Les produits laitiers d’aujourd’hui contiennent souvent des polysaccharides qui permettent de les texturer et de les stabiliser. La compréhension et le contrôle de ces mélanges sont essentiels pour la fabrication et le développement de nouveaux produits. Le carraghénane est un polysaccharide sulfaté provenant des algues. Il existe principalement trois types de carraghénanes : le λ-carraghénane, le κ-carraghénane (KC) et l’ τ-carraghénane (IC). Les deux derniers sont ceux utilisés pour notre étude. Le KC et l’IC présentent une transition pelote-hélice en dessous d’une température critique qui dépend du type et de la concentration de cations. Dans la conformation hélice, les chaînes peuvent s’agréger, puis gélifier. La caséine est la protéine majoritaire du lait. Dans le lait, elle est présente sous forme d’un complexe stabilisé par le phosphate de calcium colloïdal (CCP). Le caséinate de sodium (SC) est obtenu à partir de la caséine native en enlevant le CCP par acidification, puis par addition de soude. Dans l’eau, les particules de SC ont un rayon de 11nm et sont constituées d’environ 15 molécules de caséines. Les mêmes particules peuvent être formées par chélation du CCP par le triphosphate de sodium. Elles sont alors appelées submicelles de caséines. Le projet de cette thèse vise à approfondir les connaissances sur la nature des interactions dans les systèmes mixtes caséinates/carraghénane. Ce mélange est un modèle pour certains produits laitiers. Les principaux résultats de cette étude sont les suivants : Etude des mélanges de SC et de KC sous forme pelote. Nous avons établi un diagramme de phase à l’aide de la microscopie confocale à balayage laser (MCBL), de la spectroscopie UV et de la rhéologie. Deux domaines ont été définis : un domaine biphasique aux fortes concentrations de SC où la séparation de phase est ségrégative et un domaine monophasique aux faibles concentrations des deux composés. Dans les mélanges monophasiques ou biphasiques, nous avons observé des agrégats riches en protéines qui sont irréversibles. Ces agrégats contiennent très peu de carraghénane et ont un impact sur la viscosité du mélange. La teneur en protéine dans ces agrégats augmente linéairement avec l’augmentation de la concentration de KC mais est indépendante de la concentration de SC. Cette fraction est également influencée par le pH et la force ionique. Gélification des mélanges monophasiques de SC et de KC. Les caséines n’influencent pas la température critique de gélification, mais augmentent la température critique de fonte ainsi que le module du gel. Nous avons montré que le système forme un gel mixte. Ce gel mixte contient deux types de liaisons : des liaisons entre SC-KC et des liaisons entre KC-KC purs. La compétition entre ces deux types d’interactions dépend de la force ionique et de la nature du sel. Etude comparative des SC et des submicelles de caséines. On n’observe aucune différence entre les deux systèmes, à part la diminution de la température critique de gélification due au triphosphate de sodium. Etude comparative de KC et d’IC en présence de SC. La séparation de phase ségrégative des mélanges d’IC est déplacée vers les hautes concentrations de SC. Le pourcentage d’agrégats dans le mélange est négligeable. On observe également la présence d’un gel mixte, mais de module plus faible. En conclusion, cette thèse a permis de mieux comprendre le comportement complexe des carraghénanes dans les suspensions de caséines, ce qui devrait permettre le développement plus rationnel de certains produits laitiers. / The carrageenan is a sulphated polysaccharide extracted from red algae. In a acqueous solution carrageenan change its conformation when we cool from a coil to a helix, this coil-helix transition is thermoreversible. In generally, Helical carrageenan aggregates and can form a gel. Rheology shows that carrageenan forms gel during cooling at a critical gelation temperature Tc and that upon heating, the gel melts at a critical melting temperature Th. These critical temperatures depend on the nature and the concentration of kations that are present in the solution, but not on the carrageenan concentration. The shear modulus depends both on nature and concentration of salt and on the carrageenan concentration. Casein is the major milk protein component and consist of 4 kinds of casein molecules: alpha s1, alpha s2, beta and kappa casein. In milk, the caseins form a large complex with a size of about 200nm. This complex is stabilized by colloidal calcium phosphate. SC (sodium caséinate) can be prepare by precipitation of casein micelles at pH 4, washing the precipitate to remove the colloidal calcium phosphate and returning to pH 7 by adding NaOH. The SC is present in water in the form of small particles with a radius of about 11 nm that contain approximately 15 casein molecules. The objective