La germination des spores est une étape essentielle dans le cycle de vie de la majorité des champignons filamenteux. Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un certain nombre de propagules infectieuses différentes qui augmentent leur potentiel à coloniser les racines. Parmi elles se trouvent les spores extraracinaires et intraracinaires. La paroi cellulaire des spores joue un rôle majeur dans la survie de ces propagules en étant une barrière physique et osmotique. Puisque une cellule peut faire des ajustements considérables dans la composition et la structure de sa paroi, en réponse aux conditions environnementales, il est possible que les parois des spores intraracinaires et extraracinaires montrent des propriétés mécaniques et osmotiques différentes affectant leur germination et leur survie. Pourtant, contrairement à la connaissance de la génétique moléculaire et de la formation de la paroi cellulaire des CMA, peu d’information est disponible au sujet de ces propriétés mécaniques. Les informations sur la germination des CMA dans des conditions hypertoniques sont aussi rares, et les modèles expérimentaux ne séparent généralement pas les effets directs de la forte pression osmotique externe sur la germination des champignons et les effets attribuables aux plantes. Cette étude avait pour but de répondre à deux importantes séries de questions concernant le comportement des spores mycorhiziennes. Nous avons d'abord déterminé la relation entre la composition de la paroi cellulaire, la structure et les propriétés mécaniques du champignon modèle Glomus irregulare (isolat DAOM 197198). La micro-indentation a été utilisée pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. La composition (contenu de chitine et de glomaline) de la paroi cellulaire a été quantifiée par immunofluorescence tandis que la microscopie optique a été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la paroi cellulaire. La densité locale en glomaline et l’épaisseur de la paroi étaient significativement plus élevées pour les parois des spores extraracinaires alors que la densité locale en chitine et la rigidité n’ont pas montré de variations entre les spores extraracinaires et intraracinaires. La grande variabilité dans les paramètres étudiés nous a empêchés de cibler un facteur principal responsable de la force totale de la paroi lors de la compression. La diminution des concentrations de chitine et de glomaline a été corrélée à l'évolution de la paroi du champignon au cours de son cycle de vie. On a aussi observé une composition différentielle des couches de la paroi: les polymères de chitine et de glomaline furent localisés principalement dans les couches externes et internes de la paroi, respectivement. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons exploré les effets directs d'engrais, par rapport à leur activité de l'eau (aw), sur la germination des spores et la pression de turgescence cellulaire. Les spores ont été soumises à trois engrais avec des valeurs de aw différentes et la germination ainsi que la cytorrhyse (effondrement de la paroi cellulaire) des spores ont été évaluées après différents temps d'incubation. Les valeurs de aw des engrais ont été utilisées comme indicateurs de leurs pressions osmotiques. L'exposition des spores de Glomus irregulare au choc osmotique causé par les engrais dont les valeurs de aw se situent entre 0,982 et 0,882 a provoqué des changements graduels au niveau de leur cytorrhyse et de leur germination. Avec l'augmentation de la pression de turgescence externe, la cytorrhyse a augmenté, tandis que le taux de germination a diminué. Ces effets ont été plus prononcés à des concentrations élevées en éléments nutritifs. La présente étude, bien qu’elle constitue une étape importante dans la compréhension des propriétés mécaniques et osmotiques des spores de CMA, confirme également que ces propriétés dépendent probablement de plusieurs facteurs, dont certains qui ne sont pas encore identifiés. / Spore germination is an essential developmental stage in the life cycle of many filamentous fungi. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form a number of different infectious propagules that increase their potential to colonize roots. Among them are extraradical and intraradical spores. The spore cell wall plays a major role in the survival of these propagules by being a physical and osmotic barrier. Because a cell can make considerable adjustments to the composition and structure of its wall in response to environmental conditions, it is possible that intraradical and extraradical spore walls show different mechanical and osmotic properties affecting their survival and germination. However, in contrast to the knowledge on the genetics and molecular composition of AMF cell wall, little is known about its mechanical properties. Information on the germination of AMF under hypertonic conditions is scarce, and experimental designs and methodologies have generally not allowed the direct effects of high external osmotic pressure on fungal germination to be separated from plant-mediated effects. This study had the goal to address two important sets of questions regarding the behavior of mycorrhizal spores. We first determined the relationship between cell wall composition, structure and mechanical properties of the model fungus Glomus irregulare. Micro-indentation was used to quantitatively measure the cell wall mechanical properties. Cell wall composition (chitin and