Les maladies cardio-vasculaires sont la principale cause de mortalité dans le monde. Parmi celles-ci, et une des plus importantes, se trouve l'athérosclérose. Cette maladie se traduit par la formation d'une plaque sur les parois artérielles réduisant alors le diamètre luminal. La plaque d'athérome entrave la circulation du sang et peut se compliquer par la formation d'un thrombus artérielle pouvant provoquer un infarctus du myocarde. Une intervention capable de rétablir le flux (recanalisation) est alors nécessaire. Dans le cas des artères coronaires, l'intervention coronaire est percutanée (ICP) et consiste à amener et déployer jusqu'au site malade, une endoprothèse, appelé aussi stent. Un stent est un petit treillis métallique tubulaire qui permet de rouvrir la lumière de l'artère et de rétablir la circulation sanguine. Il sert aussi de support à l'artère malade pour empêcher son affaissement. Cependant, après implantation, certaines complications sont induites, telle que la resténose intra-stent (ISR) qui se caractérise par la réduction de la lumière de l'artère, reconduisant les problèmes créés par la plaque d'athérome. Ce phénomène est essentiellement dû à une prolifération excessive des cellules musculaires lisses, et qui résulte d'une lésion de l'endothélium lors de l'implantation. Afin de limiter cette complication, la première approche a été de changer les matériaux utilisés pour ces endoprothèses. Les principaux alliages utilisés pour fabriquer des stents sont l'acier inoxydable, les alliages de nitinol et ceux de chrome cobalt, plus particulièrement le L605. Ce dernier, dû à ses propriétés mécaniques, permet la fabrication de dispositifs plus minces, donc moins de métaux présents dans le corps humain, et a démontré induire moins de complications cliniques. Néanmoins, malgré la diminution des complications par rapport aux autres alliages, les endoprothèses nues en L605 ne s'intègrent que peu ou pas du tout dans le tissu artériel de l'hôte. Pour répondre aux exigences biologiques et cliniques, l'idéal serait d'avoir un dispositif qui favoriserait le recouvrement du dispositif par l'endothélium, ou « endothélialisation » et qui aurait un faible potentiel thrombotique et inflammatoire. L'approche couramment utilisée pour répondre à ces critères est de recourir à des dispositifs qui libèrent des médicaments anti-inflammatoires. Pour ce faire, il faut recouvrir les dispositifs métalliques avec des revêtements à base de polymères, en tant que couche intermédiaire, fonctionnalisée ensuite par des molécules bioactives. Toutefois, les dépôts de ces couches polymériques impliquent l'utilisation de chimie en solution incluant des solvants organiques. En outre, ces dernières démontrent avoir une faible adhésion au substrat métallique, dû au procédé utilisé, mais aussi un manque de cohésion. Lors de la procédure d'implantation, les stents subissent une déformation plastique, comme ces revêtements manquent de résistance, ils ont tendance à fissurer ou délaminer. Ce projet de recherche s'insère donc dans cette problématique générale, et propose une nouvelle approche qui permettrait d'éviter ce revêtement polymérique, tout en apportant les propriétés biologiques recherchées. Pour ce faire, la modification de surface proposée implique la fonctionnalisation directe des surfaces métalliques par un procédé plasma. Ce procédé permet de ne pas modifier les propriétés de cœur du matériau, et de créer des groupes fonctionnels en surface, ici des groupes amine réactifs (NH₂), qui servent de points d'ancrage pour le greffage ultérieur des molécules bioactives d'intérêt. En résumé, ce procédé original peut être divisé en 3 parties principales : a) préparation de la surface, b) fonctionnalisation par plasma et c) greffage de molécules bioactives. Tout au long de ce projet de recherche, l'optimisation de chaque partie a été réalisée en vue d'obtenir les propriétés adéquates et nécessaires pour l'application cardiovasculaire visée. Concernant la partie a), c'est-à-dire la préparation de la surface, les traitements suivants ont été testés : électropolissage, traitements thermiques et implantation ionique par immersion dans un plasma. Ces modifications ont été optimisées en vue d'obtenir une couche d'oxyde stable sous déformation présentant la meilleure résistance possible à la corrosion, tout en démontrant la plus haute efficacité d'amination directe par plasma pour la partie b). Enfin, en ce qui concerne le bloc c), le greffage de molécule bioactive, deux bras de liaison différents ont été étudiés pour évaluer leur impact sur la conformation et la performance biologique. Cette étude a été effectuée