La réduction de la taille des particules jusqu’à l’obtention de nanocristaux est l’une des approches utilisées afin d’améliorer la pénétration cutanée des médicaments à usage topique. Nous proposons que la fabrication d’une formulation semi solide (hydrogel) à base de nanosuspension de docosanol, aboutira à une diffusion du principe actif supérieure à celle du produit commercial Abreva®, à travers des membranes synthétiques de polycarbonates. Le broyage humide est la technique proposée pour la production des nanoparticules de docosanol. Nous proposons aussi la préparation d’une formulation semi-solide (hydrogel) à usage topique à partir de la nanosuspension de docosanol. La nanosuspension de docosanol est obtenue par dispersion du docosanol en solution aqueuse en présence du polymère stabilisant hydroxypropylcellulose (HPC) et du surfactant laurylsulfate de sodium (SDS) suivi d’un broyage humide à faible ou à haute énergie. L’hydrogel de docosanol nanoformulé est préparé à l’aide de la nanosuspension de docosanol qui subit une gélification par le carbopol Ultrez 21 sous agitation mécanique suivie d’une neutralisation au triéthanolamine TEA. La taille des particules de la nanosuspension et de l’hydrogel a été déterminée par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Une méthode analytique de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) munie d’un détecteur évaporatif (ELSD) a été développée et validée pour évaluer la teneur de docosanol dans les préparations liquides, dans les différentes nanosuspensions et dans les hydrogels de docosanol. L’état de cristallinité des nanocristaux dans la nanosuspension et dans l’hydrogel a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage. La morphologie de la nanosuspension et de l’hydrogel de docosanol a été examinée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés rhéologiques et de stabilité physique à différentes températures ont été aussi étudiées pour la formulation semi-solide (hydrogel). De même, la libération in vitro du docosanol contenu dans l’hydrogel et dans le produit commercial Abreva® a été étudiée à travers deux membranes de polycarbonates de taille de pores 400 et 800 nm. Dans le cas de nanosuspensions, des cristaux de docosanol de taille nanométrique ont été produits avec succès par broyage humide. Les nanoparticules de tailles variant de 197 nm à 312 nm ont été produites pour des pourcentages différents en docosanol, en polymère HPC et en surfactant SDS. Après lyophilisation, une augmentation de la taille dépendant de la composition de la formulation a été observée tout en restant dans la gamme nanométrique pour la totalité presque des formulations étudiées. Dans le cas des hydrogels examinés, la taille moyenne des particules de docosanol est maintenue dans la gamme nanométrique avant et après lyophilisation. L’analyse thermique des mélanges physiques, des nanosuspensions et des hydrogels de docosanol a révélé la conservation de l’état de cristallinité des nanocristaux de docosanol après broyage et aussi après gélification. L’examen par microscopie électronique à balayage (MEB) a montré que la nanosuspension et l’hydrogel ont tous deux une morphologie régulière et les nanoparticules ont une forme sphérique. De plus les nanoparticules de la nanosuspension ont presque la même taille inférieure à 300 nm en accord avec le résultat obtenu par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les nanoparticules de l’hydrogel ont une légère augmentation de taille par rapport à celle de la nanosuspension, ce qui est en accord avec les mesures de DLS. D’après les mesures rhéologiques, l’hydrogel de docosanol a un comportement pseudoplastique et un faible degré de thixotropie. L’étude de stabilité physique a montré que les formulations d’hydrogel sont stables à basse température (5°C) et à température ambiante (21°C) pendant une période d’incubation de 13 semaines et instable au-delà de 30°C après deux semaines. La méthode HPLC-ELSD a révélé des teneurs en docosanol comprises entre 90% et 110% dans le cas des nanosuspensions et aux alentours de 100% dans le cas de l’hydrogel. L’essai de diffusion in vitro a montré