glomalin content) was studied by immunofluorescence whereas optical microscopy was used to measure the cell wall thickness. Glomalin local density and wall thickness were both significantly higher for extraradical spore walls while chitin local density and rigidity were unaffected by origin of spores. High variability in results prevented us from identifying a primary factor responsible for overall wall strength during compression. Decreases of chitin and glomalin concentrations were correlated to the development of the fungal wall throughout its life-cycle. There was also differential association within the wall layers: The chitin and glomalin polymers were localized mostly in the outer and inner walls, respectively. In the second part of our work, we explored the direct effects of fertilizers, in relation to their water activity (aw), on spore germination and cellular turgor pressure. Spores were exposed to three fertilizers with different aw and spore germination and cytorrhysis of spores were assessed after different times of incubation. Water activities of the fertilizers were used as indicators of their osmotic pressures. Osmotic shock exposure of the Glomus irregulare spores to fertilizers at aw values between 0.982 and 0.882 caused gradual changes in cytorrhysis and germination. With the increase of external turgor pressure, cytorrhysis increased while the rate of germination decreased. These effects were most pronounced at high nutrient concentrations. The present investigation, while likely representing a significant step forward in understanding the mechanical and osmotic properties of AMF spores, also confirms that they might depend on many, as yet unidentified factors. Future research should examine differences in the physiology to discern reasons for such differences in spore properties.

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2. / Carbon dioxide (CO2) is a natural byproduct of cellular metabolism, the third most abundant substance of blood, and a potent vasoactive agent. The resistance of cerebral vasculature and perfusion of the brain tissue respond to the slightest change in blood CO2 content. The physiology of such an effect remains elusive, yet the phenomenon has been widely exploited in studies of the cerebral vascular function. A promising avenue for the assessment of brain’s vascular function is to measure the cerebrovascular reactivity to CO2 (CVR) non-invasively using functional MRI. Quantitative and non-invasive mapping of CVR can be obtained using respiratory manipulations in arterial CO2 and Arterial Spin Labeling (ASL) to measure the perfusion changes associated with the vascular stimulus. However, concerns related to the sensitivity and reliability of CVR mea- sures by ASL still limit their broader adoption. I considered that a thorough analysis and amelioration of available methods could bring a valuable contribution in the domain of biomedical engineering, helping to advance new diagnostic imaging tools. In this thesis I present a series of studies where I exam the impact of alternative manipulation/ASL methods on CVR measures, and ways to improve the sensitivity and reliability of these measures. I have also included in this thesis a theoretical paper, where I exam the possible contribution of an unappreciated factor in the CVR phenomenon: the changes in blood osmotic pressure induced by the products of CO2 dissolution. Apart from a general introduction (Chapter 1) and conclusion (Chapter 6), this thesis comprises 4 other chapters, in which five different research studies are presented in the form of articles accepted for publication in scientific journals. Each of these chapters begins with its own specific introduction, which consists of a description of the background motivating the study and a brief summary of conveyed findings. A detailed account of methods and results can be found in the accompanying manuscript(s). The study composing Chapter 2 compares the sensitivity of two state-of-the-art ASL techniques and show that a recent implementation of continuous ASL, pCASL, affords more robust measures of CVR than older pulsed methods. The study described in Chapter 3 compares pCASL CVR measures obtained using 4 different respiratory methods to manipulate arterial CO2 (PaCO2) and shows that results can differ significantly when manipulations are not designed to operate at the linear range of the CO2 dose-response curve. Chapter 4 encompasses two complementary studies seeking to determine the degree of reproducibility that can be attained measuring CVR using the most recent methods. The first study resulted in the technical development of a breathing apparatus allowing simple, safe and robust respiratory CO2 manipulations. The improved respiratory method was used in the second – neuroimaging – study, in which I and co-authors investigate the sensitivity and reproducibility of pCASL measuring CVR. The pCASL imaging technique was able to detect CO2-induced perfusion responses in about 90% of the human brain cortex and the reproducibility of its measures was comparable to other hemodynamic measures already adopted in the clinical practice. Finally, in Chapter 5 I present a mathematical model that describes CVR in terms of PaCO2-related changes in blood osmolarity. The responses predicted by this model correspond closely to the hemodynamic changes measured with pCASL, suggesting an additional contribution to the reactivity of cerebral vasculature to CO2.