avec un peptide bioactif dérivé de la molécule d'adhésion des cellules endothéliales et des plaquettes (PECAM-1 ou CD31), en raison de ses propriétés anti-inflammatoire, anti-thrombotique et pro-endothélialisation. Les 2 bras d'ancrage testés sont un à chaine courte, l'anhydride glutarique (GA), contenant seulement 5 atomes de carbone, et un à longue chaine (600 atomes), le polyéthylène glycol (PEG) choisi aussi pour ses propriétés anti-adhérentes. Tout d'abord, cette stratégie a été développée sur des échantillons plats, qui facilitaient grandement les analyses de surface, telles que XPS et ToF-SIMS, et donc les processus d'optimisation de chaque étape, comme la résistance à la déformation, corrosion et l'analyse des propriétés biologiques. Ceci a permis de démontrer que le prétraitement de surface optimal pour les substrats L605 était l'électropolissage, agissant sur sa couche d'oxyde passive pour une efficacité maximale lors de l'étape d'amination. Le bras de liaison qui a démontré le plus grand potentiel pour immobiliser le peptide d'intérêt est le PEG, avec une augmentation significative de la migration et viabilité des cellules endothéliales, par rapport au substrat métallique nu. De plus, le greffage du peptide sur le PEG ajoutait des propriétés anti-thrombotique et anti-inflammatoire par rapport aux échantillons électropolis. Ce procédé a été ensuite adapté à des stents, dont la configuration 3D est très complexe. Après optimisation, les stents pegylées + peptides biomimétiques (Plasma-P8RI) ont été testés in vivo par implantation dans les coronaires de porc porcin pendant 7 jours et 28 jours et leur potentiel de ré-endothélialisation et anti-resténotique ont été évalués. Il a été constaté que la stratégie proposée dans ce projet de recherche favorisait la ré-endothélialisation après 7 jours par rapport au DES (Drug Eluting Stent) commercial, et limitait l'adhérence des leucocytes et des plaquettes lorsque comparé au BMS (Bare Metal Stent). Après 28 jours d'implantation le diamètre luminal des artères n'était pas réduit sur le stent Plasma-P8RI, ce qui signifie que ces stents modifiés ne présentaient pas de risque de resténose, contrairement aux BMS. Ce projet de recherche a permis de développer et de valider une stratégie prometteuse consistant à immobiliser directement des molécules bioactives sur des dispositifs cardiovasculaires en L605, alliage de chrome-cobalt. A notre connaissance, cette approche n'a jamais été rapportée dans la littérature à notre connaissance. Cette stratégie originale, dépourvue des limites associées à l'usage des polymères et basée sur un procédé plasma, présente des avantages évidents et ouvre la voie vers le développement de dispositifs cardiovasculaires innovants. / Cardiovascular diseases represent the leading cause of death in the world. Among them is atherosclerosis that characterizes by the formation of a plaque on the arterial walls that narrows the lumen diameter. This atherosclerotic plaque disrupts the blood flow and can be complicated by thrombosis which can ultimately lead to myocardial infarction. Efficient revascularization is mandatory to treat this disease and a percutaneous coronary intervention (PCI) is performed complemented with the deployment of a stent. Stents are tiny wire mesh that reopens the artery, re-establishing the blood flow whilst supporting the artery avoiding its collapse. Nevertheless, complications after stent implantation exist and in-stent restenosis (ISR) is one of the major concerns. This complication is characterized by the reduction of the lumen diameter, similar to an atherosclerotic plaque, and it is associated to the wound caused on the endothelium by the stent implantation followed by the over-proliferation of smooth muscle cells. One of the first strategies to decrease ISR involved the manufacture of stents using different alloys such as stainless steel, nitinol and cobalt chromium alloys (L605). The latest alloy, L605, has generated significant interest because it allows the fabrication of thinner devices, which have decreased post-implantation clinical complications. Nonetheless, despite the decrease in ISR, when compared to other alloys, the integration of L605 bare metal stents in the host tissue is minimal or inexistent. Thus, enhanced biological properties, such as endothelialisation, low thrombosis activity and anti-inflammatory behaviour represent mandatory requirements for clinical applications. To confer these properties onto metallic devices, polymeric-based coatings, as an intermediate layer to further functionalize with bioactive molecules, are often deposited. Nonetheless, major