L’étude réalisée porte sur la caractérisation d’un matériau polymère, le polyamide 12. Le matériau en question est utilisé dans des procédés industriels sous la forme de poussières pour réaliser des pièces mécaniques par frittage laser. De plus, une étude du polyméthacrylate de méthyle, polymère plus connu, a été conduite en parallèle afin de valider nos résultats expérimentaux. La première partie de l’étude porte sur la caractérisation du matériau et l’étude de sa dégradation thermique lorsqu’il est soumis a un échauffement lent. Une étude calorimétrique a tout d’abord été réalisée afin de comprendre le comportement global du matériau et identifier les grandes étapes de la dégradation thermique (changements de phases, réactions globales). Puis une analyse thermogravimétrique a été conduite afin de déterminer les étapes de dégradations identifiables par la variation de masse des échantillons. Afin de confirmer les étapes de la dégradation, nous avons analysé les gaz émis lors de la dégradation. Enfin, ces résultats ont été corrélés a des estimations obtenues par une méthode de contribution de groupes. La seconde partie concerne le risque d’allumage d’explosions de poussières de polymères. Une étude des énergies permettant l’allumage de réactions explosives est importante afin d’assurer la sécurité des chaines de production. Outre l’obtention d’énergies d’allumage de flammes dans un nuage de poussières, des relevés de pression en bombe sphériques ont également été faits, ainsi qu’une visualisation directe de la flamme d’un nuage de polymère. L’ensemble de ces résultats est important dans le domaine de la sécurité, tant dans le domaine des incendies que de la sécurité industrielle. / This work deals with a polymer characterization, the polyamide 12. This polymer may be used as a dust in industrial processes to create mechanical pieces by laser sintering. Methods and experimentations we applied to this study are compared to polymethylmethacrylate, a well-known polymer, for validation. In a first part, characterization of polymer has been performed (phase changes enthalpies and temperatures) through differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis. During these analysis, gas phase chromatography has been made to investigate pyrolysis and oxidation gaseous products. So a kinetic study has been performed to obtain global reactions involved in the thermal degradation process of polyamide 12. These results are useful to point the main reactions involved in thermal degradation. Then, all the results have been compared to some obtained by estimative methods, which can give some clues about physical and chemical properties of materials through their molecular structures. The second part of the work deals with dust explosions, energies needed to create flames in polymer dust clouds and the violence of explosions. Pressure evolutions versus time have been measured. Flame visual records by high speed camera have also been performed. These results are useful for risk assessment in processes and for enclosure fires.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Quelques vecteurs énergétiques sont présentement en développement afin de remplacer le moteur à combustion dans les véhicules et ainsi diversifier les sources d'énergie et mieux contrôler les sources de pollution. Les vecteurs énergétiques de remplacement ne doivent donc pas être polluants. Les deux principaux candidats répondant à cette condition sont la pile à combustible à membrane polymère électrolyte (PEMFC) et la pile électrique. Malheureusement, une amélioration des connaissances fondamentales du fonctionnement de ces deux systèmes est requise afin de permettre leur commercialisation pour le marché de l'automobile. Les constructeurs automobiles, tel que General Motors, considèrent que la PEMFC et la pile électrique sont complémentaires. En fait, selon eux, la pile électrique servirait à faire la transition entre le moteur à combustion et la PEMFC. Chacune des composantes de la PEMFC est une source de grands défis technologiques. En effet, ses électrodes ont tendances à perdre de leur efficacité lors des cycles marche/arrêt. De plus, l'hydrogène à l'origine de son fonctionnement doit subir une purification très poussée pour diminuer l'empoisonnement du catalyseur de platine. Finalement, la membrane polymère électrolyte subit une déformation mécanique sous l'effet des cycles de séchage et d'hydratation. Cette dernière composante représente d'ailleurs le plus grand défi d'amélioration de la pile, car aucune amélioration notable ne lui a été apportée depuis les débuts de l'utilisation du Nafion® comme membrane en 1960. De plus, de nos jours la membrane de Nafion® est toujours utilisée dans les PEMFCs. La difficulté à la modifier et à améliorer ses performances de la membrane sont directement liées à notre compréhension seulement partielle de son fonctionnement et du rôle de ses composantes. Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisé comme système modèle la membrane de Nafion® à faible hydratation. L'étude de ce modèle présente des intérêts autant fondamentaux qu'industriels. Les intérêts industriels sont axés sur l'amélioration de la conductivité protonique, l'accroissement de la durée de vie et la diminution du coût de la membrane. Les intérêts fondamentaux sont quant à eux reliés au défi de caractériser complètement un système à densité élevée où le phénomène de transport de protons se produit à plusieurs échelles de grandeur et de temps. Le nombre important de données expérimentales reliées à la membrane de Nafion® permettra l'exploration de tous ces pôles d'intérêt. L'étude du transport de protons au sein de la membrane a été effectuée en utilisant des modèles possédant une taille propre aux divers phénomènes relatifs au transport de protons. Chacun de ces modèles a permis de décrire les phénomènes à l'échelle où ils ont lieu : la simulation de la structure électronique pour appréhender le processus de dissociation et la simulation atomistique pour décrire l'interaction au sein des membranes. Ce type d'approche est dit approche muni-échelles. Une approche permettant d'améliorer la résistance mécanique de la membrane consiste à diminuer le volume d'eau nécessaire à son fonctionnement. Par contre, un volume d'eau suffisant doit être présent pour assurer le transport des protons. L'objectif est donc de quantifier le volume, représenté ici par le nombre de molécules d'eau, pour obtenir un transport de protons adéquat tout en minimisant le risque de bris mécaniques. Dans le cadre de cette approche, nous avons étudié le processus de dissociation du groupement acide de la membrane de Nafion® afin de quantifier le nombre de molécules d'eau nécessaires pour assurer le transport de protons. L'étude de la dissociation de ce super acide doit s'effectuer au niveau de l'échelle électronique de façon à pouvoir décrire précisément les interactions inter et intramoléculaires lors de la dissociation. Par contre, compte tenu du nombre important de degrés de liberté, l'exploration d'un système à cette échelle est restreinte à un faible nombre d'atomes. Il est donc essentiel de trouver un modèle qui puisse décrire le plus fidèlement possible le comportement du groupement acide du Nafion® tout en préservant un temps de calcul et une demande en ressource informatique raisonnable. Le modèle choisi a été celui de l'acide trifluorométhanesulfonique (acide triflique). L'utilisation de ce modèle permet de réaliser uniquement l'étude du processus de dissociation sans y adjoindre d'autres contraintes telles que celles émanant de la conformation de la chaîne latérale et du polymère. Il nous a ainsi été possible de caractériser la dissociation coopérative entre deux molécules d'acide lors de l'ajout de molécules d'eau. Cette meilleure compréhension du processus de dissociation nous a permis de proposer de nouveaux acides qui sont en cours de synthèse. Par la suite, nous avons étudié les propriétés de la membrane de Nafionli) à basse hydratation et à une température avoisinant 100°C. À cette température, le niveau de purification du combustible peut être grandement réduit car l'empoisonnement du catalyseur par les sulfures est moins important. La simulation atomistique a été utilisée pour explorer le comportement de la membrane de Nafion® dans ces conditions à des échelles de temps et de taille supérieures à celles accessibles par la simulation électronique. Contrairement à cette dernière, elle permet d'explorer la dynamique d'un grand ensemble d'atomes. Lors de cette étude, nous avons observé un phénomène associé à une transition vitreuse ionique expérimentale. L'hypothèse actuelle permettant d'expliquer ce phénomène suppose qu'une hydratation faible de la membrane augmenterait la rigidité de la structure des clusters d'eau autour des chaînes latérales du polymère. Les simulations atomistiques effectuées dans le cadre de cette étude ont permis de confirmer cette hypothèse. Finalement, l'énergie libre d'interaction intermoléculaire entre l'eau et le Nafione a été déterminée par la méthode d'intégration thermodynamique et la méthode hybride de Suter, qui consiste à effectuer l'intégration thermodynamique suivie de l'insertion de la particule de Widom, pour obtenir le paramètre d'interaction de Flory-Huggins en fonction de l'hydratation de la membrane. Ce paramètre joue un rôle clé dans la modélisation de la membrane à une échelle mésoscopique.