qu’il y a diffusion de docosanol de l’hydrogel à travers les membranes de polycarbonates, qui est plus marquée pour celle de pore 800 nm, tandis que celui du produit commercial Abreva® ne diffuse pas. Le broyage humide est une technique bien adaptée pour la préparation des nanosuspensions docosanol. Ces nanosuspensions peuvent être utilisée comme base pour la préparation de l’hydrogel de docosanol nanoformulé. / Reducing the particle size to nanocrystals is one of the approaches used to improve the percutaneous penetration of topical dosage form. We propose that the preparation of a semi solid formulation of docosanol, can lead to higher diffusion of docosanol than in commercial product Abreva® through polycarbonate membranes. Wet ball milling is the proposed technique for docosanol nanoparticles preparation. We propose also the preparation of topical semi-solid formulation from docosanol nanosuspension. Docosanol nanosuspension is obtained from docosanol dispersion in aqueous solution in presence of the stabilizer polymer hydroxypropylcellulose (HPC) and the surfactant sodium laurylsulfate (SDS) followed by wet ball milling at low or high energy. Nanoformulated hydrogel of docosanol is prepared from docosanol nanosuspension which is gellified by carbopol Ultrez 21 under vigorous stirring followed by neutralization with triethanolamine TEA. Nanosuspension and hydrogel particle size was characterized by dynamic light scattering. An analytical method of high performance liquid chromatography (HPLC) with an evaporative detector (ELSD) has been developed and validated for docosanol content quantification in liquid preparation, in different nanosuspensions and in docosanol hydrogels. The crystalline state of nanosuspension and hydrogel nanocrystals was studied by scanning differential calorimetry (DSC). The morphology of nanosuspension and hydrogel was evaluated by Scanning electronic microscopy SEM. Rheological properties and physical stability at different temperatures were studied for semi-solid formulation. In vitro docosanol release from hydrogel and from the commercial product Abreva® was studied through two polycarbonate membranes of pore size 400 and 800 nm. In nanosuspensions, nanosized crystals of docosanol have been successfully produced by wet ball milling. Nanoparticles of size ranged from 197 nm to 312 nm could be obtained by percentage variation of docosanol, of polymer HPC and surfactant SDS. After freeze drying, an increase in size relative to formulation composition was observed but the size particle is in nanometric range for almost all studied formulations. In case of prepared hydrogels, mean particle size of docosanol is maintained in nanometric range before and after freeze drying. Thermal analysis of physical mixtures, docosanol nanosuspensions and hydrogels showed that crystalline structure of docosanol nanocrystals was conserved after milling and after hydrogel preparation. The SEM exam showed that the nanosuspension and hydrogel has similar regular crystal morphology and nanoparticles shape is spherical. Nanosuspension particles have almost the same particle size, less than 300 nm in agreement with DLS result. Hydrogel size particle showed a slight increase comparing to nanosuspension’s one which is in agreement with DLS result. Up to rheological measurement, docosanol hydrogel has a pseudoplastic behavior and small thixotropic degree. Physical stability study showed that the hydrogel is stable at 5 °C and 21°C during 13 weeks and instable above 30°C after two weeks. HPLC-ELSD determined that docosanol content is in the acceptance limit range [90% to 110%] for docosanol nanosuspension and close to 100% in docosanol hydrogel. In vitro diffusion test revealed that docosanol nanoparticles were diffused from hydrogel through polycarbonates membranes that was greater for the 800 nm pore membrane, while the commercial product Abreva® does not diffuse through any of the membranes (400 nm and 800 nm). Wet ball milling is a great technique for docosanol nanosuspension preparation. Nanosuspensions can be used as base for the preparation of semi-solid nanoformulation of docosanol.

