Neste trabalho estudou-se a copolimerização em emulsão de estireno e acrilato de butila em processo semicontínuo onde o produto final é um látex com alto teor de sólidos. Foi dado enfoque à distribuição de tamanhos de partículas do látex e seus efeitos no produto. Foi realizada uma série de experimentos de copolimerização em emulsão em um reator de vidro, empregando receitas com teores de sólidos de até 64% em massa. Durante os experimentos, amostras eram retiradas periodicamente do reator visando analisar o teor de polímeros (conversão dos monômeros) por gravimetria, a concentração de monômero residual por cromatografia gasosa headspace, o diâmetro médio das partículas por espectroscopia de espalhamento dinâmico de luz e a distribuição de tamanhos de partículas por microscopia eletrônica de transmissão. A viscosidade do látex final era obtida em viscosímetro Brookfield. Aplicando estratégias para renucleação de novas partículas no decorrer do processo, foram obtidos látices com distribuição bimodal de tamanhos de partículas e com viscosidades reduzidas. Aplicou-se um modelo matemático para descrever o processo, incluindo a evolução no tempo da distribuição de tamanhos de partículas, calculada a partir de equações de balanço populacional para as partículas e para os radicais dentro das partículas. Para a solução das equações empregou-se discretização por método de classes e a técnica de pivô fixo. O modelo tem apenas dois parâmetros ajustáveis, referentes às eficiências de captura de radicais por micelas e por partículas. Estes parâmetros foram ajustados para os dados experimentais de um ensaio, e usados, sem reajuste, para outros ensaios em condições diferentes. Os resultados do modelo mostraram boa adequação aos resultados experimentais. / The aim of this work was the study of the high solid contents emulsion copolymerization of styrene and butyl acrylate in semi-batch process. In this context the particle size distribution and its effects on the product viscosity was studied. Copolymerization reactions were carried out in a glass reactor, and recipes with solid contents up to 64 wt.% were used. During each run, samples are periodically taken from the reactor, and analysis are performed to measure the polymer content (monomer conversion) by gravimetry, the concentrations of the residual monomers by head-space gas chromatography, the average particle size by dynamic light scattering, and the particle size distribution by transmission electronic microscopy. The viscosity of the final emulsion is also measured using a Brookfield viscosimeter. By applying operating strategies to nucleate new particles along the process, latexes with bimodal particle size distributions and low viscosities were obtained. A mathematical model was employed for simulating the polymerization process, including the evolution of the particle size distribution along the process, calculated from population balance equations for the particles and the radicals inside the particles. The numerical solution was obtained using the discretized population balance equations by the method of classes and the fixed pivot technique. The model has only two adjustable parameters, the efficiencies for radical capture by micelles and by particles. These two parameters were fitted to the experimental data of one run and used, without further readjustment, for other runs under different conditions. The model results presented satisfactory agreement with the experimental data.

L'objectif de la présente thèse est d'améliorer les propriétés barrières du MetPET en conditions sévères. Plus précisément d'établir les corrélations structure-propriétés : structure du primaire d'accroche déposé en ligne sur le film PET avant métallisation et propriétés barrières et d'adhésion métal en condition sèche et humide du composite final obtenu (MetPET). L'approche choisie est la polymérisation en émulsion en régime semi-continu. Cette approche permettra d'apporter un caractère hydrophobe (phase 1-Coeur) favorisant la barrière à l'humidité et un caractère hydrophile (phase 2-Ecorce) en surface présentant des groupes fonctionnels favorables à l'adhésion métal en condition humide. De plus nous avons aussi investigué l'influences de divers additifs de formulations afin d'optimiser les propriétés du primaire d'accroche. Les latex présentant une structure de type cœur/écorce est très favorable pour la barrière à l'humidité. En effet ces latex présentent une perméabilité à l'eau sensiblement plus faible que les latex sans structure (100% composition de l'écorce). Concernant la perméabilité à l'oxygène celle-ci est principalement assurée par la couche métallique. La formulation de nos latex cœur/écorce par des agents mouillants s'est révélé indispensable pour assurer un bon étalement de nos latex sur le substrat PET. En effet nos latex issus de la synthèse ont été synthétisés avec un minimum de