of this work is to study the structure and mechanical properties of SC/carrageenan (kappa carrageenan (KC) and iota carrageenan (IC)) mixtures and to better understand the nature of the interaction between them. mixtures of KC and SC show a segregative phase separation at high concentrations of either. Cluster containing mostly SC and little KC are formed by association between KC and SC. With time, the clusters flocculate and precipitate, but they can be redisperse in solution by heating and shaking. The fraction of protein in the clusters depends on the pH, the ionic strength and the KC concentration, but very little on the protein concentration. During cooling, SC associates with helical KC and forms a mixed network. These mixed gels have two types of crosslinks: links between protein free KC chain sections and links involving of proteins. The break up of these two types of bonds can be seen during the melting process depending on the relative amounts of SC and KC. The gel strength depends on the KC and SC concentration and also the type and the concentration of salt. Mixtures of τ-carrageenan (IC) and sodium caseinate (SC) were investigated and the results are compared with a similar study of mixture of κ-carrageenan (KC) and SC. Segregative phase separation was observed at high biopolymer concentrations and the binodal was determined. At low IC concentrations SC formed aggregates involving a very small amount of IC that were characterized with light scattering. The influence of adding SC on the gelation of IC during cooling and the shear modulus of the gels, was studied in the presence of NaCl or KCl. The main conclusion of this work is that SC binds to both IC and KC, in the coil conformation as well as in the helix conformation, but that its effect on the rheology is much weaker for IC than for KC.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit a pour objectif de mettre en place un nouveau procédé d’élaboration de membranes à base de chitosane pour le traitement d’effluents acides contenants des ions métallique. Soluble en milieu aqueux acide, le chitosane présente la propriété de gélifier lorsque le pH devient basique, ce qui permet d’envisager l’élaboration de membrane sans solvant organique contrairement aux polymères synthétiques classiques. Par ailleurs, ce travail de thèse s’est intéressé à un procédé original de gélification par voie enzymatique, dans lequel la gélification in-situ de la solution de chitosane permet une structuration contrôlée de la membrane contrairement aux procédés classiques qui donnent lieu à un front de gélification. Une étude des cinétiques de gélification en fonction des paramètres d’élaboration (température et concentration en urée) a mis en évidence que seule la température est significativement influente sur le temps de gélification dès lors que la concentration en urée n’est pas limitante. Un modèle a été mis en place pour décrire la gélification enzymatique du chitosane afin de comprendre les mécanismes des cinétiques réactionnelles et de transferts lors de la formation du gel. Des membranes de chitosane ont ainsi été élaborées par le procédé par voie enzymatique, la porosité de ces membranes ayant été générée avec un agent porogène (PEG 6000) et une réaction d’acétylation du chitosane ayant permis d’obtenir des membranes insolubles en milieu acide. Les membranes obtenues ont été caractérisées en termes de morphologie et de propriétés fonctionnelles (filtration, sorption du Cu(II) comme élément métallique modèle). / The Ph-D work presented in this manuscript aims to develop a new process for elaborate chitosan membranes for treatment of acidic media containing metal ions. Soluble In acidic aqueous media, gelation occurs when the pH becomes basic, allowing elaboration of membrane without the use of organic solvents unlike classical synthetic polymers. Moreover, this Ph-D work has focused on an original process enzymatic gelation which the in-situ gelation of chitosan solution allows a controlled structuration of the membrane unlike conventional processes which leads to a front gelling.A study of gelation time as a function of the elaboration parameters (temperature and urea concentration) highlighted that only the temperature is a main parameter on gelation time since the urea concentration is not limiting. A model was developed to describe the chitosan enzymatic gelation in order to understand mechanisms of reaction kinetics and transfers during the gel formation.Chitosan membranes have been prepared by enzymatic process, the porosity of such membranes have been generated with a blowing agent (PEG 6000) and an acetylation of chitosan having yielded insoluble membranes in acid medium. The resulting membranes were characterized by their morphology and functional properties (filtration, sorption of Cu (II) as model metal element).

