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Doctor of Philosophy / Department of Physics / Jeremy D. Schmit / Diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s, eye lens cataracts, and Type 2 diabetes are the results of protein aggregation. Protein aggregation is also a problem in pharmaceutical industry for designing protein based drugs for long term stability. Disordered states such as precipitates and gels and ordered states such as crystals, micro tubules and capsids are both possible outcomes of protein–protein interaction. To understand the outcomes of protein–protein interaction and to find the ways to control forces, it is required to study both kinetic and equilibrium factors in protein–protein interactions. Salting in/salting out and Hofmeister effects are familiar terminologies used in protein science field from more than a century to represent the effects of salt on protein solubility, but they are yet to be understood theoretically. Here, we build a theory accounting both attractive and repulsive electrostatic interactions via the Poisson Boltzmann equation, ion–protein binding via grand cannonical partition function and implicit ion–water interaction using hydrated ion size, for describing salting in/salting out phenomena and Hofmeister and/or salt specific effect. Our model free energy includes Coulomb energy, salt entropy and ion–protein binding free energy. We find that the salting in behavior seen at low salt concentration near the isoelectric point of the protein is the output of Coulomb energy such that the addition of salt not only screens dipole attraction but also it enhances the monopole repulsion due to anion binding. The salting out behavior appearing after salting in at high salt concentration is due to a salt mediated depletion interaction. We also find that the salting out seen far from the isoelectric point of the protein is dominated by the salt entropy term. At low salt, the dominant effect comes from the entropic cost of confining ions within the aggregates and at high salt, the dominant effect comes from the entropy gain by ions in solution by enhancing the depletion attraction. The ion size has significant effects on the entropic term which leads to the salt specificity in the protein solubility. Crystal growth of anisotropic and fragile molecules such as proteins is a challenging task because kinetics search for a molecule having the correct binding state from a large ensemble of molecules. In the search process, crystal growth might suffer from a kinetic trap called self–poisoning. Here, we use Monte Carlo simulation to show why protein crystallization is vulnerable to the poisoning and how one can avoid such trap or recover crystal growth from such trap during crystallization. We show that self–poisoning requires only three minimal ingredients and these are related to the binding affinity of a protein molecule and its probability of occurrence. If a molecule attaches to the crystal in the crystallographic state then its binding energy will be high but in protein system this happens with very low probability (≈ 10−5). On the other hand, non–crystallographic binding is energetically weak, but it is highly probable to happen. If these things are realized, then it will not be surprising to encounter with self–poisoning during protein crystallization. The only way to recover or avoid poisoning is to alter the solution condition slightly such as by changing temperature or salt concentration or protein concentration etc.

La poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ) est un polymère thermosensible qui possède une température de solution critique inférieure (LCST) autour de 40 °C en solution aqueuse. Les travaux présentés s’intéressent aux propriétés en solution aqueuse et aux interfaces, de l’homopolymère PIPOZ, d’une PIPOZ fonctionnalisée avec un groupement lipidique (lipo-PIPOZ) et de copolymères à blocs à base de poly(éthylène glycol) et de PIPOZ. Si elle est régulièrement comparée à son isomère structurel le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), les études sur les propriétés en solution de la PIPOZ sont cependant moins complètes que celles sur le PNIPAM. Le premier objectif des travaux présentés ici est de parfaire la connaissance du comportement en solution de la PIPOZ en présence d’additifs. Les effets de sels et de solvants hydromiscibles sur la solubilité de la PIPOZ ont été investigués par turbidimétrie et microcalorimétrie sur trois homopolymères de masses moléculaires différentes. Contrairement aux solutions de PNIPAM, l’ajout de méthanol à la solution de PIPOZ ne conduit pas au phénomène de cononsolvency où la solubilité du polymère diminue pour une certaine gamme de fractions volumiques de cosolvant. L’effet a néanmoins été observé dans le cas de système PIPOZ/Eau/THF. L’effet de sels sur la solubilité de la PIPOZ suit la série Hofmeister. La présence de sels chaotropes (NaI et NaSCN) en solution ont révélé un effet bien plus important sur la solubilité de la PIPOZ que pour son isomère. Les valeurs de point troubles de la