tensio-actif, ce qui a eu pour effet négatif d'obtenir une tension de surface trop élevée pour assurer leur mouillabilité sur le film PET. De plus cet agent mouillant a aussi montré une influence positive sur les performances d'adhésion de la couche métal sur le film PET traité avec le primaire d'accroche. La formulation de nos latex cœur/écorce par un réticulant a montré un influence positive sur les propriétés barrières aux gaz et sur les performances d'adhésion métal. Cet agent réticulant tend à favoriser la réticulation entre particule et ainsi favoriser la formation d'un film continu barrière à l'eau. De plus celui-ci apporte des fonctions de type azoté favorable aux interactions avec les atomes métallique (aluminium) / The proposition of this work is to improve the barrier property of a laminate aimed to be applied in the field of packaging for foodstuffs. This laminate is constituted by a PET substrate metallized with aluminum deposited under vacuum. Given that PET is not a strongly polar polymer it is necessary to improve its adhesion to metals. This study was carried out in order to understand if there is a way to make sure that the polar groups will be bonded to the metal without being disturbed by the conditions of the environment. Our approach was the semi-batch emulsion polymerization, followed by the restructuration of the initial system (regular spherical polymeric nanoparticles) by changing its original morphology. Finally, the latexes were formulated by using variable amounts of compounds that were expected to improve the properties of the final material in terms of barrier and metallic adhesion. A part of the latexes synthesized in the scope of this work was submitted to pilot trials in an industrial line of PET extrusion. The latexes were used to coat the PET inline. The core-shell nanoparticles presented a lower permeability to water than the particles synthesized in the absence of the seed. This was related to the tortuosity promoted by the core, which increases the pathway of a diffusing molecule. The permeability to oxygen was found to be mainly related to the metallic layer. Given that the latexes were synthesized with the minimum amount of tensioactive necessary to originate stable dispersions, the wettability agent was found to be indispensable for the proper spreading of the coatings onto the PET. Furthermore, this compound played an important role on the adhesion property of the films. The cure agent, in the correct concentration, promotes the adhesion to metallic substrates. Moreover, this compound helped to prevent the interaction of the wettability agent with the water, decreasing consequently the plasticization of the structure in conditions of high humidity

L’objectif du présent projet est de développer une méthodologie pour la modélisation fondamentale de procédés de polymérisation en émulsion sans tensioactif stabilisés par des particules inorganiques, dénommées "polymérisation en émulsion Pickering". La modélisation des systèmes de polymérisation en émulsion nécessite la modélisation de la distribution de taille des particules (PSD), qui est une propriété importante d'utilisation finale du latex. Cette PSD comprend des sous-modèles dédiés à la nucléation des particules, le transfert de masse entre les différentes phases (monomère, radicaux, stabilisant) et la coagulation des particules. Ces modèles devraient de préférence être validés expérimentalement de manière individuelle. La première partie principale du travail est consacrée à l'étude expérimentale. Cette partie peut être divisée en trois parties. La première partie décrit l'adsorption de particules inorganiques sur le polymère sans réaction. Une adsorption multicouche a été observée et l’isotherme B.E.T. a été capable de décrire cette adsorption. L'adsorption se révèle être plus importante pour une force ionique plus élevée. La dynamique d'adsorption semple être rapide et par conséquent le partage peut être considéré à l'équilibre pendant la polymérisation. La deuxième partie concerne l'étude de différents paramètres de réaction sur le nombre de particules et la vitesse de réaction dans des polymérisations ab initio. L'effet du mélange, de la concentration initiale des monomères et de la concentration de l'initiateur a été étudié. L'optimisation de ces conditions a été utile pour la partie de modélisation. La dernière partie décrit les différences entre plusieurs Laponite® à travers la polymérisation en émulsion ab initio du styrène.La deuxième partie principale du manuscrit a porté sur la modélisation de la polymérisation en émulsion Pickering. Le modèle de bilan de population et le nombre moyen de radicaux par particule ont été calculés en fonction de l'effet des particules organiques. La croissance des particules de polymère a été optimisée en ajustant les modèles d'entrée et de désorption des radicaux décrits dans la littérature