Ces travaux de recherche visent à comprendre le mécanisme de formation de gels protéiques en présence de fer en vue de les utiliser comme systèmes dans le développement de nouveaux aliments fonctionnels. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible de former des gels à froid de -lactoglobuline en présence de fer. En fonction des conditions utilisées, deux types de gels ont été identifiés et caractérisés : d'une part, des gels filamenteux sont obtenus à faibles concentrations en fer et essentiellement maintenus par des interactions hydrophobes et d'autre part, des gels particulaires inhomogènes sont obtenus à fortes concentrations en fer et maintenus par des interactions de type van der Waals. Des études in vitro ont montré que les gels filamenteux permettaient de libérer le fer au niveau de la barrière intestinale et favorisaient son absorption. Ces gels constituent donc de très bons véhicules pour transporter le fer et optimiser sa biodisponibilité.

L’interaction électrostatique associative entre la β-lactoglobuline (βlg) native et la gomme xanthane (XG) résultant en la formation des gels couplés a été étudiée par diverses techniques. Les principaux objectifs de cette étude étaient premièrement de mieux comprendre le rôle de la protéine (βlg) et du polysaccharide (XG) dans la structuration du gel et les interactions impliquées dans la stabilisation du gel, et ensuite d’étudier les propriétés du gel en relation avec ses caractéristiques structurales. La gélification des mélanges βlg-XG a été suivie par la rhéologie dynamique. La caractérisation de la structure des gels a été réalisée au moyen de la microscopie confocale à balayage laser. L’effet de plusieurs facteurs environnementaux, incluant le ratio βlg-XG, la concentration des biopolymères, la force ionique, la vitesse d'acidification et la présence d’autres polysaccharides neutres (inuline et β-glucane) a été étudié. Il a été constaté que le réseau initial de XG a fourni le patron de base pour l'organisation de gel; les protéines ont agrégé sur les chaînes de XG et pourrait être considérées comme un agent de réticulation. La structure du gel et ses propriétés peuvent être modifiées et contrôlées en ajustant le ratio βlg-XG, la concentration des biopolymères, la force ionique. L'effet de la vitesse d'acidification a été étudié en utilisant des quantités variables de glucono-delta-lactone (GDL). Cette approche a permis de réduire le temps de gélification sans modifier la structure du gel. De plus, la spectroscopie infrarouge (FTIR) a permis d’étudier la conformation de protéines au cours de la gélification avec la XG. Il a été trouvé que la conformation secondaire de βlg n’a pas changé lors de l'interaction électrostatique avec la XG. La participation des liaisons hydrogène (entre βlg-XG, βlg-βlg) et des interactions hydrophobes (entre βlg-βlg) dans la stabilisation du gel lors d'un traitement thermique de gel à 80°C pendant 30 minutes a été déterminée. Le traitement thermique a non seulement amélioré la stabilisation mais aussi réduit la synérèse du gel. Les résultats de ce projet devraient permettre à l’industrie alimentaire et non-alimentaire (biomédicale, cosmétique, pharmaceutique) de développer des produits semi-solides fonctionnels ou des matériaux intéressants pour incorporer des molécules actives. / The associative electrostatic interaction between native β-lactoglobulin (βlg) and xanthan gum (XG) resulting in the formation of electrostatic gels was studied by several techniques. The main objectives of this study were firstly to better understand the role of βlg and XG in gel structuration and the interactions involved in gel stabilization and secondly to relate gel behaviors to their microstructures. The gelation processes of βlg-XG mixtures were monitored by viscoelastic measurements and the microstructure of the gels was observed by confocal laser scanning microscope. The effect of several environmental factors including the βlg-XG ratio, biopolymer concentration, ionic strength, acidification rate, and presence of neutral polysaccharides (inulin and β-glucan) were investigated. It was revealed that the initial network of XG provided a frame for gel organization; the βlg aggregated along the XG chains and played a role of cross-linking agent. Gel structure and behavior can then be modified and tailored through the adjustment of βlg-XG ratio, biopolymer concentration, and ionic strength. The effect of acidification rate was studied using different quantities of glucono-delta-lactone (GDL). This approach allowed reducing the gelation time without modification in gel structure. In addition, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to study the conformation of proteins during gelation with the XG. It was found that the secondary conformation of βlg did not change during the electrostatic interaction with the XG. The involvement of hydrogen bonds (between βlg-XG, βlg-βlg) and hydrophobic interactions (between βlg-βlg) in gel stabilization upon thermal treatment of gel at 80°C for 30 minutes were determined. The heat treatment has not only improved the stability but also reduced gel syneresis. The results of this project should enable the food, biomedical, cosmetic, pharmaceutical industries to develop new functional semi-solid products or new interesting materials to incorporate active molecules.