solution de PIPOZ augmentent de plus de 30 °C pour une concentration en sel supérieure à 1 M. L’autre objectif de cette thèse est de synthétiser un système à base de PIPOZ capable de s’auto-assembler à l’interface air-eau afin de former des films interfaciaux par la technique Langmuir-Blodgett. A cette fin, un amorceur contenant un groupement lipidique (2 chaînes alkyles et un groupement phosphate) a été synthétisé et utilisé pour la polymérisation cationique par ouverture de cycle (CROP) du monomère 2-isopropyl-2-oxazoline conduisant à l’obtention d’un lipo-PIPOZ (Mn = 10 kg.mol-1). L’effet de deux sels (NaSCN et NaCl) sur les films interfaciaux a été étudié. Malgré leur effet opposé sur la solubilité de la PIPOZ en solution, ils conduisent tous les deux à l’expansion de la monocouche de lipo-PIPOZ. Transférés sur des substrats de mica, ces films ont été visualisés par microscopie à force atomique (AFM). La iv présence de sels dans la sous-phase lors de la formation de monocouches conduit à la formation d’agrégats d’épaisseur ~ 10 nm dont le diamètre augmente avec la concentration en sel. Enfin, le dernier objectif est de caractériser les propriétés en solutions de copolymères à blocs PIPOZ-b-PEG-b-PIPOZ. La polymérisation par CROP de la 2-isopropyl-2-oxazoline a été amorcée à partir d’un PEG (Mn = 2 kg.mol-1) bifonctionnel, Le polymère synthétisé (TrOH, Mn = 11 kg.mol-1) a ensuite subit une fonctionnalisation des extrémités de chaînes par des groupements octadécyles conduisant à l’obtention d’un copolymère à blocs téléchélique amphiphile et thermosensible (TrC18). Les propriétés des copolymères en solution aqueuse ont été étudiées par turbidimétrie, diffusion dynamique de la lumière (DLS), microcalorimétrie (DSC), microscopie électronique à transmission et spectroscopie à sonde fluorescente, FT-IR et AFM. Les deux copolymères sont thermosensibles et présentent des valeurs de points troubles de ~ 48 °C pour le copolymère TrOH et de ~ 38 °C pour le copolymère amphiphile. Ce dernier s’auto-assemble à température ambiante et forme, en solution aqueuse, des micelles de type fleurs de rayon hydrodynamique RH ~ 8 nm. L’effet prolongé de la température sur la cristallisation des blocs de PIPOZ a aussi été examinée. Les deux polymères cristallisent en solution aqueuse conduisant à la formation de fibres insolubles dans l’eau. Mots- / Poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ) is a thermosensitive polymer whose lower critical solution temperature (LCST) in water is ~ 40 °C. This thesis focuses on the properties in aqueous solution and on interfaces of new poly(2-isopropyl-2-oxazoline) systems. PIPOZ is often compared to its structural isomer, the renowned poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM). If PNIPAM has been the center of thermosensitive polymer research for the last three decades, it is PIPOZ which has recently been gaining interest. The first aim of the thesis is to improve on the knowledge on PIPOZ properties in aqueous solution in the presence of water-soluble additives. Effect of salts and cosolvents were investigated by turbidimetry and microcalorimetry (DSC) on PIPOZ homopolymers of different molecular weights. Effect of salts on PIPOZ solubility follows the Hofmeister series. Chaotropic anions (SCN-, I-) induce a large increase (up to 30 °C) of the cloud point temperature of PIPOZ solution which is 10 times larger than for PNIPAM. Adding methanol into PNIPAM aqueous solution leads to a decrease in solubility of the polymer. This phenomena is called cononsolvency. Unlike PNIPAM solutions, the addition of methanol in PIPOZ solution does not lead to a cononsolvency effect. Nevertheless, cononsolvency has been observed in the case of THF addition into PIPOZ aqueous solutions. The second aim of this work was to design and synthesize an amphiphilic PIPOZ able to anchor itself at the air-water interface and to form stable monolayer via the Langmuir-Blodgett technique. For that purpose, a lipidic initiator containing two alkyl chains and a phosphate group, was synthesized and used to initiate the cationic ring opening polymerization (CROP) of 2-isopropyl-2-oxazoline. The obtained amphiphilic (lipo-PIPOZ, Mn = 10 kg.mol-1) forms stable monolayers at the air-water interface. The presence of salt (NaCl or NaSCN) in the sub-phase during the compression of the films leads to expansion of the monolayer even if the salts have opposite effect on PIPOZ solubility in solution. The interfacial films were then transferred onto mica substrates and captured by atomic force microscopy (AFM). The salts induced the formation of aggregates (height ~ 10 nm) whose diameter depends on the salt and its concentration. At last, a block copolymer, TrOH, containing a central poly(ethylene glycol) (PEG) (Mn = 2 kg.mol-1) and two PIPOZ blocks was obtained by CROP of 2-isopropyl-2-oxazoline initiated vi by a bi-functionnal PEG. The total molecular weight was Mn ~ 11 kg.mol-1. Hydrophobic chain ends modification has been performed onto TrOH to bring amphiphilicity and to get a telechelic octadecyl-end capped block copolymer TrC18. The properties of these two block copolymers in water were characterized by dynamic light scattering (DLS), microcalorimetry (DSC), electronic transmission microscopy (TEM) and fluorescence spectroscopy, FT-IR and AFM. Cloud point temperature of copolymer solutions was found to be around 48 °C for TrOH and around 38°C for the amphiphilic analogue TrC18. The latter self-assembles at room temperature into flower micelles whose hydrodynamic radius is RH ~ 8 nm. Extended heating of both copolymer solutions leads to crystallization of PIPOZ block and insoluble fibers form in solution.