La surveillance de la santé humaine et le diagnostic anticipé des cancers (poumon et peau) en analysant le volatolome et en particulier les biomarqueurs présents dans l’haleine ou émis par une zone de peau affectée, est un domaine de recherche émergent. Il s'agit d'une technique non invasive, peu coûteuse, rapide et fiable qui peut être utilisée pour la détection des cancers à ses premiers stades au niveau clinique. Les capteurs de vapeur chémo-résistifs quantiques à base de nanomatériaux (vQRS) peuvent fournir une solution pour développer des nez électroniques (e- nose) à cet effet. La constitution d’une matrice de capteurs performante (e-nose) est nécessaire pour l'analyse de l’haleine ou des COV émis par la peau, car tous deux sont des mélanges complexes de COV incluant différents biomarqueurs. L'objectif de cette thèse était de développer un assortiment de capteurs hautement sensibles et sélectifs pour l'analyse de certains biomarqueurs du cancer du poumon et de la peau. Pour cela, une matrice de senseurs de haute performance a été fabriquée à partir de nanocomposites polymère conducteurs dont l’architecture conductrice construite à base de nanotubes de carbone a été fonctionnalisée par différentes matrices polymères pour en modifier la sélectivité vis-à-vis de différents COV. Dans un premier temps, des mélanges binaires de COV et d'eau ont été analysés avec une matrice de senseurs simple pour évaluer le comportement des capteurs en présence d'humidité. Ensuite, un e-nose plus complexe a été préparé avec neuf capteurs sensibles et sélectifs pour détecter une petite quantité de biomarqueurs du cancer présents dans une grande quantité d'autres COV. Les empreintes gazeuses obtenues à l'aide d'un outil statistique pour les divers mélanges de COV ont permis d'identifier la présence de biomarqueurs. Enfin, différents échantillons d’haleine ont été testés avec le même e-nose. Les échantillons d’haleine ont été recueillis dans différentes conditions et l’e-nose a pu les discriminer efficacement et les situer sur les cartes d’empreintes d’haleines obtenues par analyse statistique. / A Human health monitoring and anticipated diagnosis of cancers (lung and skin) by the analysis of the volatolome and in particular the biomarkers present in exhaled breath or emitted by affected skin area is an emerging area of research. This is a non-invasive, inexpensive, fast and reliable technique which can be used for cancers’ detection in their early stages at the clinical level. Nanomaterials based quantum resistive vapour sensors (vQRS) can provide solutions for developing electronic noses (e-nose) for this purpose. A complex sensors’ array is required for the analysis of exhaled breath or VOC emitted by skin as both of them are complex blend of various VOC biomarkers. The objective of this thesis was to develop highly sensitive and selective sensors for cancer biomarker analysis. Therefore, several high-performance sensors’ arrays have been fabricated based on conducting nanocomposites. The carbon nanotubes used to build the conducting architecture were functionalized with different polymer matrices for tuning their selectivity towards different VOC. Initially, binary blends of VOC and water were analysed with simple sensors’ array to evaluate the sensors behaviour in the presence of moisture. Later, a complex e-nose has been prepared with nine differently sensitive and selective sensors to detect subppm amounts of cancer biomarkers present in a large quantity of other VOC. Fingerprints were obtained using a statistical tool for various biomarkers blends which were able to identify the presence of biomarkers. Finally, exhaled breath samples were tested with the same e-nose. The breath samples were collected in different conditions and the e-nose was able to discriminate the different samples effectively by locating them on the breath maps obtained by a statistical analysis.

Pas de résumé / No abstract

De nos jours, les industriels utilisent de faibles rapports eau/ciment (compris entre 0,3 et 0,4) et des ciments fins en vue d'augmenter les résistances à court terme. Afin que ces matériaux soient suffisamment maniables pour leur mise en place, divers adjuvants chimiques sont utilisés. Bien que ces bétons soient généralement plus durables lorsqu'ils sont exposés aux intempéries, certaines études semblent indiquer qu'ils sont également plus susceptibles de se fissurer lors des premiers jours de l'hydratation. L'étude de cette maîtrise porte sur l'effet de la température (20ʻC, 30ʻC et 38ʻC), du rapport E/C (0,3 et 0,4) et de la minéralogie du ciment (teneurs en C3A de 3%, 9% et 11%) sur le développement de la microstructure des mortiers de ciment avec superplastifiant au jeune âge. Des mesures de temps de prise, de suivi d'hydratation et des retraits chimiques et externes ont permis de suivre l'évolution de la microstructure, du moment où l'eau et le ciment entrent en contact, jusqu'à 7 jours. L'analyse de ces essais a alors permis de montrer qu'une structuration ± douce ¿ endommage moins le matériaux. Après avoir présenté la mise en contexte et la problématique, une revue de la documentation scientifique est proposée. Cette partie permet de comprendre comment le matériau se met en place et quels sont les outils existants afin de pouvoir suivre le développement de sa microstructuration. Une section est ensuite réservée au détail de l'expérimentation mise en place durant la maîtrise, des différents types d'essais utilisés ainsi que des correctifs apportés pour l'étude de nos matériaux. Enfin, une analyse des résultats est présentée. Les résultats de chacun des essais sont étudiés indépendamment les uns des autres mais une dernière section est réservée à la mise en relation des différents résultats obtenus.

