Inaugural Diss. (Ph. D.)--Munich, 1911. / "Sonderdruck aus: Romanische Forschungen, Bd. 31, Heft 2. Includes bibliographical references.

Th. 3e cycle--Hist.--Paris 4, 1980.

Adsorption of proteins at interfaces has an important role in biotechnological and pharmaceutical applications. Indeed, several undesirable processes are related to protein adsorption, as for example: fouling of contact lenses, clotting on blood contacting devices, triggering inammation around articial organs, diminished circulation time of therapeutic proteins and drug bearing liposomes. Neutral water soluble polymers, such as poly(ethylene glycol) (PEG), are used to repress protein adsorption: by coating the surface with a polymer brush, a "cushion" is created between the protein and the surface, that can reduce, or even completely repress the adsorption. Understanding the mechanism that inhibits the adsorption at interfaces is an active field of research, and could lead to relevant improvements in biomaterials performances and design. A clear understanding of the mechanism of protein adsorption onto polymer brushes is still missing. The first models describing the interactions of a polymer brush with adsorbing particles predicted two adsorption modes: primary adsorption at the grafting surface, and secondary adsorption at the outer edge of the brush (occurring for large cylindrical proteins). Primary adsorption can be repressed by increasing the grafting density of the brush, and secondary adsorption by increasing its thickness, in agreement with the experiments reported in the literature. But experimental evidences (a maximum in the adsorbed amount observed for long brushes) suggested then the existence of a third mode: ternary adsorption within the brush itself, due to attractive interactions between the protein and the brush. Standard techniques can in general only probe the total adsorbed amount. The aim of this work was to separate primary and ternary adsorption isotherms, by using neutron reectivity and deuterated proteins. As neutrons interact differently with hydrogen and deuterium atoms, the contrast between the hydrogenated brush and the deuterated protein is high enough to separate the two contributions. We studied the adsorption of deuterated myoglobin on PEG brushes with different degrees of polymerisation (N = 56, 146 and 770), and as a function of the area per grafted chain. The contribution of primary and ternary adsorption was separated for the different systems, and the adsorbed amount was extracted and the adsorption isotherms compared to the theoretical predictions. The ability to distinguish between the different adsorption modes, and the quantification of their relative contribution to the overall amount of adsorbed proteins, represents a major advance in optimising surface properties. In particular, the occurrence of ternary adsorption onto PEG brushes affects their status as tool for repressing protein adsorption. L’adsorption de protéines aux interfaces a un rôle important pour certaines applications pharmaceutiques ou biotechnologiques. En effet, plusieurs processus indésirables sont liés à l’adsorption de protéines, par exemple l’encrassement de lentilles de contact, la coagulation dans des appareils contenant du sang, l’inflammation d’organes artificiels ou encore la diminution du temps de circulation dans le corps de protéines ou liposomes thérapeutiques. Certains polymères, tels que le polyéthylène glycol (PEG), sont utilisés pour réprimer l’adsorption de protéines : en greffant une brosse de PEG sur la surface, une couche est créée entre la protéine et celle-ci qui diminue, voire même réprime complètement l’adsorption. Comprendre le mécanisme qui entrave l’adsorption aux interfaces est un sujet de recherche actif, qui pourrait mener à des améliorations significatives dans la conception de biomatériaux. À ce jour, la compréhension du mécanisme d’adsorption de protéines sur des brosses de polymère n’est pas claire. Les premiers modèles décrivant les interactions entre brosses de polymères et particules adsorbantes prédisaient deux modes d’adsorption : l’adsorption primaire sur la surface de greffage, et l’adsorption secondaire à l’extérieur de la brosse (pour les grandes protéines cylindriques uniquement). L’adsorption primaire peut-être réprimée en augmentant la densité de greffage de la brosse, et l’adsorption secondaire en augmentant son épaisseur, en accord avec les expériences reportées dans la littérature. Mais d’autres évidences expérimentales (un maximum dans la quantité adsorbée observé pour les brosses longues) ont ensuite suggéré l’existence d’un troisième mode : l’adsorption