techniques to deposit these polymeric coatings involve the use of wet-chemistry and do not ensure total resistance during the stent implantation procedure due to lack of cohesion and delamination of the polymeric layer. Thus, a novel approach that foregoes this previously mandatory coating step was developed in this research project. This novel approach involves the use of plasma-based techniques to create functional groups (reactive amine groups, -NH₂), directly onto the metallic surface without modifying the bulk properties, that can be used as anchor points for the further grafting of bioactive molecules of interest. Briefly, this novel approach can be divided in 3 blocks: a) Surface preparation, b) plasma functionalization and c) bioactive molecule grafting. Throughout this research project the optimization of these main blocks was performed aiming for the desired cardiovascular application. Concerning block a), surface preparation, electropolishing, thermal treatments and plasma immersion ion implantations were performed to obtain an oxide layer deformation and corrosion resistant whilst demonstrating the highest direct plasma amination efficiency, for block b). Finally, as regards block c), bioactive molecule grafting, two different linking arms were studied to assess their impact on conformation, and the biological performance of a bioactive peptide derived from the platelet endothelial cell adhesion molecule (PECAM-1 or CD31) due to its pro-endothelialization, anti-inflammatory and anti-thrombotic potential: Glutaric anhydride (GA), as a short chain spacer of 5 carbons, and polyethylene glycol (PEG), as a long chain spacer with antifouling properties. Initially, this strategy was developed on flat samples where using a combination of high-resolution surface characterizations techniques, such as XPS and ToF-SIMS, and corrosion, deformation and biological tests it was confirmed that the optimal surface pre-treatment for L605 was electropolishing, due to its passive oxide layer and that it further allowed to obtain the highest amination efficiency. Furthermore, the best linking arm to immobilize the peptide was PEG, which demonstrated a significantly increase on endothelial cell viability with a faster migration, when compared to the bare metallic substrate. Moreover, peptides immobilized by PEG demonstrated that endothelial cells attached to the surface presented an anti-thrombotic and anti-inflammatory phenotype, when compared to electropolished samples. Thus, this biomimetic surface was selected for an in vivo trial in porcine model to evaluate its potential re-endothelialization and anti-restenotic activity. It was found that by directly attaching a CD31 agonist onto the bare metal stent by this strategy improved re-endothelialization after 7 days when compared to commercial DES, with further, low adhesion of leukocytes and platelets when compared to BMS. Moreover, after 28 days of implantation, Plasma-P8RI did not present a significant decrease on the lumen diameter, which was not the case for BMS that presented in-stent restenosis after this period. Overall, this research project allowed the development and validation of a promising strategy to directly immobilize bioactive molecules onto L605 cobalt chromium cardiovascular devices, providing clear advantages of medical devices currently on the market. Furthermore, to the best of our knowledge, such plasma-based multi-step strategy has never been previously reported in literature.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / The processes of generalized and localized corrosion induced at a cobalt electrode polarized in slightly alkaline aqueous media (pH 7-10) have been investigated using electrochemical methods and surface analysis techniques. In buffer solutions of H2C03/HCO,/CO^ at near neutral pH (7-8), particularly aggressive corrosion phenomena have been observed. The presence of carbonic acid in solution, as well as the high solubility of the CoO oxide, were identified as being responsible for the accelerated metal dissolution. However, the addition of a low concentration of phosphate species to the corrosive environment allows an important inhibition of cobalt dissolution under the form of the Co(CO,)2_ soluble complex. Potentiodynamic experiments have shown the efficiency of benzotriazole to inhibit the active dissolution of cobalt in slightly alkaline media. Using a novel approach to obtain the SERS effect (Surface-Enhanced Raman Scattering) directly from a massive cobalt electrode, the interaction mode of benzotriazole with the metal surface has been determined. Neutral benzotriazole molecules, first