aux données expérimentales. Aucune modification n'a été nécessaire, ce qui nous a permis de conclure que l'argile n'avait aucune influence sur l'échange radical. Cependant, la stabilisation joue un rôle important dans la production de particules de polymère. Le modèle de nucléation coagulante a été capable de décrire le taux de nucléation et de prédire le nombre total de particules / The aim of the present project is to develop a methodology for fundamental modeling of surfactant-free emulsion polymerization processes stabilized by inorganic particles, referred to as “Pickering emulsion polymerization”. Modeling emulsion polymerization systems requires modeling the particle size distribution (PSD), which is an important end-use property of the latex. This PSD includes submodels dedicated to particle nucleation, mass transfer between the different phases (monomer, radicals, stabilizer), and particle coagulation. These models should preferably be individually identified and validated experimentally. The first main part of the work is dedicated to the experimental study. This part can be divided in three parts. The first part describes the adsorption of inorganic particles on polymer without reaction. Multilayer adsorption was observed and B.E.T. isotherm was able to describe this adsorption. The adsorption was found to be enhanced at higher ionic strength. The adsorption dynamics were found fast and therefore clay partitioning can be considered at equilibrium during polymerization. The second part concerned the investigation of different reaction parameters on the particles number and reaction rate in ab initio polymerizations. The effect of mixing, initial monomer concentration and initiator concentration were considered. Optimization of these conditions was useful for the modeling part. The last part described the differences between several LaponiteR_ grades through the ab initio emulsion polymerization of styrene. The second main part of the manuscript focused on the modeling of the Pickering emulsion polymerization. The population balance model and average number of radicals balance were adapted regarding the effect of inxi organic particles. The growth of the polymer particles was optimized by fitting the models of radicals’ entry and desorption described available in literature to the experimental data. No modification was needed, which allowed us to conclude that the clay had no influence on radical exchange. However, LaponiteR_ stabilization played an important role in polymer particles production. Coagulative nucleation model was able to describe the nucleation rate and predict the total number of particles

Un système consistant d'une simulation de mécanique des fluides numérique (MFN) couplée à un modèle de bilan de population (PBM) est développé afin d'étudier l'effet des paramètres variés sur la performance d'un procédé de polymérisation en émulsion qui conduit à la peoduction des particules de polymère dans un milieu aqueux continu.Comme une grande gamme des produits polymériques, des latexes sont les « produits par processus » (products-by-process), et leurs propriétés sont déterminés pendant la polymérisation. LA distribution de la taille des particules (PSD) est une des plus importants paramètres qui influence la qualité finale de latex. La modélisation d'évolution du PSD est généralement réalisée par l'addition un ensemble des PBEs au modèle cinétique. Le PBE fournit un moyen d'étudier la contribution des différents phénomènes dans l'évolution du PSD, comme la nucléation, la croissance des particules par la polymérisation, et la coagulation des particules à cause du mouvement brownien ou le mouvement du fluide (la coagulation Perikinetic et Orthokinetic, respectivement).Afin d'évaluer l'impact du mélange non homogène et les paramètres physiques du système sur l'évolution du PSD du latex, la simulation transitoire d'écoulement à été réalisé avec l'aide d'un progiciel commercial de MFN (Fluent® 15.0) pour munir dans chaque pas du temps, les concentrations locales des espèces ioniques (pour déterminer le taux de la coagulation Perikinetic modelé par le modèle de DLVO) ainsi que certains paramètres hydrodynamiques comme le taux de dissipation de la turbulence et le taux de cisaillement (afin de déterminer le taux de la coagulation Orthokinetic). Cette information est appliquée simultanément par le module complémentaire de PBM dans Fluent pour calculer le PSD pour le prochain pas du temps ; ainsi, un couplage complet entre le MFN et le PBM est assuré / A framework, consisting of a computational fluid dynamics (CFD) simulation model coupled to a population balance model (PBM) is developed to study the effect of various parameters on the performance of an emulsion polymerization process which leads to the production of a fine dispersion of polymer particles in a continuous aqueous medium.Like most polymer products, latexes