Renewable polymers (bioplastics) offer an alternative to petroleum-based polymers and reduced environmental impact through decreased petroleum dependence and a sustainable product lifecycle via renewable, biomass-derived monomers and completely degradable polymers. Applying green chemistry principles, melt polycondensations of 1,3-propanediol with malonic acid and 1,3-propanediol with itaconic acid were performed to produce poly(trimethylene malonte) (PTM) and poly(trimethylene itaconate) (PTI), respectively. Aluminum chloride was used as the catalyst and reaction temperatures from 125-175 °C and reaction times from 2-32 h were attempted in order to produce high yields and molecular weights (Mw). Gravimetric yields ranged from 20-95 wt.% for PTM and 20-85 wt.% for PTI. Both PTM and PTI contained ester and ether backbone bonds, as determined by Fourier transform infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopy. Gel permeation chromatography showed both PTM and PTI to have a bi-modal Mw distributions centered at 1.4±0.1 kDa and 35±3 kDa for PTM and 1.0±0.1 kDa and 38±2 kDa for PTI. For PTM, a Tg of -64 °C and a Tm of 29 °C was identified using differential scanning calorimetry (DSC). A crystallization temperature for PTI was found at ~160 °C using DSC. A hydrolytic degradation study was performed at 25 °C on PTM and PTI in pH 5.4, 7, 9, and 11 aqueous solutions for up to 4 weeks. The introduction of K+ ions (in the KOH aq. solutions) interfered with the AAC2 and AAL1 ester hydrolysis mechanisms through acid-base interactions. PTM was found to be susceptible to hydrolytic degradation and lost ~37 wt.% through ester hydrolysis and showed a molecular weight reduction of ~0.8 kDa over 10,000 min for a pH range of 7 to 11. PTI was also found to be susceptible to hydrolytic degradation with ~22 wt.% decrease through ester hydrolysis and molecular weight reduction of ~0.25 kDa over 10,000 min for a pH range of 7 to 11. PTM is a low molecular weight, saturated, linear copolymer and PTI is a low molecular weight, unsaturated, branched copolymer. Both PTM and PTI are renewable copolymers produced using green chemistry and mild reactions conditions and were found to be susceptible to hydrolytic degradation.

The overall goal of this research was to explore new living radical polymerization methods and the blending of renewable polymers. Towards this latter goal, polylactic acid (PLA) was blended with a new renewable polymer, poly(trimethylene-malonate) (PTM), with the aim of improving mechanical properties, imparting faster degradation, and examining the relationship between degradation and mechanical properties. Blend films of PLA and PTM with various ratios (5, 10, and 20 wt %) were cast from chloroform. Partially miscible blends exhibited Young’s modulus and elongation-to-break values that significantly extend PLA’s usefulness. Atomic force microscopy (AFM) data showed that incorporation of 10 wt% PTM into PLA matrix exhibited a Young’s modulus of 4.61 GPa, which is significantly higher than that of neat PLA (1.69 GPa). The second part of the bioplastics study involved a one-week hydrolytic degradation study of PTM and another new bioplastic, poly(trimethylene itaconate) (PTI) using DI water (pH 5.4) at room temperature, and the effects of degradation on crystallinity and mechanical properties of these films were examined by differential scanning calorimetry (DSC) and AFM. PTI showed an increase in crystallinity with degradation, which was attributed to predominately degradation of free amorphous regions. Depending on the crystallinity, the elastic modulus increased at first, and decreased slightly. Both bulk and surface-tethered stimuli-responsive polymers were studied on amine functionalized magnetite (Fe3O4) nanoparticles. Stimuli-responsive polymers studied, including poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA), and poly(itaconic acid) (PIA), were grafted via surface-initiated aqueous atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). Both Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectroscopies showed the progression of the grafting. The change in particle size as a function of temperature was measured using dynamic light scattering (DLS). Once the PIA was grafted from the Fe3O4 nanoparticles for 13 h, the PIA thickness was around 13 nm. After the PNIPAM was grafted for 6 h, the stimuli-responsive nanocomposites with a lower critical solution temperature (LCST) of 32 °C exhibited a particle size of 236 nm. Moreover, a variety of stimuli-responsive bulk block copolymers were synthesized. The stimuli-responsive nanocomposites could be good candidates as drug carriers for the targeted and controllable drug delivery.