Le traitement du diabète de type 1 en boucle fermée représente un enjeu majeur tant sur le plan sociétal que thérapeutique. L’une des solutions consiste en une formulation thérapeutique basée sur des microvéhicules capables de délivrer la bonne dose d’insuline selon une cinétique adaptée aux variations de la glycémie. Les microgels sont des particules de polymère réticulé formant des édifices submicrométriques tridimensionnels gonflés par un solvant, dont le taux de gonflement dépend des conditions environnementales. Leur porosité permet à la fois l’encapsulation d’espèces et leur libération à une vitesse dépendant de leur diffusion à travers le réseau. Nous avons synthétisé des microgels à base de poly(N-alkylacrylamide) fonctionnalisés par des récepteurs du glucose dérivés de l’acide phénylboronique. Ces microgels, à la base thermosensibles, présentent la propriété de changer de volume en fonction de la concentration en glucose et se présentent comme d’excellents candidats pour la délivrance auto-régulée d’insuline dans le cadre du traitement du diabète. Ils permettent la délivrance répétée de doses d’insuline modulée par la glycémie. La quantité d’insuline encapsulée a pu être améliorée en structurant les microgels en architecture cœur-écorce ou capsule.En outre, nous avons utilisé ces microgels pour développer des capteurs au glucose, sélectifs vis-à-vis des autres saccharides et quelques études de cytotoxicité ont été amorcées et ont permis d’établir avec satisfaction que certains de nos objets n’étaient pas toxiques.Les résultats obtenus ont donc permis d’affirmer que la technologie des microgels sensibles au glucose peut répondre de manière conceptuelle aux attentes des patients diabétiques pour permettre la délivrance d’insuline en boucle fermée. / Bioresponsive hydrogels can change many of their physical properties in response to the recognition of a target in the solution. In particular, changes in hydrogel swelling lead in turn to controllable changes in shape, volume, pore size, mechanical and optical properties. We focus our research on the development of glucose-responsive microgels which hold promising interest in the field of both sensing and drug delivery. These cross-linked polymer particles, made of highly swollen networks, can swell proportionally to the concentration of glucose in the surrounding medium. Since they are porous, they can entrap a drug and release it a rate dependent on their swelling degree, which is of particular interest in the case of insulin as a drug. Such systems could be used as self-regulated insulin delivery systems for diabetes treatment. With that aim, we have designed microgels able to sense glucose concentrations in the patho-physiological range, under physiological conditions. Insulin was successfully loaded into the nanogels and was shown to be released at a rate dependent on glucose concentration. Furthermore, microgels with a controlled internal structure were synthesized, such as core-shell microgels and capsules. These latter developments led to improvements in terms of insulin encapsulation efficiency and glucose-triggered delivery. Besides, other nanogel formulations were investigated, in order to improve both their biocompatibility as well as the selectivity of their response to glucose compared to other saccharides.

RésuméLes lésions du cerveau sont un problème médical majeur, celui-ci possédant des ressources limitées pour la guérison. Les patients souffrent souvent des déficiences graves et durables, dégradant leur qualité de vie et imposant des couts importants. Des thérapies qui visent l'implantation des cellules souches neurales supportées par un biomatériau qui imite la matrice extracellulaire du cerveau sont en développement. L’ECM du cerveau a une teneur élevée en acide hyaluronique (HA). Ce glycosaminoglycane possède la biocompatibilité et l'activité biologique requises par les applications avec des cellules souches neurales.Nous avons développé des hydrogels à base de HA, possédant des propriétés mécaniques et des densités en peptide d’adhésion cellulaire (GRGDS) contrôlées, pour l'étude in vitro de la différenciation de cellules souches neurales en neurones. L'analyse de neurites en 3-D par microscopie biphotonique a montré une excroissance accrue et une densité élevée des neurites dans les hydrogels les plus élastiques (G '= 400 Pa), combinées avec l'existence d'un optimum dans l'extension des neurites en fonction de la densité des ligands dans le cas des hydrogels contenant des GRGDS. La croissance des neurites relève vraisemblablement d’une combinaison d’interactions adhésives cellule-HA, cellule-GRGDS, et cellule-molécules extracellulaires secrétées.Par la suite la dégradabilité enzymatique des hydrogels de HA a été étudiée. Les hydrogels de HA se dégradent sous l'effet de l'enzyme hyaluronidase suivant un modèle mono-exponentiel, ce