are “products-by-process”, whose main properties are determined during polymerization. One of the main parameters influencing the final quality of the latexes is the particle size distribution (PSD). Modeling the evolution of PSD is usually accomplished through the addition of a set of PBEs to the kinetic model. PBE provides a means of considering the contribution of different phenomena in the PSD evolution, being nucleation, growth of polymer particles by polymerization, and coagulation of particles due to brownian or fluid motion (Perikinetic and Orthokinetic coagulation, respectively).To assess the impact of nonhomogeneous mixing and physical parameters of the system on the evolution of the latex PSD, the transient simulation of flow was performed with the aid of a commercial CFD Package (Fluent® 15.0) to provide in each time step, the local concentrations of ionic species (to determine the rate of perikinetic coagulation modeled by DLVO model) and certain hydrodynamic parameters such as turbulence dissipation rate and shear rate (to determine the rate of orthokinetic coagulation). This information is applied simultaneously by the PBE add-on module of Fluent to calculate the PSD for the next time step; thus a complete coupling between CFD and PBM is assured

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21963号 / 工博第4618号 / 新制||工||1720(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 山子 茂, 教授 辻井 敬亘, 教授 大内 誠 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

The diploma thesis deals with preparation of acrylic copolymers via emulsion polymerization technique. Two sets of copolymer samples were prepared within this thesis, n BA/MMA and 2-EHA/MMA copolymers. n-BA/MMA copolymer sample was used for investigation of effect of surfactant concentration as well as effect of addition of acrylic acid to the feed composition. During all the copolymerizations, conversion was observed via solids content evaluation as the reaction progressed. Copolymerization was lead under inert atmosphere at continuous stirring and 80 °C for 4 hours. Glass transition temperature of samples was determined with DSC and Vicat softening point was measured as well. Data acquired from measurements were compared with values calculated with Fox equation which was used for modelling molar ratio of monomers in initial feed.

This work addresses the distribution of N-methylolacrylamide (NMA) units in crosslinking poly(vinyl acetate) (PVAc) adhesives. In this case, distribution refers to the three potential locations of polymerized NMA units in a latex: the water-phase, the surface of polymer particles, and the core of the polymer particles. The objective is to identify the distribution of NMA in three latices and to determine whether NMA distribution correlates with durability related performance. NMA distribution was studied via a series of variable temperature solution NMR experiments, while the durability-related performance was studied via mode I fracture mechanics tests. Studying the distribution of NMA required the use of isotopically labeled NMA. Both 15N-NMA and 13C, 15N-NMA were synthesized. Three NMA/vinyl acetate (VAc) latices were prepared. The NMA feed strategy was varied during each of the three emulsion copolymerizations. Latex characterization methods including differential scanning calorimetry (DSC), rheometry, particle size analysis, and scanning electron microscopy (SEM) were used to study the three latices. The solution NMR method to identify NMA distribution was performed on untreated latices and on washed latices. Washing techniques included membrane dialysis and centrifugation. Results revealed that the three latices had different NMA distributions, and that the distributions were related to the expected differences in microstructure. Latex 3 had ~ 80% core-NMA, while Latex 2 had ~ 80% surface-NMA. Latex 1 had a high proportion of surface-NMA (~60%), but also had the highest proportion of water-phase NMA (~ 20%). This high proportion of water-phase NMA could be responsible for the unique morphology Latex 1 exhibited in SEM studies. Mode I opening fracture mechanics studies were used to study adhesive performance. Specimens were analyzed after exposure to accelerated aging treatments. Latex 2 and Latex 3 exhibited very similar results, despite having very different NMA distributions. All three latices showed good durability related performance. In Latex 2 and Latex 3, the critical strain energy release rates (Gc) after accelerated aging treatments were statistically the same as the Gc of the control specimens. The most interesting finding was that the Latex 1 Gc values were significantly higher after accelerated aging. Latex 1 also had the highest proportion of water-phase NMA. Bondline images and SEM micrographs both indicated that the integrity of Latex 1 was least affected by the accelerated aging treatments. / Ph. D.

