Les gradients de concentration de peptides ou de protéines, ou leur relargage localisé, jouent un rôle primordial dans les voies de communication inter-cellulaire. L'activation locale de cellules est étudiée in vitro à l'aide de sources artificielles contraignantes ou invasives de protéines (pipettes, dispositifs microfluidiques). Des méthodes plus douces et moins invasives sont très demandées. À cet effet, nous avons développé deux types de capsules capables de libérer des macromolécules sous l'effet d'une stimulation extérieure. Le premier système emploie des liposomes additionnés d'un amphiphile à azobenzène, tensioactif ou polyélectrolyte, capable de générer des pores à travers la membrane sous l'effet de la lumière. Les temps de dissolution des assemblages lipides/tensioactifs et les cinétiques de relargage (perméabilité) sous irradiation lumineuse ont été étudiées par diffusion dynamique de la lumière et fluorescence. Le second système repose sur des capsules à cœur aqueux et à coque polymère, formées par polyaddition interfaciale. Nous avons montré que l'inclusion de chaînes thermosensibles dans la membrane (polyNIPAM, par ex.) rendait la stabilité de la capsule dépendante de la température. Nous avons démontré sur des capsules millimétriques, chargées avec du dextrane ou des protéines, que cela permettait le contrôle du relargage. L'utilisation de polymère à UCST en milieu aqueux nous a permis d'obtenir les premières capsules thermosensibles capables de libérer leur contenu par élévation de la température au dessus d'une valeur critique. Cela ouvre une voie prometteuse au développement d'un système biocompatible de libération de protéines. / Concentration gradients and local delivery of peptides or proteins play a crucial role in intercellular communication. In vitro, the effects of local activation of cells are studied with constrained or invasive artificial protein sources (pipettes, microfluidics). Milder and remotely-triggered techniques for the release of encapsulated biomolecules are highly in demand. To this aim we developed two classes of capsules able to release macromolecules upon an external stimulation. The first system is based on liposomes sensitized with azobenzene-containing amphiphiles (surfactants or polyelectrolytes) that can open pores in the membrane upon exposure to light. The dissolution time of lipids/surfactants assemblies and rate of release (permeability) under light irradiation has been assessed by dynamic light scattering and fluorescence measurements. The second system is a model of capsules with an aqueous core and a polymer shell, formed by interfacial polyaddition. We showed that inclusion of temperature-responsive chains in the membrane, e.g. polyNIPAM, confers temperature-dependant stability to the capsules; we demonstrated with millimeter-sized capsules loaded with dextran or proteins that this can be used to trigger the release. Using chains with UCST in water, we obtained the first temperature-sensitive capsules able to release their content upon increasing the temperature above a threshold. This represents a promising route to the biocompatible delivery of proteins.

L'intérêt pour le développement de ciments osseux à base de phosphates de calcium (CaP) en tant que systèmes de délivrance de médicament a augmenté en raison de sa capacité à être injecté et à permettre un traitement local et contrôlé des maladies ou défauts osseux. A cette fin, nous nous sommes intéressés à la formulation d’un ciment mixte à base de carbonate et phosphate de calcium (CaCO3-CaP) chargé avec différentes teneurs (3, 6 et 9% calculé par rapport à la masse de la phase solide du ciment) en acide fusidique (AF), composé pratiquement insoluble dans l’eau, ou en son sel hydrosoluble, le fusidate de sodium (SF). L’influence de l’incorporation de l’antibiotique sous ces deux formes sur les propriétés physicochimiques (temps et cinétique de prise, résistance à la compression, injectabilité) et la microstructure (porosité) du ciment ainsi que sur la libération in vitro de ce médicament a été étudiée. L’effet de la quantité d’eau (rapport liquide/solide (L/S)) utilisée pour l’élaboration du ciment sur ces propriétés a été également examiné. Les résultats obtenus ont révélé que l'ajout de l’antibiotique n’avait aucun effet sur la composition minérale du ciment durcit : la réaction de prise donne lieu à la formation d’une apatite carbonatée analogue au minéral osseux. Nous avons observé que le temps de prise du ciment a été prolongé par l’addition d’AF, tandis que la présence de SF le réduit et cet effet est dose dépendant. L’utilisation d’un accélérateur de prise (Na2HPO4) réduit le temps de prise d’une manière significative, et a permis d’atteindre un temps de prise de l’ordre de 25 à 30 minutes ; celui-ci se situe dans une gamme compatible avec une application en chirurgie orthopédique ou dentaire. Ce travail a également permis de mettre en évidence que l’incorporation de l’antibiotique dans le ciment s’accompagne d’ une diminution de la porosité et de la résistance à la compression. En outre, l’augmentation du rapport liquide-solide (L/S) se traduit par une augmentation du temps de prise, de la porosité des ciments et par une diminution de la résistance à la compression. Les mesures d’injectabilité des ciments étudiés ont montré que la charge nécessaire pour l’extrusion de la pâte est diminuée par l'ajout d’AF (injectabilité améliorée) et que cet effet est amplifié en présence de SF. Le phénomène de séparation de phases qui limitait l’injectabilité de la pâte du ciment de référence a été supprimé par l’ajout de 9 % de SF et par l’augmentation de la quantité d’eau utilisée (L/S plus élevé) pour l’élaboration du ciment. Les essais de libération in vitro du principe actif dans une solution de NaCl 0.9 % à 37°C pendant un mois montrent que la libération est prolongée et ce quels que soient la forme de l’antibiotique et le rapport L/S. Le taux libéré est lié à la porosité totale et à la taille