La méthode d'échantillonnage par gel thermo-fluidifiant (EGT), élaborée par Robichaud (2004), permet d'obtenir en laboratoire des échantillons de sables pulvérulents exempts de remaniement mécanique. Afin d'approfondir et d'optimiser cette nouvelle méthode d'échantillonnage, des travaux de laboratoire et un modèle numérique ont été réalisés et développés. Ces travaux ont permis d'étudier le comportement de la solution de gélatine lors de son injection, de son écoulement et de sa gélification. Les injections réalisées au laboratoire ont montré une gélification de la gélatine à une température de 25 °C et ont validé le modèle numérique. Une étude paramétrique a permis de démontrer l'implantation possible du processus EGT sur le terrain.

Les enjeux de santé publique et de développement durable conduisent à intensifier l’utilisation de protéines végétales notamment dans les secteurs de biens de consommation comme l’industrie pharmaceutique,l’agro-alimentaire et les cosmétiques. La levée récente de certains verrous technologique permet aujourd’hui la purification industrielle de protéines végétales issus de tourteaux provenant de la production d’huiles végétales. Ces protéines sont valorisables comme substituts aux graisses saturées dans la structuration d’huiles à destination de la consommation humaine. Le manque de texture d’huiles végétales insaturées peut être compensé par ces protéines jouant le rôle de stabilisants et de gélifiants dans les émulsions. Nous nous intéressons aux propriétés fonctionnelles des protéines de blé, de tournesol et de colza, en volume et aux interfaces. Nous avons montré que des gels de protéines de tournesol avec des élasticités modulables sont obtenus par dénaturation thermique. La dynamique de formation de films protéique aux interfaces fluides a été étudiée en combinant des mesures de tensiométrie, de viscoélasticité dilatationnelle et d’ellipsométrie. Les mesures sur plusieurs ordres de grandeurs en concentrations et en temps mettent en évidence différents régimes de structuration associés à différentes dynamiques d’adsorption pour les trois protéines de blé, de tournesol et de colza étudiées. Nous discutons également le rôle de la flexibilité des protéines dans ces différents régimes de structuration. / Challenges of public health and sustainable development trend to intensify the use of vegetables proteins, particularly in consumer goods sectors such as pharmaceutical, food and cosmetics industries. The recent overcome of technical limitation allows the industrial purification of vegetables proteins derived from meal made by vegetable oils production. These proteins are valuable as substitutes for saturated fats in structuring oils for human consumption. The lack of unsaturated vegetable oil texture can be reduced by these proteins acting as stabilizers and gelling agents in emulsions. We are interested in the functional properties of wheat, sunflower and rapeseed proteins, by volume and at interfaces. We have shown that sunflower protein gels with modulable elasticities are obtained by thermal denaturation. In addition, we studied the dynamics of protein film formation at fluid interfaces by combining measurements of tensiometry, dilatational viscoelasticity and ellipsometry. We highlight different structuring regimes and discuss the role of protein flexibility in this structuring.

Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux copolymères hybrides qui combinent des segments polypeptides et polymères classiques au sein de la même macromolécule. Relier ces chaînes de façon covalente permet d'allier intimement les propriétés des deux composants : la solubilité, la processabilité, les propriétés de nanostructuration des copolymères classiques, avec les propriétés de biocompatibilité, d'auto-structuration ou de stimulabilité des polypeptides. Ce travail concerne l'étude de matériaux nanostructurés et stimulables à base de copolymères hybrides greffés. Trois types ont été préparés. Le premier type est constitué d'un squelette poly(N,N-diméthylacrylamide) hydrophile, et de greffons courts poly(L-Lysine) présentant des transitions entre les conformations hélice-alpha, feuillet-beta et désordonnée. En solution aqueuse, ces transitions sont induites par variations de pH et de température. Nous présentons un système dont le changement réversible d'état macroscopique -solution liquide/gel- dépend d'un changement de structure secondaire des greffons. Le deuxième type de copolymère est basé sur le même squelette hydrophile, avec des greffons hydrophobes poly(gamma-benzyl-L-glutamate) se structurant en hélice-alpha. Dans l'eau, ce copolymère amphiphile forme des superstructures membranaires et vésiculaires de l'échelle de la dizaine de microns. La formation de ces agrégats est attribuée à l'association des hélices-alpha, contrainte à deux dimensions du fait de la présence du squelette hydrophile. La synthèse d'un troisième type de copolymère hybride greffé a été testée. Cette synthèse met en jeu le couplage entre segments peptidiques préformés et un polystyrène réactif.

Cette thèse porte sur l'étude rhéocinétique de deux systèmes époxy/amine, DGEBA/DETDA et DGEBA/IPD pour le rotomoulage réactif. Les paramètres cinétiques du mécanisme auto-catalytique et non catalytique de la réticulation isotherme ont été identifiés par une méthode inverse à l'aide des résultats du suivi cinétique par spectroscopie proche infra rouge (PIR). La différence du comportement rhéocinétique entre les deux systèmes est attribuée à la différence de réactivité intrinsèque des groupes amines mis en jeu et l'importance de l'effet de substitution (réactivité des amines primaires par rapport aux amines secondaire) des deux durcisseurs. Une nouvelle méthode de détermination de l'effet de substitution a été établie, en utilisant les taux de conversion de l'époxy et de l'amine primaire mesurées par PIR. L'analyse des phénomènes de vitrification et gélification des deux systèmes a permis d'établir le diagramme Temps-Température-Transformation (TTT). La comparaison de la rotomoulabilité des deux systèmes a été effectuée par l'ajout des courbes d'iso-viscosité sur le diagramme TTT. L'écoulement au cours du rotomoulage a été modélisé par un écoulement à surface libre sous gravité d'un fluide réactif à l'intérieure d'un cylindre horizontal en rotation autour de son axe principal. Dans le cas des fluides de viscosité faible, la méthode lagrangienne de Smoothed Particle Hydrodynamics SPH, a été appliquée en utilisant une expression adaptée de la viscosité.

Nous avons préparé de nouveaux matériaux ultraporeux, appelés Aérocellulose, à partir de solutions de cellulose dans la N-méthyl-morpholine-N-oxyde (NMMO) ou dans des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium, suivie d'une étape de régénération puis d'un séchage supercritique.<br />Les propriétés rhéologiques des solutions cellulose-NaOH-eau préparées ont été étudiées. Le temps, la température et l'augmentation de la concentration de cellulose conduisent à la formation d'un gel irréversible. L'ajout d'urée retarde la gélification et améliore la qualité du solvant.<br />Nous avons déterminé les cinétiques de régénération de la cellulose des gels physiques de cellulose et nous les avons comparées à celle des solutions de cellulose-NMMO-eau. La concentration en cellulose, le type et la température du bain non-solvant sont les principaux paramètres qui gouvernent la diffusion du solvant de la solution de cellulose vers le bain de régénération et donc la structure finale du matériau.<br />Les Aérocelluloses ont une porosité ouverte, supérieure à 90%, avec un diamètre de pores moyen de quelques centaines de nanomètres. Les propriétés mécaniques du matériau dépendent des paramètres de préparation.<br />L'Aérocellulose a été évaluée dans diverses applications. Nous avons créé des structures composites cellulose-particules inorganiques. Nous avons pyrolysé les Aérocelluloses afin d'obtenir des structures carbonées poreuses. Les Aérocelluloses carbonées utilisées dans les piles primaires au lithium ainsi que les Aérocelluloses carbonées platinées testées comme support catalytique pour les électrodes dans les piles à combustibles conduisent à des résultats prometteurs.