ternaire à l’intérieur même de la brosse, due aux interactions attractives entre la protéine et la brosse. Les techniques standards peuvent en général mesurer la quantité adsorbée totale. Le but de ce travail était de séparer les isothermes d’adsorption primaire et ternaire, en utilisant la réflectivité de neutrons et des protéines deutérées. Comme les neutrons interagissent différemment avec les atomes d’hydrogène ou de deutérium, le contraste entre la brosse hydrogénée et la protéine deutérée est ainsi suffisant pour séparer les deux contributions. Nous avons étudié l’adsorption de myoglobine deutérée sur des brosses de PEG avec différents degrés de polymérisation (N = 56, 146 and 770), en fonction de l’aire par chaîne Σ. La contribution des adsorptions primaire et ternaire put être séparée pour les différents systèmes, et les quantités adsorbées extraites pour finalement comparer les isothermes d’adsorption aux prédictions théoriques. La possibilité de distinguer les différents modes d’adsorption, et la quantification de leur contribution relative à la quantité totale de protéines adsorbées représente une avancée majeure dans l’optimisation des propriétés des surfaces. L’adsorption ternaire dans les brosses de PEG en particulier remet en question leur utilisation pour réprimer l’adsorption de protéines.

L’auto-assemblage de macromolécules amphiphiles dans des solutions aqueuses est un mécanisme important sous-jacent à de nombreux processus présents dans les organismes vivants. La formation spontanée de structures auto-organisées de phospholipides et de biomacromolécules se produit en raison d'un équilibre délicat entre les forces d'attraction et de répulsion. Ces forces comprennent l'attraction hydrophobe, la liaison hydrogène, les forces de coordination des métaux et la répulsion stérique ou électrostatique. En outre, l'auto-assemblage de molécules amphiphiles synthétiques est largement utilisé dans divers domaines technologiques. Un exemple frappant est celui des surfactants de faible poids moléculaire qui peuvent modifier de manière significative les propriétés des systèmes. Les autres domaines importants dans lesquels les tensioactifs et les macromolécules amphiphiles sont activement utilisés sont la cosmétologie et l'hygiène. Cependant, l'utilisation de structures auto-organisatrices de macromolécules amphiphiles nécessite une étude approfondie et soulève quelques questions pour les chercheurs concernant leur structure, leur comportement sous l'influence de facteurs externes et leur stabilité. L'objectif principal de la thèse était de développer une théorie de champ analytique auto-cohérente de l'auto-organisation dans des solutions de copolymères de déblocage non ioniques linéaires dendritiques et dendritiques doubles dans des solvants sélectifs. Cette théorie nous permet de prédire comment la dendronisation d'un ou des deux blocs affecte les propriétés structurelles et thermodynamiques d'assemblages auto-organisés formés par des copolymères. Il a été démontré que la dendronisation des corona bloc permet d’obtenir les micelles stables de taille relativement petite, mais avec de nombreux groupes terminaux. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante dans le contexte de la liberation contrôlée, puisque les groupes terminaux exposés à l'environnement peuvent être facilement fonctionnalisés par des groupes de ligands pouvant être ciblés. Ces deux caractéristiques peuvent être obtenues simultanément car la dendronisation des corona bloc réduit le nombre d'agrégation à l'équilibre et les dimensions globales des micelles par rapport aux micelles formées par des molécules de copolymères diblocs linéaires homologues tout en conservant un grand nombre de groupes terminaux par micelle. La dendronisation du bloc insoluble peut être utilisée pour augmenter le nombre d'unités monomères terminales dans le core. Nous avons également démontré que la dendronisation des blocs solubles favorise la formation de micelles sphériques, alors que les gammes de stabilité thermodynamique des micelles cylindriques et des dendrimersomes sont déplacées vers un degré plus élevé de polymérisation des séquences insolubles. Au contraire, la dendronisation du bloc insoluble a l'effet inverse et conduit à un élargissement des gammes de stabilité des polymeres et des micelles cylindriques.Nous avons étudié les effets de l'extensibilité finie dans les brosses polyélectrolytes à chaîne linéaire et à dendron contenant des groupes ioniques. Nous avons développé la théorie analytique des brosses polyélectrolytiques dans l'approximation de Poisson-Boltzmann qui explique explicitement l'extensibilité finie des chaînes