L'activité cellulaire répond à la stimulation électrique (SE). Le but de cette thèse était le développement d'un composite multifonctionnel et l'étude de la réponse des ostéoblastes à la SE transmise par un tel composite. Les objectifs spécifiques étaient les suivants: a) synthèse des particules de haute conductivité en polypyrroles (PPy) avec des rendements élevés en contrôlant la taille et la régularité moléculaire; b) bioactivation des particules PPy par dopage à l'héparine (HE); c) préparation de composites multifonctionnels électriquement stables et présentant une haute affinité biologique; d) étude de la prolifération et de la minéralisation des ostéoblastes sur un échafaudage conducteur sous SE. Le chapitre I résume les phénomènes bioélectriques chez l'humain à différents niveaux, les mécanismes possibles de l'action de l'électricité sur les cellules, et l'étude de la SE en génie tissulaire osseux. Ce chapitre propose également une revue critique des différentes techniques et des différentes méthodologies de SE utilisées pour des études environnementales, scientifiques et pour les soins cliniques. Les hypothèses et les objectifs de la thèse sont présentés. Le chapitre II décrit la synthèse des nanoparticules en PPy par polymérisation en emulsion en utilisant le réactif de Fenton comme oxydant. Ces nanoparticules présentent une morphologie polygonale creuse, avec une épaisseur approximative de 50 nm et un diamètre de 400-500 nm. Les caractéristiques cristallines de ces nanoparticules ont été démontrées. Un mécanisme plausible de synthèse est proposé. Le chapitre III rapporte la bioactivation des particules en PPy en utilisant F héparine (HE) comme dopant, la préparation d'une membrane conductrice biodégradable, et la culture de fibroblastes sur ces membranes. Le dopage avec HE améliore la stabilité électrique de la membrane conductrice et augmente l'adhésion et la prolifération de cellules. Le chapitre IV démontre que la SE induite par la membrane conductrice peut moduler l'activité des ostéoblastes et accélérer la formation osseuse. Un champ électrique optimal de 200 mV/mm avec une durée de stimulation entre 2 et 8 h a favorisé la prolifération des ostéoblastes et augmenté l'expression et la production de ses marqueurs spécifiques de maturation (ALP) et de minéralisation (CO). Le chapitre V présente une discussion générale, le sommaire des conclusions et les perspectives de recherche pour le futur. L'implication de ces travaux en génie tissulaire et en santé humaine est également abordée.

Le développement de nanomatériaux semi-conducteurs s'accompagne d'une complexification de leur structure cristalline et de leur composition chimique. Les interfaces y constituent un élément essentiel, qu'il est nécessaire d'étudier. Pour cela, il faut disposer d'outils de caractérisation adaptés, qui sont décrits dans le premier chapitre de ce mémoire. Ces instruments ont tout d'abord servi à explorer des nano-fils semi-conducteurs à hétéro-structures (chapitre 2), dans lesquels des inclusions poly-types présentent un piégeage du niveau de Fermi en surface, conduisant ainsi à la formation de jonctions surfaciques i-p. Dans un second temps, des nano-cristaux à hétéro-structures ont été analysés (chapitre 3). Les mesures ont révélé une transformation de phase des nano-cristaux sous excitation lumineuse, qui a pour origine une différence de structure cristalline des deux matériaux de base. En parallèle, des études ont été menées sur de nouveaux matériaux à deux dimensions constitués de pores : le Silicène (chapitre 4), l'équivalent du graphène à base d'atomes de silicium uniquement, et des super-réseaux de nano-cristaux semi-conducteurs fusionnés, possédant une structure poreuse (chapitre 5). Dans les deux cas, après avoir étudié la structure cristalline des matériaux, des mesures de transport ont été effectuées grâce à la technique de mesure par microscopie à effet tunnel à pointe multiple. De par la faible résistivité mesurée, ces matériaux servent de système modèle unique pour comprendre le transport dans des réseaux poreux à deux dimensions. / The development of semi-conductor nanomaterials takes along with an increase of the complexity regarding their crystalline structure and chemical composition. Interfaces are essential in accounting for the physical properties of the materials and require a thorough investigation. It relies on the use of specific instruments, that are described in the first section of this work. These instruments are then used to explore hetero-structure nanowires, that contain poly-types segments with different Fermi level pinnings at the surface, leading to $i-p$ junctions (section 2). Hetero-structure nanocrystals have also been characterized (section 3). Their study has revealed a phase transformation under light irradiation, that is attributed to the different crystalline structures between their core and their shell. Along with these investigations, novel two-dimensional semi-conductor crystals have been explored due to the exotic electronic structures that they could exhibit. Silicene, the Graphene analog, and porous networks of semi-conductor nanocrystals have been studied (section 4 and 5 respectively). The transport properties have been characterized with multiple probes Scanning Tunneling Microscopy and have revealed the uniqueness of these systems to improve our understanding of the electrical transport in two-dimensional crystals.

