Statics, dynamics, rheology and scission-recombination kinetics of self-assembling linear micelles are investigated at equlibrium state and under shear flow by computer simulations using a newly proposed mesoscopic model. We model the micelles as linear sequences of Brownian beads whose space-time evolution is governed by Langevin dynamics. A Monte Carlo algorithm controls the opening of a bond or the chain-end fusion. A kinetic parameter omega modelling the effect of a potential barrier along a kinetic path, is introduced in our model.<p>For equilibrium state we focus on the analysis of short and long time behaviors of the scission and recombination mechanisms. Our results show that at time scales larger than the life time of the average chain length, the kinetics is in agreement with the mean-field kinetics model of Cates. By studying macroscopic relaxation phenomena such as the average micelle length evolution after a T-jump, the monomer diffusion, and the zero shear relaxation function, we confirm that the effective kinetic constants found are indeed the relevant parameters when macroscopic relaxation is coupled to the kinetics of micelles.<p>For the non-equilibrium situation, we study the coupled effects of the shear flow and the scission-recombination kinetics, on the structural and rheological properties of this micellar system. Our study is performed in semi-dilute and dynamically unentangled regime conditions. The explored parameter omega range is chosen in order for the life time of the average size chain to remain shorter than its intrinsic (Rouse) longest relaxation time. Central to our analysis is the concept of dynamical unit of size Lambda, the chain fragment for which the life time tau_Lambda and the Rouse time are equal. Shear thinning, chain gyration tensor anisotropy, chain orientation and bond stretching are found to depend upon the reduced shear rate Beta_Lambda=gamma dot*tau_Lambda while the average micelle size is found to decrease with increasing shear rate, independently of the height of the barrier of the scission-recombination process. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La biomimètica o biomimetisme són termes que simbolitzen el concepte “aprendre de la naturalesa”, és a dir, aprendre dels seus sistemes, processos i models, a fi d’utilitzar la natura com a font d’inspiració per solucionar problemes de l’home. El biomimetisme és actualment un concepte recurrent en l’àrea d’enginyeria de teixits i d’ell en sorgeixen idees per obtenir plataformes més elegants i sofisticades que puguin imitar millor les interacciones entre les cèl•lules i el seu ambient. Aquesta tesi pretén desenvolupar models, en dues i en tres dimensions, mitjançant la recreació d’un o més factors característics de l’ambient natural de la cèl•lula i que juguen un paper important en el comportament cel•lular. Se sap que tant les propietats químiques com les mecàniques de la matriu extracel•lular influeixen sobre les funcions cel•lulars. És per això que es va dissenyar un nou film polimèric que pogués combinar un hidrogel, amb propietats mecàniques variables, amb un monòmer reactiu capaç d’immobilitzar biomolècules. Degut a la complexitat del polímer dissenyat, va ser necessari recórrer a una tècnica de polimerització superficial molt versàtil com és la deposició química iniciada en fase vapor (més coneguda pel seu acrònim en anglès iCVD). Els polímers varen ser àmpliament caracteritzats i es va corroborar que podien ser modificats amb petites biomolècules com ara pèptids senyalitzadors. Les superfícies resultants són bioactives i permeten l’adhesió de cèl•lules endotelials. Unes altres superfícies biomimètiques, rellevants en l’àmbit de l’enginyeria de teixits d’os, es varen obtenir a partir d’una hidroxiapatita sintetitzada pel mètode de sol-gel submergint-la en diferents medis fisiològics. La dissolució i posterior reprecipitació dels ions proporcionen una capa d’apatita amb una composició similar a la que es troba in vivo. Els experiments evidencien la importància de partir d’un material relativament soluble. És per això que la hidroxiapatita pura no és capaç d’induir la precipitació d’aquesta apatita biomimètica in vitro. Diversos investigadors han relacionat la capacitat de formar apatita amb la bioactivitat del material, entenent bioactivitat com l’habilitat d’aquests materials de promoure la unió amb l’os. Per a l’enginyeria de teixits, però, és necessari un ambient tridimensional per tal de generar un teixit artificial. S’ha desenvolupat un nou model basat en l’ús d’un gel molt tou per tal d’obtenir un teixit dur com el de l’os. Malgrat que aquests dos conceptes poden semblar contradictoris, les cèl•lules adquireixen l’habilitat d’allargar-se ràpidament i crear una densa xarxa cel•lular dins d’aquest ambient poc restrictiu des d’un punt de vista mecànic. La consegüent contracció del sistema acaba formant un constructe més petit i resistent. Aquest és un sistema biomimètic ja que promou