Les polymères semi-cristallins à chaînes semi-rigides, bien qu’abondamment utilisés dans la vie quotidienne, représentent des systèmes complexes qui ne sont pas encore parfaitement compris. Parmi les nombreux domaines de recherche sur cette famille de polymères, l’étude de la morphologie semi-cristalline et des processus de cristallisation et de fusion de ceux-ci restent des sujets très importants. L’investigation de la morphologie semi-cristalline est rendue difficile car elle présente une structure hiérarchique composée de plusieurs niveaux d’organisation, dont le plus petit est observable à une échelle très réduite de quelques nanomètres. De plus, les aspects liés à la cinétique des processus de cristallisation et de fusion n’ont pas toujours permis de bien les mettre en évidences, les rendant ainsi par très bien compris. Cependant, les nouvelles avancées technologiques dans le domaine de la physique expérimentales ont beaucoup profité à la science des polymères. Dans ce travail, une contribution originale est apportée à cette étude, et cela en combinant diverses techniques expérimentales permettant des mesures calorifiques et structurales en températures et temps réels. L’intérêt c’est porté sur les polymères linéaires aromatiques tels que le polyéthylènes teréphthalate, PET, et le polytriméthylène téréphthalate, PTT, caractérisés par une température de transition vitreuse supérieure à l’ambiante ( Tg > 50°) et une température de fusion élevée (Tm>220°C), offrant ainsi une assez large gamme de température de cristallisation (Tm-Tg). L’étude de la structure semi-cristalline du PET à l’échelle du nanomètre et de la relaxation des phases amorphes présentes dans sa structure est facilitée par l’utilisation d’un diluant amorphe tel que le polyétherimide (PEI), qui forme un mélange miscible avec le PET. L’utilisation de microscopie de force atomique AFM à haute température a permis d’observer la cristallisation isotherme de PET en temps réel et de décrire ainsi la cristallisation secondaire comme un processus d'épaississement des piles lamellaires. De plus, l’analyse de la structure semi-cristalline du PET et du PTT, dans l’espace direct, sont en faveur d’un modèle structural homogène, où l’épaisseur lamellaire moyenne est légèrement inférieure à l’épaisseur moyenne des régions amorphes interlamellaires. Ces résultats ont permis, d’une part, d’apporter une meilleure interprétation aux données obtenues par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), et d’autre part, d’ interpréter le comportement de fusion multiple caractéristique des polymères semi-cristallin à chaînes semi-rigides par le seul processus de fusion-recristallisation. Dans l’étude investiguée sur les mélanges PET/PEI et sur le PTT pur, on montre que la cinétique d’un tel processus est particulièrement rapide comparée à la cristallisation. De plus, les observations par AFM et par microscopie optique de même que les mesures SAXS en temps réel ont montré la simultanéité et la compétition existant entre la fusion des cristaux et leur réorganisation durant la chauffe. Par ailleurs, la relaxation des régions amorphes interlamellaires, souvent considérées comme rigides, a pu être mise en évidence par les mesures AFM et SAXS réalisées à haute température sur des échantillons de PET/PEI semi-cristallins.

Pour conférer au caoutchouc naturel de meilleures propriétés mécaniques, quand il s’agit d’applications industrielles spécifiques telles que le pneumatique, il est mélangé entre autres à des charges renforçantes. L’objectif de cette thèse est double : nous nous sommes premièrement intéressés à l’élaboration d’un nouveau type de charges hybrides, composées d’une partie minérale (silice) et organique (polymère). La stratégie que nous avons développée consiste à synthétiser des nanoparticules hybrides de morphologie contrôlée par polymérisation en émulsion ensemencée et à les agréger a posteriori. Nous avons également réalisé l’étude des propriétés mécaniques d’élastomères chargés avec les charges hybrides obtenues. / It’s necessary to use filler to give better mechanical properties to the natural rubber when it is used in the making of tires. The objective of this thesis is twofold: firstly we have developed a new type of fillers composed of mineral part (silica) and organic part (polymer). The strategy that we developed is to synthesize hybrid nanoparticles of controlled morphology by seeded emulsion polymerization and to aggregate them subsequently. The second objective was to study the mechanical properties of elastomers filled with the obtained hybrid entities.