Les propriétés finales des structures composites sont gouvernées par les paramètres de cuisson. En effet, ces derniers influencent non seulement les taux volumiques de chaque composant et les changements physico-chimiques de la matrice lors de la polymérisation mais également la variation de l'ensemble des paramètres géométriques à l'échelle de la structure considérée (épaisseurs des plis et inter-plis, paramètres de percolation, etc.). Nous proposons ici de suivre in situ et en temps réel le processus de cuisson de composites fabriqués à partir de préimprégnés unidirectionnels T700/M21 en utilisant des mesures d'impédance électrique. L'instrumentation utilisée (électrodes flexibles : flex et toile) est suffisamment robuste pour proposer des mesures fiables et reproductibles sur la caractérisation électrique du matériau composite pendant sa cuisson. Afin de pouvoir caractériser le changement du comportement électrique anisotrope en cours de cuisson et de proposer une étude des paramètres nécessaires à une future modélisation (pouvant mener à l'asservissement des moyens de cuisson), une analyse microstructurale multi-échelle a été réalisée. Cette dernière a permis de suivre l'évolution des différents paramètres géométriques retenus en fonction du temps de cuisson et à différentes échelles (micro-, méso- et macroscopiques): fractions surfaciques ou volumiques des constituants (fibres, résine et porosité), paramètres de percolation (nombre de points de contacts surfaciques et distances de percolation) et épaisseurs (stratifiés, plis et inter-plis). Les mesures électriques obtenus en temps réel de cuisson sont corrélées non seulement à la variation des paramètres rhéologiques obtenus lors d'essais DSC et DMA (à cycle de cuisson identique) mais également à la variation des paramètres géométriques en cours de cuisson. L'étude de faisabilité a été réalisée avec plusieurs types de cuisson : cycles sans défauts (à l'étuve et à l'autoclave) et cycles perturbés (présence d'une anomalie avant ou en cours de cuisson). Les résultats obtenus montrent la possibilité de rendre compte de l'évolution de l'ensemble des paramètres étudiés et ainsi le fort potentiel des mesures d'impédances électriques dans le monitoring de la cuisson de ce type de matériau. En ce qui concerne l'instrumentation utilisée (flex ou toile), la présence des électrodes à cœur ne doit pas perturber l'intégrité de la pièce composite réalisée. Pour cela, une étude d'intrusivité a été menée à travers des analyses microstructurales comparatives (sur des échantillons cuits en étuve et autoclave) et des essais de caractérisation mécanique (flexion 3 points et traction). Il en ressort que les électrodes de type toile semblent être un très bon compromis mesures électriques/non intrusivité. Le matériau est utilisé ici comme capteur mais pourra également servir d'actionneur (fonctionnalisation du matériau : thermique et mécanique) et l'instrumentation utilisée restera par la suite en son sein pour suivre l'état du matériau en service (SHM). Dans cette perspective, les travaux de thèse se sont également intéressés à l'étude de la possibilité de suivre le comportement mécanique d'échantillons unidirectionnels soumis à une flexion trois points via les mesures de la résistance électrique. / The final properties of composite structures are governed by the curing parameters. Indeed, they not only affect the volume rate of each component and the physicochemical changes of the matrix during the polymerization but also the variations of the set of geometric parameters at the structure scale (plies and inter- plies thicknesses, percolation parameters, etc.). We propose to follow in situ and in real time the curing process of composites made from unidirectional T700 / M21 prepregs using electrical impedance measurements. The instrumentation used (flexible electrodes: flex and weave) is robust enough to offer reliable and reproducible measurements on electrical characterization of the composite material during curing. In order to characterize the change of the anisotropic electrical behaviour during curing and propose a study of the parameters needed for future modelling (which can lead to the complete control of the curing process), a multi-scale microstructural analysis was performed. This latter has tracked the evolution of different geometric parameters depending on curing time and at different scales (micro, meso and macroscopic): surface or volume fractions (fibre, matrix and porosity), percolation parameters (contact points and percolation distances) and thicknesses (laminate, plies and inter-plies). Electrical measurements obtained during curing are correlated not only to the change of rheological parameters obtained during DSC and DMA tests (identical cure cycle) but also to the variation of the geometrical parameters during curing. The feasibility study was carried out with several types of cures: cycles without defects (in oven and autoclave) and disturbed cycles (defect before or during curing). The results show the possibility to account for the evolution of all studied parameters and thus the potential of the electrical impedance measurement to monitor the curing of this kind of composite material. Regarding the instrumentation used for this study (flex or weave), it must not disturb the integrity of the produced composite part. For the purpose, an intrusiveness study was conducted through comparative microstructural analyses (on samples cured in oven and autoclave) and mechanical characterization tests (3-point bending and tensile tests). It shows that the weave electrodes seem to be a very good compromise electrical measurements / non intrusiveness. The material is used here as a sensor but can also be used as actuator (thermal and mechanical material functionalization) and the instrumentation will remain thereafter within it to monitor its structural health (SHM). In this perspective, the thesis work was also interested in monitoring the mechanical behaviour of unidirectional samples subjected to three-point bending via electrical resistance measurements.