una gran interacció cel•lular i també la condensació de les cèl•lules, esdeveniments que tenen lloc també durant el desenvolupament de l’os i el cartílag. El model es va caracteritzar extensament amb cèl•lules ostoprogenitores MC3T3-E1 que es diferenciaren amb inducció química. A més a més, es va demostrar que l’ambient tridimensional podia promoure l’expressió espontània de marcadors osteogènics. Degut a les interessants propietats del sistema, el mateix model es va utilitzar per induir la diferenciació condrogènica de fibroblastos dermals humans. Aquests tipus cel•lular no ha estat gaire explorat en l’àmbit de l’enginyeria de teixits, malgrat que ofereix un gran potencial en teràpia regenerativa. Aquest treball proporciona proves de la capacitat condrogènica d’aquestes cèl•lules en el sistema tridimensional prèviament desenvolupat. / La biomimètica o biomimetismo son términos que simbolizan el concepto “aprender de la naturaleza”, es decir, aprender de sus sistemas, procesos y modelos, y utilizarlos como fuente de inspiración para solucionar problemas del hombre. El biomimetismo es actualmente un concepto recurrente en el área de ingeniería de tejidos y de este surgen ideas para obtener plataformas más elegantes y sofisticadas que puedan mimetizar mejor las interacciones entre las células y su ambiente. La presente tesis se centra en desarrollar modelos, tanto en dos como en tres dimensiones, mediante la recreación de uno o más factores que caracterizan el ambiente natural de la célula y que tienen su rol importante en el comportamiento celular. Se conoce que tanto las propiedades químicas como mecánicas de la matriz extracelular influyen en las funciones celulares. Debido a esto, se diseñó un nuevo film polimérico que pudiera combinar un hidrogel, con propiedades mecánicas variables, con un monómero reactivo, capaz de inmovilizar biomoléculas. Debido a la complejidad del polímero diseñado, fue necesario recurrir a una técnica de polimerización superficial muy versátil como es la deposición química iniciada en fase vapor (más conocida por su acrónimo en inglés iCVD). Los polímeros fueron ampliamente caracterizados y se corroboró que podían ser modificados con pequeñas biomoléculas como péptidos señalizadores. Las superficies resultantes son bioactivas y permiten la adhesión de células endoteliales. Se obtuvieron otro tipo de superficies biomiméticas relevantes en el ámbito de la ingeniería de tejidos de hueso, a partir de una hidroxiapatita sintetizada por el método sol-gel sumergiéndolas en diferentes medios fisiológicos. La disolución y posterior reprecipitación de los iones proporcionan una capa de apatita con una composición similar a la que se encuentra in vivo. Los experimentos evidencian la importancia de partir de un material relativamente soluble. Precisamente debido a esto la hidroxiapatita pura no es capaz de inducir la precipitación de esta apatita biomimética in vitro. Varios investigadores han relacionado la capacidad de formar apatita con la bioactividad del material, entendiendo bioactividad como la habilidad de estos materiales de promover la unión con el hueso. De todos modos, en ingeniería de tejidos, es necesario un ambiente tridimensional para generar un tejido artificial. Se ha desarrollado un nuevo modelo basado en el uso de un gel blando para obtener tejido duro como el del hueso. Aunque estos conceptos pueden parecer contradictorios, las células adquieren la habilidad de estirarse rápidamente y de formar una densa red celular dentro de este gel tan poco restrictivo desde un punto de vista mecánico. La consiguiente contracción del sistema acaba formando un constructo mucho más pequeño y resistente. Este es un sistema biomimético ya que promueve una gran interacción celular y también la condensación de las células, eventos que también ocurren durante el desarrollo de hueso y cartílago. El modelo se caracterizó extensamente con células osteoprogenitoras MC3T3-E1 que se diferenciaron bajo inducción química. Además, se demostró que el microambiente tridimensional podía promover la expresión espontánea de marcadores osteogénicos. Debido a las interesantes propiedades del sistema, el mismo modelo se usó para inducir la diferenciación condrogénica de fibroblastos dermales humanos. Este tipo celular no ha sido demasiado explorado en ingeniería de tejidos, a pesar de que puede tener un gran potencial en terapia regenerativa. Este trabajo proporciona pruebas de la capacidad condrogénica de estas células en el sistema tridimensional previamente desarrollado. / Biomimetics or biomimicry are terms that imply “learning from nature”, from its systems, processes and models, in order to use nature as inspiration to solve human problems. In tissue engineering, biomimetics is nowadays a recurrent term and a source of ideas to obtain more elegant and sophisticated platforms that could better mimic the interactions between cells and their environment. This thesis is focused on developing models