Les cellules solaires comprenant comme matériau actif une pérovskite organométallique hydride sont apparues récemment comme une technologie de haute performance et bon marché pour la conversion de l’énergie solaire. Les efforts mobilisés pendant cette thèse se sont concentrés sur un composant clé des cellules solaires à pérovskite, le transporteur de trous, qui assure à la fois les performances et la stabilité des cellules. Les avantages des polymères semi-conducteurs pour cette fonction se retrouvent dans leur stabilité, leurs bonnes propriétés de transport de charge et leur caractère filmogène. Ainsi, la stabilité des cellules solaires à pérovskite planes a pu être améliorée en intégrant un polyvinylcarbazole fonctionnalisé, tout en conservant de bonnes efficacités. Le potentiel de polyélectrolytes à base de PEDOT a pu être évalué dans les cellules de type inverses. Et enfin, une nouvelle méthode de dopage par un polyélectrolyte à base d’imidazole a démontré des efficacités remarquables, supérieures à 20%. / Perovskite solar cells based on hybrid organometal perovskite recently appeared as a cost-effective and highly efficient technology for the conversion of sunlight. Efforts undertaken during this PhD thesis focused on one component of the perovskite solar cells, the hole transport material, which rules both, performance and stability of the devices. Advantages of semiconducting polymers result in their thermal and chemical stability, their good charge transport properties and their ability to form homogeneous thin films. Thereby, through synthesis of novel polyvinylcarbazole and incorporation into devices, stability of planar perovskite solar cells has been enhanced while conserving good efficiency. The potential of PEDOT-based polyelectrolytes has been investigated in inverted perovskite solar cells. Finally, a new strategy to efficiently dope hole transporting materials has been demonstrated through the introduction of N-heterocyclic imidazolium-based polyelectrolytes. Thereby, efficiency of solar cells has been promoted to over 20%.

Les polymères biomimétiques incorporant des groupes zwitterioniques mimant la phosphatidylcholine, comme par exemple la phosphobétaïne, la sulfobétaïne ou encore la carboxybétaïne, ont reçu une attention grandissante pour une utilisation dans la prochaine génération de matériaux en contact avec le sang, grâce à leur excellentes propriétés anti-bioadhésives. Le poly(methacrylate de sulfobétaïne) (polySBMA), avec un squelette methacrylate et un analogue de la taurine bétaïne (CH2CH2N+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-) comme groupe pendant, est de loin le polymère le plus étudié en raison de sa relative facilité de préparation. Il est maintenant admis que les brosses polymères recouvrant une surface de groupes zwitterioniques permettent l'obtention d'une surface résistance à l'adsorption de biocomposants, permettant d'envisager une application potentielle pour des matériaux mis en contact du sang, comme les implants par exemple. Dans cette thèse, la nouvelle fonctionnalisation de copolymères dérivés du sulfobétaïne et leurs potentielles applications sont développées et étudiées.Dans une première partie, des copolymères diblocs « schizophréniques » contenant des blocs nonioniques et zwittérioniques ont été préparés pour différentes masses molaires via la polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP : atom-transfer radical polymerization). Dans ce travail nous présentons une étude systématique de la relation entre la conformation des chaînes copolymères en solution et leur impact sur l'hémocompatibilité dans une solution de sang humain. Le comportement « schizophrénique » de copolymères PNIPAAm-b-PSBMA a été observé par RMN 1H, diffusion dynamique de la lumière et turbidité, démontrant ainsi une double transition morphologique avec à la fois une LCST (lower critical solution temperature) et une UCST (upper critical solution temperature) en solution aqueuse. En dessous de l'UCST du bloc PSBMA, des micelles sont obtenues avec un cœur insoluble de PSBMA entouré d'une écorce soluble de PNIPAAm alors que la structure inverse est observée au-dessus de la LCST du bloc PNIPAAm. Entre l'UCST et la LCST, des unimères parfaitement solubles ont été détectés. La taille hydrodynamique des copolymères et des homopolymères correspondants a également permise de corréler directement la morphologie micellaire avec la compatibilité avec du sang humain. L'adsorption isolée de fibrinogènes humains sur le copolymère à bloc a été étudiée par DLS pour déterminer la stabilité de la résistance à la bio-adhésion d'une suspension de copolymères. Le PNIPAAm-b-PSBMA a démontré une activité anti-coagulante et anti-hémolytique extrêmement élevées sur une large gamme de température allant de 4 à 40°C. La non-dépendance de la biocompatibilité à la température, associée au comportement schizophrénique en solution aqueuse, nous a amené à réfléchir à d'éventuelles applications.Dans la seconde partie de