des pores du ciment ainsi qu’à la solubilité de l'antibiotique. Les quantités libérées par jour sont de l’ordre de 0.5 à 2 mg/L. La libération du médicament a été modélisée en utilisant les équations de Korsmeyer-Peppas, de Higuchi ou de Kopcha. Les résultats ont montré que la libération du médicament est contrôlée principalement par un mécanisme de diffusion. Enfin, l’efficacité in vitro du système de délivrance préparé a été évaluée à travers des essais microbiologiques réalisés avec les ciments chargés en antibiotique ; les résultats préliminaires obtenus ont montré une activité anti-biofilm faible sur la souche bactérienne de type Staphylococcus aureus. / The interest in developing calcium phosphate cements as a drug delivery system has risen because of its capability to be injectable and to enable local and controlled treatment of bone disease or defects. In the present work, we are interested in the development of a mixed cement based on calcium phosphate and carbonate (CaCO3-CaP) loaded with different concentrations (3, 6 and 9% calculated on the weight of the cement solid phase) of fusidic acid (FA) compound substantially insoluble in water, or its water soluble salt, sodium fusidate (SF). The influence of the incorporation of both forms of antibiotic on the physicochemical properties (setting time and setting reaction kinetics, compressive strength, injectability) and the microstructure (porosity) of the cement as well as on the in vitro release of this drug was studied. The effect of the amount of water (liquid / solid ratio (L / S)) used for the preparation of cement on these properties was also examined. The results obtained showed that the addition of the antibiotic had no effect on the final composition of the hardened cement: the setting reaction leads to the formation of a carbonated apatite analogous to bone mineral. The setting time of the cement was prolonged by the addition of AF, while it is reduced in the presence of SF and we showed that this effect is dose-dependent. The introduction of an accelerator (Na2HPO4) in the cement formulation reduces the setting time significantly in a range (25 to 30 minutes) which is adapted to orthopedic and dental applications. This work has also demonstrated that the incorporation of the antibiotic in the cement is accompanied by a decrease in the cement porosity and resistance to compression. In addition, increasing the liquid to solid ratio induced an increase in the setting time and in the porosity of the cement whereas the cement compressive strength is decreased. Measurements conducted on cement injectability have shown that the load required to extrude the paste is reduced by the addition of AF (improved injectability) and this effect is enhanced in the presence of SF. The phase separation phenomenon that limits the injectability of the reference cement paste was suppressed by the addition of 9% of SF and by increasing the amount of water (higher L / S) used for the preparation of cement. In vitro release test of the antibiotic in NaCl 0.9% solution at 37 °C over one month showed that the release is sustained regardless of the form of the antibiotic and of the L / S ratio. The released rate is related to the total porosity and pore size of the cement as well as the solubility of the antibiotic. The amounts released per day are in the range of 0.5 to 2 mg /L. Drug release was modeled using the Korsmeyer-Peppas, Higuchi or Kopcha equations. These modelisations showed that the drug release is mainly controlled by a diffusion mechanism. Finally, the in vitro efficiency of the prepared drug delivery systems was evaluated through microbiological tests on antibiotic-loaded cements; the preliminary results obtained showed a weak anti-biofilm activity against Staphylococcus aureus bacterial strain.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'amylose réticulé (AR), obtenu suite à la reticulation de l'ami don à haute teneur en amylose par traitement à l'épichlorhydrine, a été introduit au début des années 1990 comme excipient pour la libération contrôlée de médicaments. Divers taux de reticulation de l'amylose peuvent être obtenus en variant le rapport épichlorhydrine / amylose. Les cinétiques de libération de médicaments à partir de comprimés d'AR, en fonction du taux de reticulation du polymère, de la force de compression et de la charge en principe actif ont été étudiés. L'analyse cinétique de la liberation ainsi que l'absence d'une transition polymérique de l'état vitreux à caoutchouteux suggéraient l'implication d'un mécanisme de libération autre que la seule diffusion du principe actif. Une hypothèse d'un mécanisme de libération reposant sur la pénétration de l'eau dans le comprimé provoquant le remplacement des liens amylose-amylose par de nouveaux liens eau-amylose capables de freiner la pénétration de l'eau et la diffusion du principe actif avait été émise. Ce travail constitue la suite logique du développement et de la caractérisation physico-chimique de l'AR utilisé comme excipient pour la préparation de formes à liberation contrôlée de médicaments. La libération de principes actifs peu solubles en milieu aqueux à partir d'une matrice d'AR peut parfois être trop lente et s'effectuer sur plusieurs jours. Pour ces médicaments, la vitesse de libération peut être accélérée en ajoutant une quantité déterminée d'a-amylase dans le mélange pulvérulent d'AR et de principe actif, avant d'effectuer la compression. Une augmentation du contenu en a-amylase dans les comprimés provoque une augmentation marquée de la vitesse de libération et une augmentation de la linéarité des profils de libération, alors que de fortes modifications de la concentration d'a-amylase dans le milieu de dissolution présentent moins d'effet. Pour des concentrations élevées d'a-amylase, l'hydrolyse enzymatique devient le processus prédominant du contrôle de la libération du principe actif. Les profils de libération témoignent de l'influence de deux mécanismes qui régissent