[ES] La ingeniería tisular ha evolucionado hacia el modelado de la fisiología humana in vitro. El microambiente de la médula ósea (BM) es también hogar de procesos malignos. El mieloma múltiple (MM) es una neoplasia hematológica caracterizada por proliferación y acumulación en la BM de células plasmáticas monoclonales. Los tratamientos han mejorado, sin embargo, sigue siendo incurable. Moléculas de la matriz extracelular como fibronectina (FN) o ácido hialurónico (HA) tienen un papel reconocido en la resistencia a fármacos (DR). La inadecuación de los modelos preclínicos bidimensionales es una de las bases del problema de DR. Se han intentado diferentes enfoques in vitro, sin embargo, se basan en hidrogeles y andamios celulares diseñados para células adherentes, mientras que las células de MM presentan crecimiento en suspensión. El objetivo principal de esta Tesis es desarrollar, optimizar y validar una plataforma de cultivo 3D, denominada microgel, basada en microesferas en un medio líquido y que coexisten con células de MM creciendo dinámicamente en suspensión. Se desarrollaron y caracterizaron diferentes microesferas con diferentes funcionalizaciones. Optimizamos un protocolo de polimerización en suspensión para la obtención de microesferas a base de acrilatos con dos composiciones diferentes (presencia (10%) o ausencia (0%) de ácido acrílico (AA)) i dos distribuciones de tamaño diferentes (< 60 y > 70 ¿m). La FN se adsorbió en la superficie de la microesfera, mientras que el HA, colágeno I y diferentes secuencias peptídicas se injertaron covalentemente. Se modificaron las microesferas comerciales Cytodex 1 para adaptar sus características a la plataforma. Se utilizaron técnicas capa por capa (LbL) para introducir HA y sulfato de condroitina (CS) en su superficie. Por tanto, se ha generado un amplio repertorio de microesferas para desarrollar microgeles. Se optimizaron y validaron las condiciones de cultivo para la plataforma de microgel. Las condiciones óptimas se establecieron como 150 rpm de velocidad de agitación utilizando un agitador orbital y microesferas de < 60 ¿m. Los microgeles con diferentes composiciones y funcionalizaciones permitieron una buena proliferación de las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S. Todos los sistemas respetaron el patrón de crecimiento en suspensión, factor que ha demostrado ser clave para su buen desempeño en cultivo 3D. En estudios iniciales de DR, la línea celular RPMI8226 cultivada en microgeles que contenían AA mostró una resistencia significativamente mayor a la dexametasona que sus cultivos en suspensión. Y las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S cultivadas en microgeles que contenían AA mostraron una resistencia significativamente mayor a bortezomib que sus cultivos en suspensión. Por lo tanto, la presencia de AA en la matriz polimérica mostró un efecto positivo en la generación de DR in vitro y requerirá más estudios. Se ha validado la reducción de escala del sistema para trabajar con volúmenes más pequeños de microesferas y números reducidos de células, lo que es de gran relevancia para su traslación clínica. Finalmente, se han realizado cultivos preliminares con la línea celular RPMI8226 en los microgeles basados en Cytodex 1. Las microesferas de Cytodex 1 sin modificación tuvieron un efecto negativo sobre la viabilidad de las células de MM. La modificación mediante LbL con los pares quitosano/CS y quitosano/HA aumentó la viabilidad y proliferación. Sin embargo, estos sistemas no respetaron el carácter no adherente de las células MM. Hemos desarrollado y validado un novedoso sistema de cultivo basado en un medio 3D semisólido definido por microesferas y células de MM especialmente diseñado para células en suspensión. Este sistema constituye una herramienta versátil que debe explorarse más a fondo para el cultivo 3D de neoplasias hematológicas y para estudios de resistencia a fármacos in vitro. / [CAT] L'enginyeria tissular ha evolucionat cap al modelat de la fisiologia humana in vitro. El complex microambient de la medul·la òssia (BM) és també llar d'alguns processos malignes. El mieloma múltiple (MM) és una neoplàsia hematològica caracteritzada per una proliferació i acumulació a la BM de cèl·lules plasmàtiques monoclonals. Els tractaments han millorat, no obstant, el MM segueix sent incurable. Molècules de la matriu extracel·lular com fibronectina (FN) o àcid hialurònic (HA) tenen un paper reconegut en la generació de resistència a fàrmacs (DR) en MM. La inadequació dels models preclínics bidimensionals és una de les bases del problema de DR. Per això, s'han intentat diferents aproximacions in vitro, tanmateix es basen en hidrogels i andamis cel·lulars dissenyats per a cèl·lules adherents, mentre que les cèl·lules de MM presenten creixement en suspensió. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és desenvolupar, optimitzar i validar una plataforma de cultiu 3D, denominada microgel, basada en microesferes en un medi líquid i que coexisteixen amb cèl·lules de MM que creixen dinàmicament en suspensió. S'han produït i caracteritzat diferents microesferes amb diferents funcionalitzacions. S'ha optimitzat un protocol de polimerització en suspensió per a l'obtenció de microesferes d'acrilats amb dues composicions diferents (presència (10%) o absència (0%) d'àcid acrílic (AA)) i amb dos distribucions de diàmetres diferents (< 60 y > 70 ¿m). La FN es va adsorbir, mentre que el HA, el col·lagen I i diferents seqüències peptídiques es van unir covalentment. S'han modificat microesferes comercials Cytodex 1 per tal d'adaptar les seves característiques a la plataforma del microgel. Mitjançant tècniques capa a capa (LbL) s'han introduït HA i sulfat de condroïtina (CS) a la seua superfície. Per tant, s'ha generat un ampli repertori de microesferes per desenvolupar microgels. Es van optimitzar i validar les condicions de cultiu per a la plataforma de microgel. Les condicions òptimes de cultiu es varen establir com a 150 rpm de velocitat d'agitació utilitzant un agitador orbital i microesferes de < 60 ¿m. Els microgels amb diferents composicions i funcionalitzacions van permetre una bona proliferació de les línies RPMI8226, U226 i MM1.S. Tots els sistemes van respectar el patró de creixement en suspensió, factor que ha demostrat ser clau per al seu bon rendiment en cultius 3D. En estudis inicials de DR línia cel·lular RPMI8226 cultivada en microgels que contenien AA va mostrar una resistència significativament major a la dexametasona que els seus cultius en suspensió convencionals. Línies RPMI8226, U226 y MM1.S cultivades en microgels que contenien AA mostraren una resistència significativament major a bortezomib que els seus cultius en suspensió convencionals. Per tant, la presencia d'AA a la matriu polimèrica de les microesferes va mostrar un efecte positiu en termes de generació de DR in vitro, cosa que requerirà estudis futurs. S'ha validat la reducció de l'escala del sistema per treballar amb volums més petits de microesferes i menys cèl·lules, el que és de gran rellevància per a la seva translació clínica. Finalment, s'han realitzat cultius preliminars amb la línia cel·lular RPMI8226 en els microgels basats en les Cytodex 1. Les microesferes de Cytodex 1 sense modificar van mostrar efecte negatiu sobre la viabilitat de les cèl·lules de MM. La modificació mitjançant LbL amb els parells quitosà/CS i quitosà/HA va augmentar la viabilitat i proliferació de cèl·lules MM. No obstant, aquests sistemes no respectaren el caràcter no adherent de les cèl·lules de MM. S'ha desenvolupat i validat un nou sistema de cultiu cel·lular basat en un medi 3D semisòlid definit per microesferes i cèl·lules de MM, especialment dissenyat per a cèl·lules no adherents. Aquest sistema constitueix una eina versàtil que ha de ser explorada per al cultiu 3D de neoplàsies hematològiques i per a estudis de resistència a fàrmacs in vitro. / [EN] Tissue engineering has evolved towards modeling of human physiology in vitro. The bone marrow (BM) microenvironment is likewise the home of some malignant processes. Multiple myeloma (MM) is a hematological neoplasia characterized by proliferation and BM accumulation of monoclonal plasma cells. Treatments have improved; however, MM remains incurable. Extracellular matrix molecules such as fibronectin (FN) or hyaluronic acid (HA) have a recognized role in drug resistance (DR). The inadequacy of two-dimensional preclinical models is one cause of the DR problem, different in vitro approaches have been developed, however, all these studies are based on hydrogels and scaffolds designed for adherent cells while MM cells are suspension growing cells. The main objective of this Thesis is to develop, optimize and validate a 3D culture platform, termed as microgel, based on microspheres suspended in a liquid media and coexisting with MM cells growing dynamically in suspension. Different microspheres with different functionalities were developed and characterized. We optimized a suspension polymerization protocol for the obtention of acrylates-based microspheres with two different compositions: with presence (10%) or absence (0%) of acrylic acid (AA). We obtained two different size distributions (< 60 and > 70 ¿m). FN was adsorbed on microsphere surface, while