qui correspond à une population homogène de chaînes de HA clivables. Les hydrogels avec des modules d'élasticité plus élevés, montrent des vitesses de dégradation enzymatique plus faibles. Le remplacement de l'agent de réticulation PEG-bis(thiol) pour un polymère HA-(SH)3 clivable par voie enzymatique conduit à une réduction du temps nécessaire à la dégradation complète des hydrogels.Dans un troisième temps, nous avons développé des gels de héparosane sans activité biologique qui pourraient révéler une meilleure compréhension du rôle joué par le HA dans la différentiation des NSCs et dans l’extension des neurites. Nous avons montré que le CD44 joue un rôle mesurable dans le processus d'adhésion des cellules MEF. Il existe d'autres procédés par lesquels ces cellules peuvent adhérer sur les hydrogels d’héparosane, cependant la force de ces interactions est plus faible. / AbstractDamage caused to the central nervous system (CNS) is a major medical concern. As the CNS has limited ability to regenerate its damaged cells, patients can suffer from serious and long-term disabilities and impairments, which put strains on public healthcare systems. Therapies that aim to implant neural stem cells together scaffolds that mimic the extracellular matrix of the brain are being developed. Hyaluronic acid is an important component of the brain ECM. This glycosaminoglycan possesses the required biocompatibility and bioactivity for use in neural stem cells applications.We have developed HA-based hydrogels with controlled mechanical properties and cell adhesion peptide (GRGDS) densities for the in vitro study of neural precursor cells’ differentiation into neurons. The analysis of neurite outgrowth in 3-D by two-photon microscopy showed an increased outgrowth and density of neurites in the softest hydrogels (G’ = 400 Pa), combined with the existence of an optimum in neurite outgrowth as a function of ligand density in the case of hydrogels containing GRGDS. Neurite outgrowth in these hydrogels most likely involves a combination of adhesive interactions between cell-HA, cell-GRGDS moieties, and cell-secreted extracellular molecules.The enzymatic degradability of HA hydrogels was then investigated. The HA hydrogels degrade under the effect of the Hyaluronidase enzyme following a mono-exponential model, corresponding to a homogenous population of cleavable HA polymer chains. Hydrogels with higher elastic moduli have progressively lower enzymatic degradation rates. The substitution of the PEG-bis(thiol) crosslinker by an enzymatically cleavable HA-(SH)3 polymer led to a reduction in the time required for the complete degradation of the hydrogels.Finally we developed heparosan hydrogels that are devoid of biological functions and thus provide better insight into the role of HA in NSCs differentiation and neurite outgrowth. We showed that CD44 plays a measurable role in the adhesion process of MEF cells. There are alternative processes through which cells can attach to the heparosan hydrogels however the strength of these adhesions is weaker. Heparosan is a viable biomaterial for hydrogel synthesis that does not interact with the CD44 receptor, resulting in lower cellular adhesions.

Le remplacement des tissus mous du système ostéo-articulaire par des implants synthétiques en hydrogels est souvent limité par un faible ancrage avec le tissu osseux. Une approche pour renforcer l’interface os/implant consiste à fonctionnaliser la surface de l’implant par un revêtement biocéramiques. Dans cette thèse, nous étudions deux approches pour revêtir des hydrogels d’alcool polyvinylique (APV) avec des particules biocéramiques d’hydroxyapatite (HA). Dans une première approche, basée sur le procédé d’enduction, des substrats d’hydrogel ont été revêtus par des particules d’HA enchâssées dans une matrice d’hydrogel d’APV non-dégradable. Dans ce procédé, le contrôle de la composition de la solution de trempage permet d’ajuster finement l’épaisseur, la cohésion et l’adhérence du revêtement, ainsi que le taux d’exposition d’HA à la surface du revêtement. La biocompatibilité avec la pratique chirurgicale et l’ostéointégration de ces revêtements ont été évaluées par une étude in vivo sur un modèle de cicatrisation de tunnel osseux chez le lapin. Ces premiers travaux nous ont menés à la découverte d’une nouvelle approche pour gélifier des films d’hydrogel par un procédé auto-entretenu, qui consiste à utiliser la déplétion de solvant créée à la surface d’un substrat gonflant dans une solution de polymère pour induire la gélification sans action extérieure. Dans ce procédé, la croissance de ces films dépend de la concentration de la solution, du temps de trempage et de la cinétique de gonflement du substrat. Le caractère doux de ce procédé de gélification a été vérifié en encapsulant des fibroblastes, qui restent viables durant 48h. Avec un second procédé