L’athérosclérose est une maladie vasculaire dont les complications sont la première cause de mortalité dans les pays développés. Pour soigner cette pathologie, une des méthodes les plus employées est l’angioplastie couplée au stenting. Ce geste occasionne cependant de forts risques de complications postopératoires, dont la plus répandue est la resténose. Pour refreiner ce phénomène, différentes stratégie peuvent être exploitées, l’une d’elle consiste à immobilisé sur la surface du stent des composés bioactifs pour en faciliter l’acceptation par l’organisme. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette étude. L’idée première est de fonctionnaliser le titane, métal couramment dans le domaine médical, par des polymères pouvant être modifiés en quantité désirée par des molécules bioactives.Pour atteindre cet objectif, nous avons employé la polymérisation radicalaire contrôlée. Cet outil de choix permet d’obtenir des polymères parfaitement définis comportant une fonctionnalité en extrémité de chaîne. Dans notre cas, nous avons choisi d’y fixer une ancre catéchol, molécule naturelle ayant une forte affinité avec le titane. Différents polymères ont été conçus et, après caractérisation, ont été immobilisés sur le titane pour former des brosses. Les surfaces ainsi obtenues ont été caractérisée en termes de composition et de densité de fonctionnalisation. Enfin nous avons employé une molécule test, la glucosamine, pour modifier en différentes quantités une plateforme polymère, puis d’évaluer biologiquement ces polymères en solution et immobilisés sur le titane pour en étudier l’influence sur différentes lignées de cellules. / Atherosclerosis is a vascular disease, whose complications are the first cause of death in developed countries. In order to cure this pathology, angioplasty, coordinated with stenting, is nowadays one of the most used treatment. However, postsurgical complications can often occur with this surgery technique. The frequency of restenosis, the most common complication, could be decreased thanks to different strategies. One of these strategies is to graft on stent surface bioactive molecules that enhance biocompatibility.In this context with have endeavored to functionalize titanium, commonly used in medical applications, with polymers that can bear bioactive molecules. In order to reach this goal, we used controlled radical polymerization, which can provide end-functionalized, well-defined polymers. In our case, we have chosen to craft polymers with a catechol at the chain end, a natural anchor which have good affinity with titanium. During this study, different kind of polymers have been built and analyzed. Then, they were grafted to titanium substrates to create polymer brushes. Grafting densities and surfaces compositions were characterized thanks to different techniques. Finally, we tried to modify a polymeric platform with different quantities of glucosamine, a test molecule. These polymers were then biologically evaluated alone and grafted to titanium with different cell lines.

La miniaturisation des systèmes séparatifs est en plein développement aujourd’hui. Cette évolution se justifie par le très faible volume de l’échantillon et la nécessité croissante de gagner du temps d’analyse. Cette thèse comporte deux parties. La première partie consiste à développer une nouvelle génération de colonnes capillaires ouvertes (« open tubular ») de dimension micronique basées sur la fonctionnalisation de surface et de caractériser leurs propriétés en analyse protéomique pour la séparation de digests peptidiques par chromatographie liquide en phase inverse. La fonctionnalisation de surface a été réalisée après activation de la paroi de silice du capillaire par greffage de dérivés silylés comprenant le motif méthacrylate de glycidyle. La fonction époxyde a ensuite été ouverte par des amines primaires aliphatiques afin d’augmenter l’hydrophobicité de la phase stationnaire. Cette stratégie en deux étapes a l’avantage de permettre de dissocier le greffage de l’introduction du motif fonctionnel et de permettre une plus grande variété de fonctionnalisation. Ces colonnes ont été testées sur des peptides standards ou sur des digests peptidiques avec une analyse par spectrométrie de masse MALDI-TOF hors-ligne et en ligne en couplage nanoLC nanoESI-trappe ionique. Les effets des différents paramètres sur la rétention des peptides ont été étudiés en