京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21342号 / 医博第4400号 / 新制||医||1031(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 長船 健二, 教授 羽賀 博典, 教授 妹尾 浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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A model to allow the design and evaluation of encapsulated ionic polymer transducers is developed. This model in based on a linearly coupled, two port, electrical equivalent circuit model (Newbury, 2002). The proposed model incorporates multilayer beam theory to model the passive stiffness effects of the encapsulation layer and attempts to increase the prediction accuracy of the model by using distributed parameter system modeling to create the mechanical terms used in the model. Modal expansion is used to extend the applicability of the mechanical impedance terms through multiple resonances of the transducer. The test setup as well as the mathematical approach to characterize the viscoelastic properties of Nafion™ as they relate to this work is described and the results presented. The model simulation is then compared to measured experimental data taken for a number of ionic-polymer-metal composites before and after encapsulation. The applicable frequency range of the model is explored as well as data trends seen above previous frequency ranges (approximately 1 kHz). Free deflection was predicted to reduce by an order of magnitude when the transducers were encapsulated with Kapton™. This trend was observed and correlates well with the measured response. Charge sensing and blocked force were found to increase for a transducer after encapsulation; this could be due to the higher coherence obtained in testing after encapsulation and is not predicted by the model. The model predicts charge sensing and blocked force should remain constant with encapsulation. Low frequency blocked force data for any given transducer was observed to be roughly an order of magnitude greater than the sensing response, before and after encapsulation. There is no explanation for this observation, future work should investigate this phenomena. / Master of Science

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier la relation entre la méthode de préparation des nanoparticules, les propriétés colloïdales et l’encapsulation d’un principe actif à usage pédiatrique. Dans ce but, le diclofenac a été utilisé comme molécule modèle et les nanoparticules ont été préparées via la nanoprécipitation et l’émulsification-diffusion. Des études fondamentales et systématiques ont permis de mettre en évidence l'existence de différences notables entre les propriétés électrocinétiques et l'efficacité d’encapsulation en fonction du procédé utilisé pour la préparation des particules. Ces propriétés colloïdales et physico-chimiques sont primordiales pour la bonne stabilité des dispersions de nanosphères et des nanocapsules et pour le comportement de ces vecteurs lors d’utilisation in vivo. Cette étude a permis de proposer et de discuter le mécanisme de formation des nanoparticules en se basant sur le comportement des variables critiques du procédé et de la formulation, les propriétés de surface et l'efficacité d’encapsulation de l’actif modèle / The objective of this PhD thesis is to point out the relationship between the preparation method of the nanoparticles, the colloidal properties and the encapsulation efficiency of a given active molecule for paediatric purpose. In this direction, diclofenac was used as model molecule and the nanoparticles were prepared via the nanoprecipitation and the emulsification-diffusion processes. The conducted fundamental and systematic studies rend evident notable differences between the two processes, particularly in the electrokinetic properties of the particles and the effectiveness of the drug encapsulation. These colloidal and physicochemical properties are paramount for the good stability of the nanoparticles and their in vivo use. This research work made it possible to propose and to discuss the mechanism of nanoparticle formation from the behavior of key variables of the process and the recipe used, the surface properties of the particles and the effectiveness of encapsulation of the model drug

Ce travail de thèse a permis la mise au point d'un procédé d'encapsulation de bactéries probiotiques dans des matrices ne contenant que des ingrédients laitiers. L'étude à l'échelle laboratoire puis, le dimensionnement du procédé à l'échelle pilote ont permis la production de microparticules stables dans des milieux aqueux et résistantes à des conditions simulant l'estomac. La nature des protéines présentes mais également leurs proportions ont influencé la localisation des bactéries dans les microparticules : à la surface pour une matrice uniquement composée de caséine et à l'intérieur pour une matrice composée à la fois de caséines et de protéines solubles. L'interprétation de ces résultats par une étude à l'échelle moléculaire des interactions