Le but de cette étude est de produire un biopolymère conducteur utilisable en génie tissulaire. Pour y parvenir, nous avons préparé un biomatériau conducteur à base d'acide polylactique (PLA) et de polypyrrole (PPy). Les analyses physicochimiques montrent que le biopolymère est bien structuré et malléable sans être fragile. Le PPy est distribué sur toute la surface de la membrane d'acide PLA assurant une conductivité continue. Lorsqu'un champ électrique est appliqué au biopolymère, les fibroblastes prolifèrent beaucoup plus comparativement au biopolymère sans champ électrique. Les analyses ultrastructurales confirment l'adhésion et un phénotype normal (élongation cellulaire, formation de dendrites, petit noyau, petit cytoplasme) de fibroblastes prolifératifs. Suite à une stimulation électrique, des médiateurs inflammatoires (IL-6 et IL-8) sont modulés sur le plan génomique et protéique. Conclusion: L'ensemble de ces travaux démontre que l'application d'un champ électrique à la surface d'un biomatériau biocompatible et conducteur favorise l'adhésion, la prolifération et la structuration des fibroblastes humains. Ces travaux suggèrent le potentiel conducteur des biopolymères en génie tissulaire.

Le travail présenté dans ce mémoire traite le comportement électrique et rhéologique de systèmes immiscibles polypropylène/polyméthacrylate de méthyle (PP/PMMA) chargés avec des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT). Les principaux travaux et résultats sont : a) La préparation des mélanges avec différentes concentrations de PP et PMMA en optimisant les paramètres de mise en œuvre. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB), ainsi que les résultats obtenus par la méthode d'extraction sélective du PMMA par le chloroforme, montrent la création d'une morphologie co-continue à un pourcentage massique de 60% PP et 40% PMMA. b) Différentes concentrations massiques de MWCNT ont été introduites dans le mélange optimisé afin de créer un composite conducteur. Un calcul thermodynamique a été fait pour déterminer la localisation des MWCNT qui construisent un réseau conducteur. Ce calcul montre la présence des MWCNT à l'interface PP/PMMA. c) Une conception et une optimisation a été réalisée sur une nouvelle configuration pour suivre simultanément l'évolution de la conductivité électrique et les paramètres rhéologiques. d) Des mesures de résistivité électrique à température ambiante et à 200° C ont été effectuées.On a atteint le seuil de percolation électrique de notre système PP/PMMA avec des concentrations de MWCNT beaucoup plus faible (0,5% MWCNT) par rapport au système PP/MWCNT. Ceci est expliqué parla morphologie co-continue des deux phases polymères et la présence de charges localisées à l'interface. e) Des mesures électrique et rhéologique simultanées ont été effectuées à200° C. On a trouvé que la conductivité électrique de mélange est affectée par un balayage de déformation. Pour de faibles valeurs de déformations, une amélioration de la conductivité a été observée pour les concentrations au-dessus du seuil de percolation. Cette variation devient moins importante pour des valeurs plus élevées. Pour de grandes déformations, une diminution de la conductivité électrique a été observée à partir d'une valeur critique de déformation.