Neste trabalho, realizamos um estudo das propriedades estruturais e elásticas da fase lamelar e também das interações relevantes que levam à estabilização dessa estrutura periódica. A composição da membrana, assim como sua hidratação, foi variada de maneira sistemática com o objetivo de introduzir alterações na flexibilidade da bicamada e no regime de confinamento. A fase lamelar é constituída de lecitina à qual é incorporado, em diferentes proporções, um co-surfactante comercial, formado por uma mistura de ácidos graxos etoxilados, Para o estudo das interações entre as bicamadas a fase lamelar foi submetida a uma pressão osmótica conhecida. Por meio de experimentos de SAXS, foram determinados os parâmetros estruturais que caracterizam a fase lamelar, para um dado valor de pressão. Os resultados experimentais obtidos são ajustados considerando-se um potencial efetivo de interação entre as bicamadas, permitindo a determinação de parâmetros quantitativos, caracterizando as diferentes contribuições atrativa e repulsivas. Em um segundo momento, foi realizado um estudo para caracterização da fase lamelar, desta vez, introduzindo um co-surfactante não comercial com o objetivo de investigar as alterações que ocorrem na interface devido à presença dos grupos etoxilados. Observa-se que a incorporação do co-surfactante amplia o domínio de diluição da fase lamelar atingindo período em torno de 200 Å, sem domínios de coexistência de duas fases lamelares, como se observa com o co-surfactante comercial polidisperso. O uso de um produto mais bem caracterizado, permite observações mais claras sobre mudanças no comportamento do parâmetro de Caillé, que caracteriza a flexibilidade da membrana, assim como alterações que ocorrem na interface, seja por efeito de confinamento ou por efeito de temperatura. / In this work, we carried out a study of structural and elastic properties of the lamellar phase and the relevant interactions that lead to stabilization of this periodic structure. The composition of the membrane, as well as hydration, was varied systematically in order to introduce changes in the flexibility of the bilayer and confinement regime. The lamellar phase is composed by lecithin, in which is incorporated in different proportions a commercial co-surfactant consisting of a mixture of ethoxylated fatty acids, To study the interactions between the bilayers the lamellar phase was placed under a known osmotic pressure. Structural parameters characterizing the lamellar phase were determined by SAXS experiments, for a given value of pressure. The experimental results are fitted considering an effective potential of interaction between the bilayers, allowing the determination of quantitative parameters characterizing the different attractive and repulsive contributions. In a second step, studies for characterization of the lamellar phase were carried out, but at this time, introducing a non-commercial co-surfactant with the aim of investigating the changes that occur at the interface due to the presence of ethoxylated groups. It is observed that the incorporation of co-surfactant extends the dilution limit of the lamellar phase, reaching lamellar periodicities around 200 Å, without coexistence of two lamellar phases, as observed with the commercial polydisperse co-surfactant. Using a more well characterized product, it is clearer the changes on the behavior of Caillé parameter, which characterizes the flexibility of the membrane, as well as changes occurring at the interface, either by confinement or temperature effects.