le contrôle de libération: i) un gonflement du comprimé accompagné par une diffusion du principe actif et ii) une hydrolyse enzymatique provoquant une érosion du comprimé et une accélération du taux de libération. En-dehors de ses aptitudes pour contrôler la libération de principes actifs, l'AR possède des propriétés liantes et peut aussi devenir un agent de désagrégation. La dureté augmente avec le degré de reticulation jusqu'à un maximum de dureté pour le degré AR-15. Une plus grande proportion d'AR ainsi qu'une augmentation de la force de compression ont pour conséquence d'augmenter la dureté et de diminuer la friabilité des comprimés. La présence de 0.2 % de stéarate de magnésium dans les comprimés contenant de l'AR ne semble pas avoir d'effet sur la dureté et la friabilité. Une étude comparative des propriétés liantes de l'amylose réticulé (AR-8) et de l'amylopectine réticulée à 8 % semble démontrer qu'une augmentation de la teneur en amylose conduit directement à une augmentation de la dureté des comprimés. Les résultats des tests de désagrégation se sont révélés satisfaisants lorsque l'AR 15 est comparé à l'Avicel PH-102®. La vitesse d'absorption d'eau des comprimés augmente lorsque le taux de reticulation de l'amylose augmente suggérant que les propriétés de désagrégation de l'AR (taux de reticulation supérieur à 15 %) soient reliées à une pénétration rapide de l'eau dans les comprimés. La caractérisation de l'AR par analyse d'image a permis de démontrer qu'un gel se forme à la surface des comprimés à base d'amylose réticulé en moins de 10 minutes suivant l'immersion des comprimés dans l'eau. La formation du réseau de gel de la surface vers le centre du comprimé s'effectue progressivement pendant plusieurs heures jusqu'à ce qu'un équilibre de gonflement soit atteint (environ 72 heures). Quelque soit le taux de reticulation, les spectres RMN des comprimés d'amylose réticulé s'apparentent au spectre Va de l'amidon. Suivant l'immersion dans l'eau des comprimés à base d'amylose ayant un faible taux de reticulation, on assiste à la naissance progressive d'un spectre décrivant la forme cristalline de type B de l'amylose caractérisée par la formation de doubles hélices. La gélatinisation, la reticulation et le traitement de l'amidon à haute teneiu- en amylose modifient profondément l'organisation granulaire de l'amidon natif, comme en témoignent les profils de rayons X. Cette modification s'accentue avec l'augmentation du degré de reticulation suggérant que l'hélice simple de l'amylose subit une déformation tant et si bien que la structure devient complètement déformée pour des taux de reticulation très élevés. Les résultats obtenus en FT-IR sont en accord avec les résultats de diffraction de rayons X démontrant que pour les degrés faibles de reticulation, l'association intra- et inter-chaînes d'amylose est favorisée. L'ensemble des études de caractérisation par gonflement, par analyse d'image, par diffraction de rayons X, par FT-IR et par RMN démontrent que la propriété d'excipient pour la libération contrôlée vient, vraisemblablement,de l'habileté de l'amylose de former des gels compacts qui ne s'érodent pas. La gélification s'effectue suite à l'immersion des comprimés dans l'eau et à la transformation de la partie amorphe de l'amylose en une structure thermodynamiquement plus stable constituée d'hélices d'amylose aimelées et arrangées dans une superstructure de type B. La reticulation modérée de l'amidon à haute teneur en amylose implique aussi le greffage des molécules d'amylopectine au sein des longues sections de chaînes d'amylose permettant ainsi l'obtention d'un gel plus souple et élastique, tout en demeurant relativement résistant aux enzymes amylolytiques. L'augmentation excessive du taux de reticulation conduit à la déformation des hélices d'amylose, ce qui a comme conséquence l'inhibition de la réassociation de l'amylose se traduisant par l'augmentation des vitesses de libération des principes actifs. Les temps de libération sont maximaux pour les produits ayant un taux de reticulation modéré ; dans ce cas, les forces de réassociation des chaînes d'amylose seraient parfaitement équilibrées par la souplesse et élasticité du gel résultant de la reticulation impliquant les chaînes d'amylose et d'amylopectine.

Les matériaux organiques pour l'électronique moléculaire trouvent de nombreuses applications et se substituent déjà aux semi-conducteurs classiques issus de la chimie minérale. Le travail entrepris a concerné la mise en forme et l'étude de nouvelles matrices polythiophène permettant l'immobilisation de molécules biologiques et la lecture électronique de l'hybridation.<br />Dans une première partie, une nouvelle fonction d'ancrage électroactive a été validée permettant l'immobilisation de molécules sondes par simple condensation d'amines dans des conditions douces. Cette approche autorise un diagnostic électrochimique de l'environnement moléculaire au voisinage de l'interface faisant de ces matrices des supports actifs dans la transduction du signal. Ainsi, nous montrons comment, par l'examen des modifications des propriétés de conduction du polymère, il est possible d'établir la présence ou l'absence d'un brin d'ADN complémentaire dans le milieu d'étude. Par ailleurs, un suivi par microbalance à cristal de quartz des différentes étapes de modification du support a permis de valider ces évènements.<br />Le développement de dispositifs autorisant leur emploi comme outils d'analyses ou comme outils thérapeutiques laisse entrevoir la perspective de diagnostiquer et de réparer des anomalies génétiques responsables du disfonctionnement des protéines. Aussi, dans une deuxième partie, nous présentons des résultats obtenus avec un poly(cyclopentadithiophène) modifié par un groupement électroactif connecté à la chaîne principale par une chaîne conjuguée. La spécificité de cette matrice permet l'immobilisation d'ADN ainsi que la libération électrochimiquement contrôlée en milieu physiologique.