particulier la longueur de la chaîne alkyle. Les tests montrent que chaque fois que l’on diminue la longueur de la chaîne carbonée de l’amine, les peptides sont élués à un plus faible pourcentage d’acétonitrile. En effet le raccourcissement de la chaîne carbonée conduit à la décroissance des interactions hydrophobes, ce qui conduit les peptides à être élués plus rapidement. La deuxième partie de la thèse présente les premiers développements de greffage de polymère à empreinte moléculaire (acronyme anglais MIP pour Molecular Imprinted Polymer) pour la séparation de peptides et de protéines. La synthèse d’une phase à empreinte moléculaire est réalisée à partir d’un mélange de monomères portant des fonctions acides ou basiques et d’une molécule empreinte qui interagit au cours de la polymérisation par des liaisons non covalentes. Une fois la polymérisation achevée, la molécule empreinte est éliminée de la matrice polymérique, ce qui conduit à la formation d’un polymère rigide renfermant des sites de reconnaissance spécifiques de la molécule modèle. Les colonnes à empreinte moléculaire visent à retenir sélectivement la molécule ciblée ou des molécules proches en taille et en structure, au sein d’un mélange complexe par des interactions spécifiques. Une affinité entre deux peptides différents a été obtenue avec une bonne sélectivité. La préparation des colonnes MIP et NIP (polymère non imprimé) a été effectuée afin de comparer le pouvoir de rétention des deux matériaux et de vérifier la sélectivité de recapture du MIP par rapport au NIP vis-à-vis de la molécule cible. Ces colonnes ont également été testées par spectrométrie de masse de type MALDI-TOF. / The miniaturization of separative systems is continuously developing today. This emergence is due to the very low sample volume and the increasing need to save analysis time. The present thesis comprises two parts. The first one consists on developing a new generation of open capillary columns ("open tubular") based on micron-scale surface functionalization and characterization of their properties in proteomics analysis for the separation of peptide digests by reversed-phase liquid chromatography. The surface functionalization was carried out after activating silica capillary wall by grafting silylated derivatives including glycidyl methacrylate. The epoxide function was then broken by aliphatic primary amines to increase the hydrophobicity of the stationary phase. This two-step strategy has the advantage of allowing a split grafting of the functional unit and a wider variety of functionalizations. These columns were tested on standard peptides or peptide digests with analysis by MALDI-TOF offline and online nanoLC nanoESI-coupled ion trap. The effects of various parameters, particularly the length of the alkyl chain, on the retention of peptides were studied. The obtained results show that by decreasing the length of the amine carbon chain, peptides are eluted at a lower percentage of acetonitrile. In fact the shortening of the carbon chain results in the decrease of hydrophobic interactions and in faster peptides elution.The second part of this thesis presents preliminary developments of polymer grafting of type MIP (Molecular Imprinted Polymers) for the separation of peptides and proteins. The synthesis of molecularly imprinted phase is made from a mixture of monomers having acid or basic functions and imprint molecules that interact during the polymerization by non-covalent bonds. Once the polymerization is complete, the imprint molecules are removed from the polymer matrix, which results in the formation of a rigid polymer containing recognition sites that are specific to the model molecules. The molecularly imprinted columns were designed to selectively retain the target molecules or molecules similar in size and in structure, within a complex mixture by specific interactions. Affinity between two different peptides was obtained with good selectivity. Preparation of MIP and NIP (No Imprinted Polymers) columns was performed to compare the retention capacity of both materials and to verify the selectivity of the MIP uptake compared to NIP with respect to the target molecule. These columns were also tested by mass spectrometry MALDI-TOF.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Chirurgie dentaire : Nantes : 2008. / Bibliogr.

Inaug.-Diss.--Philosophie--Berlin, 1973. / Bibliogr. p. 473-489. Index.