qui s'établissent entre les bactéries probiotiques et les protéines laitières a été possible grâce à l'utilisation de la microscopie à force atomique. Les protéines solubles interagissent de façon spécifique avec les bactéries alors que les caséines interagissent de façon non spécifique. De même, la présence de pili à la surface de la bactérie est favorable à la l'établissement d'interactions fortes entre LGG et les protéines solubles. Ce travail a donc permis d'expliquer des résultats obtenus à l'échelle macroscopique (taux d'encapsulation et de survie dans des conditions gastriques) grâce à des observations microscopiques et une étude à l'échelle nanoscopique des interactions entre les différents composants. Cette approche multi-échelle a élucidé certains mécanismes régissant l'encapsulation de bactéries probiotiques dans des matrices laitières / In this work thesis, an encapsulation process for probiotic bacteria using only milk proteins is developed. The laboratory scale followed by a pilot and an industrial scale development of the process allow the production of stable and resistant microparticles both in aqueous and gastric media. The nature and quantities of proteins added is found to influence the bacterial location in the microparticles. The bacteria are located mostly at the surface when only caseins are present. Oppositely, well encapsulated bacteria are observed when addition of whey proteins are performed. A molecular study of interactions established between milk proteins and bacteria is possible with the use of atomic force microscopy. Whey proteins are found to specifically interact with bacteria whereas the caseins establish non-specific links. In addition, the presence of piliated bacteria is found favorable to establish strong and long interactions between proteins and bacteria. This work permits the interpretation of results obtained at a macroscale (encapsulation rate and bacterial survival in stomach conditions) thanks to microscopic observations and nanoscopic interactions study. This multiscale approach permits the elucidation of mechanisms driving the probiotic encapsulation in milk matrices

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique prometteuse largement répandue dans les milieux hospitaliers. Elle est non invasive, présente une bonne résolution spatiale et permet de visualiser en profondeur dans un organisme vivant. Elle possède cependant quelques défauts, dont sa faible sensibilité. Pour palier ce problème, il est possible d'utiliser des espèces hyperpolarisables telles que le xénon. Cependant, n’étant spécifique d’aucun récepteur biologique, le xénon nécessite d’être vectorisé. Pour ce faire, des auteurs ont proposé son encapsulation dans une cage moléculaire capable de reconnaître la cible biologique à imager. Les meilleurs candidats à ce jour sont les cryptophanes.Nous nous sommes fixés comme objectif dans cette thèse de concevoir et de synthétiser de nouvelles cages plus adaptées pour les applications en IRM 129Xe ainsi que des biosondes pertinentes pour se rapprocher d’applications in vivo. Dans une première partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles cages afin d’étudier et d’affiner les propriétés d’encapsulation du xénon au sein des cryptophanes. Dans les parties suivantes, nous nous sommes concentrés sur la conception de biosondes par fonctionnalisation de cryptophanes déjà décrits pour diverses applications d’intérêt biologique. D’une part, nous avons évalué la possibilité de détecter des métaux de manière plus spécifique et plus sensible grâce à l’IRM xénon hyperpolarisé. D’autre part, nous avons travaillé sur la conception de biosondes bimodales, afin de coupler des techniques complémentaires d’imagerie médicale. / Today, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful clinically used imaging method which provides three-dimensional images with excellent resolution. However, conventional molecular MRI techniques that rely on the observation of water protons still suffer from reduced sensitivity and often lack selectivity. The use of hyperpolarized xenon can improve both the selectivity and sensitivity of the MRI method. As xenon has no specificity for any biological receptor, it needs to be vectorized. For this purpose, authors have proposed to encapsulate xenon inside molecular cages functionalized to recognize specific biological targets. The best candidates so far as biosensors are cryptophanes.The aim of this work is to design and synthesize new cryptophanes that are better suited for 129Xe MRI applications and relevant biosensors for future in vivo applications. In a first part, new cages were developed in order to study the encapsulation properties of xenon inside different cryptophanes. Then, biosensors were synthesized by functionnalization of known water-soluble cryptophanes for different applications of biological interest. We have therefore assessed the possibility of detecting metal ions specifically in a very sensitive way thanks to 129Xe MRI. New bimodal sensors were also designed and tested.