L'exploitation de pétrole s'accompagne de la modification des conditions thermodynamiques internes du puits et favorise, entre autres, la formation de dépôts minéraux pouvant obstruer les pores micrométriques de la formation rocheuse, rendant difficile l'extraction d'huile. L'efficacité du traitement anti-dépôts dépend de la concentration minimale d'inhibiteur et de la vitesse de relargage du produit. Dans ce contexte, nous avons étudié deux techniques d'encapsulation permettant d'obtenir un système préventif à libération prolongée contenant un polyélectrolyte anionique comme additif modèle. La première consiste en la formation de nanoparticules de polyélectrolytes complexés. La libération de l'actif encapsulé y a été stimulée par la modulation de la salinité du milieu. À pH basique, la libération de l'actif a lieu via le mécanisme de gonflement /dissociation des particules, à pH acide aucune libération ne parait avoir lieu car les objets précipitent. Le second système est une émulsion inverse (E/H) diluée contenant un actif modèle en phase dispersée. Ces systèmes sont stables et un faible pourcentage d'actif est libéré sous contrainte mécanique.

L'optimisation des états de surface constitue un enjeu majeur pour les biomatériaux utilisés dans le domaine biomédical. Le titane (Ti) et ses alliages à base de nickel (NiTi) restent à ce jour les biomatériaux métalliques de prédilection dans nos applications cliniques en Odontologie (implants dentaires, instruments endodontiques, et arcs orthodontiques). Le but de nos recherche est d'optimiser les surfaces du Ti et NiTi en les fonctionnalisant par des films multicouches de polyélectrolytes (FMP). Notre travail propose d'étudier différents paramètres devant être impérativement validés avant d'envisager une quelconque application biomédicale in vivo avec ce type de revêtement. Une recherche bibliographique exhastive appuie notre recherche expérimentale. Le premier axe du travail propose de déterminer si des FMP peuvent effectivement s'adsorber chimiquement sur le Ti et le NiTi. qui plus est, une étude biologique est réalisée avec des cellules humaines pour tester la biocompatibilité des ces surfaces fonctionnalisées. La deuxième partie se concentre sur la biocompatibilité de la couche précurseur des FMP à base de polyéthyléneimine (PEI). Les résultats mettent en lumière une certaine cytotoxicité de la PEI envers des ostéoblastes et des fibroblastes gingivaux humain. Pour clore ce travail, nous réalisons des essais de stérilisation afin d'évaluer l'influence d'un tel procédé sur les FMP en terme de caractérisations physico-chimique et biologique des surfaces. La perspective d'une application biomédicale avec les FMP semble prometteuse, notamment en y introduisant des molécules bioactives. Cependant, bien d'autres paramètres sont encore à étudier avant d'envisager une application expérimentale et/ou clinique in vivo. Nous pouvons citer par exemple, le vieillissement des FMP, leur comportement en milieu salivaire ou fluoré, ou encore leur résistance à l'usure. Ces différents éléments rentrent dans les perspectives d'un projet post-doctoral.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’objectif de cette thèse est d’étudier les interactions entre polyélectrolytes (PE) de charges opposées par analyse frontale continue en électrophorèse capillaire (FACCE) et par titration calorimétrique isotherme (ITC), en fonction de la force ionique du milieu et des paramètres physico-chimiques relatifs aux deux partenaires (taux de charge chimique, masse molaire, ramification). Un copolymère statistique d’acrylamide et de 2-acrylamido-2-méthyl-propane sulfonate (PAMAMPS) de taux de charge variant entre 15% et 100% a été synthétisé et caractérisé pour cette étude. En tant que polycation modèle, la poly(L-lysine) a été retenue, sous sa forme linéaire (PLL) ou ramifiée / hyperbranchée (DGL). Des mesures par turbidimétrie ont permis d’étudier la stabilité des complexes de polyélectrolytes (PEC) en fonction de la force ionique du milieu. La détermination de la stœchiométrie des PEC par 1H-RMN a permis d’établir une règle générale pour prédire les stœchiométries de charge des PEC. Les paramètres thermodynamiques d’interactions (constantes et stœchiométries d’interaction, contribution entropique et enthalpique) ont été déterminés, par le tracé systématique des isothermes d’adsorption, en considérant le modèle d’interactions des sites indépendants de même énergie. Une dépendance linéaire entre le logarithme des constantes d’interactions et le logarithme de la force ionique a été observée. Cette dépendance en force ionique confirme le caractère entropique des interactions entre PE de charges opposées. Elle permet aussi de quantifier le nombre de contre-ions relargués lors de la formation du PEC. Cette quantité de contre-ions libérés a pu être comparée à la quantité totale de contre-ions condensés. Cette modélisation permet, en outre, de prédire les constantes d’interaction pour des taux de charge intermédiaires et à différentes forces ioniques. / The aim of this thesis is to study the interactions