ce manuscrit, des copolymères diblocs « intelligents » contenant des blocs ioniques et zwittérioniques ont été préparés par polymérisation radicalaire contrôlée de type RAFT (reversible the addition-fragmentation chain transfer). Dans ce travail, nous présentons une étude systématique sur la formation d'un nouveau vecteur d'ADN à partir d'un coeur polyplexe ADN/ poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), recouvert, via des interactions électrostatiques, de copolymères poly(acide acrylique)-block-poly(méthacrylate de sulfobétaïne) (PAA-b-PSBMA). Son impact sur l'hémocompatibilité ainsi que sur l'efficacité de la transfection de gènes ont été vérifiés, en prenant comme référence des polyplexes formés à partir de polyethyleneimine (Pei). La capacité d'interaction des plasmides ADN avec le Pei, PDMAEMA, et PAA-b-PSBMA a été évaluée par « ethidium bromide displacement assays » et « agarose gel retardation assays » en fixant le rapport en atomes d'azote de polymère par atomes de phosphore des nucléotides (rapport N/P) ainsi que le pH de la solution. La mesure du temps de coagulati / Biomimetic polymers containing zwitterionic structures poly(sulfobetaine methacrylate) (polySBMA) has become the most widely studied zwitterionic polymer due to its easy of synthetic preparation. It is now recognized that grafted dense polymer brushes, composed of zwitterionic polySBMA, formed an effective and stable nonfouling surface, potentially enabling the practical use in human blood-contacting devices and implants. In this dissertation, the new functionalization of zwitterionic sulfobetaine-based copolymers and their potential biomedical applications was developed and investigated. In the first part of the dissertation, “schizophrenic” diblock copolymers containing nonionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via the atom-transfer radical polymerization (ATRP). In this work, we demonstrate a systematic study of how morphological changes of poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PNIPAAm-b- PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in the human blood solution. The “schizophrenic” behavior of PNIPAAm-b-PSBMA was observed by 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR), dynamic light scattering (DLS), and turbidity measurement with double morphological transition, exhibiting both lower critical solution temperature (LCST) and upper critical solution temperature (UCST) in aqueous solution. Human fibrinogen adsorption onto the PNIPAAm-b-PSBMA copolymers from single-protein solutions was measured by DLS to determine the nonfouling stability of copolymer suspension. The new nonfouling nature of PNIPAAm-b-PSBMA copolymers was demonstrated to show an extremely high anticoagulant activity and antihemolytic activity in human blood over a wide range of explored temperatures from 4 ºC to 40 ºC and suggests their potential in blood-contacting applications.In the second part of the dissertation, “intelligent” diblock copolymers containing ionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via reversible the addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. In this work, we demonstrate a systematic study of how zwitterionic shielding on a new self-assembled cargo of plasmid DNA/poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) polyplexes conjugated with poly(acrylic acid)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PAA-b-PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in human blood solution and gene transfection onto target cells. The carrier stability, cell toxicity, hemocompatibility, and gene transfection efficiency of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes was investigated as compared with DNA/polyethyleneimine (PEI)/PAA-b-PSBMA. Hemocompatibility of the prepared polyplexes was evaluated by the anticoagulant activity of the blood coagulant determined by testing the plasma-clotting time and the antihemolytic activity in human blood by measuring red blood-cell hemolysis. The pH-dependent gene transfection of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes, along with their stimuli-responsive behavior, suggests their potential in blood-contacting gene delivery applications.In the final part of the dissertation, ionic/zwitterionic PAA-b-PSBMA diblock copolymer was extended to prepare anti-fouling poly(ether imide) membranes with well-controlled nano-pore structures and water flux via layer-by-layer self-assembled coating process. The surface charge property of the prepared membrane can be regulated by PEI/PAA ratios. Low protein-fouling membrane surfaces from BSA and fibrinogen solution with respect to uncoated membrane surfaces are achieved with optimized block ratio of PAA and PSBMA. Thus, positively charged membranes, coated with zwitterionic copolymers containing anionic groups via charge-driven, are ideal for highly resisting protein adsorption if the membrane surface density of the zwitterionic groups is controlled to a high-level densities.