plus énergétique, des substrats d’hydrogels d’APV ont été revêtus de couches denses de particules d’HA submicroniques par cold spray. Les paramètres de projection (température, pression, distance de projection) ont été variés systématiquement pour déterminer des conditions de projection appropriées. Un schéma de formation du revêtement est proposé, basé sur les observations microscopiques. Chacun de ces procédés et leur combinaison ouvrent de nouvelles voies dans la conception de système hydrogel-céramique ayant des propriétés microstructurales, mécaniques et biologique contrôlées. / The replacement of soft osteoarticular tissues by synthetic hydrogel implants is often limited by a weak anchorage to bone tissues. One approach to strengthen the bone-implant interface consists in functionalizing the surface of the implant by a coating of bioceramics. In this thesis, we investigate two approaches to coat hydrogels of poly(vinyl alcohol) (PVA) with ceramic particles of hydroxyapatite (HA). In a first “soft” process, based on dip-coating, hydrogel substrates were coated with hydroxyapatite particles embedded in a non-degradable PVA hydrogel matrix. In this process, the control of the soaking solution composition allows to finely tune the thickness, the cohesion and the adhesion of the coating, as well as the HA exposure at the coating surface. The biocompatibility with surgical handling and the osteointegration of these systems were assessed by an in vivo study in a rabbit model of bone tunnel healing. This first approach led to the discovery of a new approach to grow physical hydrogel films by a self-sustained process, consisting in using the solvent depletion created at the surface of a swelling polymer substrate immersed in a PVA solution to induce the gelation of hydrogel films without external action. In this process, the growth of these hydrogel films depends on the solution concentration, the soaking time and the swelling kinetics of the substrate. We verified the gentle character of this process by encapsulating fibroblasts, which remain viable for 48h. In a second more “energetic” process, dense coatings of submicronic HA particles were produced on PVA hydrogel by cold spray. Spraying parameters (temperature, pressure and stand-off distance) were varied systematically to determine efficient spraying condition. Based on microscopic observations, a picture explaining the formation of the coating is proposed. Both processes and their combination open new routes for the design of ceramic-hydrogel systems having controlled microstructural, mechanical and biological properties.

Depuis quelques années, la modification de surface est une méthode efficace qui permet de contrôler les interactions entre un matériau et son environnement. Ce domaine de recherche ouvre la voie au développement de nouvelles surfaces « intelligentes » aux propriétés fonctionnelles. Dans ce manuscrit, nous présentons la conception d’un revêtement capable de contrôler l’auto-assemblage de peptides exclusivement à la surface d’un matériau. L'auto-assemblage est initié par un stimulus enzymatique localisé à la surface qui permet la transformation de peptides précurseurs en peptides gélateurs, ayant la propriété de s’auto-assembler pour former des structures fibrillaires enchevêtrées pour former un hydrogel. Les surfaces enzymatiques ont été obtenues par adsorption d’enzyme spécifique en utilisant la méthode « couche par couche ». Dans une première approche, la croissance du réseau de fibres est initiée par accumulation d’oligopeptides (KL)nOEt confinés sur un film enzymatique d’α-chymotrypsine. Ce processus d’hydrogélation peut être contrôlé dans le temps (en ajustant le temps de latence) en changeant la concentration en peptides KLOEt et la densité de surface en enzyme. Dans une deuxième approche, le film multicouche bioactif contenant l’alcaline phosphatase a été fonctionnalisé par une couche d’ensemencement composée d’acide poly(acrylique) modifié par une séquence peptidique Fmoc-FFC aux propriétés gélatrices. La modification de la densité de peptides gélatrices en surface a permis de contrôler le processus d’auto-assemblage du peptide gélateur Fmoc-FFY depuis la surface. Lorsque le film bioactif est mis en contact avec le peptide précurseur, i.e. Fmoc-FFY(PO42-) substrat de l’alcaline phosphatase, le peptide gélateur se forme et s’auto-assemble sous forme de nanofibres à partir de la surface. Grâce à ces deux études nous avons démontré qu'un film précurseur enzymatique ou une couche bioactive d'ensemencement sont des matériaux permettant d’initier et de contrôler l’auto-assemblage de peptides en surface afin de former un hydrogel. / Since the middle of the last century, the functionalization of surfaces has emerged as a convenient method to control interactions between a material and its surrounding environment. This recent research