Neste trabalho, realizamos um estudo das propriedades estruturais e elásticas da fase lamelar e também das interações relevantes que levam à estabilização dessa estrutura periódica. A composição da membrana, assim como sua hidratação, foi variada de maneira sistemática com o objetivo de introduzir alterações na flexibilidade da bicamada e no regime de confinamento. A fase lamelar é constituída de lecitina à qual é incorporado, em diferentes proporções, um co-surfactante comercial, formado por uma mistura de ácidos graxos etoxilados, Para o estudo das interações entre as bicamadas a fase lamelar foi submetida a uma pressão osmótica conhecida. Por meio de experimentos de SAXS, foram determinados os parâmetros estruturais que caracterizam a fase lamelar, para um dado valor de pressão. Os resultados experimentais obtidos são ajustados considerando-se um potencial efetivo de interação entre as bicamadas, permitindo a determinação de parâmetros quantitativos, caracterizando as diferentes contribuições atrativa e repulsivas. Em um segundo momento, foi realizado um estudo para caracterização da fase lamelar, desta vez, introduzindo um co-surfactante não comercial com o objetivo de investigar as alterações que ocorrem na interface devido à presença dos grupos etoxilados. Observa-se que a incorporação do co-surfactante amplia o domínio de diluição da fase lamelar atingindo período em torno de 200 Å, sem domínios de coexistência de duas fases lamelares, como se observa com o co-surfactante comercial polidisperso. O uso de um produto mais bem caracterizado, permite observações mais claras sobre mudanças no comportamento do parâmetro de Caillé, que caracteriza a flexibilidade da membrana, assim como alterações que ocorrem na interface, seja por efeito de confinamento ou por efeito de temperatura. / In this work, we carried out a study of structural and elastic properties of the lamellar phase and the relevant interactions that lead to stabilization of this periodic structure. The composition of the membrane, as well as hydration, was varied systematically in order to introduce changes in the flexibility of the bilayer and confinement regime. The lamellar phase is composed by lecithin, in which is incorporated in different proportions a commercial co-surfactant consisting of a mixture of ethoxylated fatty acids, To study the interactions between the bilayers the lamellar phase was placed under a known osmotic pressure. Structural parameters characterizing the lamellar phase were determined by SAXS experiments, for a given value of pressure. The experimental results are fitted considering an effective potential of interaction between the bilayers, allowing the determination of quantitative parameters characterizing the different attractive and repulsive contributions. In a second step, studies for characterization of the lamellar phase were carried out, but at this time, introducing a non-commercial co-surfactant with the aim of investigating the changes that occur at the interface due to the presence of ethoxylated groups. It is observed that the incorporation of co-surfactant extends the dilution limit of the lamellar phase, reaching lamellar periodicities around 200 Å, without coexistence of two lamellar phases, as observed with the commercial polydisperse co-surfactant. Using a more well characterized product, it is clearer the changes on the behavior of Caillé parameter, which characterizes the flexibility of the membrane, as well as changes occurring at the interface, either by confinement or temperature effects.

La germination des spores est une étape essentielle dans le cycle de vie de la majorité des champignons filamenteux. Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un certain nombre de propagules infectieuses différentes qui augmentent leur potentiel à coloniser les racines. Parmi elles se trouvent les spores extraracinaires et intraracinaires. La paroi cellulaire des spores joue un rôle majeur dans la survie de ces propagules en étant une barrière physique et osmotique. Puisque une cellule peut faire des ajustements considérables dans la composition et la structure de sa paroi, en réponse aux conditions environnementales, il est possible que les parois des spores intraracinaires et extraracinaires montrent des propriétés mécaniques et osmotiques différentes affectant leur germination et leur survie. Pourtant, contrairement à la connaissance de la génétique moléculaire et de la formation de la paroi cellulaire des CMA, peu d’information est disponible au sujet de ces propriétés mécaniques. Les informations sur la germination des CMA dans des conditions hypertoniques sont aussi rares, et les modèles expérimentaux ne séparent généralement pas les effets directs de la forte pression osmotique externe sur la germination des champignons et les effets attribuables aux plantes. Cette étude avait pour but de répondre à deux importantes séries de questions concernant le comportement des spores mycorhiziennes. Nous avons d'abord déterminé la relation entre la composition de la paroi cellulaire, la structure et les propriétés mécaniques du champignon modèle Glomus irregulare (isolat DAOM 197198). La micro-indentation a été utilisée pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. La composition (contenu de chitine et de glomaline) de la paroi cellulaire a été quantifiée par immunofluorescence tandis que la microscopie optique a