Ce mémoire présente une exploration des polymères à empreintes moléculaires (MIP) comme outils d’une libération contrôlée de bioactifs olfactifs ou pour le criblage/préselection de composés à activité antivirales ou anti-tumorales sur le site actif d’une enzyme. La première partie est une étude de la complexation de la vanilline sur des billes polymériques sphériques en vue d’une libération contrôlée (pH, salinité, …). Ces études portent sur les caractéristiques de l'absorption et la libération de la molécule d'intérêt dans le milieu aqueux sur les microsphères fonctionnalisées fourni par Merck ESTAPOR® Microsphères. Nous avons ensuite synthétisé divers MIP de vanilline au format monolithique. Plusieurs stratégies d’impression ont été étudiées: non covalente, covalente et semi-covalente. La composition du MIP préparé dans chaque approche a été optimisée pour obtenir les meilleures propriétés et performances. L'affinité, la sélectivité et la capacité du MIP ont été déterminées. Les MIPs ont été évalués par extraction en phase solide (SPE) d'analogues structuraux de la vanilline dans des échantillons naturels (extrait de vanille, vin). La deuxième partie de ce mémoire concerne l’évaluation de MIPs de l’adénosine 5’-monophosphate (AMP) Le polymère a été préparé par une approche non-covalente et son efficacité de recapture a été caractérisée par analyse frontale (FA). L’analyse frontale est une technique qui permet de discriminer des interactions spécifiques des non spécifiques et de comprendre les mécanismes de liaison dans des cavités spécifiques. / This thesis report presents the exploration of molecularly imprinted polymers (MIP) for the application in controlled release and targeting antivirus and anticancer drugs. The first part of this study describes the imprinting of vanillin as a monolith. Several strategies were studied: non-covalent, covalent and semi-covalent. The composition of the MIP prepared in each approach was optimized to obtain the best properties and performance. The affinity, selectivity and capacity of MIP were determined. MIPs were evaluated in solid-phase extraction (SPE) of structural analogues in natural samples (vanilla extract, wine). We also present the study of the exploration of spherical beads as potential tools for the controlled release of vanillin. These studies concern the characteristics of uptake and release of the molecule of interest in the aqueous medium on functionalised microspheres supplied by Merck ESTAPOR Microspheres®. The second part of this thesis is devoted to studies on the evaluation of MIP of adenosine 5'-monophosphate (AMP). The polymer was prepared in non-covalent approach and efficiency of binding was characterised using frontal analysis (FA). FA is a useful technique that allows discriminate specific and nonspecific interactions and to understand the binding mechanisms in specific cavities.

Ce travail de thèse a pour objectif de formuler un emballage comestible à base d’un mélange de chitosan et de gélatine (bœuf ou poisson), de mieux comprendre l’influence d’irradiations par faisceaux d’électrons et de l’incorporation d’antioxydants naturels sur les propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des films. Une étude de l’effet de l’irradiation sur la cinétique de libération des antioxydants dans un milieu liquide simple a été étudiée pour validation. Une étude préliminaire a montré d’abord que la densification de la solution filmogène puis du gel pendant le séchage ne dépend ni de l’épaisseur, ni de la concentration, ni du temps et laisse supposer une diffusion Fickienne de l’eau dans la matrice. La perméabilité à la vapeur d’eau augmente linéairement avec l’épaisseur de films et d’autant plus lorsque l’étendue du différentiel d’humidités relatives est élevé. Ce phénomène est attribué à un mécanisme de gonflement et de plastification du réseau de gélatine-chitosan par l’eau. L’effet du taux de mélange de deux biopolymères a montré une amélioration des propriétés mécaniques et barrières à l’eau et à l’oxygène des films de chitosan. Ces gains de performances sont dus à la bonne miscibilité des deux macromolécules et aux interactions moléculaires établies suite à la formation d’un complexe polyélectrolytique, confirmé par analyse FTIR. L’irradiation des films après séchage accroit la polarité de surface et l’hydrophilie des films et ainsi induit une augmentation des propriétés barrières à la vapeur d’eau et à l’oxygène, mais aussi des mécaniques et thermiques des films. Toutefois, l’irradiation ne modifie pas la cristallinité des films. L’incorporation des antioxydants (acide férulique, coumarine, quercétine et tyrosol) avec ou sans irradiation agit différemment, selon leur nature, sur l’organisation du réseau macromoléculaire et donc sur les propriétés des films. Ainsi, l’acide férulique et le tyrosol réduise la perméabilité à la vapeur d’eau mesurée à un gradient de 0-30% d’humidité relative, alors qu’ils l’augmentent jusqu’à 90 fois avec un gradient 30-84% et un traitement d’irradiation. La perméabilité à l’oxygène diminue d’une façon significative après ajout de quercétine ou de tyrosol et après irradiation. L’acide férulique et la coumarine augmente la force à la rupture des films alors que ce sont la quercétine et l’acide férulique qui permettent d’accroitre la résistance thermique des films. Ces résultats mettent ainsi en évidence la complexité des interactions mises en jeu entre les antioxydants et les chaînes de chitosan et/ou de gélatine, leur dépendance au niveau d’hydratation du système et à l’impact du traitement de réticulation par irradiation. Il faut noter que l’irradiation a permis de protéger les molécules actives contre l’oxydation durant une longue période de stockage des films. La libération en milieu aqueux de l’acide férulique est la plus ralentie avec une rétention dans les films la plus élevée à l’équilibre (27%). Les coefficients de diffusion des antioxydants, déterminés à partir des cinétiques de libération ont pu être modulés (50%) grâce à l’irradiation. / This thesis aims to develop an edible packaging made of a mixture of chitosan and gelatin (beef or fish), to better understand the influence of the electron beam irradiation and of the incorporation of natural antioxidants on the physico-chemical and functional properties of the films. A study of the effect of irradiation on antioxidants release kinetics in a simple liquid medium was studied for validation. A preliminary study first showed that the densification of the film-forming solution and the gel during drying does not depend on the thickness or concentration or time and suggests a Fickian diffusion of water in the matrix. The permeability to water vapor increases linearly with film thickness and especially when the extent of the relative humidity differential is high. This phenomenon is attributed to a swelling mechanism and plasticization of the gelatin-chitosan network by the water. The effect of the chitosan-gelatin ratio showed an improvement of the mechanical properties and barrier to water and oxygen of the films compared to chitosan films. These performance gains are due to the good miscibility of the two