field paves the way to the design of surfaces bearing original “smart” functionalities. Herein, we present the design and control of peptide self-assembly taking place exclusively at or near a surface in response to an enzymatic stimulus. The localized enzyme-assisted self-assembly (LEASA) of peptides led to the growth of micrometric hydrogels from the surface. The enzymatic surface was obtained by adsorption of specific enzymes using the layer-by-layer method. In a first strategy, we developed the growth of fibrillary networks resulting from the accumulation of oligopeptides (KL)nOEt produced from a confined enzymatic layer of α-chymotrypsine at the interface. This process of gelation was tuned in time (lag time) by controlling the peptide KLOEt concentration and the enzymatic surface density. In a second strategy, alkaline phosphatase was embedded into a multilayer film to obtain a bioactive surface on which a seed-layer, i.e a poly(acrylic acid) covalently modified with a hydrogelator peptide, was adsorbed. This layer allows to control the self-assembly of the fiber network by changing the peptide density anchored on the seed layer. When this bioactive and seeding film is brought into contact with the peptide substrate, i.e. Fmoc-FFY(PO42-), of alkaline phosphatase, an efficient self-assembly of Fmoc-FFY is obtained leading to nanofibers growing from the surface. We demonstrated that an enzymatic precursor film or a more sophisticated bioactive seeding layer can self-instruct the self-assembly of small peptides sequences and influence buildup of a micrometric hydrogel from the surface.

Ce travail de recherche est consacré à l’ingénierie d’un nouveau nanobiohybride à base de nanorubans de titanates pour la médecine régénérative. Dans un premier temps, les nanorubans ont été synthétisés par traitement hydrothermal et leurs caractéristiques morphologiques, structurales et chimiques ont été définies. Une caractérisation fine par différentes techniques de microscopie électronique à transmission a notamment permis de déterminer leur épaisseur; dimension qui n’avait encore jamais été mesurée. Par la suite, les nanorubans de titanates ont été fonctionnalisés par différents PEG hétérobifonctionnels préalablement synthétisés au laboratoire. Ces polymères présentent à l’une de leurs extrémités des groupements fonctionnels spécifiques pouvant se coupler à de nombreuses molécules biologiques. Des peptides de type collagène contenant des sites de reconnaissance cellulaire ont alors été greffés sur ces extrémités. Le nanobiohybride ainsi formé devra permettre l'adhésion et la prolifération des cellules favorisant in fine la cicatrisation et la régénération tissulaire. Pour évaluer les propriétés biologiques du nouveau nanobiohybride, la cytoxicité et le pouvoir agrégeant des nanorubans de titanes ont été déterminés par des tests MTT, réalisés sur deux populations de cellules (cardiomyocytes et fibroblastes) et par des tests d’agrégation plaquettaire (sang humain). Enfin, dans le cas d’une utilisation pour favoriser le processus de cicatrisation, le nouveau nanobiohybride a été formulé sous forme d’un hydrogel d’alginate de sodium permettant une application directe sur les tissus lésés. Pour confirmer l’intérêt de cette formulation galénique, des premiers tests in vivo ont été réalisés / This research work is devoted to new nanohybrid engineering composed of titanate nanoribbons for regenerative medicine. Over a first phase, nanoribbons were synthesized by hydrothermal treatment and their morphological, structural and chemical features were defined. A fine characterization by means of different techniques of transmission electron microscopy mainly enabled to determine their thickness; dimension which had never been measured so far. Subsequently, titanate nanoribbons were functionalized by different home-made heterobifunctional PEG. Those polymers present at one of their extremities specific functional groups being able to couple with numerous biological molecules. Some collagen type peptides containing cellular recognition sites were grafted onto those extremities. The so-formed nanobiohybrid will permit cellular adhesion and proliferation favouring in fine tissue healing and regeneration. To evaluate new nanohybrid biological properties, titanate nanoribbons cytoxicity and aggregating power were determined by MTT tests, performed on two cell populations (fibroblasts and cardiomyocytes) and platelet aggregation tests (human blood). Finally, when used to promote healing process, the new nanobiohybrid was formulated in the form of sodium alginate hydrogel permitting a direct application on damaged tissues. To confirm the interest of this galenic form, initial in vivo tests were realized