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier la fonctionnalisation de textiles par des particules contenant un principe actif cosmétique. L'approche choisie repose sur la fixation sur le textile de particules de charges opposées. Dans ce travail, nous avons étudié dans un premier temps l'état de surface des textiles synthétiques et naturels. Les résultats ont montré que les textiles présentent une surface chargée négativement. Dans un second temps, l'adsorption de particules cationiques “modèles” de PMMA sur un textile synthétique à base de polyamide a été étudiée. Les résultats ont montré une bonne adsorption des particules sur le textile ainsi qu'une bonne résistance à la désorption lors des étapes de lavage. A la suite de ces résultats, des particules cationiques formulées par émulsion-diffusion à partir de différents polymères ont été réalisées. Ce criblage des polymères a permis de sélectionner un polymère biocompatible et biodégradable capable de fonctionnaliser durablement le textile. La dernière partie de ce travail a consisté en l'étude du rendement d'encapsulation et du profil de libération de deux principes actifs : rafraichissant et blanchissant / The aims of this work is to study textiles functionalization with particles containing an cosmetics active ingredient. The approach selected is based on textiles functionalization by opposite charged particles. At first, we studied synthetic and natural textiles surface and results showed that textiles exhibit negative charged surface. In a second step, adsorption of cationic PMMA particles onto synthetic polyamide textile was studied. The results showed proper particles adsorption on textile and a good resistance to desorption during washing steps. Then, cationic particles formulated by emulsion-diffusion from different polymer were made. This screening polymers was used to select a biocompatible and biodegradable polymer able to functionalized textiles. The last part of this work consisted in studying the encapsulation efficiency and release profile of two active ingredient : refreshing and whitening

Ce travail de thèse est principalement axé sur la création d'un nouveau réacteur biocompatible permettant l'encapsulation et l'étude de bactéries électroactives. Ce compartiment de taille millimétrique, réalisé par coextrusion, est une capsule à coeur liquide possédant une membrane d'hydrogel conducteur. La synthèse de ce bioréacteur a nécessité la formulation d'un hydrogel composite alginate/nanotubes de carbone en deux étapes. Une première étape rapide crée la matrice d'hydrogel par diffusion d'ions divalents dans un mélange Alginate/nanotubes de carbone. Une seconde étape, plus lente, permet la dialyse du tensioactif stabilisant les nanotubes et la création d'un réseau conducteur au sein de l'hydrogel pour des pourcentages massiques de charges supérieurs à 0,5 %. Ce matériau composite présente alors une conductivité macroscopique d'environ 0,1 S/m. Une étude du matériau par voie électrochimique permet entre autres de suivre cinétiquement la connexion des nanotubes de carbone. Des bactéries peuvent adhérer à la surface de cet hydrogel composite. Nous démontrons qu'il est alors possible de mesurer l'électroactivité d'un biofilm bactérien développé sur la paroi interne d'une capsule conductrice. Ce nouveau compartiment biocompatible ouvre la voie vers le développement d'un outil de criblage pour la sélection de bactéries électroactives mais offre également des perspectives innovantes pour la fabrication de piles bactériennes. / This work focuses on the creation of a new biocompatible reactor allowing the encapsulaion and the study of electroactive bacteria. Made by co-extrusion, this millimeter bioreactor is a liquid core capsule with a conducting hydrogel membrane. To create such an object, we formulate a composite hydrogel of alginate/carbon nanotubes in two steps. The first step is rapid and creates the hydrogel matrix by diffusion of divalent ions inside the alginate/carbon nanotubes mix. The second step is slower and permits the dialysis of the surfactant used to stabilize the nanotubes. During this last step, the carbone nanotube network percolates, creating a conducting network in the hydrogel for sufficient nanotube contents (above 0.5 %). This composite material has a macroscopic conductivity around 0.1 S/m. An electrochemical study of this material allows to follow the nanotube connection inside the hydrogel. Bacteria can adhere on this composite hydrogel. Then, we demonstrate that the electroactivity of a biofilm developped on the inner side of the conductive capsule shell can be measured. This new biocompatible and electron-conducting compartment opens the way towards the development of a screening tool for the selection of electroactive bacteria but also brings innovative perspectives in the field of microbial fuel cells fabrication.