été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la paroi cellulaire. La densité locale en glomaline et l’épaisseur de la paroi étaient significativement plus élevées pour les parois des spores extraracinaires alors que la densité locale en chitine et la rigidité n’ont pas montré de variations entre les spores extraracinaires et intraracinaires. La grande variabilité dans les paramètres étudiés nous a empêchés de cibler un facteur principal responsable de la force totale de la paroi lors de la compression. La diminution des concentrations de chitine et de glomaline a été corrélée à l'évolution de la paroi du champignon au cours de son cycle de vie. On a aussi observé une composition différentielle des couches de la paroi: les polymères de chitine et de glomaline furent localisés principalement dans les couches externes et internes de la paroi, respectivement. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons exploré les effets directs d'engrais, par rapport à leur activité de l'eau (aw), sur la germination des spores et la pression de turgescence cellulaire. Les spores ont été soumises à trois engrais avec des valeurs de aw différentes et la germination ainsi que la cytorrhyse (effondrement de la paroi cellulaire) des spores ont été évaluées après différents temps d'incubation. Les valeurs de aw des engrais ont été utilisées comme indicateurs de leurs pressions osmotiques. L'exposition des spores de Glomus irregulare au choc osmotique causé par les engrais dont les valeurs de aw se situent entre 0,982 et 0,882 a provoqué des changements graduels au niveau de leur cytorrhyse et de leur germination. Avec l'augmentation de la pression de turgescence externe, la cytorrhyse a augmenté, tandis que le taux de germination a diminué. Ces effets ont été plus prononcés à des concentrations élevées en éléments nutritifs. La présente étude, bien qu’elle constitue une étape importante dans la compréhension des propriétés mécaniques et osmotiques des spores de CMA, confirme également que ces propriétés dépendent probablement de plusieurs facteurs, dont certains qui ne sont pas encore identifiés. / Spore germination is an essential developmental stage in the life cycle of many filamentous fungi. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form a number of different infectious propagules that increase their potential to colonize roots. Among them are extraradical and intraradical spores. The spore cell wall plays a major role in the survival of these propagules by being a physical and osmotic barrier. Because a cell can make considerable adjustments to the composition and structure of its wall in response to environmental conditions, it is possible that intraradical and extraradical spore walls show different mechanical and osmotic properties affecting their survival and germination. However, in contrast to the knowledge on the genetics and molecular composition of AMF cell wall, little is known about its mechanical properties. Information on the germination of AMF under hypertonic conditions is scarce, and experimental designs and methodologies have generally not allowed the direct effects of high external osmotic pressure on fungal germination to be separated from plant-mediated effects. This study had the goal to address two important sets of questions regarding the behavior of mycorrhizal spores. We first determined the relationship between cell wall composition, structure and mechanical properties of the model fungus Glomus irregulare. Micro-indentation was used to quantitatively measure the cell wall mechanical properties. Cell wall composition (chitin and glomalin content) was studied by immunofluorescence whereas optical microscopy was used to measure the cell wall thickness. Glomalin local density and wall thickness were both significantly higher for extraradical spore walls while chitin local density and rigidity were unaffected by origin of spores. High variability in results prevented us from identifying a primary factor responsible for overall wall strength during compression. Decreases of chitin and glomalin concentrations were correlated to the development of the fungal wall throughout its life-cycle. There was also differential association within the wall layers: The chitin and glomalin polymers were localized mostly in the outer and inner walls, respectively. In the second part of our work, we explored the direct effects of fertilizers, in relation to their water activity (aw), on spore germination and cellular turgor pressure. Spores were exposed to three fertilizers with different aw and spore germination and cytorrhysis of spores were assessed after different times of incubation. Water activities of the fertilizers were used as indicators of their osmotic pressures. Osmotic shock exposure of the Glomus irregulare spores to fertilizers at aw values between 0.982 and 0.882 caused gradual changes in cytorrhysis and germination. With the increase of external turgor pressure, cytorrhysis increased while the rate of germination decreased. These effects were most pronounced at high nutrient concentrations. The present investigation, while likely representing a significant step forward in understanding the mechanical and osmotic properties of AMF spores, also confirms that they might depend on many, as yet unidentified factors. Future research should examine differences in the physiology to discern reasons for such differences in spore properties.