macromolecules and to the molecular interactions established after the formation of a polyelectrolyte complex, as confirmed by FTIR analysis. Irradiation of films after drying increases the polarity of the surface and the film hydrophilicity, and thus induces an increase in barrier properties to water vapor and oxygen, and also of the mechanical and thermal films. However, irradiation does not change the crystallinity of the films. The incorporation of antioxidants (ferulic acid, coumarin, quercetin and tyrosol) with or without irradiation acts differently on the organization of the macromolecular network and thus on the film properties. Thus, ferulic acid and tyrosol reduce the permeability of water vapor measured in a gradient of 0-30% relative humidity, while it increases up to 90 times with a gradient 30-84 % and an irradiation treatment. The oxygen permeability decreases significantly after addition of quercetin or tyrosol and after irradiation. Ferulic acid and coumarin increases the tensile strength of the films while they are quercetin and ferulic acid which allow to increase the thermal resistance of the films. These results thus demonstrate the complexity of the interactions involved between antioxidants and the chains of chitosan and/or gelatin, their dependence on the moisture level of the system and on the impact of cross-linking treatment by irradiation. It is noticed that the irradiation has protected the active molecules against oxidation for a long period of storage of the films. Release in aqueous medium of ferulic acid is the more delayed with the highest retention in the film at equilibrium (27%). The antioxidants diffusion coefficients, determined from the release kinetics, could be modulated (about 50%) by the irradiation treatments.

Parmi les procédés de fabrication continue, l’extrusion par fusion à chaud est une technique dont l’intérêt dans le domaine pharmaceutique est grandissant. Ce procédé permet la formation des dispersions solides des substances actives au sein des matrices polymériques ou lipidiques. En fonction de l’excipient et de la substance active, cela peut être largement utilisé pour la conception des systèmes: (i) pour une libération immédiate, (ii) pour une libération modifiée et (iii) pour le masquage de goût. Les systèmes à libération modifiée sont des dispositifs intéressants qui permettent d’améliorer la biodisponibilité de la substance active, son efficacité ainsi que l’observance des patients. En fonction de la nature de l’excipient, différents systèmes avec des mécanismes de libération variés peuvent être produit, notamment des matrices inerte, érodable ou gonflante. Le poly éthylène oxide est un polymère semi- cristallin et hydrophile qui peut être utilisé pour la libération contrôlée. Son point de fusion compris entre 63 et 67 °C le rend adapté pour l’extrusion. Surtout, ses capacités de gonflement permettent d’administrer la substance active de façon contrôlée en fonction du poids moléculaire du poly éthylène oxide. Les objectifs de ce travail sont (i) d’étudier l’impact des paramètres critiques du procédé (température d’extrusion et vitesse des vis d’extrudeuse) sur le profil de libération de la substance active, (ii) de déterminer l’impact des paramètres de formulations (poids moléculaire du poly éthylène oxide, charge et type de la substance active) sur le profil de libération de la substance active et (iii) d’évaluer des formes galéniques solides conçues par le procédé d’extrusion à celui de la compression directe. Il a été montré que la variation de la température d’extrusion et de la vitesse des vis altérait l’apparence de l’extrudat et ainsi la distribution de la substance active au sein de l’extrudat. Il s’est avéré dans notre étude que la libération de la substance active n’était pas particulièrement affectée par ces changements de température et vitesse de vis de l’extrudeuse. De plus, cette étude a permis de fixer les paramètres pour les projets suivants: température 100 °C ; vitesse des vis 30 rpm ; longueur de la forme galénique 1 cm. Des extrudats de poly ethylène oxide contenant 10 % de théophylline et du poly éthylène oxide de 100 à 7000 kDa ont été utilisés dans ce travail. Il a été observé que lorsque le poids moléculaire du poly ethylène oxide augmente de 100 à 600 kDa, la libération en substance active diminue de façon importante alors qu’une augmentation jusqu’à 7000 kDa ne diminue que légèrement la libération. Des études du gonflement ont montré que ce phénomène corrélait aux variations de volume de la partie opaque de l’extrudat (gel non transparent et cœur solide). / Among continuous manufacturing processes, hot melt extrusion is a technique with growing interest in the pharmaceutical field. This process enables the formation of solid dispersions of many drugs within a polymeric or lipidic carrier. Hot melt extrusion can be widely used for different issues using the appropriate carrier and drug. Here are the mostly used concepts in pharmaceutical solid dosage forms: (i) immediate release, (ii) modified release and (iii) taste masking. Modified release systems have been taken into account to be very interesting devices for the improvement of drug- bioavailability, drug- efficacy as well as the patient compliance. Various systems with different release mechanisms can be manufactured, depending on the nature of the carrier (inert, erodible, and swelling matrices). Poly ethylene oxide is a semi crystalline and hydrophilic polymer which can be used to control drug delivery. The poly ethylene oxide melting point ranging from 63 to 67 °C makes it suitable for hot melt extrusion. Importantly, the swelling capacities of the hydrophilic poly ethylene oxide matrices are able to deliver drug in a time controlled manner, in respect of the poly ethylene oxide molecular weights. The purposes of this work were (i) to study the impact of critical process parameters (extrusion temperature and screw speed) on the drug release behavior, (ii) to determine the impact of formulation parameters (poly ethylene oxide molecular weight, nature of drug and drug loading) on drug release kinetics, and (iii) to evaluate solid dosage forms prepared by hot melt extrusion versus direct compression. Interestingly, the variation of the extrusion temperature and the screw speed leads to the altering of the extrudate appearance and thus the distribution of drug into the extrudate. However, this changing has not influenced the drug release remarkably. Thus, this study was useful to set the parameters for the following projects (temperature 100 °C; screw speed 30 rpm; dosage form size 1 cm). Poly ethylene oxide hot melt extrudates containing 10 % theophylline and based on 100 - 7,000 kDa poly ethylene oxide are used for this thesis. Importantly, the drug release decreased substantially with the increase of the poly ethylene oxide molecular weight from 100 to 600 kDa. However, further increasing of the molecular weights leads to only a slight decrease in the release rate. Swelling studies have shown that this phenomenon correlated with the change in volume of the opaque part of the extrudates (non-transparent gel and solid core).