Orientadora: Profa. Dra. Sônia Maria Malmonge / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, 2014.

Des copolymères à blocs polylactide-poly(éthylène glycol) (PLA-PEG) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle du L- ou D-lactide en présence de PEG mono- ou dihydroxylé. La masse molaire, la composition, la cristallisation et les propriétés thermiques des copolymères ont été caractérisées à l'aide de la DSC, NMR, GPC, etc. Des micelles biorésorbables ont été obtenues par la méthode dissolution directe sans utiliser de solvants organiques. Des mesures de tension de surface ont permis de déterminer la concentration micellaire critique des copolymères. Les résultats montrent que les micelles mélange L/D sont plus stables que les micelles seules en raison de l'effet stéréocomplexation entre les blocs L-PLA et D-PLA. Les comportements d'agrégation des micelles en milieu aqueux ont été étudiés en détail. Il apparaît que les micelles mélange présentent un nombre d'agrégation inférieur à celui des micelles seules. La dégradation hydrolytique des micelles a été étudiée dans les conditions in vitro. Le paclitaxel a été utilisé comme modèle de principes actifs pour évaluer les comportements in vitro et in vivo des micelles. Les méthodes dissolutio n directe et dialyse conduisent à des résultats comparables en ce qui concerne l'efficacité d'encapsulation et la teneur en principe actif. Les micelles mélange L/D présentent une meilleure capacité d'encapsulation que les micelles seules. Les expériences in vivo montrent que le paclitaxel est distribué dans tous les organes avec concentrations élevées après injection des micelles chargées. En comparaison avec la formulation clinique et les micelles par dialyse, les micelles chargées en paclitaxel par dissolution directe présentent un effet antitumeur plus important. / A series of polylactide-poly(ethylene glycol) (PLA-PEG) block copolymers were synthesized by ring-opening polymerization of L- or D-lactide in the presence of mono- or dihydroxyl PEG. The molar mass, composition, crystallization and thermal properties were characterized by using DSC, NMR, GPC, etc. Bioresorbable micelles were obtained by direct dissolution method without using any organic solvents. Surface tension measurements were used to determine the critical micellar concentration of the copolymers. The results show that L/D mixed micelles are more stable than single ones due to strong stereocomplexation effect between L-PLA and D-PLA blocks. The aggregation behavior of micelles in aqueous medium was investigated in detail. It appears that mixed micelles present lower aggregation number than single ones. The hydrolytic degradation of the micelles was investigated under in vitro conditions. Paclitaxel was used as a model drug to investigate the in vitro and in vivo behavior of micelles as drug delivery system. The direct dissolution method yields comparable drug encapsulation efficiency and loading content as the traditional dialysis method. The drug encapsulation ability is higher for L/D mixed copolymer micelles than single micelles due to stereocomplexation. In vivo experiments show that paclitaxel is widely distributed and kept at high concentration levels in various tissues after administration of drug-loaded micelles. Compared with the current clinical formulation and micelles by dialysis, paclitaxel-loaded micelles by direct dissolution exhibit the highest antitumor ability.