between oppositely charged polyelectrolytes (PE) by frontal analysis continuous capillary electrophoresis (FACCE) and isothermal titration calorimetry (ITC) as a function of the ionic strength of the medium and the physico-chemical properties related to the two partners (chemical charge density, molar mass, ramification). Statistical copolymers of acrylamide and 2-acrylamido-2-methyl-propane sulfonate (PAMAMPS) with chemical charge densities varying between 15% and 100% were synthesized and characterized for this study. Poly(L-lysine) under their linear (PLL) or ramified/hyperbranched (DGL) forms were used as model polycations. Turbidity measurements allowed the study of the stability of the polyelectrolyte complexes (PEC) as a function of the ionic strength of the medium. PEC charge stoichiometries were measured by 1H-NMR, and a general predictive rule that estimates the PEC charge stoichiometry was enounced. The thermodynamic binding parameters (binding constant, stoichiometry, enthalpic and entropic contributions) were determined, by systematically plotting the isotherms of adsorption, and using the model of independent and identical interacting sites. A linear dependence between the logarithm of the binding constants and the logarithm of the ionic strength was observed. This linear dependence confirmed the entropic character of the interactions between oppositely charged PE and allowed quantifying the number of released counter-ions that were compared to the total number of condensed counter-ions. Furthermore, this modelling allowed predicting the binding constants for intermediate chemical charge densities and at different ionic strengths.

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Notre projet vise la conception d’un biocapteur ultra-sensible à base de bactéries pour la détection de métaux lourds (contrôle environnemental). Ces travaux concernent le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à une puce microfluidique et fonctionnalisés par des bactéries Escherichia coli immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer » . L’ étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et de son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers le suivi en temps réel par le capteur acoustique, ainsi que par microscopie à force atomique en milieu sec ou liquide.Des seuils de détection inférieurs à 10-12M en quelques minutes ont été observés. / Our works aim the study of an ultra-sensitive bacteria-based biosensor for the detection of heavy metals (environmental control). They include the development of impedimetric and of Love acoustic wave devices, both associated with a microfluidic chip and functionalized with Escherichia coli immobilized on a polyelectrolyte multilayer deposited by the method "Layer by Layer." The theoretical study of physico-chemical interactions and biological phenomena involved during the steps of functionalization of the sensor surface, and during its application to the detection of cadmium and mercury, is also addressed through the real-time monitoring by the acoustic sensor and by atomic force microscopy in air or liquid medium. Detection threshold better than10-12M within only a few minutes have been observed.

L’assemblage couche-par-couche permet de fabriquer des films multimatériaux aux propriétés variées présentant une structure stratifiée. Ce travail décrit les études structurelles des films multicouches de polyélectrolytes à l’aide de mesures de diffusion de neutrons.L’effet du vieillissement des films a été déterminé par réflectométrie des neutrons. Nous avons observé un léger tassement des films après 5 ans et une forte expansion après 15 ans.Nous avons aussi montré que le substrat et l’air en surface ont une influence sur la structure des couches proches des extrémités des films, conduisant à une structure inhomogène perpendiculairement à la surface.Nous avons finalement étudié la conformation des chaînes de polyélectrolytes dans les films multicouches ; nous avons déterminé que les chaînes de PSS dans des films préparés par trempage ont une conformation en pelotes aplaties, contrairement aux chaînes de polyélectrolytes en solution qui présentent une conformation sphérique. / The Layer-by-Layer assembly allows the build-up of multimaterial films with various properties showing a stratified structure. This work describes the structural strudies of multilayer films of polyelectrolytes with neutron scattering measurements.Ageing effect on films was determined by neutron reflectometry. We observed a slight shrink of the films after 5 years and a strong expansion after 15 years.We also showed that the proximity of the substrate and the air at the surface have an influence on the structure of the layers at the extremities of the films, leading to an inhomogeneous structure perpendicularly to the surface.Finally, we studied the conformation of polyelectrolyte chains in the multilayer films ; we determined that PSS chains in dipped films have a flattened coil conformation, whereas the polyelectrolyte chains in solution have a spherical conformation.