Les études de libération de substance active à partir de système polymériques tels que des microparticules à base d’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) ont été largement explorées au cours de ces dernières décennies . L’objectif principal de ce travail consiste à mieux comprendre les mécanismes de transport de masse contrôlant la libération de substance active à partir des microparticules de PLGA. Un nouvel aperçu devait être acquis sur la base de suivi expérimental de la cinétique de gonflement de microparticules. Dans un premier temps, des microparticules à base de PLGA chargées de différents types de substances actives (acide, base et neutre), tels que kétoprofen, prilocaine base libre et dexamethasone ont été préparées par simple émulsion (huile dans eau) en utilisant une méthode d'extraction/évaporation du solvant. Les microparticules obtenues avaient des taux d’efficacité d’encapsulation qui sont variables selon la substance active utilisée. Une caractérisation des propriétés clés des microparticules obtenues a été réalisée en utilisant différentes techniques (microscopie optique, microscopie électronique). La chromatographie par permeation de gel a été utilisé pour déterminer le poids moléculaire du PLGA après exposition des microparticules au milieu de libération à différents temps afin d’évaluer la cinétique de dégradation du polymère. La diffraction des rayons X et la calorimétrie différentielle à balayage étaient utilisés pour étudier l’état physique du polymère, de la substance active pure ainsi que les microparticules chargées en substance active. Les études de libération ont montré deux types de profils de libération : un profil tri-phasique et un profil plus ou moins mono-phasique. Le profil tri-phasique observé est constitué de trois phases : une phase de libération initiale rapide suivie d’une libération constante qui est suivie ; à son tour ; par une seconde phase de libération rapide. En revanche, les différentes phases étaient difficilement distinguées pour le deuxième type de profil obtenu, du fait de la libération rapide de substance active ce qui permet de dire que les profils obtenus étaient plus ou moins mono-phasique. L’élucidation des mécanismes de libération de substance active était basée sur le suivi expérimental de la cinétique de gonflement des microparticules. Comme pour les cinétiques de libération obtenues à partir des microparticules à base de PLGA, différentes phases peuvent être distinguées pour les profils de gonflement. Les transitions d’une phase à une autre semblent s’accorder entre le profil de libération et celui du gonflement. Ainsi, le gonflement des microparticules pourrait contribuer au contrôle de la libération de la substance active à partir des microparticules à base de PLGA. / The drug release studies from polymeric system such as Poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA)-based microparticles have been widely investigated during recent decades. The main objective of this work is to better understand the mass transport mechanisms controlling the drug release kinetics from PLGA microparticles. New insight was to be gained based on the experimental monitoring of the swelling kinetics of single microparticle. Initially, PLGA microparticles containing different type of drugs (acidic, basic and neutral), such as ketoprofen, prilocaine free base and dexamethasone were prepared using simple oil in water emulsion extraction/evaporation solvent technique. The characterization of the key properties of microparticles was performed using different techniques (optical microscopy, electron microscopy). The gel permeation chromatography was used to determine the molecular weight of PLGA following exposure of microparticles to the release medium at various times to assess the kinetic degradation of the polymer. The X-ray diffraction and differential scanning calorimetry were used to study the physical state of the polymer, drug and drug-loaded microparticles. Release studies have shown two types of release profiles: tri-phasic and more or less mono-phasic profile. The tri-phasic profile is composed of three phases: an initial rapid release phase followed by a constant release which is followed by a second phase of rapid release. In contrast, at the investigated higher initial drug loadings, different release phases could hardly be distinguished: The profiles were more or less mono-phasic. The elucidation of drug release mechanisms was based on the experimental results of the swelling kinetics of single microparticles. As for drug release, distinct phases can be distinguished for microparticles swelling. The transition from one phase to another seem to coincide for microparticle swelling and drug release. Thus also microparticle swelling might contribute to a significant extent to the control of drug release.