La transformation de la biomasse végétale en composés simples pouvant servir comme monomères pour l’élaboration de nouveaux matériaux polymères susceptibles de se substituer à leurs homologues d’origine pétrochimique a été l’un des thèmes de recherche développés au cours des deux dernières décennies. c’est dans ce vaste contexte que s’inscrivent les travaux rapportés dans ce mémoire dont l’objectif était d’élaborer une nouvelle famille d’oligoesters aliphatiques en partant de monomères biosourcés et en intégrant dans leur structure des groupes sulfonés. Cette orientation est justifié par les trois considérations suivantes (i) cela constitue une contribution à la valorisation de la biomasse végétale (ii) la présence des unités sulfonés dans leur structure leur confère des propriétés physico-chimiques particulières favorisant leur utilisation dans divers secteurs industriels. (iii) Ces oligoesters peuvent être par la suite utilisés pour la préparation des composites à base de réseaux de poly (ester-uréthane) et de liquide ionique ayant des propriétés thermomécaniques potentiellement intéressantes et une grande tendance à la dégradation hydrolytique. / The research conducted in this thesis was achieved in the context of vegetal biomass valorization. It aims to develop a new family of aliphatic oligoesters from biobased monomers and incorporating into their structure sulfonated groups. This choice is justified by the following three considerations. (i) This is a contribution to the valorization of vegetal biomass. (ii) The presence of sulfonated units in the structure of this type of polymers gives them specific physicochemical properties favoring their use in various industrial sectors. (iii) These oligoesters can be subsequently used for the preparation of poly (ester-urethane) networks and ionic liquid-based composites with potentially interesting thermomechanical properties and a great tendency towards hydrolytic degradation.

Les piles à combustibles sont considérées comme une énergie d’avenir, notamment grâce à leur caractère non polluant à l’usage. Cependant, le déploiement de ces solutions à grande échelle est encore conditionné par l’amélioration de leurs performances et surtout de leur durabilité afin de garantir une industrialisation à faible coût. L’application de la pile à combustible au domaine des transports impose en plus un fonctionnement à puissance variable, ce qui complique l’amélioration des performances et de la durabilité. L’approche retenue pour ces travaux consiste en la conception d’une loi de gestion du système qui génère les conditions opératoires optimales à appliquer au stack (pressions, température, courant, stoechiométries) en fonction de la demande en puissance, de l’état de santé de la pile (perte de surface active) et du taux d’humidité actuel. L’optimalité est entendue au sens de l’augmentation du rendement système et de la diminution des dégradations du platine et de la membrane. Cette loi se base sur des modèles de dégradations et de performances d’un système pile à combustible. Cette loi de gestion requiert pour fonctionner les données de l’état de santé de la pile et du taux d’humidité. L’évaluation de l’état de santé de la pile fait déjà l’objet de nombreux travaux de diagnostic. En revanche, le taux d’humidité doit être estimé par un observateur d’état car les capteurs d’humidité ne sont pas fiables pour une application transport. Pour cela, un observateur d’état a été développé pour estimer les humidités relatives dans les canaux du stack et aussi le chargement en eau de la membrane, la quantité d’hydrogène à l’anode ainsi que la saturation d’azote à l’anode. Cette dernière donnée permet de proposer une stratégie de purge pour une architecture dead-end basée sur la saturation d’azote, qui limite les pertes en hydrogène et réduit les dégradations liées à cette architecture. / Fuel cells are considered as a promising source of energy for the future, thanks to their non-polluting aspect. However, the deployment of these solutions on a large scale is still conditioned by the improvement of their performance and especially of their durability in order to guarantee a low cost industrialization. The transport application also imposes a variable power demand, which complicates the improvement of performance and durability. The approach adopted for this work consists of the design of a system management law that generates the optimal operating conditions to be applied to the stack (pressures, temperature, current, stoichiometries) as a function of the power demand, the state of health (active surface loss) and current humidity. Optimality is understood in the sense of increasing system efficiency and decreasing the degradation of the membrane and the platinum dissolution. This law is based on degradation and performance models of a fuel cell system. This management law requires in real time the data of the state of health of the fuel cell and the humidity rate. The assessment of the state of health is already the subject of many diagnostic work. On the other hand, the humidity rate must be estimated by a state observer because the humidity sensors are not reliable for a transport application. Therefore, a state observer was developed to estimate the relative humidities in the stack channels and also the membrane water content, the hydrogen at the anode as well as the nitrogen saturation at the anode. This last data makes it possible to propose a purge strategy for a dead-end architecture, based on nitrogen saturation, which limits the losses in hydrogen and reduces the damage associated with this architecture.