de polyélectrolytes formant des brosses. Il a été montré que pour la même série de paramètres de la brosse, la théorie basée sur l’élasticité non linéaire des polyions prédit une épaisseur de la brosse plus faible et une plus grande amplitude du saut de la densité du polymère au bord du pinceau. Les connaissances obtenues fourniront une base rationnelle pour la conception moléculaire de nouveaux copolymères à blocs complexes sur le plan architectural, y compris ceux destinés à des applications médicales. / An important mechanism underlying many processes occurring in living organisms is self-assembly of amphiphilic (macro)molecules in aqueous solutions. Spontaneous formation of self-organized structures of phospholipids and biomacromolecules occurs because of a delicate balance between attraction and repulsion forces. Such forces include hydrophobic attraction, hydrogen bonding, metal coordination forces and steric or electrostatic repulsion.In addition, self-assembly of synthetic amphiphilic molecules is widely used in various technical fields. A striking example are low molecular weight surfactants (small amphiphilic molecules) that can significantly change the properties of systems. Other important areas in which surfactants and amphiphilic macromolecules are actively used are cosmetology and hygiene. However, the use of self-organizing structures of amphiphilic macromolecules requires detailed study and raises a few questions for researchers regarding their structure, behavior under the influence of external factors and their stability.The main goal of the present work was development of the theory of self-assembly of diblock copolymers where one or both of blocks (soluble or/and insoluble) exhibit dendritic branching and established relations between degree of branching of the block(s) and structural properties (size, shape, aggregation number) of the self-assembled aggregates.The major focus of the thesis was on developing an analytical self-consistent field theory of self-organization in solutions of non-ionic linear-dendritic and double-dendritic deblock copolymers in selective solvents. This theory enables us to predict how dendronization of one or both blocks affects structural and thermodynamic properties of self-organized assemblies formed by copolymers. It was demonstrated that dendronisation of the corona blocks allows obtaining the stable micelles of relatively small size, but with many terminal groups.The latter feature is most attractive in the context of controlled delivery, since the exposed to the environment terminal groups can be readily functionalized by targetable ligand groups. Both these features can simultaneously be achieved because dendronization of the corona blocks reduces the equilibrium aggregation number and overall dimensions of micelles compared to micelles formed by homologous linear-linear diblock copolymer molecules while keeping large number of terminal groups per micelle. Dendronization of the insoluble block may be used for increasing of the number of terminal monomer units in the core. Such terminal groups can be further functionalized to be able to interact with active drugs, thereby increasing the loading capacity of the micelle.We have also demonstrated that dendronization of the soluble blocks favors formation of spherical micelles, whereas the ranges of thermodynamic stability of cylindrical wormlike micelles and dendrimersomes are shifted to larger degree of polymerisation of the insoluble blocks. On the contrary, dendronization of the insoluble block has the opposite effect and leads to widening of the stability ranges of polymersomes and cylindrical micelles.We investigated effects of finite extensibility (non-linear elasticity) in linear chain and dendron polyelectrolyte brushes containing ionic groups. We developed the analytical theory of polyelectrolyte brushes within the Poisson-Boltzmann approximation which explicitly accounts for finite extensibility of the brush-forming polyelectrolyte chains. It was shown that for the same set of the brush parameters the theory based on non-linear elasticity of the polyions predicts smaller thickness of the brush and larger magnitude of the jump in polymer density at the edge of the brush.The obtained knowledge will provide a rational background for molecular design of novel architecturally complex block copolymers, including those for medical applications.