HA, collagen I and different peptide sequences were covalently grafted. Commercial Cytodex 1 microspheres were modified to adapt their characteristics to the microgel platform. Layer-by-layer (LbL) technics were used to introduce HA and chondroitin sulfate (CS) on Cytodex 1 surface. Therefore, a wide repertoire of microspheres has been generated to develop microgels. The culture conditions for the microgel platform were optimized and validated. Agitation is needed to keep microspheres and cells in suspension. Optimal culture conditions were 150 rpm of stirring speed using orbital shaker and < 60 ¿m diameter microspheres. Microgels with different compositions (0% AA, 10% AA) and functionalizations (none, HA, FN, collagen 1 and peptide sequences) allowed good proliferation of RPMI8226, U226 and MM1.S cells under 3D conditions. All the 3D systems respected the suspension growth pattern which appears as key factor for their good performance in 3D culture. In the initial DR studies, we found that MM cell line RPMI8226 cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to dexamethasone than their conventional suspension cultures. And that MM cell lines RPMI8226, U226 and MM1.S cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to bortezomib than their conventional suspension cultures. Thus, AA in the polymeric microsphere matrix showed a positive effect on the generation of DR in vitro and will require further studies. The scale-down of the system to work with smaller volumes of microspheres and reduced cell numbers has been validated, this is of great relevance for their clinical application. Finally, preliminary cultures with the cell line RPMI8226 have been performed with the Cytodex 1-based microgels. Cytodex 1 microspheres without modification had a negative effect on MM cells viability. LbL modification with the pairs chitosan/CS and chitosan/HA increased MM cells viability and proliferation. However, these systems did not respect the non-adherent character of MM cells. We have developed and validated a novel cell culture system based on a semi-solid 3D media defined by microspheres and MM cells which is specially designed for cells in suspension. It represents a versatile tool that should be further explored for the 3D culture of hematological malignancies and drug resistance studies in vitro. / Me gustaría agradecer al Servicio de Microscopía de la UPV y a sus técnicos por su valiosa ayuda con las técnicas de microscopía electrónica, a la Agencia Estatal de Investigación (proyecto PID2019-106099RB-C41 / AEI / 10.13039/501100011033) y al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (ayuda predoctoral FPU17/05810) que han financiado esta Tesis. / Clara Trujillo, S. (2022). Development of a 3D in Vitro Disease Model for Multiple Myeloma [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186054

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider. / The need for biosensors with high sensibility but simple preparation and use has been increasing, especially in the biomedical field. Crystalline colloidal arrays (CCAs) formed by polymer microspheres have already demonstrated great potential for biosensing applications, combining the polymer properties to the visible light diffraction caused by their periodic structure. However, a better understanding of the behavior of such structures is essential in the objective to develop efficient and versatile biosensors. This work proposes to investigate the formation and properties of CCAs created by the self-assembly of polymer microspheres in aqueous medium. For that purpose, particles with different features have been synthesized and studied to highlight the correlation between the properties of the particles and the behavior of the CCAs. First, anionic and cationic cross-linked polystyrene microspheres have been prepared by surfactant-free emulsion polymerization. Different sizes, shapes, polydispersities and surface charge densities have been obtained by the use of various amounts of charged comonomers, either vinylbenzyltrimethylammonium chloride or sodium styrenesulfonate. Indeed, an increasing amount of the ionic comonomer leads to a decreasing particle size because of the ability to electrostatically stabilize more surfaces. However, above a certain concentration, the polymerization of the comonomer in solution increases the polydispersity of the particle size. When allowed by a low polydispersity, the charged microspheres can self-assemble into CCAs with intense visible light diffraction, even for particles not quite spherical. It appears that the electrostatic repulsions created by the charges help