Nous étudions les propriétés associatives de polymères stimulables en solution et aux interfaces. Les associations sont contrôlées par la température et le pH en utilisant des unités complémentaires. Les associations sont induites par une séparation de phase de type LCST. L'introduction de motifs ionisables dans ces chaînes de PNIPAM permet de rendre le polymère également sensible au pH. Deux séries de copolymères sont ainsi préparées : l'une comportant des motifs acides faibles dans la chaîne à LCST (unités d'Acide Acrylique (AA)), l'autre possédant des unités bases faibles ((N,N - methacrylamide de [(diméthyl amino) propyle] (MADAP). Alors que les polymères précurseurs PNIPAM-AA et PNIPAM-MADAP sous forme ionisée ne présentent pas individuellement de comportement thermo-associatif, leur mélange permet de générer une agrégation originale faisant intervenir une complexation électrostatique induite par chauffage. Le greffage de ces moteurs macromoléculaires sur un squelette hydrosoluble de poly(acrylamide) permet d'envisager la formation de gels réversibles en solution semi-diluée étudiée par DSC, rhéologie et diffusion de neutrons aux petits angles. Le choix des paramètres environnementaux (pH, température, force ionique) ainsi que l'addition de polymères précurseurs de charge opposée aux greffons permet de piloter l'association de manière très spécifique. De manière originale, les connaissances issues des propriétés associatives en solution sont appliquées aux interfaces pour rendre les surfaces adaptatives. Les interactions spécifiques entre des brosses de polymères et des solutions macromoléculaires sont caractérisées par ellipsométrie et par réflectivité de neutrons. Nous montrons que l'adsorption de polymères précurseurs et de copolymères en peigne sur des brosses d'homopolymère est contrôlée par les conditions environnementales (pH et température) et est complètement réversible.

L'adhésion stimulable d'un hydrogel sur une surface a été étudiée de façon systématique par le jeu d'interactions spécifiques réversibles entre polymères. A cette fin, des surfaces modèles de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) ont été obtenues par " grafting to " et leur structure, sensible au pH, a été caractérisée par réflectivité de neutrons. Parallèlement, des hydrogels neutres de poly(N,N-diméthylacrylamide) (PDMA) et de poly(acrylamide) (PAM) ont été synthétisés par polymérisation radicalaire conventionnelle ; leurs propriétés mécaniques, leur structure et leur gonflement ont été étudiés et variés au moyen de deux paramètres : le gonflement initial et le taux de réticulant. En solution aqueuse, les couples de polymères PAA et PDMA ou PAA et PAM forment des complexes inter polymères dont l'apparition dépend du pH et de la température. Les associations se produisent à pH faible dans les deux cas ; et quoique relativement similaire d'un point de vue chimique, ces couples de polymères s'associent par une séparation de phase de type UCST lorsque l'accepteur de proton est le PAM, mais par une transition de type LCST avec le PDMA. La formation de ces complexes en solution a aussi été étudiée aux interfaces entre la brosse de PAA et les hydrogels de PDMA et PAM. Une étude à l'échelle de la brosse a été menée par réflectivité de neutrons : en présence de gel, un gonflement additionnel de la brosse est observé en présence des interactions à faible pH alors que sa structure n'est pas perturbée à pH élevé. L'étude macroscopique de ces interactions aux interfaces correspond aux tests d'adhésion : un montage expérimental et des protocoles adaptés à la mesure quantitative de l'énergie d'adhésion entre matériaux immergés. Au moyen d'un contact plan-plan entre les brosses de PAA et les gels de PDMA et PAM attachés de façon covalente sur des substrats, une adhésion immergée stimulable par le pH de l'ordre de grandeur des adhésions thermodynamiques a été mise en évidence, de même que les cinétiques relativement lentes impliquées dans la formation et la rupture des complexes aux interfaces.

Une brosse de polyélectrolytes est constituée par des chaînes de polymères chargées greffées sur une surface. Le but de cette thèse est d'étudier par simulation mésoscopique (dynamique des particules dissipatives, DPD) les facteurs qui influencent les propriétés rhéologiques du système. Les interactions électrostatiques ont été incorporées dans la version initiale de la méthode DPD selon deux techniques (Ewald et PPPM). Les dépendances de la hauteur de brosse en fonction de la fraction de charge, de la densité de greffage et de la concentration en sels, calculées par la méthode DPD, suivent le régime de brosse osmotique non linéaire. L'interaction entre deux brosses en interaction a également été modélisée dans l'ensemble Grand Canonique. Les simulations ont démontré que l'interpénétration entre les deux brosses en interaction diminuent avec la fraction de charge. L'étude de ce système sous cisaillement a permis de démontrer que les forces de friction de brosses polyélectrolytes étaient inférieures à celles de brosses neutres à partir d'une certaine distance de séparation entre les deux surfaces greffées.