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les cellules épithéliales de l'intestin possèdent une membrane plasmique spécialisée, la bordure en brosse, qui est constituée de protubérances en forme de doigts appelées microvillosités. Chaque microvillosité est composée d'un faisceau de filaments d'actine et d'un réseau en hélice de molécules de myosine I de la bordure en brosse (BBMI) formant des liens entre la membrane plasmique et les filaments d'actine. Lors de l'assemblage de la bordure en brosse, il se produit des phénomènes hautement dynamiques. En particulier, le nombre et la taille des microvillosités augmentent durant la dernière étape de différenciation des entérocytes adultes, comme au cours de la phase finale de l'embryongenèse. Le renouvellement rapide des protéines membranaires et du cytosquelette dans les entérocytes matures suggère également que des processus dynamiques ont lieu pour permettre à ces cellules de conserver leur morphologie. La dynamique des microvillosités pourrait être due à la polymérisation de l'actine qui est suffisante pour assurer la propulsion des bactéries, par exemple. Alternativement, BBMI pourrait être responsable de cette dynamique, soit en générant une force comme proposé par Sheetz pour l'extension des cônes de croissance des filopodes, soit en acheminant des composants membranaires au pôle apical de la cellule. Afin d'élucider la dynamique de BBMI et de l'actine dans la bordure en brosse des entérocytes, nous avons mis au point un instrument permettant la mesure de la mobilité tridimensionnelle des protéines dans des cellules vivantes en combinant l'imagerie de cellules vivantes en microscopie à deux photons avec la technique de FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching). Nos résultats montrent que BBMI et l'actine sont mobiles, mais avec une dynamique différente. De plus, nous avons montré, pour la première fois dans des cellules vivantes, que BBMI a une activité motrice dans les microvillosités.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La friction d'une surface en réaction au cisaillement pourrait devenir un élément important dans des diverses technologies telles que la microfluidique, la lubrification ou encore la production et le traitement des polymères. Notre système modèle est constitué d'une brosse polymère sous un écoulement d'une solution de polymère enchevêtrée. La structure de la brosse a été sondée expérimentalement par Rhéo - Réflectométrie Neutronique, ainsi que par la simulation numérique basée sur des globules très "mous" ("blobs" en anglais). Dans les simulations on montre pour la première fois qu'il est bien possible de supprimer le croisement de chaînes de polymères pour ensuite pouvoir observer la dynamique d'enchevêtrement grâce uniquement au potentiel répulsif des globules. Pour confiner ces globules entre deux plaques dures, on propose une nouvelle condition limite, appelée mirror-and-shift, qui produit un comportement de profil de densité monotone et non oscillatoire à l'interface. Ces innovations de simulation sont ensuite combinées et leur résultat est comparé avec nos mesures expérimentales de l'épaisseur de la brosse polymère, en fonction de taux de cisaillement. Un bon accord quantitatif est obtenu, dont la conclusion est que l'épaisseur de la brosse s'effondre perpendiculairement au cisaillement appliqué, ce qui est un effet non-linéaire de second ordre. On attribue cet effet à la différence des contraintes normales, qui se produit communément dans des liquides de polymères enchevêtrés lorsqu'il sont poussés vers leur régime de rhéofluidification par un flot suffisant. / Shear responsive friction at solid-liquid interfaces could become an important component in various technologies such as microfluidics, lubrication and polymer processing. Our model system is a polymer brush grafted on a solid substrate, subject to shear flow by an entangled polymer solution. The structure of the brush was probed both experimentally by Rheo - Neutron Reflectometry, and by computer simulations based on soft blobs. In the simulations we demonstrate for the first time that it is possible to suppress polymer chain crossings and observe entanglement dynamics using only the soft blob repulsive potential. To confine the blobs between two hard plates we introduce a new boundary condition, mirror-and-shift, which enables a monotonic, rather than oscillatory, density profile climb at the interface. The simulation techniques are then combined and compared against experimental measurement of polymer brush thickness as a function of shear rate. A good quantitative agreement is obtained, concluding that the brush thickness collapses perpendicularly to the applied shear flow, and is thus a non-linear second order effect. We attribute this effect to the normal stress difference, commonly occurring in entangled polymer liquids in their shear thinning flow regime.