La surface d'un matériau est le lieu privilégié des interactions entre le matériau et son environnement. La technique couche-par-couche, qui consiste en un dépôt alterné de polyanions et de polycations, ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des biomatériaux pour le contrôle de ces interactions. La cohésion des films multicouches de polyélectrolytes est principalement assurée par des interactions électrostatiques mais a été étendue à d'autres forces motrices telles que les interactions hôte-invité. Nos travaux s’articulent autour de deux axes principaux. D’une part, nous nous sommes intéressés aux films multicouches de polymères neutres basés sur des interactions hôte-invité et en particulier à l'influence de la force du complexe d’inclusion b-cyclodextrine/ferrocène sur la topographie de ces films. La force de l’interaction hôte-invité a d’abord été modulée en associant différents invités (l’adamantane, le ferrocène et le pyrène) avec la β-cyclodextrine. La force du complexe b-cyclodextrine/ferrocène a été ensuite modulée par la présence de différents sels de sodium à différentes forces ioniques au cours de la construction du film. Une force d'interaction intermédiaire du complexe semble être nécessaire pour former des films continus, tandis que, si elle est trop faible, la force d'interaction limite la construction du film.D’autre part, motivé par le fait que la prévention des infections microbiennes des dispositifs médicaux implantables constitue un problème médical et financier majeur, nous avons développé de nouveaux revêtements antimicrobiens grâce à la technique couche-par-couche. Des films multicouches à base de polysaccharides contenant la cateslytine, un peptide antimicrobien, permettent l’inhibition en 24h du développement de Candida albicans et Staphylococcus aureus, qui sont des agents pathogènes communs et virulents rencontrés dans les maladies nosocomiales. La libération des peptides antimicrobiens est déclenchée par la dégradation enzymatique du film en présence des agents pathogènes. Le revêtement est ainsi qualifié d’auto-défensif. La non-cytotoxicité du film vis-à-vis des cellules humaines permet une application cliniquement pertinente pour prévenir les infections sur les cathéters. Des dimères à base de cateslytine de différentes longueurs et un dendrimère ont été synthétisés afin d'améliorer l'activité biologique du peptide d'origine, i.e. ses propriétés antimicrobiennes et antiinflammatoires. Afin d’élaborer des films antimicrobiens mécaniquement robustes, le polyuréthane (polymère entrant dans la composition des cathéters) a été fonctionnalisé par une couche de polydopamine qui peut ensuite réagir avec des groupements thiol ou amine, permettant la fixation covalente des films de polysaccharides antimicrobiens réticulés étape par étape. / The surface of a material is the privileged location, where the interactions between the material and its environment take place. In the field of biomaterials, the challenge is to control these interactions. A very versatile coating technique is the layer-by-layer deposition, which consists in the alternated deposition of polyanions and polycations. The cohesion of polyelectrolyte multilayer films is primarily ensured by electrostatic interactions but was extended to other driving forces such as host-guest interactions. Our work was constituted of two main parts.In the first part, the buildup of neutral polymer multilayer films based on host-guest interactions was studied and in particular the influence of β-cyclodextrin/ferrocene interaction strength on the topography of these films. The host-guest interaction strength was first modulated by involving different guests (adamantane, ferrocene and pyrene) in the buildup. Then, β -cyclodextrin/ferrocene interaction strength was tuned by the presence of different types and concentrations of salts during the multilayer buildup. Intermediate interaction strength seems to be required to form continuous films, whereas, if too low, the interaction strength limits the film buildup.In the second part, motivated by the fact that the prevention of pathogen colonization of implantable medical devices constitutes a major medical and financial issue, polyelectrolyte multilayers were used as tools to develop new antimicrobial coatings. Polysaccharide multilayer films containing cateslytin, an antimicrobial peptide, fully inhibited in 24h the development of Candida albicans and Staphylococcus aureus, which are common and virulent pathogens agents encountered in care-associated diseases. The release of the antimicrobial peptides was triggered by the enzymatic degradation of the film due to the pathogens themselves introducing the concept of self-defensive coating. The non-cytotoxicity of the film, towards human cells, highlights a medically relevant application to prevent infections on catheters. Different cateslytin based dimers with various lengths and one dendrimer were synthesized in order to improve the bioactivity of the original peptide, i.e. antimicrobial and anti-inflammatory properties. In order to obtain mechanically robust antimicrobial films, polyurethane (polymer that composes catheters) was functionalized with a polydopamine layer that can further react with thiol or amine groups, allowing the covalent attachment of step-by-step cross-linked antimicrobial polysaccharide films.