Cette thèse a pour objectif d’étudier les propriétés physico-chimiques de capsules à cœur liquide à base d'hydrogel d'alginate et de contrôler leur perméabilité et propriétés mécaniques par ajout des biopolymères. Ces capsules sont préparées par un procédé de sphérification inverse par extrusion goutte à goutte d’une solution de chlorure de calcium dans un bain à base d’alginate. Dans un premier travail, l’influence des polymères utilisés pour contrôler la viscosité du cœur liquide lors de la préparation des capsules sur la perméabilité et la stabilité mécanique a été étudiée. Les propriétés mécaniques des capsules ont été corrélées avec les propriétés viscoélastiques d’hydrogels d’alginate caractérisés par rhéologie oscillatoire aux faibles amplitudes. Un second travail, a consisté à élaborer des capsules composites avec une membrane de caséinate de sodium/alginate qui présentent une meilleure stabilité et une libération pH-dépendante d’un colorant utilisé comme molécule modèle. Comme perspective a cette étude, des hydrogels sphériques à base d’alginate et de caséinate de sodium, avec différentes architecture ont été développés et leur efficacité a été testée sur trois colorants. Enfin, l’influence de l’incorporation de la gomme laque dans la membrane ou comme revêtement externe a permis de mettre en évidence une amélioration des propriétés barrières vis-à-vis de molécules de faible masse moléculaire (riboflavine dans ce cas). Les capsules à base d’alginate ont un large spectre d’utilisation allant de la cuisine moléculaire à la biotechnologie ce qui nécessite une meilleure compréhension et contrôle de leurs propriétés physicochimiques en fonction de l’application visée / The aim of this thesis is to study the physicochemical properties of alginate liquid-core capsules and to control their permeability and mechanical properties by biopolymers blending. These millimeter-scale size capsules are prepared by a reverse spherification process by dripping a solution of calcium chloride into an alginate gelling bath. In a first work, the influence of polymers used to control capsule liquid-core viscosity (thickening agent) during capsules preparation on permeability and mechanical stability of the alginate membrane was investigated. The mechanical properties of capsules were correlated with viscoelastic properties of plane alginate hydrogels characterized by small amplitude oscillatory shear rheology. In a second work, composite capsules with a membrane of sodium caseinate / alginate were developed and showed improved stability and pH-dependent release of a dye used as a model molecule. As a perspective, composite alginate/sodium caseinate microspheres with different architectures were developed and their effectiveness was tested against three anionic dyes. This type of system has applications in the removal of dyes from industrial wastewater by an adsorption mechanism. Finally, the influence of shellac incorporation in alginate membrane or as an external coating layer resulted in enhanced physicochemical properties and decreased membrane permeability against low molecular weight molecules (riboflavin in this case). Alginate capsules have a wide range of applications ranging from molecular gastronomy to biotechnology which requires a better understanding and control of their physicochemical properties according to the target application

Charged hydrogels are ionic polymer gels and belong to the class of smart materials. These gels are multiphasic materials which consist of a solid phase, a fluid phase and an ionic phase. Due to the presence of bound charges these materials are stimuli-responsive to electrical or chemical loads. The application of electrical or chemical stimuli as well as mechanical loads lead to a viscoelastic response. On the macroscopic scale, the response is governed by a local reversible release or absorption of water which, in turn, leads to a local decrease or increase of mass and a respective volume change. Furthermore, the chemo-electro-mechanical equilibrium of a hydrogel depends on the chemical composition of the gel and the surrounding solution bath. Due to the presence of bound charges in the hydrogel, this system can be understood as an osmotic cell where differences in the concentration of mobile ions in the gel and solution domain lead to an osmotic pressure difference. In the present work, a continuum-based numerical model is presented in order to describe the time-dependent swelling behavior of hydrogels. The numerical model is based on the Theory of Porous Media and captures the fluid-solid, fluid-ion and ion-ion interactions. As a direct consequence of the chemo-electro-mechanical equilibrium, the corresponding boundary conditions are defined following the equilibrium conditions. For the interaction of the hydrogel with surrounding mechanical structures, also respective jump condtions are formulated. Finaly, numerical results of the time-dependent behavior of a hydrogel-based chemo-sensor will be presented.