L’industrie de l’aluminium vit des bouleversements économiques, d’où l’importance de réduire les coûts d’opération. Le présent projet se penche sur les pertes ohmiques du scellement anodique. Les essais ont été complétés entre les conditions ambiantes jusqu’à charge et température maximales permises par le banc d’essais. Les travaux furent complétés sur un banc d’essais novateur - permettant une stabilisation rapide de la température et une faible oxydation de la portion carbonée de l’échantillon - et des échantillons (acier-fonte-carbone) fabriqués pour reproduire la réalité. Ensuite, une régression non linéaire a été utilisée pour modéliser le comportement mesuré en laboratoire. L’analyse statistique démontre que le modèle représente adéquatement le comportement des interfaces à mesure que la charge appliquée et la température s’intensifient. La comparaison avec la littérature démontre une similitude, toutefois les résultats diffèrent de façon significative. Ceci s’explique par l’utilisation de matériaux différents et par le changement de méthode expérimentale. / The aluminum industry faces economical headwinds, thus needing to reduce its operating costs. The project studies specifically energy losses at anode sealing location. Experiments were conducted from room conditions up to the maximum capacity of the bench test. Laboratory work was completed using tri-material samples (made in such a way to replicate accurately reality) and an innovative bench test using magnetic induction as a source of heat that enables minimal heat-up time and sample oxidation during experiments. Non-linear regression was then used to retrieve a model from laboratory results. Analysis showed that a power model represents accurately the interfaces behavior from room to operation conditions. Comparison with literature showed that the order of magnitude is the same but results are not similar. This observation can be explained by the use of slightly different materials and also due to the use of a different experimental procedure.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les cellules thalamocorticales (TC) du noyau ventro-postéro-latéral (VPL) du thalamus relayent l'information du système somatosensoriel (synapses excitatrices lemniscales aux dendrites proximaux) à la région correspondante du cortex, mais reçoivent également en rétro-propagation des projections du cortex (synapses excitatrices corticothalamiques aux dendrites distaux). Afin d'étudier l'intégration synaptique aux différentes parties de la cellule TC, nous avons bâti un modèle multi-compartimental à partir de reconstructions tridimensionnelles de cellules du noyau VPL, ce qui consiste en une discrétisation spatiale des dendrites en une multitude de segments associés à des circuits RC interconnectés. Nous avons pu dégager quantitativement l'impact de la géométrie cellulaire (taille d'arborisation et diamètre dendritique) sur l'amplitude et sur la durée des réponses au soma. Nous avons par la suite comparé l'intégration synaptique pour différentes distributions des entrées aux dendrites proximaux et distaux et sous différentes conditions de courants intrinsèques et de potentiel membranaire. Dans tous les cas, la sommation des entrées proximales induisait une réponse indépendante de la distribution, alors que la réponse aux entrées distales saturait lorsqu'elles étaient localisées aux mêmes branches. Nos résultats ont permis d'apporter une explication physiologique au patron d'organisation synaptique chez les cellules TC. / Thalamocortical (TC) cells from the ventroposterolateral (VPL) nucleus of the thalamus relay the somatosensory inputs (excitatory lemniscal synapses at proximal dendrites) to the corresponding cortical area, but also receive feedback excitatory inputs from the cortex (corticothalamic synapses at distal dendrites). The goal of this study was to compare the synaptic integration of inputs coming to proximal vs. distal dendrites. A multicompartmental model was drawn from fully reconstructed cells of the VPL nucleus. Dendrites were spatially discretized in multiple segments associated to interconnected RC circuits. We were able to characterize the impact of neuronal size and dendritic diameter on the amplitude and on the time course of the somatic response. We also compared the synaptic integration for different distributions of proximal or distal inputs under different conditions of membrane potential and active properties. In all cases, the summation of proximal inputs was independent of their distribution, while the response induced by distal inputs saturated when those inputs were located at the same branches. The results obtained in this study suggest a physiological explanation of the synaptic pattern at TC cells.

Les nanomatériaux organiques peuvent présenter des propriétés physiques originales pour deux raisons : une longueur physique caractéristique comparable à la taille de l'objet, une modification de la structure. Nous avons synthétisé électrochimiquement des nanofils de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) par la méthode Template. L'étude des propriétés électriques de ces nanofils jusqu'à 1.5 K montre des comportements variant fortement avec le diamètre. Ainsi le PEDOT, dans le régime critique pour le film, devient de plus en plus isolant quand le diamètre des nanofils diminue. Une étude de diffusion Raman résonant a été réalisée sur film et sur fil isolé. Nous interprétons les changements en terme de structure électronique et moléculaire de nos systèmes. Les résultats de nos études spectroscopiques (Absorption optique, Raman, XPS, RPE) montrent clairement une compétition entre le niveau de dopage, la longueur de conjugaison, la nature des charges et la structure du polymère.