Ce travail de thèse porte sur la compréhension des phénomènes physico-chimiques régissant les propriétés poreuses et structurales de matériaux mésoporeux structurés par des micelles complexes de polyions (PIC). Nous défendons que la sensibilité de la structure aux conditions physico-chimiques est due à l’eau contenue dans les complexes électrostatiques en équilibre osmotique avec l’ensemble de la solution.Le travail a consisté à synthétiser par ATRP des copolymères double-hydrophiles (DHBC) POE-b-PAA séquencés neutre-acide faible. En présence d’un polyélectrolyte faible basique, tel que la néomycine ou des oligochitosans, ils forment des micelles PIC, analogues colloïdaux des coacervats. Nous avons caractérisé les micelles PIC de structure cœur-couronne sur une large gamme de concentration et observé leur compression progressive concomitante à leur ordonnancement et finalement leur transition vers des phases lamellaires. La composition du cœur a été étudiée grâce à un système modèle coacervat, macroscopiquement séparé, obtenu par mélange de PAA et de néomycine. Le coacervat contient jusqu’à 60% d’eau et présente la structure d’un réseau de polymères neutres enchevêtrés. La quantité d’eau contenue dans le coacervat dépend des conditions physico-chimiques telles que le pH et la concentration mais également de l’ajout d’osmolytes tels que de l’alcool, du PEG ou du sel. Une série de matériaux mésoporeux a été synthétisée et nous avons montré qu’il était possible de modifier les propriétés structurales et poreuses des matériaux en utilisant un système PIC (couple DHBC + polyélectrolyte) unique, en jouant sur la physico-chimie des solutions de synthèse. Nous avons donc mis en relation les fractions volumiques de cœur complexe du système mésogène et la structure des matériaux obtenus et avons montré que la contribution de l’eau était très significative. L’augmentation de la quantité d’eau dans les coacervats induit une augmentation de la taille des pores ou la transition vers des mésostructures lamellaires de courbures plus faibles. Ainsi la synthèse de matériaux mésoporeux structurés par des complexes électrostatiques s’avère d’autant plus respectueuse de l’environnement qu’elle utilise comme agent structurant principal l’eau. / The objective of this PhD thesis is to understand the physico-chemical phenomena that govern the structural and porous properties of ordered mesoporous materials templated by polyion electrostatic complex micelles. It is defended that the sensitivity of the structure to the physico-chemical parameters of the system is due to the water content in the electrostatic complex which is in osmotic equilibrium with the synthesis medium. First, double-hydrophilic block copolymers (DHBC) were synthesized by ATRP controlled polymerization. They form polyion complex (PIC) micelles in the presence of oppositely charged polyelectrolytes such as the neomycin and oligochitosan weak bases. PIC micelles, colloidal analogues to coacervates, were characterized on a large range of concentration and their concomitant progressive compression was observed together with their ordering and finally their transition to lamellar phases. The core structure and composition were studied through the analysis of a model coacervate system, which macroscopically separates and results from complexation between neomycin and sodium polyacrylate. The coacervate contains up to 60 wt.% of water and exhibits the structure of a network of interpenetrated polymers. The water content in the coacervate depends on physicochemical conditions such as pH and concentration of the system, but also on the addition of osmolytes such as alcohol, PEG polymers or simple salts. A series of mesoporous materials were prepared and their structural and porous properties were modulated by simply varying the physicochemical conditions of the synthesis medium, with a unique DHBC/polyelectrolyte pair. Correlations between the volume fraction of the complex core of the mesogenic system and the obtained material structure could be established and it was shown that the contribution of water was highly significant. Increasing the water content in the coacervates induces an increase of the pore size in 2D hexagonal structures or favours the transition towards lamellar phases of lower curvature. As a conclusion, the synthesis of mesoporous materials mediated by the use of electrostatic complex micelles proved to be all the more environment-friendly as it uses water as the main porogen.