Dans le contexte de développement durable actuel, les matériaux biosourcés et biodégradables commencent à prendre une place importante d’un point de vue économique et écologique. L’objectif de remplacer les polyoléfines utilisées actuellement dans des domaines clés tels que l’emballage et l’automobile est cependant difficile car les matériaux « verts » sont rarement aussi performants. Ils présentent en général des lacunes au niveau de leurs propriétés mécaniques et sont sensibles à des dégradations qui limitent leur durée de vie. Le poly(butylène succinate) est un polyester connu depuis longtemps mais qui regagne de l’intérêt grâce à son potentiel biosourcé et biodégradable ainsi que ses propriétés mécaniques proches de celles des polyoléfines. Néanmoins, sa rigidité est encore trop faible et sa sensibilité importante à l’hydrolyse limite son utilisation dans le temps, même dans des conditions standards de température et d’humidité. Des améliorations de la stabilité du PBS sont possibles et plusieurs solutions ont été envisagées. L’intérêt s’est porté sur la modification de la balance hydrophile/hydrophobe du PBS par l’ajout d’un comonomère ramifié très hydrophobe, le Pripol 1009 ou possédant un cycle aromatique, l’acide téréphtalique. L’addition de charges dans le matériau peut également s’avérer efficace pour neutraliser les fins de chaines acides catalysant la dégradation, en utilisant du carbonate de calcium, ou pour limiter la perméabilité du matériau, par incorporation de talc. Dans l’optique de moduler les propriétés mécaniques du PBS, la voie de modification la plus fructueuse est le mélange par incorporation de charges minérales, comme le carbonate de calcium ou le talc, ou le mélange avec d’autres polyesters possédant une rigidité plus importante, tels que le poly(acide lactique) ou le poly(butylène téréphtalate). Les mélanges doivent présenter une bonne compatibilité et être mis en œuvre à des températures convenables pour limiter la dégradation du PBS et conserver la ductilité du matériau final, comme c’est le cas des mélanges PBS/PLA. Des combinaisons ont également été envisagées entre les différentes solutions efficaces pour améliorer à la fois les propriétés mécaniques et la stabilité face à l’hydrolyse chimique. / Within the frame of sustainable development, biobased and biodegradable polymers are going to play an important role according to economic and environmental perspectives. The polyolefins currently used in packaging and automotive industries will be replaced by biomaterials. The poly(butylene succinate), an “old” aliphatic polyester, has recently regained interest thanks to its biobased and biodegradable potential and mechanical properties similar to polyolefins. However, this polyester is very sensitive to degradation even at mild ambient conditions and, even though its flexibility is comparable to polyethylene or polypropylene, its modulus is too low. Some modifications of the chemical structure were considered to improve the long-term use of PBS. The synthesis of random copolymers using long-chain fatty acid Pripol 1009 or terephthalic acid allows to reduce significantly the hydrolysis rate and properties are maintained during a longer time. The incorporation of fillers like calcium carbonate and talc also enhance the PBS stability. The addition of calcium carbonate neutralizes carboxyl terminal group, which play an autocatalytic role in the hydrolytic degradation. High aspect ratio of talc increases the gas and liquid diffusion path, reducing permeability and providing better barrier properties to the material. In order to improve Young’s modulus, formulating blends with mineral fillers like calcium carbonate and talc, or with more rigid polyesters like polylactic acid or poly(butylene terephthalate) are efficient. The most interesting results are obtained by using calcium carbonate and polylactic acid, which allow the preservation of PBS’s flexibility. Processing parameters should be maximized to limit the degradation of PBS. Combinations of the most interesting solutions were investigated and lead to materials which fulfill the required specifications.