The performance and life time of organic solar cells are critically dependent on the properties of active layer materials and device interfaces. In this manuscript, we developed new organic-inorganic hybrid materials to create intimate contact between donor and acceptor phases and facilitate the interfacial electronic charge transfer through the device. First, the synthesis of versatile triethoxysilane-terminated poly(3-hexylthiophene) P3HT for direct anchoring (grafting-onto) in one step procedure to various metallic oxides was reported. Electro-optical analysis showed an efficient charge transfer from the polymer to nanoparticles; suggesting that these materials are suitable candidates for photovoltaic application. In the second part, we demonstrate for the first time the elaboration of low band gap polymer brushes on metallic oxide surfaces via surface initiated step growth polymerization (grafting-through). In both cases, a higher grafting density, better packing of polymer chains and enhanced optical properties were observed due to the grafting methodology and polymer characteristics. Finally, P3HT brushes were elaborated on indium tin oxide surface (ITO) as hole transporting layer of organic solar cells. Photovoltaic performances showed that P3HT self-assembled monolayer (SAMs) could be promising alternatives to PEDOT:PSS. / Les performances et la durée de vie des cellules solaires organiques sont fortement dépendantes de la qualité des matériaux de la couche active et des interfaces dans le dispositif. Dans ce manuscrit, nous avons développé des nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques pour favoriser le contact entre les matériaux donneur/accepteur d’électrons et ainsi faciliter le transfert de charges à travers le dispositif. Tout d'abord, la synthèse de poly(3-hexylthiophène) P3HT fonctionnalisé par le triéthoxysilane a permis le greffage direct (« grafting-onto ») sur des oxydes métalliques. L’analyse des propriétés électro-optiques montre un transfert de charge efficace du polymère aux nanoparticules; ce qui suggère que ces matériaux sont des candidats potentiels pour l'application photovoltaïque. Dans la deuxième partie, nous avons montré pour la première fois, l’élaboration de brosses de polymères dits à faible bande interdite sur des surfaces d’oxydes métalliques par la technique « grafting-through ». Une densité de greffage élevée, un meilleur empilement des chaines de polymères et des propriétés optiques améliorées ont été obtenus grâce à la technique de greffage et aux caractéristiques du polymère greffé. Enfin, des brosses de P3HT ont été élaborées sur la surface d’oxyde d'indium et d’étain (ITO) en tant que couche de transport de trous de cellules solaires organiques. Les performances photovoltaïques ont montré que les monocouches auto-assemblées de P3HT (SAM) peuvent être une alternative au PEDOT: PSS.

Les globules rouges (GR) jouent un rôle clé dans l’exercice de fonctions physiologiques du corps humain. Dans la microcirculation, par exemple, où ils s’écoulent dans des capillaires de diamètre comparable à leurs mêmes dimensions, les érythrocytes sont responsables de l’échange d’oxygène et nutriments avec les tissus. Il a été montré dans de nombreux articles scientifiques que des dysfonctionnements dans les propriétés des GRs et des dommages du tissu endothélial, en particulier au niveau de la couche de glycoprotéines qui le recouvre (glycocalyx), sont la cause principale des maladies vasculaires telles que la thrombose, le diabète et l’athérosclérose. En conséquence, la connaissance des propriétés mécaniques et rhéologiques qui permettent aux érythrocytes de se déformer et de s’organiser en agrégats dans les vaisseaux sanguins permettrait de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la circulation du sang et, par conséquent, de faciliter le diagnostic des états pathologiques.Dans cette thèse l’attention s’est concentrée sur deux thèmes principaux : l’agrégation des GRs pendant l’écoulement dans les microcapillaires et la fonction du glycocalyx dans la microcirculation. Même si le sujet est à la fois essentiel et d’intérêt scientifique considérable, une analyse quantitative de la formation d’agrégats de GRs (cluster) n’avait pas encore été réalisée. Dans une première phase de ce projet de thèse des expériences in vitro ont été réalisées sur des suspensions de GRs avec un hématocrite d’environ 10%, afin d’observer leur tendance à s’agréger au cours du déplacement dans des