L’existence de concurrence dans l’industrie aérospatiale obligé à une évolution continue des technologies en lien avec une diminution des coûts de lancement et une fiabilité accrue. Ceci passe, entre autre, par l’amélioration des moyens de protection des charges utiles. Le but de cette thèse est de vérifier l’applicabilité des systèmes hétérogènes lyophobes (association d’un matériau nanoporeux et d’un liquide non-mouillant) dans l’amortissement des vibrations pour le confort de celles-ci. L’intrusion de liquide dans des SHL demande une énergie mécanique importante sous forme de pression. En fonction des propriétés du couple solide/liquide cette énergie peut être partiellement dissipée. Cette dissipation, de l’ordre de quelques dizaines de joules par gramme de matériau est bien supérieure à celle des systèmes conventionnels (élastomères, amortisseurs visqueux…) et montre une grande stabilité vis-à-vis de la fréquence, d’où leur intérêt dans l’amortissement des vibrations. Bien que l’eau soit déjà très largement étudié dans le cadre de la recherche sur les SHL, elle ne peut être utilisée que pour des températures comprises entre 0 et 100°C (à pression atmosphérique). Dans le but d’élargir cette gamme de températures jusqu’à -50°C, des mélanges ont été utilisés. L’ajout d’électrolytes dans l’eau permet de baisser la température de solidification du liquide. L’étude des solutions d’électrolytes a permis de mettre en évidence deux phénomènes différents menant à des augmentations de pressions d’intrusion et d’extrusion dans les SHL. Dans les matériaux microporeux (comme les ZIF-8 étudiés dans ce travail), un phénomène d’exclusion totale des ions de la matrice poreuse peut être observé. Cet effet est accompagné de l’apparition d’un terme de pression osmotique menant aux augmentations importantes de pressions d’intrusion et d’extrusion mises en évidence. Dans le cas où les ions peuvent pénétrer les pores, les variations de pressions d’intrusion et d’extrusion sont beaucoup plus faibles et ont été attribuées à des changements dans les propriétés de surface du liquide. Les matériaux mésoporeux (comme les MCM-41 étudiés au cours de ce travail) semblent se comporter de cette manière quels que soient les ions considérés. L’extension de la gamme d’application des SHL vers les hautes températures a été faite grâce à l’utilisation du Galinstan, alliage de gallium, d’indium et d’étain, non-toxique et liquide entre -20 et 1300°C environ. Ce liquide, associé à des verres mésoporeux rendus chimiquement inertes, a permis l’obtention de cycles de dissipation d’énergie reproductibles. Enfin, une étude numérique d’un amortisseur SHL simplifié dans un système mécanique a été menée. La variété des comportements a mis en évidence la complexité de ces systèmes qui nécessitent un dimensionnement très précis. Si cette condition est vérifiée, les amortisseurs SHL s’avèrent très efficaces et adaptables du fait de la grande variété des couples solide/liquide utilisables. / Competition in aerospace industry forces to follow a constant evolution of technologies linked to launching costs decreasing and reliability increasing. An improvement of payload protection systems is a way to achieve these conditions. The main issue of this PhD thesis is to verify the applicability of lyophobic heterogeneous systems (association of a nanoporous material and a non- wetting liquid) in vibrations damping for payload comfort. Intrusion of liquid in LH S requires a high mechanical energy in the form of p res sure. Depending on solid/liquid couple properties this energy can be partly dissipated. This dissipation, of the order of ten joules per gram of material, is far higher than classical systems (elastomeric ones, viscous dampers...) and shows a relative stability regarding to frequency variations. These properties explain their interest in vibrations damping applications. Although water is a very common liquid which is very studied in the research field of LHS, it can only be used in the 0 to 100˚C temperatures range (under atmospheric pressure). In order to broaden this temperatures range to -50˚C, electrolytes have been used. Adding electrolytes to water permits to decrease the liquid melting temperature. The study of electrolyte solutions has highlighted two different phenomena leading to intrusion and extrusion pressures increasing in LHS. In microporous materials (such as ZIF-8 studied here), a total exclusion phenomenon of ions from porous matrix can be observed. This effect leads to the appearance of an osmotic pressure term which explains high increasing of both intrusion and extrusion pressures. If ions can penetrate pores, intrusion and extrusion pressures increasing are smaller and have been explained by liquid surface properties changes. Mesoporous materials (such as MCM-41 studied here) seem to show this last behaviour whatever ion is. Increasing of LHS application range to high temperatures has been made using Galinstan, gallium, indium and tin alloy, which is non-toxic and stays liquid between approximately -20 and 1300˚C. This liquid, associated with chemically inert mesoporous glasses, permits to obtain reproducible energy dissipation cycles. Finally, a numerical study of a simplified LHS damper in a mechanical system has been done. The behaviours variety has brought to light the complexity of such a system which needs a very accurate design. If this condition is verified, LHS dampers can be very effective and adaptable thanks to the numerous solid/liquid couples which can be used.