L'implantation d'îlots de Langerhans microencapsulés est une thérapie prometteuse pour le diabète de type 1. Le concept est de rétablir la fonction de sécrétion d'insuline tout en évitant le rejet de greffe. Les premiers essais cliniques ont reporté des résultats encourageants mais encore peu reproductibles. En effet, les techniques actuelles de production de microcapsules sont manuelles et au sein d'un même lot les capsules ne sont pas homogènes. L'utilisation de la microfluidique offre la possibilité de remédier à ce problème. Ce projet présente les différentes étapes d'optimisation d'un système microfluidique complexe qui automatise le procédé d'encapsulation monocouche de cellules dans des capsules polymériques d'alginate. Ce système comporte trois fonctions principales en série : la formation de gouttes monodisperses d'alginate en flux d'huile par un module MFFD (Micro Flow Focusing Device), le transfert de ces gouttes de la phase huileuse vers une phase aqueuse gélifiante de calcium et enfin un second transfert vers un flux à concentration physiologique. Des capsules monodisperses et sphériques ont été obtenues en sortie de ce système et des premiers tests d'encapsulation de cellules ont été réalisés. Les capsules produites par le système automatisé ont conduit à une première implantation chez le rongeur. Ce système est une première étape clé vers un dispositif instrumenté qui permettrait aux cliniciens d'encapsuler des îlots rapidement et de façon reproductible directement après leur isolement, puis de les implanter chez les patients diabétiques. Mots clés : encapsulation, îlots de Langerhans, alginate, gélification, microfluidique, automatisation, MFFD, transfert de phase. / Epileptic seizures arise from pathological synchronization of neuronal ensemble.Seizures originating from primary motor cortex are often pharmacoresistant, and many times unsuitable for respective surgery because of location of epileptic focus in eloquent area. Basal ganglia play important role in seizure propagation. Micro electrode recordings performed during previous studies indicated that input structures of basal ganglia such as GPe, Putamen and Subthalamic nucleus (STN) are strongly modified during seizures. For example the mean firing rate of neurons of the STN and Putamen increased and the percentage of oscillatory neurons synchronized with the ictal EEG was higher during seizures as compared to interictal periods. Pilot studies in humans have shown the possible beneficial effect of chronic DBS applied to STN in treatment of pharmacoresistant motor seizures. Our study was aimed at studying the therapeutic effect of electrical stimulation of input structures of basal ganglia . We first developed a stable, predictable primate model of focal motor epilepsy by intracortical injection of penicillin and we documented it's pharmacoresistence. We then stereotactically implanted DBS electrodes in the STN and Putamen. The stimulator was embedded at the back of the animals. Subthreshold electrical stimulations at 130 Hz were applied to STN. Stimulator was turned ON when penicillin was injected. Sham stimulation at 0 volt was used as a control situation, each monkey being its own control. The time course, number and duration of seizures occurring in each epochs of 1 h were compared during ON and sham stimulation periods. Each experimental session lasted uptoo 6 hours,We also studied preventive high frequency stimulation of STN and subthershold low frequency stimulation of Putamen with 5 Hz and 20 Hz in the same model .Finally we studied combined effects of high frequency STN and low frequency Putamen stimulation in one monkey Results: Data was analysed from 1572 seizures in 30 experiments in three monkeys for chronic STN stimulation , 454 seizures in 10 experiments in one moneky during preventive STN stimulation ,289 seizures from 14 experiments in two monkeys during LFS putamen stimulation and 477 seizures from 10 sessions during combined STN and Putamen stimulation in one monkey The best results were observed during chronic STN stimulation The occurrence of first seizure was significantly delayed as compared to sham situation. Total time spent in focal seizures was significantly reduced by ≥69% on an average (p ≤0.05) after STN stimulation, due to a significant decrease in the number of seizures especially so during the first 3 hours after stimulation. The duration of individual seizures reduced moderately. Bipolar and monopolar stimulation modes were equally effective Preventive HFS STN (in one specimen) was not found to be superior to acute stimulation. LFS Putamen alone was effective but mainly in first two hours of stimulation .In a combined HFS STN and LFS Putamen stimulation the effect of stimulation in terms of seizure control was modest and poor compared to HFS STN alone or LFS Putamen alone. This study provides original data in primates showing the potential therapeutic effect of chronic HFS-STN DBS to treat focal motor seizures . A discussion explaining these