tubes en verre de diamètre égal à 10 µm. Ce comportement a été évalué en fonction de la pression imposée et du temps de résidence dans de microcanaux, en mesurant la longueur des clusters et leur composition numérique. Le but principal a été comprendre le type d’interaction entre les cellules composantes un cluster : il s’agit d’une interaction purement hydrodynamique ou des autres forces sont également impliquées ? Les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse clairement montrent que la véritable force motrice du phénomène est la pression imposée dans les capillaires. Cette approche microfluidique permet de jeter les bases pour le développement de dispositifs cliniques et diagnostiques.Dans la deuxième partie du projet, une campagne expérimentale a été réalisée sur microcapillaires en verre revêtus de brosses de polymères, afin de simuler les conditions in vivo dans la microcirculation. Il a été établi avec certitude que le lumen des vaisseaux sanguins est recouvert d’une couche de glyco-polymères (glycocalyx) liés à la membrane des cellules endothéliales qui tapissent leurs parois. La compréhension du rôle hydrodynamique du glycocalyx est essentielle pour expliquer le lien entre le dysfonctionnement cette couche et le maladies vasculaires et pour développer des tests basés sur la microfluidique, capable de représenter correctement les interactions entre les parois et le composants sanguins. Des couches nanométriques de poly-hydroxyéthylméthacrylate (pHEMA) ont été produites par ce qu’on appelle la technique grafting-from et, après une caractérisation approfondie, utilisées pour revêtir les surfaces internes de canaux en verre de 10 µm de diamètre. Dans cette thèse, nous présentons les profils de vitesse obtenus en étudiant la circulation dans des tubes recouverts avec brosses de différentes épaisseurs. On montre que il y a une augmentation de la résistance à l’écoulement dans les canaux recouverts et que la réduction de la vitesse est significativement plus grande par rapport à ce qui se produirait à la suite d’une simple réduction géométrique du lumen disponible. De plus, à partir de l’observation de l’écoulement de GRs à l’intérieur des microcapillaires recouverts par les brosses de polymère, il a été constaté que la vitesse et la déformabilité des GRs dépendent strictement de la présence de la bio-couche sur les parois des microtubes. / The investigation of red blood cells (RBCs) dynamics in blood circulation is one of the most innovative and intriguing challenge of science nowadays since erythrocytes are involved in fundamental physiological functions of human body. In particular, RBCs play a key role in microcirculation where narrow dimensions of vessels (comparable to cell size) promote a close contact between cells and capillary walls and, as a consequence, the exchange of oxygen between blood and tissues. It is well established in scientific literature that disorders in RBCs properties and damages of endothelium are the main causes of common vascular diseases, such as thrombosis, diabetes and atherosclerosis. Thus, the full understanding of mechanical and rheological properties of RBCs would allow not only to shed light on the mechanisms leading blood circulation, but also to develop increasingly reliable diagnostic devices. In this thesis, the attention is mainly focused on two topics: RBCs aggregation in microcapillaries and the role of glycocalyx in microcirculation. As regards the first theme, despite the considerable scientific importance, a quantitative analysis of RBCs aggregates formation (clustering) in microvessels is still lacking. In a first phase of the project, experimental investigations in vitro have been performed on RBCs suspensions with hematocrit almost equal to 10% to observe their tendency to aggregate during the flow in glass microtubes (diameter equal to 10 µm). RBCs aggregation has been evaluated as a function of the fixed pressure drop (Δp) and the residence time in microchannels by measuring clusters length and their statistical composition. The main aim of the experiments was to clarify the nature of the force acting on consecutive cells in a cluster: is it a pure hydrodynamic interaction or are other kinds of forces involved too? The experimental results presented in this thesis clearly show that the driving force of the phenomenon is the imposed Δp in the microtubes. The outcomes of these investigations suggest that microfluidics can represent an efficient means to