L’encapsulation et le relargage à la demande de principes actifs présentent de nombreux avantages et trouvent leur place dans de nombreuses applications, au sein de formulations complexes. Dans cette thèse, nous montrons que la chimie supramoléculaire permet de réaliser des copolymères amphiphiles capables d’encapsuler des composés lipophiles, dispersés en solution aqueuse.L’objectif de ces travaux a été d’élaborer et de caractériser les édifices encapsulants formés par des copolymères amphiphiles supramoléculaires, inspirés des émulsifiants non ioniques commerciaux, les Pluronics®.Dans un premier temps, nous avons synthétisé des copolymères supramoléculaires amphiphiles. Les unités associatives et complémentaires thymine (Thy) et diaminotriazine (DAT), très étudiées dans le domaine des matériaux supramoléculaires, ont été greffées en une étape au(x) extrémité(s) de chaines poly(éthylène) glycol, hydrophiles, et poly(propylène) glycol, hydrophobes, commerciales (Jeffamine®). Les deux unités supramoléculaires s’associent sélectivement par trois liaisons hydrogène parallèles, permettant de former des copolymères amphiphiles. Leur auto-assemblage en solvant sélectif, notamment dans l’eau ou dans des mélanges biphasiques aqueux, conduit à la formation d’objets encapsulants, destinés à des applications cosmétiques.La force et la stabilité de la liaison supramoléculaire Thy/DAT ont été étudiées dans l’eau et dans différents solvants organiques. Les objets formés par l’auto-assemblage des copolymères supramoléculaires ont également été caractérisé par différentes techniques physico-chimiques. L’utilisation des copolymères amphiphiles supramoléculaires s’est révélée concluante pour la stabilisation d’émulsions directes préparées par émulsification spontanée (effet Ouzo). Ainsi, la preuve de concept de l’encapsulation a été établie, les émulsions obtenues s’apparentant à l’encapsulation d’un composé lipophile en phase aqueuse (dispersion liquide-liquide). / The encapsulation and triggerable release of actives display numerous benefits and are used in complex formulations designed for various applications. In this thesis, we show that supramolecular chemistry enables the design of amphiphilic copolymers, capable to encapsulate lipophilic compounds, dispersed in aqueous solution.The goal of this work was to develop and characterize encapsulating objects formed by amphiphilic supramolecular copolymers, inspired by non ionic, commercially available emulsifiers, Pluronics®.As a first step, we synthesized amphiphilic supramolecular copolymers. Associative and complementary units thymine (Thy) and diaminotriazine (DAT), which are largely studied in supramolecular materials subjects, were grafted by a one-step reaction, at the end(s) of poly(ethylene) glycol chains, hydrophilic, and poly(propylene) glycol chains, hydrophobic. Both initial chains are commercially available (Jeffamine®). The two supramolecular units associate selectively by 3 parallel hydrogen bonds, enabling the formation of amphiphilic copolymers. Their self-assembly in a selective solvent, like water, or in a aqueous biphasic mixture, lead to the formation of encapsulating objects, which are designed for a cosmetic application.Strength and stability of Thy/DAT supramolecular bon was investigated in water and in different organic solvents. Objects formed by the self-assembly of the supramolecular copolymers were also characterized by the mean of several techniques. Use of amphiphilic supramolecular copolymers was found conclusive for the stabilization of direct emulsions, formed by spontaneous emulsification (Ouzo effect). Thus, proof on concept was established, emulsions being seen as the encapsulation of a lipophilic compound in an aqueous phase (liquid-liquid dispersion).