Les matériaux composites de haute performance à base de fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans des secteurs où la sécurité est critique (aéronautique, spatial, génie civil...). Ces matériaux offrent des performances mécaniques très élevées, par rapport à leur densité (légèreté, rigidité...). Ils offrent de nombreux avantages tels que la résistance mécanique, la réduction de masse et de consommation. Par conséquent, il est important de connaître Les caractéristiques du matériau lors de son processus d'élaboration (durcissement ou cuisson) ou lors de son utilisation. Dans le but d'optimiser l'utilisation ou de contrôler l'intégrité, les efforts sont employés à l'aide de plusieurs techniques pour surveiller le cycle de cuisson ou la santé des structures composites lors du conditionnement et en service. Au-delà des méthodes existantes de mesure unique de la résistance ou de la capacité du matériau, nous présentons ici une technique d'analyse d'impédance électrique afin d'extraire certaines propriétés spécifiques du matériau (résistance, capacité, Impédance et argument) dans le but de connaître son comportement. La micro structure du matériau étant faite de conducteur (fibre de carbone) et d'isolant (résine), un modèle de la conduction électrique a été établi en utilisant un réseau de résistance (RP) et de capacité (CP) parallèles d'impédance caractéristique Z. Puis le matériau est instrumenté à cœur à l'aide d'électrodes minces et flexibles (flex). Ensuite, une analyse de spectroscopie d'impédance est réalisée sur des échantillons en cycle de cuisson et en poste cuisson lors des tests mécaniques grâce un banc de mesure spécifiquement développé. Les résultats de l'analyse renseignent sur les propriétés intrinsèques du matériau et montrent une sensibilité de ces propriétés électriques (RP et CP ou Z et θ) en fonction de l'évolution du cycle et des tests mécaniques. Il est donc possible de faire le Structural Health Monitoring (SHM) ou mieux encore le Prognostics and health management (PHM). / The high-performance composite materials based on carbon fiber are increasingly used in critical security areas (aeronautics and civil engineering) for the high mechanical performances as regards to their low density. They offer many benefits such as mechanical strength, mass and consumption reduction. Thus, it is important to know their characteristics during curing process or their use. With the aim to optimize their use or to control their integrity, efforts are employed by using several techniques to monitor their curing cycle or the health of the structures during the conditioning stage and the service stage. Beyond the existing methods of unique measurement of the resistance or the capacitance of the material, we present herein a technique of electrical impedance analysis to extract some specific material properties (resistance, capacitance, Impedance and argument) in order to know its behavior. As the microstructure of the material contains a conductor part (carbon fiber) and an insulator part (resin), a three-dimensional (3D) model of the electrical conduction in the material was established by using a network of a resistance RP connected in parallel with a capacitance CP (impedance Z) to describe the anisotropy of the material. Then, the thin flexible electrodes (flex) are inserted inside the material and the specific impedance measurement bench is developed to perform a real-time measurement of RP and CP or Z and θ. Spectroscopic impedance analysis of the studied samples informs about the intrinsic properties of material and shows a sensitivity of these electrical properties according to the curing cycle. Then the sensitivity to some physical parameters (temperature, deformations, etc.) will be demonstrated in order to provide necessary elements to know or predict the health of the material for SHM (Structural Health Monitoring) and PHM (Prognostics and health management) purpose.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2000Bitstream added on 2014-06-13T21:03:35Z : No. of bitstreams: 1 tokumoto_ms_dr_araiq.pdf: 6453126 bytes, checksum: 447f40e37c150a2324e421ef840a6780 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Des couches minces de ZnO, transparentes à la lumière visible et refléctantes pour les radiations infrarouges, ont été mises au point par pyrosol (procédé sol-gel). Le sol a été obtenu à partir d’une solution éthanolic d’acétate de zinc sous reflux a 80ºC pendant 3 heures. La dépendance de la croissance et agrégation des particules du sol par rapport aux variables du procédé sol-gel lui-même (effet du catalyseur, de la température, de la concentration) a été couplée à des caractérisations structurales par turbidimétrie, SAXS et EXAFS. Les résultats montrent que dès le début de la réaction, des petits clusters (≈20 Å) se forment et s’agrègent pour donner naissance aux particules primaires et secondaires (60 a 100 Å). L’étude structurale des poudres obtenues après séchage des différents sols montre que quelle que soit la nature du catalyseur, les poudres sont constituées par un mélange de différentes phases. Ceux dérivés de la catalyse basique sont sensibles au chargement de température: ils présentent la plus haute teneur en oxyde de zinc quand ils sont hydrolysés à 10ºC, sont riches en hydroxyacétate de zinc pour les températures d’ordre de 40ºC et présentent une proportion élevé d’acétate de zinc quand ils sont l’hydrolysés à 70ºC. Par ailleurs, les solides dérivés de l’hydrolyse acide ne montrent pas de forte dépendance vis à vis de la température du traitement iso thermique et sont constitués en majorité par de l’acétate de zinc. Les propriétés électriques et optiques des couches minces de ZnO non dopés ou dopés par de l’indium ont été étudiées...