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP) sont des matériaux synthétiques capables de mimer les anticorps biologiques. En effet, ils possèdent deux des principales caractéristiques de ces derniers, à savoir : la capacité de reconnaître et de se lier spécifiquement à des molécules cibles. De plus, leur synthèse facile, leur bas coût de production, leur haute spécificité et stabilité par rapport aux anticorps naturels font des MIP une alternative intéressante. En effet, les propriétés de reconnaissance moléculaire des MIP permettent d'envisager leur utilisation dans une vaste gamme d’applications. Ils sont ainsi largement exploités dans les sciences séparatives pour l'analyse d'échantillons environnementaux ou agro-alimentaires, ou comme élément de reconnaissance dans des biocapteurs. Récemment, des applications de ces matériaux dans les domaines biologiques et biomédicaux ont émergé comme pour la détection, l'extraction et l"élimination de molécules indésirables dans l'organisme, la vectorisation ou l'administration contrôlée des médicaments. Dans nos recherches, nous avons développé des MIP dégradables par voie biochimique ou enzymatique, ayant une application potentielle en tant que système de libération contrôlé de molécules. En général, les MIPs sont synthétisés par polymérisation radicalaire libre en utilisant une formulation composée de monomères fonctionnels, d'agents de réticulation, et d'une molécule cible servant à réaliser l'empreinte moléculaire. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé pour la synthèse de MIP dégradable des agents de réticulation clivables contenant, soit une fonction chimique dégradable par voie chimique ou enzymatique (ponts disulfures et phosphatediester), soit un disaccharide issus d'agro-ressources et pouvant être naturellement hydrolysé par des enzymes. En présence d'un réactif spécifique (agent réducteur ou enzyme), les liaisons dites "sensibles" aux réactifs chimiques ou enzymatiques peuvent être clivées, ce qui entraîne une dégradation de la matrice polymérique. Le polymère perdra alors sa capacité de reconnaissance et de liaison à la molécule cible et permettra la libération de celle-ci. Nous pensons donc, que les nouveaux MIP dégradables pourraient avoir un énorme potentiel comme vecteurs "intelligents" dans des applications médicales tels que les systèmes de libération contrôlée de médicament. Finalement, nous avons étudié la dégradation par des microorganismes de la structure de base de ce type de polymères, en utilisant comme modèles des chaines linéaires et réticulées. / Molecularly imprinted polymers (MIPs) are biomimetic synthetic receptors that possess two of the most important features of biological antibodies – the ability to recognize and bind specific target molecules. Owing to their easier preparation, lower cost, higher specifity and stability compared to antibodies, they have the potential to be widely applied for environemental and food analysis. Recently, MIPs also emerged in the biochemical field as diagnostic tools, chemicals traps to remove undesirable substance from the body, or drug delivery systems, where usually the combination of biocompatibility and degradability after its use is desirable. Here, we developed biochemically or enzymatically degradable MIPs, which have potential applications as activation-modulated drug delivery systems. In general, MIPs are prepared by radical polymerization of functional monomers and cross-linkers in the presence of a target molecule acting as template. Degradable MIPs were synthesized using cleavable cross-linkers containing a degradable group (disulfide bond or phosphate ester bond) or derived from a natural disaccharide. In the presence of a cleaving reagent (reducing agent or enzyme), the chemo or enzyme-sensitive bond could be cleaved, resulting in the degradation of the polymer matrix. The degraded polymers looses the binding sites structure resulting in the loss of recognition and binding capacity towards the target molecules, and thus in the release of bound molecules. These degradable MIPs provide new opportunities as “smart” vectors for controlled delivery of active molecules in biomedical applications. Finally, the biodegradation of the polymer backbone by bacteria was investigated.

Les leucémies sont une famille de cancers issus de la prolifération maligne des cellules hématopoïétiques. La leucémie myéloïde aigüe (AML) représente 30% des leucémies chez les adultes et menace surtout les personnes âgées de 64 ans et plus. Actuellement, la chimiothérapie est la méthode principale de prise en charge de l’AML, mais celle-ci comporte des effets secondaires importants ainsi qu’un risque de récidive qui freinent son développement. Le redéploiement de molécules déjà utilisées pour d’autres maladies est une stratégie émergente dans le traitement du cancer. Par exemple, la chlorpromazine (CPZ), un antipsychotique, démontre une activité contre les lignées cellulaires issues d’AML, mais son activité au niveau du système nerveux central entraine des effets indésirables. Compte tenu de l’activité de CPZ contre les cellules leucémiques, nous avons mis au point un système de vectorisation des médicaments original pour le traitement de l’AML. La CPZ est d’abord incluse dans une cyclodextrine (CD) : molécule cage à base de glucose et ce complexe est ensuite encapsulé dans un liposome : vésicules à contenu aqueux délimitées par une ou plusieurs bicouches phospholipidiques. Ce système de “drug-in-CD-in-liposomes” (DCL) est conçu pour circuler longtemps dans le sang après injection intraveineuse mais ne pas passer la barrière hémato-encéphalique (BHE).Il a été nécessaire d’optimiser la formulation avec ses trois composants principaux : CD, CPZ et phospholipides. Ainsi, une évaluation physico-chimique approfondie a été réalisée pour les interactions CD/CPZ, CD/phospholipides et CPZ/phospholipides. La calorimétrie de titration isotherme (ITC) a permis de déterminer la stœchiométrie et la constante d’association pour les complexes d’inclusion CD/CPZ, démontrant