulation de dynamique moléculaire avec des systèmes tout atomes ou en gros grains) nous cherchons à déterminer les bases moléculaires de l’assemblage de la capside des norovirus.Nos résultats sur la brique d’assemblage de la capside (dimère de VP1) indiquent la présence d’une asymétrie pouvant avoir un rôle dans les premières étapes d’autoassemblage, que nous confirmons expérimentalement par SAXS.Nos résultats sur de plus gros assemblages (pentamère et hexamère de dimère) révèlent également une rupture de symétrie dans le pentamère de dimère, laissant une position privilégiée pour l’insertion d’un dimère supplémentaire et favorisant une croissance anisotropique.Nous complétons et précisons ainsi le modèle d’assemblage initialement publié par notre équipe en 2013. / Noroviruses are the leading cause of acute viral gastroenteritis in humans and animas. Each year, they are responsible for 220 000 deaths and cost close to 65 billion euros.It’s a small single-stranded positive sense RNA virus. The capsid is composed of 90 dimers of a single structural protein (VP1) which consists of two main domains: the protruding domain (P) exposed to the biological environment, and the shell domain (S) which is the assembly module of the capsid .Using computational approaches such as homology modelling, simulated annealing, molecular dynamic simulations in all atoms and coarse grains systems, we are looking to determine the molecular basis of norovirus capsid assembly.Our results on the capsid assembly brick (dimer of VP1) indicate the presence of an asymmetry that can have a role in the first stages of self-assembly, which we confirm experimentally by SAXS.Our results on larger VP1 assemblages (pentamer and hexamer of dimers) also reveal a disruption of symmetry in the pentamer of dimer, leaving a preferred position for the insertion of an additional dimer and promoting anisotropic growth.We complete and specify the assembly model originally published by our team in 2013.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Le présent mémoire propose une étude sur la caractérisation biophysique et in vivo de peptides formant des canaux ioniques artificiels nommés LS2 et LS3. Ces molécules servant de modèles ont d'abord été mises au point par DeGrado et al en 1988, pour être ensuite caractérisées et modélisées jusqu'en 2007. Nous nous appuyons donc sur ces travaux ainsi que sur des études antérieures effectuées au sein de notre laboratoire pour éclaircir davantage les phénomènes d'auto-assemblage propres à ces peptides modèles. La première partie introduit le sujet des nanostructures peptidiques et la problématique de l'auto-assemblage à l'aide de plusieurs exemples tirés de la littérature récente. Les chapitres 1 et 2 traitent, dans un premier temps, des canaux ioniques naturels et offrent une analyse des éléments structuraux qu'ils partagent. Par la suite, une analyse des critères visés pour la création d'un canal ionique modèle est offerte. Celle-ci est suivie d'une présentation détaillée de LS2 et LS3. Le troisième chapitre présente la synthèse d'analogues fluorescents destinés aux caractérisations biophysiques et in vivo. Les chapitres 4 et 5 se consacrent aux études de dichroïsme circulaire et d'incorporation transmembranaire en infrarouge, respectivement. Le dernier chapitre présente les études de localisation in vivo réalisées avec les analogues fluorescents que nous avons synthétisés.

L'hydrolyse enzymatique de la P-lactoglobuline (p-lg) par la trypsine permet la libération de différents peptides dont plusieurs possèdent des propriétés fonctionnelles et bioactives. Un phénomène d'agrégation inattendu a été observé durant la concentration par osmose inverse (01) d'un hydrolysat trypsique de P-lg. Des travaux récents démontrent qu'un peptide particulier, le peptide B-lg fl-8, initie l'agrégation observée dans l'hydrolysat de /?-lg floculé via le phénomène d'auto-assemblage peptidique. L'auto-assemblage peptidique est un type particulier d'agrégation selon lequel des peptides polymérisent spontanément ensemble afin de former des nanostructures bien définies comme des nanotubes, des nanofibres et des hydrogels. Le but de cette étude était d'étudier les interactions moléculaires impliquées dans le phénomène d'auto-assemblage du peptide /?-lg fl-8, d'une part en étudiant les conditions physico-chimiques qui déclenchent l'auto-assemblage et la formation de nanofibres et d'hydrogels et, d'autre part, en étudiant l'impact de la séquence d'acides aminés sur l'auto-assemblage. Les résultats ont d'abord démontré que l'auto-assemblage du peptide B-lg fl-8 était régi par les conditions de pH et par la concentration en peptide et que la force ionique ainsi que la température n'influençaient pas l'auto-assemblage. Les résultats ont aussi démontré que plusieurs interactions moléculaires (hydrophobes, électrostatiques, liens hydrogène) étaient impliquées dans l'auto-assemblage en feuillets P du peptide B-lg fl-8. Plus précisément, il a été démontré que l'extrémité hydrophobe du peptide était essentielle pour déclencher l'auto-assemblage en feuillets P et que les interactions électrostatiques provenant de l'extrémité hydrophile contribuaient considérablement à conserver un équilibre précis entre les interactions hydrophobes et électrostatiques nécessaires pour déclencher l'auto-assemblage. Globalement, les résultats démontrent qu'il est possible de concevoir à partir de l'auto-assemblage peptidique en feuillets P des hydrogels avec des propriétés particulières, de diversifier les conditions physico-chimiques qui déclenchent la formation de ces matériaux et de générer des nanostructures présentant des morphologies très différentes.