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ionenbindung an Polymeren und Lipidmembranen in wässrigen Lösungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener anorganischer Salze und Polyelektrolyte auf die Struktur des Wassers mit Hilfe Isothermer Mikrotitrationskalorimetrie (ITC) erforscht. Die Verdünnungswärme der Salze wurde als Maß für die Fähigkeit der Ionen, die geordnete Struktur des Wassers zu stabilisieren oder zu zerstören, verwendet. Die Verdünnungswärmen konnten auf Hofmeister Effekte zurückgeführt werden. Im Anschluss daran wurde die Bindung von Ca2+ an Natrium- Poly(acrylsäure) (NaPAA) untersucht. Mit Hilfe von ITC und einer Ca2+- selektiven Elektrode wurde die Reaktionsenthalpie und Bindungsisotherme gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Binding von Ca2+ - Ionen an NaPAA stark endotherm und daher entropiegetrieben ist. Anschließend wurde die Bindung von Ca2+ an die eindimensionale Polymerkette mit der an ein Lipidvesikel mit denselben funktioniellen Gruppen verglichen. Es wurde beobachtet, dass die Ionenbindung –wie auch im Fall des Polymers- endotherm ist. Ein Vergleich der Ca2+- Bindung an die Lipidmembran mit der an das Polymer konnte zeigen, dass das Ion schwächer an die Membran bindet. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde auch beobachtet, dass Ca2+ nicht nur an geladene, sondern auch an zwitterionische Lipidvesikel bindet. Schließlich wurde die Wechselwirkung zweier Salze, KCl and NaCl, mit einem neutralen Polymergel, PNIPAAM, und dem geladenen Polymer PAA untersucht. Mit Hilfe von Kalorimetrie und einer kaliumselektiven Elektrode wurde beobachtet, dass die Ionen mit beiden Polymeren wechselwirken, unabhängig davon, ob diese Ladungen tragen, oder nicht. / The goal of this work was to study the binding of ions to polymers and lipid bilayer membranes in aqueous solutions. In the first part of this work, the influence of various inorganic salts and polyelectrolytes on the structure of water was studied using Isothermal Titration Calorimetry (ITC). The heat of dilution of the salts was used as a scale of water structure making and breaking of the ions. The heats of dilution could be attributed to the Hofmeister Series. Following this, the binding of Ca2+ to poly(sodium acrylate) (NaPAA) was studied. ITC and a Ca2+ Ion Selective Electrode were used to measure the reaction enthalpy and binding isotherm. Binding of Ca2+ ions to PAA, was found to be highly endothermic and therefore solely driven by entropy. We then compared the binding of ions to the one-dimensional PAA polymer chain to the binding to lipid vesicles with the same functional groups. As for the polymer, Ca2+ binding was found to be endothermic. Binding of calcium to the lipid bilayer was found to be weaker than to the polymer. In the context of these experiments, it was shown that Ca2+ not only binds to charged but also to zwitterionic lipid vesicles. Finally, we studied the interaction of two salts, KCl and NaCl, to a neutral polymer gel, PNIPAAM, and to the ionic polymer PAA. Combining calorimetry and a potassium selective electrode we observed that the ions interact with both polymers, whether containing charges or not.

Protein aggregation and physical stability are perpetual concerns in medicine and industry. Misfolded protein can form ordered protein aggregates, amyloids, which are associated with a host of neurodegenerative diseases in mammals and control heritable traits in fungi and yeast. Industrially, amorphous aggregates reduce the efficacy of protein-based therapeutics and activity of enzymes during production and storage. This work studies ion-specific and solvent-based effects on protein physical stability. We show that ion-specificity significantly affects amyloid formation kinetics, aggregate morphology, thermostability, frangibility, and, most intriguingly, prion infectivity in vivo. Forming amyloid in chaotropic or kosmotropic solutions generates predominately weak or strong prion variants, respectively. Ion-specific effects also influenced amorphous aggregation of model proteins and antibodies. To quantify protein - protein stability/affinity, we developed a rapid and reliable diffusion-based technique. Our technique was able to resolve relative differences in colloidal stability between various saline and saccharide solutions. In all, this dissertation expands our understanding of ion-specific and water-mediated interactions with prion proteins and protein dispersions.