chemisorbed under cathodic polarization, are thereafter deprotonated at the zero charge potential of the System. As a result, a thin polymer-like [Co(II)(BTA)2-H20]„ film, insoluble and highly protective, is found on the electrode surface. This passive film restrains the access of chemical species known to be aggressive to the active sites of the electrode. In a situation of incomplete surface coverage by benzotriazole, cobalt species which originate from further dissolution processes, are preferentially complexed to deprotonated benzotriazole species present in the bulk solution. Such a mechanism contributes to the formation of the [Co(II)(BTA)2H20]„ film. To avoid degradation of cobalt through the initiation of localized corrosion induced by chloride ions, a protection method based on the passivation of the metal has been developed. It has been demonstrated that when cobalt is submitted to specific potentiostatic conditions, a passive bilayer film composed of CoO and C03O4 is electrogenerated on the metal surface. The uniform color of that film, attributed to iridescence, shows that the layer has a constant thickness ail over the electrode surface. A complete characterization of the optical and physical properties of that film is presented. / The processes of generalized and localized corrosion induced at a cobalt electrode polarized in slightly alkaline aqueous media (pH 7-10) have been investigated using electrochemical methods and surface analysis techniques. In buffer solutions of H2C03/HCO,/CO^ at near neutral pH (7-8), particularly aggressive corrosion phenomena have been observed. The presence of carbonic acid in solution, as well as the high solubility of the CoO oxide, were identified as being responsible for the accelerated metal dissolution. However, the addition of a low concentration of phosphate species to the corrosive environment allows an important inhibition of cobalt dissolution under the form of the Co(CO,)2_ soluble complex. Potentiodynamic experiments have shown the efficiency of benzotriazole to inhibit the active dissolution of cobalt in slightly alkaline media. Using a novel approach to obtain the SERS effect (Surface-Enhanced Raman Scattering) directly from a massive cobalt electrode, the interaction mode of benzotriazole with the metal surface has been determined. Neutral benzotriazole molecules, first chemisorbed under cathodic polarization, are thereafter deprotonated at the zero charge potential of the System. As a result, a thin polymer-like [Co(II)(BTA)2-H20]„ film, insoluble and highly protective, is found on the electrode surface. This passive film restrains the access of chemical species known to be aggressive to the active sites of the electrode. In a situation of incomplete surface coverage by benzotriazole, cobalt species which originate from further dissolution processes, are preferentially complexed to deprotonated benzotriazole species present in the bulk solution. Such a mechanism contributes to the formation of the [Co(II)(BTA)2H20]„ film. To avoid degradation of cobalt through the initiation of localized corrosion induced by chloride ions, a protection method based on the passivation of the metal has been developed. It has been demonstrated that when cobalt is submitted to specific potentiostatic conditions, a passive bilayer film composed of CoO and C03O4 is electrogenerated on the metal surface. The uniform color of that film, attributed to iridescence, shows that the layer has a constant thickness ail over the electrode surface. A complete characterization of the optical and physical properties of that film is presented. / Les processus de corrosion généralisée et localisée induits à une électrode de cobalt polarisée en milieux aqueux faiblement alcalins (pH 7-10) ont été étudiés à l'aide de méthodes électrochimiques et de techniques d'analyses de surface. Dans des solutions tampons H^CO^/HCOj/CO, de pH quasi-neutres (7-8), des phénomènes de corrosion particulièrement agressifs ont été observés. La présence d'acide carbonique dans la solution, de même que la grande solubilité de l'oxyde CoO dans ces conditions de pH, ont été identifiées comme étant responsables de la dissolution accélérée du métal. Toutefois, l'ajout d'une faible concentration de phosphates dans le milieu corrosif permet d'inhiber considérablement la mise en solution du cobalt sous la forme de l'ion soluble complexe Co(C03)*\ Des expériences potentiodynamiques ont démontré l'efficacité du benzotriazole à inhiber la dissolution active du cobalt en milieux faiblement alcalins. En développant une nouvelle voie d'obtention de l'effet SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) directement à partir d'une électrode de cobalt, le mode d'interaction du benzotriazole avec la surface métallique a été déterminé. Les molécules neutres de benzotriazole, d'abord chimisorbées sous polarisation cathodique, sont déprotonnées au potentiel de charge nulle du système. 