les associations les plus importantes avec la Sugammadex ou la SBE-β-CD. La spectroscopie RMN 2D ROESY a mis en évidence des géométries d’inclusion différentes selon la taille et le type de substitution des CDs. Par ailleurs, l’inclusion de la CPZ dans les CDs accélère légèrement la photodégradation de l’antipsychotique. Quant à l’interaction CD/phospholipides, la SBE-Et-β-CD déstabilise les liposomes multilamellaires (MLVs) composés de palmitoylstearoylphosphatidylcholine (PSPC) pour des concentrations supérieures à 25 mM, tandis que les autres CDs sont sans effet. En outre, des études de turbidité ont démontré que les liposomes unilamellaires (SUV) ne sont pas perturbés en présence de la plupart des CDs. Une étude de l’interaction entre CPZ et PSPC a démontré que la quantité maximale qu’il est possible d’encapsuler était égale à 3,75 mol%. Par la suite, des DCL contenant CPZ ont été préparés par la méthode « dehydration-rehydration vesicles » (DRV) mais le pourcentage du principe actif encapsulé (EE) s’avérait faible (environ 10%). Ainsi la méthode DRV combinée à l’utilisation d’un gradient de concentration de sulfate d’ammonium a été mise en œuvre, ce qui a permis d’augmenter l’EE à 27% tout en gardant une taille compatible avec l’administration IV. Par la suite, la cytotoxicité de ces formulations a été évaluée sur 4 lignées cellulaires humaines issues d’AML (HL-60, MOLM13, MV4-11 and OCI-AML). Les liposomes contenant la CPZ ont tous démontré un effet cytotoxique tandis que les liposomes vides avaient tendance à stimuler la croissance cellulaire et les CD seules étaient sans effet. Pourtant, l’activité des DRVs avec CD était inférieure à celle des DRV/CPZ, selon l’ordre suivant : DRV-SGM/CPZ < DRV-SBE-β-CD/CPZ < DRV-HP-γ-CD/CPZ. L’activité était inversement proportionnelle à la constante d’affinité, suggérant une libération retardée. Cette hypothèse a été confortée par le fait que l’activité des DRV CD/CPZ était plus importante après une exposition de 72h qu’après 24h.Ces résultats sont prometteurs pour la mise au point de systèmes à libération contrôlée de CPZ pour le traitement d’AML. / Leukemia is a group of cancers caused by malignant clonal proliferation of hematopoietic stem cells. Accounting for 30% of all leukemias in adults, acute myeloid leukemia (AML) is especially a threat for older people with a median age of 64 years. Presently, chemotherapy is the main therapeutic method for AML but severe side-effects and possibility of relapse have hampered its development. “Repurposing” of drugs used in other diseases is a current trend for the treatment of cancer. For example, chlorpromazine (CPZ), a widely used anti-psychotic drug, shows effective activity in AML cell lines, but can also cause side effects in the central nervous system.Basing on the inhibiting capability of CPZ against leukemia-related cell lines, we have designed and developed a novel nanometric drug delivery system for AML treatment. CPZ is first entrapped in the hydrophobic internal cavity and forms inclusion complexes with cyclodextrin (CD), a cask-like molecule composed of glucose units, then the CD/CPZ inclusion complexes are encapsulated in liposomes, phospholipid vesicles consisting of a series of lipid bilayers enclosing aqueous compartments. The “drug-in-CD-in-liposomes” (DCL) system provides a promising strategy which is capable of achieving long circulation time in the blood after intravenous administration while circumventing the blood-brain barrier (BBB). It was necessary to optimize the formulation for its three main components: CD, CPZ and phospholipid. Therefore, a comprehensive physicochemical investigation of the interaction between CD/CPZ, CD/lipid and CPZ/lipid was performed. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to obtain the stoichiometry and association constant of the CPZ-CD inclusion complexes, showing that sugammadex and SBE-β-CD has the highest complexation ratio. 2D ROESY NMR revealed different inclusion processes depending on the size and chemical modification of CDs. Photodegradation experiments indicated that CDs can slightly accelerate CPZ's photodegradation. As far as liposome stability was concerned, SBE-Et-β-CD was found to have an obvious interaction with palmitoyl stearoyl phosphatidylcholine (PSPC) multilamellar liposomes (MLVs) above 25 mM, while the other CDs were without effect. However, turbidity measurements indicated that small unilamellar liposomes (SUVs) remain intact in presence of CDs. A study of the interaction between CPZ and PSPC showed that the maximum proportion of CPZ that could be incorporated into the lipid membrane was 3.75 mol%. Subsequently, DCL systems containing CPZ was prepared by the dehydration-rehydration vesicles (DRV) method. However, low drug encapsulation efficiency (EE) was obtained (about 10% of added drug). Therefore, an active loading strategy, the ammonium sulphate gradient method, was used in combination with the DRV method. As a result, the EE of CPZ increased to about 27% and yielded liposomal formulations with suitable size for IV administration.Finally, the cytotoxicity of CPZ, CDs, empty liposomes and liposomes containing CD/CPZ complexes was evaluated against a panel of leukemia cell lines. CPZ was found to show a growth-inhibiting effect on the human leukemia cell lines (HL-60, MOLM13, MV4-11 and OCI-AML), while empty liposomes were observed to slightly promote their growth and CDs alone had no significant cytotoxicity. However, a difference in activity was observed with the DRV containing CD/CPZ complexes, which were less active than DRV containing free CPZ, with the order: DRV-SGM/CPZ < DRV-SBE-β-CD/CPZ < DRV-HP-γ-CD/CPZ. The activity was inversely proportional to the formation constant of CD/CPZ complexes obtained by ITC, suggesting a delayed release from the complexes. This was confirmed by varying the exposure time; the activity of DRV CD/CPZ being relatively higher in a longer incubation.These results suggest that the DCL system could provide controlled release of CPZ for the treatment of AML.