in the formation of the periodic structure over a wide range of particle concentrations and improve their stability towards ionic strength. Secondly, the need for a sensitive component brought us to investigate core-shell structures. These microspheres, synthesized by a two-step surfactant-free emulsion polymerization, are made of a polystyrene core and a hydrogel shell. Different hydrogels have been used to achieve different properties: poly(acrylic acid) for pH-sensitivity, poly(N-isopropylacrylamide) for thermosensitivity and poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) for double sensitivity to both stimuli. Above a certain critical concentration, and over a wide range of concentrations, these microspheres also form CCAs with visible light diffraction. The resulting crystalline structures also display a response to the stimuli, visible through changes in the diffraction spectra, but the response appears to be dependent on the microsphere concentration. This behavior seems to be the result of a change in the interactions between particles rather than the outcome of the volume change of the particles. Attractive van der Waals and repulsive steric interactions are clearly affected by the temperature-induced volume phase transition of poly(N-isopropylacrylamide) microspheres. In the case of pH-sensitive, electrostatic interactions are also to be considered. The effect of concentration can then related to the range of the interactions. Finally, in the objective to develop glucose sensors, the previous microspheres have been functionalized with 3-aminophenylboronic acid to make them responsive to glucose. The effects of the functionalization and complexation with glucose on the particles and their CCAs have been investigated. The crystalline structure is clearly affected by the presence of glucose, even though the mechanism involved remains to be clarified.

Cette thèse a pour objet la comparaison des procèdes de polymérisation en émulsion et en miniémulsion. L'influence de la combinaison de stabilisants moléculaires et macromoléculaires sur la cinétique réactionnelle et la distribution de tailles de particules sont les critères pertinents dans notre étude. Un stabilisant polymère, le poly (alcool vinylique-co-acétate de vinyle) (PVA), a été synthétisé avec différents taux d'hydrolyse par saponification directe du polyacétate de vinyle. Le taux d'hydrolyse de ce copolymère a été caractérisé par la Résonance Magnétique Nucléaire du proton (RMN 1H). Puis, nous avons étudié l'influence de la composition d'un mélange stabilisant [copolymères poly (alcool vinylique-co-acétate de vinyle) (PVA)/laurylsulfate de sodium (SDS)] et en particulier le taux d'hydrolyse du PVA. La présence de complexe (PVA/SDS) influence légèrement la cinétique de polymérisation. Par contre la capacité des complexes à stabiliser les particules de latex final dépend du taux d'hydrolyse du PVA, plus ce dernier est faible, plus l'agrégation est importante. Enfin, nous avons suivi en ligne par spectroscopie Raman des polymérisations en émulsion et en miniémulsion du styrène. Une exploitation du spectre a été réalisée et a permis d'attribuer les différents pics aux vibrations de certaines liaisons. La consommation du monomère et l'apparition du polymère a pu être suivi tout au long de la polymérisation / The aim of this work is to compare processes of emulsion and miniemulsion polymerization. The influence of the combination of molecular and macromolecular stabilizers on the reaction kinetics and particle size distribution are relevant factors in our study. A stabilizer polymer, poly (vinyl alcohol-co-vinyl acetate) (PVA), was synthesized with different degrees of hydrolysis by a direct saponification of polyvinyl acetate. The degree of hydrolysis of this copolymer was characterized by Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR). Then, we studied the influence of the composition of a mixture stabilizer [poly (vinyl alcohol-co-vinyl acetate) (PVA)/sodium lauryl sulfate (SDS)], and particulary the degree of hydrolysis of PVA. The presence of complex (PVA/SDS) influences slightly the kinetic of polymerization. The ability of the complexes to stabilize the particles of latex depends on the degree of hydrolysis of PVA, the lower it is, the more the aggregation is important. Finally, we followed in situ emulsion and miniemulsion polymerizations of styrene by Raman spectroscopy. The exploitation of the spectrum allowed us to assign the different peaks to vibrations of certain bands. The consumption of the monomer and the appearance of the polymer could be followed throughout the polymerization