Le fascinant processus par lequel les signaux mécaniques sont transformés en réactions biochimiques dans la nature est appelé mécano-transduction. Le but de ma thèse a été de mimer la Nature en élaborant de nouveaux systèmes enzymatiques mécano-transductifs, i.e des matériaux capables de moduler une catalyse enzymatique lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement. Nous avons d’abord étudié l’effet de l’étirement sur les chaînes constitutives de films multicouches de polyélectrolytes, matrices souvent utilisées pour le développement de biomatériaux intelligents. Dans le cadre d’une nouvelle stratégie axée sur la modulation mécanique de la conformation, nous avons ensuite élaboré des matrices étirables à base de poly(éthylène glycol)s. Nous avons en particulier développé de tout nouveaux revêtements covalents appelés nanogels qui se sont avérés être déposables sur le silicone étirable et fonctionnalisables avec différentes biomacromolécules, ouvrant ainsi de nouvelles routes biomimétiques. / The fascinating process by which mechanical signals are transformed into biochemical reactions in Nature is called mechanotransduction. The goal of my PhD was to mimic Nature by elaborating new types of mechanocatalytic materials, i.e materials able to modulate a catalytic activity when mechanically stimulated. We first aimed at understanding the impact of stretching on the structural properties of polyelectrolyte multilayers films, polymeric matrices often used for the design of smart biomaterials. Within the framework of a new strategy essentially relying on mechanically induced conformational changes, we then developed stretchable polymeric matrices based on poly(ethylene glycol)s. We more particularly designed new types of covalent coatings, called nanogels. We showed that these architectures were buildable on stretchable silicone and that they could be functionalized with different types of biomacromolecules; thus opening new biomimetic routes.

Ce travail est consacré à l'élaboration de nano-complexes polyélectrolytes (CPEs) ayant une stabilité améliorée en milieux physiologiques et à l'exemplification de leur fort potentiel d'application comme système de délivrance de (macro) molécules bioactives. Le chitosane comme polycation a été compléxé avec quatre polyanions naturels ayant différents densités de charges et groupements fonctionnels(-COO- et SO3-) à savoir l'acide hyaluronique (HYA), le chondroïtine sulfate (ChonS), le sulfate de dextrane (DS) et l'héparine (HEP). Les facteurs qui influent sur la formation et les propriétés physico-chimiques des nano-complexes chitosane-HYA ont été étudiés. Ces nanovecteurs perdent leur caractère colloïdal en milieux physiologiques. Pour améliorer leur stabilité dans ces conditions, une stratégie innovante qui implique l'ajout de zinc a été conçue. Cette stratégie de stabilisation a été démontrée comme étant polyvalente et a été étendue aux complexes polyélectrolytes (CPEs) chitosane-ChonS. Même si de cette manière une stabilité à long terme a été observée, cette stratégie reste uniquement applicable aux CPEs cationiques. Pour cette raison, une approche alternative permettant l'amélioration de la stabilité des colloïdes à charges positives ou négatives a été mise en oeuvre en concevant des nano-complexes de type coeur-couronne ternaires composés de polyacides forts c'est-à-dire de DS ou d'HEP associés au chitosane en coeur et un complexe chitosane-HYA en couronne. Tous les nano-complexes stables obtenus peuvent encapsuler le ténofovir, une molécule antirétrovirale et être fonctionnalisés par des IgAs de ciblage. En in vitro, ces nanovecteurs montrent une inhibition de l'infection des PBMC par le virus VIH-1 supérieure à l'antirétrovirale seule / This work is devoted to the elaboration of nano-polyelectrolyte complexes (PECs) systems with improved stability in physiological media and to the establishment of their high potential of applications as bioactive (macro) molecule delivery systems. Chitosan as polycation were complexed with four natural polyanions of different charged groups and densities (-COO- and SO3 - as negative charges), namely hyaluronan (HYA), chondroitin sulfate (ChonS), dextran sulfate (DS) and heparin (HEP). The factors impacting the formation and physical-chemical properties of chitosan-HYA nanocomplexes were investigated. However, these nanovectors lost their colloidal character in physiological media. To improve their colloidal stability in physiological conditions, an innovative stabilization strategy was designed, involving zinc ion. This stabilization strategy proved versatile and was extended to chitosan-ChonS PECs. Though a long-term stability was achieved, this strategy was only applicable to cationic PECs. Therefore, an alternate approach enabled the improvement of the colloidal stability in physiological media of both positive and negative colloids by designing core-shell ternary polyelectrolyte nanocomplexes composed of strong polyacid (DS or HEP)-chitosan PECs as core and a chitosan-HYA complex as shell. Furthermore, all of the stabilized nanocomplexes allowed the encapsulation of active molecules anti-retroviral drug tenofovir and surface functionalization with targeting IgAs. In vitro, these nanovectors exhibited an inhibition of infection of PBMCs by HIV-1 virus which could be superior to the free drug