The overall thrust of this project is to gain an insight into a class of surface-tethered cross-linked thin films of poly(N-alkylacrylamides) that display a lower critical solution temperature (LCST).The structure of the alkyl group and the modification of the amide groups determine the LCST and resultant volume-phase transition behavior. The aim of this study involves synthesis and characterization of thin films and to correlate the volume-transition behavior to the structure of the alkyl group. For better understanding the volume-transition behavior, the polymer films are perturbed by the Hofmeister salt series to examine trends between different alkyl groups. While most of the studies have been done with bulk gels, the majority of the applications require the use of gels at surfaces and interfaces. Surface attached polymer networks provide an alternative to bulk gels showing superior response times, thus efficiency. Hence it is significant to understand the impact of confinement on the phase transition behavior of a polymer network. Anchoring a polymer network to a surface produces volume phase transition perpendicular to the substrate. The parallel swelling and collapse of the network is highly restricted due to lateral confinement, thus impacting properties such as structure, mechanical properties, dynamics and permeability of the network. Several studies have been done with poly(N-isopropylacrylamide) anchored to a substrate, which have shown significantly different behavior than unconstrained networks. Notable examples include a gradual as opposed to a sharp volume-phase transition, and significantly less swelling above and below the LCST. These studies only looked at poly(NIPAAm); therefore it remains unknown if these results are universal and will apply to other LCST polymers. Hence, we expanded upon these studies to also investigate a library of different LCST polymers belonging to the category of N-alkylacrylamides. I have synthesized the copolymers comprising of N-alkylacrylamides and methacryloxybenzophenone (MaBP). The benzophenone moiety in MaBP is photoreactive, allowing us to cross-link the copolymers by UV irradiation. Surface attached thin films were fabricated by spin coating the solution of copolymers and cross-linking by UV irradiation. The volume phase transitions of the coatings were studied under the influence of temperature and the salts of the Hofmeister series. Information concerning the state of responsive layers, the precise temperature at which the collapse occurs, and the changes in the molecular environment during the transition were investigated by ellipsometry and ATR-FTIR. In a longer perspective, understanding the transition behavior and the influence of salts governing this transition provides a better understanding of the interactions of biopolymers in natural systems.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第20481号 / エネ博第350号 / 新制||エネ||70(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 木下 正弘, 教授 森井 孝, 教授 片平 正人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Des tensioactifs dimériques cationiques ont été étudiés en faisant varier la nature du contre-ion afin de déterminer quels sont les effets ioniques qui influencent principalement leurs propriétés d'agrégation.<br />La méthode de synthèse de ces molécules a été adaptée afin de permettre l'investigation d'une large variété de systèmes se distinguant par leur contre-ion. La micellisation de ces tensioactifs a fait l'objet d'une étude par conductimétrie qui a permis de montrer l'influence prépondérante de l'hydrophobie du contre-ion associée à des effets secondaires tels que l'hydratation ou la morphologie du contre-ion. Nous avons aussi montré comment l'utilisation d'un colorant, l'Orange de Méthyle, peut s'avérer être un outil d'investigation de l'hydratation et de l'ionisation des micelles. La solubilité de ces tensioactifs dans l'eau a également été examinée à travers l'étude de leur température de Krafft en fonction du contre-ion. Les morphologies des assemblages formés par ces systèmes en solution aqueuse ont également fait l'objet d'une étude par diverses techniques de microscopie. La dernière partie est consacrée à une classe particulière de tensioactifs cationiques à double chaîne complexés à des mononucléotides anioniques. Les propriétés d'agrégation de ces nucléolipides ainsi que les morphologies des structures formées dans l'eau ont été étudiées. On a montré que le confinement de nucléotides chiraux sur des membranes cationiques peut induire l'émergence d'une chiralité supramoléculaire. De plus, ces systèmes mettent en place une reconnaissance moléculaire spécifique, distincte de celle se produisant dans l'ADN, dont les causes restent encore à clarifier.