<div>Large protein molecules are abundant in biological cells but are very difficult to study in physiological conditions due to molecular disorder. For large proteins, most structural information is obtained in crystalline states which can be achieved in certain conditions at very low temperature. X-ray and neutron crystallography methods can then be used for determination of crystalline structures at atomic level. However, in solution at room or physiological temperatures such highly resolved descriptions cannot be obtained except in very few cases. Scattering methods that can be used to study this type of structures at room temperature include small-angle x-ray and neutron scattering. These methods are used here to study two distinct proteins that are both classified as glycoproteins, which are a large class of proteins with diverse biological functions. In this study, two specific plasma glycoproteins were used: Fibrinogen (340 kDa) and Alpha 1-Antitrypsin or A1AT (52 kDa). These proteins have been chosen based on the fact that they have a propensity to form very large molecular aggregates due to their tendency to polymerize. One goal of this project is to show that for such complex structures, a combination of scattering methods that include SAXS, SANS, and DLS can address important structural and interaction questions despite the fact that atomic resolution cannot be obtained as in crystallography. A1AT protein has been shown to have protective roles of lung cells against emphysema, while fibrinogen is a major factor in the blood clotting process. A systematic approach to study these proteins interactions with lipid membranes and other proteins, using contrast-matching small-angle neutron scattering (SANS), small angle x-ray scattering (SAXS) and dynamic light scattering (DLS), is presented here. A series of structural reference points for each protein in solution were determined by performing measurements under osmotic stress controlled by the addition of polyethylene glycol-1,500 MW (PEG 1500) in the samples. Osmotic pressure changes the free energy of the molecular mixture and has consequences on the structure and the interaction of molecular aggregates. In particular, the measured radius of gyration (Rg) for A1AT shows a sharp structural transition when the concentration of PEG 1500 is between 33 wt\% and 36 wt\%. Similarly, a significant structural change was observed for fibrinogen when the concentration of PEG 1500 was above 40 wt\%. This analysis is applied to a study of A1AT interacting with lipid membranes and to a study of fibrinogen polymerization in the presence of the enzyme thrombin, which catalyzes the formation of blood clots. The experimental approach presented here and the applications to specific questions show that an appropriate combination of scattering methods can produce useful information on the behavior and the interactions of large protein systems in physiological conditions despite the lower resolution compared to crystallography.</div>

Un polyélectrolyte hydrophobe est un polymère portant des charges électriques lorsqu'il est en solution aqueuse et dont l'eau est un mauvais solvant pour le squelette. Cette thèse a pour objectif d'établir l'influence de la nature hydrophobe du squelette sur les propriétés physiques des polyélectrolytes. Pour cela, nous avons tout d'abord synthétisé une série de poly(styrène-\emph(co)-styrènesulfonate de sodium), appelés PSS, possédant des taux de charge $f$ variant entre 30\% et 100\% et comportant entre $N=120$ et $N=2520$ monomères par chaîne. Ces PSS sont caractérisés précisément et peuvent être considérés comme des polyélectrolytes hydrophobes modèles. Nous avons alors étudié leurs propriétés volumiques puis interfaciales.\\ \emph(1. Propriétés en volume.) Le taux de charge effectif de la chaîne unique est anormalement réduit par rapport au cas du polyélectrolyte hydrophile. D'autre part, les propriétés structurales ont été caractérisées par la diffusion des rayons X et la technique de la sonde colloïdale en microscopie à force atomique (AFM). La conformation des chaînes se fait ressentir puisque la longueur de corrélation varie comme $N^0C_p^(-\alpha)$ où $C_p$ est la concentration en polymère et $\alpha$ un exposant dépendant de $f$, décroissant de 1/2 ($f=100\%$) à 1/3 au voisinage de la limite de solubilité. Ces observations sont interprétées dans le cadre d'un modèle théorique prédisant la conformation de la chaîne isolée comme un collier de perles, constitué de globules denses (les perles) reliés deux à deux par un segment de chaîne étirée. La dynamique collective des chaînes, quant à elle, est très proche de celle des polyélectrolytes hydrophiles.\\ \emph(2. Propriétés aux interfaces.) Nous avons conçu une expérience permettant, par adsorption électrostatique ou hydrophobe, de fixer les chaînes de PSS sur une surface solide plane modifiée chimiquement. La couche de PSS adsorbée, immergée dans l'eau, est caractérisée $in~situ$ par ellipsométrie, réflectivité des rayons X haute énergie et microscopie à force atomique. Nous avons ainsi trouvé que la taille de perles varie entre 1 et 5 nm en fonction de $f$. Cette variation est en parfait accord avec les prédictions du modèle dit du collier de perles. Enfin, les polyélectrolytes hydrophobes s'adsorbent également aux interfaces hydrophobes, les perles, dans certains cas, s'étalant sur la surface.