11 en résulte la formation d'un mince film polymérique du type [Co(Il)(BTA)2-H20]„, insoluble et hautement protecteur, qui bloque l'accès des espèces réputées agressives aux sites actifs de l'électrode. Dans une situation de recouvrement de surface incomplet par le benzotriazole, les espèces de cobalt issues des processus de corrosion subséquents sont préférentiellement complexées par les espèces de benzotriazole déprotonnées et présentes en solution, consolidant ainsi la formation du film de [Co(II)(BTA)2H20]„. Afin de lutter contre la détérioration du cobalt via l'initiation de la corrosion localisée induite par les ions chlorures, une voie de protection par passivation du métal a été mise en place. En soumettant le cobalt à des conditions potentiostatiques particulières, un film passivant composé d'une bicouche de CoO et de C03O4 a pu être électrogénéré à la surface du métal. La coloration uniforme de ce film, attribuée à un phénomène d'iridescence, montre que la couche est d'épaisseur constante sur toute la surface de l'électrode. Une caractérisation complète des propriétés optiques et physiques de ce film est présentée.

L'assiette de fibrage utilisée pour la production de la laine de verre d'isolation subit à haute température de nombreuses contraintes (chimiques, mécaniques et thermiques). La ruine des assiettes peut être due à l'oxydation par les gaz chauds, à la corrosion par le verre fondu ou à la déformation par fluage. La première partie des travaux de thèse a porté sur l'amélioration des propriétés mécaniques des alliages pour le fibrage à 1200°C. Dans un premier temps, la teneur en chrome au coeur d'alliages à base de cobalt a été réduite afin d'augmenter la réfractarité en conservant la microstructure. Cependant, cette réduction a dégradé le comportement en oxydation de ces alliages. Afin de conserver un bon niveau en oxydation, un enrichissement en chrome de la surface a été réalisé à l'aide de la technique de pack-cémentation. Le comportement en fluage de ces alliages a été maintenu à un niveau correct. Dans un second temps, de nouveaux systèmes métallurgiques ont été explorés, basés sur le nickel et le fer, et ont été renforcés mécaniquement par des éléments lourds en solution solide ou par des précipités intermétalliques. La réfractarité et le comportement en oxydation se sont révélés intéressants mais la tenue en fluage a été décevante. La seconde partie de ces travaux a consisté à améliorer le comportement en oxydation de l'alliage utilisé lors du fibrage à 1000-1050°C. Deux voies ont été explorées : un enrichissement en chrome de la surface de l'alliage par pack-cémentation ou l'addition d'un élément réactif, l'yttrium. La seconde solution a apporté des résultats intéressants avec une amélioration significative du comportement en oxydation cyclique / The spinner used to product glass wool for thermal building insulation undergoes several stresses (chemical, mechanical and thermal) at high temperature. The lifetime of the spinner is limited by oxidation by hot gases, corrosion by molten glass or creep deformation. The first part of this thesis has concerned the improvement of the mechanical properties of the alloys for the fiberizing at 1200°C. First, the bulk chromium content of the usual cobalt-base alloys has been decreased to increase their refractoriness at constant microstructure. However, this reduction has degraded the oxidation behavior of these alloys. To keep a good oxidation behavior, a surface chromium enrichment of the Cr-impoverished alloys is achieved by pack-cementation technique. The creep behavior of these alloys is kept at a good level. Secondly, several new metallurgical systems were explored: alloys based on nickel and iron and reinforced by heavy elements in solid solution or by precipitates inter metallic particles. The refractoriness and the oxidation behavior appeared to be interesting but the creep deformation was disappointing. The second part of this work has concerned the improvement of the oxidation and corrosion properties of the alloys for the process at 1000-1050°C. Two ways have been explored: a chromium enrichment on the sub-surface or an addition of a reactive element, as yttrium. The second solution has given interesting results with a significant improvement of the oxidation behavior, and particularly in cyclic oxidation