develop clinical and diagnostic tests on healthy and pathological blood.In the second part of the thesis, an experimental campaign was performed on glass capillaries lined with polymer brushes to mimic in vivo conditions in microvascularity. Several scientific papers show that the lumen of vascular vessels is coated by a layer of glycopolymers linked to the endothelial cells. The full understanding of the hydrodynamic role of glycocalyx is essential to elucidate the link between its dysfunctions and vascular diseases. Moreover, it would be helpful to develop innovative clinical tests by microfluidics that could take in account the interactions between “hairy” walls and blood components. Nanometric brushes of poly-hydroxyethylmethacrylate (p-HEMA) have been produced by a grafting-from technique and, after characterization, they have been used to line internal surfaces of silica capillaries with 10 µm diameter. Here, we present the experimental results obtained by measuring velocity profiles in glass channels bearing polymer brushes of different thickness. An increasing flow resistance is observed in hairy channels as a function of brush thickness. The measured velocity decrease is significantly higher than expected from a simply geometrical reduction of the available capillary lumen. Furthermore, the observation of RBCs flow in such brush-coated channels reveals that cells velocity and deformation are closely depending on the presence of the bio-layer on the internal walls of the capillaries.

La compréhension des mécanismes qui pilotent la transmission des contraintes aux interfaces déformables est au centre de nombreuses problématiques touchant des applications actuelles utilisant un film mince de polymère souple comme couche interfaciale. Arriver à caractériser de tels films fins est encore un défi aujourd'hui car l'analyse des mesures expérimentales destinées à extraire les contributions dues aux films est complexe et délicate et les techniques usuelles de caractérisation sont peu adaptées aux systèmes. Ce travail étudie la réponse mécanique de deux types de systèmes modèles au moyen de deux techniques de caractérisation différentes. Le premier système que nous avons élaboré et caractérisé mécaniquement par le test JKR, est constitué de films d'élastomère réticulé d'épaisseurs micrométriques (de 5 à 100µm) et déposés sur des wafers de silicium. Les mesures expérimentales ont été analysées par comparaison à un modèle semi-analytique récent proposé par E. Barthel dans le but d'extraire le module élastique de chaque film et de répondre à la question de savoir si l'épaisseur du film influe sur la valeur de ce module. Nous avons montré que ce modèle permet de rendre compte quantitativement du raidissement lié à la présence d'un solide supportant le film mais que la précision sur les mesures de modules de Young reste limitée (de l'ordre de 35 %).Le deuxième système modèle est constitué de brosses de polymères greffées (PDMS) par une extrémité à la surface de wafers de silicium et gonflées dans un bon solvant (47V20). Nous avons analysé la réponse mécanique dans plusieurs régimes de distance et de fréquence en utilisant un appareil à forces de surface (SFA) dans lequel on contrôle l'approche d'une sphère millimétrique d'un plan sur lequel sont greffées les polymères. En statique, nous avons vérifié que la réponse en compression était celle d'une brosse de type Alexander-de Gennes. En mode dynamique, quand la sphère est loin de la couche gonflée, nous avons vérifié que la réponse dissipative était celle d'un écoulement de Reynolds qui décrit normalement l'écoulement d'un fluide simple newtonien entre une sphère et un plan solide. Ceci nous a permis de montrer que l'écoulement du solvant pénètre partiellement à l'intérieur de la couche greffée sur une profondeur de l'ordre du tiers de l'épaisseur gonflée de la couche. Dans le régime ou les brosses sont comprimées, il n'y a pas d'accord entre les mesures réalisées et le modèle classique de Fredrickson et Pincus. Ceci s'explique par les expériences que nous avons réalisées sur un substrat nu (sans polymère) montrant pour la première fois la déformation des substrats solides qui sont indentés par l'écoulement de liquide et qu'il faut prendre en compte cette déformation dans les analyses de nanorhéologie. Finalement, une annexe est consacrée à la fabrication de surfaces hydrophobes silanisées optimisées en vue d'étudier le glissement d'un liquide simple et d'électrolytes à la paroi.