Ce travail a eu pour objectif la conception de nouveau matériaux à base de polysaccharide pour la libération contrôlée de principes actifs et pour d'éventuelles applications environnementales. Pour cela, des gels ont été préparés par réticulation du carboxymethylepullulane CMP et du pullulane interpénétré par l’alginate avec le sodium trimétaphosphate STMP. Les hydrogels obtenus ont été caractérisés et leurs propriétés physico-chimiques et rhéologiques ont été investiguées. La séquestration de principes actifs modèles dans les hydrogels a été réalisée par regonflement des gels dans une solution de bleu de méthylène BM ou par dispersion de la 3- aminopyridine 3AP à l’intérieur des gels. L'’influence des différents paramètres comme la nature du gel, le taux d’agent réticulant et le pH sur la libération des principes actifs a permis de conclure sur la performance des gels comme matrice à libération contrôlée. D'autre part, ces hydrogels de morphologies différentes se sont révélés être des adsorbants prometteurs, les tests sur le BM servant dans ce cas comme polluant modèle ont montré des capacités d'adsorption plus de 1000 mg/g pour les gels à base de CMP et de 500 mg/g pour les gels Pullulane/alginate. Les capacités d'adsorption étaient sensibles à la quantité du STMP, au degré de substitution du CMP et aux variations du pH. Les résultats expérimentaux étaient bien modélisés par une équation cinétique de pseudo-second ordre et l'isotherme de Freundlich décrivait d'une manière satisfaisante le phénomène. / This work has aimed at the design of new polysaccharide-based materials for the controlled release of active ingredients and for possible environmental applications. For this, gels were prepared by crosslinking the carboxymethylpullulan CMP and the pullulan interpenetrated by the alginate with the sodium trimetaphosphate STMP. The hydrogels obtained were characterized and their physicochemical and rheological properties were investigated. The sequestration of model active ingredient in the hydrogels was carried out by re-inflation gels in a solution of BM or dispersion of 3AP within the gels. The influence of the various parameters such as the nature of the gel, the level of crosslinking agent and the pH on the release of the active ingredients made it possible to conclude on the performance of the gels as a controlled-release matrix. On the other hand, these hydrogels of different morphologies have proved to be promising adsorbents, the tests on the BM used in this case as a model pollutant showed an adsorption capacity of more than 1000 mg / g for CMP-based gels and 500 mg / g for Pullulane / alginate gels. Absorption capacities were sensitive to the amount of SMTP, the degree of CMP substitution, and pH changes. The experimental results were well modeled by a pseudo-second order kinetic equation and the Freundlich isotherm satisfactorily described the phenomenon.

Bisensitive interpenetrating polymer network (IPN) hydrogels of temperature sensitive net-poly(Nisopropylacrylamide) and pH sensitive net-poly(acrylic acid-co-acrylamide) for microfluidic applications were prepared via a sequential synthesis using free radical polymerization. The IPN indicated a suitable reversible alteration of swelling in response to the change in pH and temperature. The adequate change of the hydrogel volume is a basic requirement for microfluidic applications. Using the introduced correction factor f, it is possible to determine the cooperative diffusion coefficient (Dcoop) of cylindrical samples at any aspect ratio. The determined cooperative diffusion coefficient allowed the evaluation of varying swelling processes of different network structures. The presence of the second sub-network of the IPN improved the swelling behaviour of the first sub-network compared to the individual networks.