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Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement. / Sterosomes are artificial vesicles that are composed of monoalkylated amphiphiles and a large percentage of sterols. They are promising in areas such as pharmaceutical and food industries. Sterosomes can be found in anionic, cationic and neutral form. The work of this master’s thesis focuses on gaining additional knowledge on the physicochemical properties of charged sterosomes such as palmitic acid (PA)/sterol and stearlyamine (SA)/cholesterol (Chol). Our first aim was to find an approach to form liquid-ordered (lo) bilayers that can orient in a magnetic field with the PA/sterol (30/70 mol/mol) mixture. This will allow us to study the lateral diffusion of PA. It has been demonstrated that mixing 1,2-diheptanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DHPC), a short chain lipid, with 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) results in bilayers that orient with their normal (n) perpendicular to the magnetic field. Therefore, perdeuterated PA/hexanoic acid (HA)/Chol (25/18/57) mixture was studied at different temperatures; however, results showed no bilayer orientation. It was suggested that this could be due to the partial solubility of HA in aqueous phase. Consequently, an insufficient quantity of HA was available to induce bilayer orientation. Furthermore, perdeuterated PA/DHPC/Chol mixture was studied at different temperatures and lipid concentrations, which also led to no bilayer orientation. While studying DMPC/DHPC/Chol (67/17/14) formulation, it was understood that Chol inhibits bilayer orientation. On the other hand, two different molar proportions of DMPC/DHPC/stigmasterol (SS) (67/19/14 and 72/21/7) led to bilayers that orient with their n perpendicular to the magnetic field at 40 °C et 50 °C. These results suggest that by adding a short chain lipid such as HA and DHPC to PA/SS mixture could lead to oriented bilayers. Another interesting track would be to work with PA/short chain lipid/Chol mixture in the presence of lanthanides. Our second aim was to find different formulations of vesicles, containing at least PA and a sterol, with distinctive permeability. It has already been established that PA/Chol (30/70) bilayers are in lo phase as long as PA is deprotonated (pH ≥ 7,5) and have a very limited permeability. The ability to modulate permeability would allow control over the release time of an encapsulated product, which is an important parameter in the development of novel liposomal drug delivery systems. It was proven that oleic acid (OA)/Chol (30/70) mixture is able to form bilayers, which has not been shown previously. However, OA/Chol (30/70) bilayers were not much more permeable than PA/Chol (30/70) bilayers. Adding 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) in PA/Chol system did not lead to higher permeability either. Results of calcein release kinetics from PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) and POPC vesicles were not very different from the one found for PA/Chol (30/70) vesicles. It was noted that contradictory results were found in the literature regarding calcein permeability from phosphatidylcholine (PC) membranes. For the moment, explanations related to these divergences have yet to be given. Furthermore, no increase in membrane permeability was found after substituting half of the molar proportion of Chol by sodium cholate (SC) in PA/Chol (30/70) mixture. One suggestion would be that SC insertion in the bilayer does not induce a reduction in the packing of lipids. Another suggestion would be that SC does not insert in PA/Chol bilayers due to its considerable hydrophilic character and forms micelles on its own. Highly permeable membrane was found when Chol was completely replaced by cholesterol sulfate (SChol), a negatively charged sterol, and vesicle preparation was done at low pH. The pH-triggered release method was used. Our work suggests that by varying the molar proportion of PA/SChol/Chol mixture between 30/63/7 and 30/70/0, it would be possible to obtain different vesicle formulations with distinctive permeability. In between these molar proportions, the pH-composition diagram of PA/SChol/Chol shows the coexistence of solid and lo phases in different proportions at pH 7.4, which could modulate the permeability. Some ambiguous calcein release results and struggles arising from the extrusion of calcein-encapsulated liposomes led us to wonder if this dye interacts with charged bilayers. The impact of some anions, including calcein, was examined on SA/Chol (50/50) charged bilayers. Thermodynamic studies were done by differential scanning calorimetry (DSC). SA/Chol (50/50) mixture showed no transition between 25 and 90 °C at pH 7.4. In the presence of sodium chloride (375 mM), there was no indication of aggregation or the appearance of a transition on the thermogram. Macroscopic aggregates were instantly observed after addition sodium hydrogenphosphate (125 mM), sodium sulphate (125 mM) and calcein (3 mM). Furthermore, a phase transition was also noticed on the thermograms in the presence of these salts. It is suggested that the appearance of the transition can be associated with the formation of aggregates. The effect of anions on the transition temperature and enthalpy follows the Hofmeister series: sulfate > hydrogenphosphate > chloride (no peak). Calcein had the highest impact on the formation of aggregates. This indicates that calcein is not a good candidate to be used as a fluorescent dye with SA/Chol mixture. It was suggested that calcein could be a large chaotrope anion. In contrast to PC-calcein interactions, SA-calcein interactions led to the aggregation of vesicles probably due to stronger interactions in the presence of positively charged SA.