both in two- and three-dimensions by recreation of one or more factors of the cell natural environment that are known to play an important role in cell behavior. Since both the chemical and mechanical properties of the extracellular matrix are known to effectively influence cell function, an innovative polymeric thin film was designed combining a hydrogel with tunable mechanical properties and a reactive molecule, capable to immobilize biomolecules. Due to the complexity of the polymers, a versatile technique such as initiated chemical vapor deposition (iCVD) was required for the synthesis. Extensive characterization revealed that nanostructured hydrogels were obtained and that small biomolecules, such as signaling peptides, could be attached on the surface. The final surfaces are bioactive and support endothelial cell attachment. Relevant biomimetic surfaces for bone tissue engineering could also be obtained from a sol-gel synthesized hydroxyapatite after immersion in different physiological media. The dissolution and posterior reprecipitation of the ions rendered a final apatite layer with a composition similar to that found in vivo. The experiments evidenced the importance of starting from a rather soluble material and, thus, pure hydroxyapatite was not able to promote apatite precipitation in vitro. This capacity has been related to the material bioactivity by many researchers in terms of its ability to bond to bone in tissue engineering applications. However, for tissue engineering a three-dimensional environment is required to build tissue-like constructs. A new model was developed based on the use of a very soft gel to obtain hard tissue. Although the concepts might seem to work in opposite directions, cells gain the ability to rapidly elongate and form a dense cellular network within this unrestrictive environment. Subsequent contraction of the whole system rendered a smaller and stronger final tissue-like construct. This system was considered biomimetic as it promotes high cell-cell interaction and cellular condensation, which are events that occur in bone and cartilage development. This system was extensively characterized with osteoprogenitor MC3T3-E1 cells that could undergo full osteogenic differentiation under chemical induction. More interestingly, the three-dimensional microenvironment was also able to promote by itself spontaneous expression of bone-related markers. Due to the interesting properties of this system, the same model was used to induce chondrogenic differentiation of human dermal fibroblasts. This cell type has been poorly explored for tissue engineering applications, but it might have great potential in future therapeutic platforms. This work provides proof of concept of chondrogenic potential of these cells in this three-dimensional system.

No description available.

Les milieux réactionnels issus de l’étude de la réactivité de deux types de polyols, le glycérol et le diglycérol par réaction d’estérification directe avec l’acide undécylénique, catalysée par l’acide dodécylbenzène sulfonique (ADBS). Les résultats montrent que les ystèmes polyol/acide undécylénique donnent une émulsion eau dans huile (E/H). L’ajout de l’ADBS et de l’eau formée in-situ aux systèmes polyol/acide undécylénique ont permis de réduire la taille des gouttelettes de 50 μm à moins de 1 μm et d’obtenir un système organisé (micro-réacteur). L’augmentation de la température contribue à favoriser le transfert de matière dans les systèmes émulsionnés et / ou gélifiés et d’obtenir un système monophasique, homogène et structurés. L’étude de la réaction de ces systèmes avec une approche site à site (site OH / site COOH) a montré que lorsque le nombre de sites acides carboxyliques est inférieur à celui des sites hydroxyles, la synthèse est totalement sélective en esters partiels des deux polyols (glycérol et diglycérol). Les rendements sont supérieurs respectivement à 60% en esters partiels de glycérol et à 70% en esters partiels de diglycérol. La modélisation de la cinétique de synthèses et la régression des données cinétiques ont montré que la réaction est réversible d’ordre 2 et athermique. Les énergies d’activation calculées sont de 17 kcal/mol et 16 kcal/mol respectivement pour le monoundécénoate de glycérol (MUG) et le diundécénoate de glycérol (DUG). De plus, la méthodologie de recherche expérimentale a montrée que les variables (concentration en catalyseur ADBS et température) permettent d’obtenir le MUG avec un rendement de plus de 60% et une sélectivité en MUG de 80%. Ensuite, l’étude de la réactivité de la double liaison terminale du MUG en présence de deux agents oxydants pour engendrer des molécules bolaamphiphiles simples a été réalisée par H2O2 / acide formique et acide métachloroperbenzoïque (m-CPBA). Les résultats ont montré le 10,11-dihydroxy-monoundécénoate de glycérol (MUGDiol) est obtenu par oxydation au H2O2 / acide formique et le 10,11-époxy-monoundécénoate de glycérol (MUGE) par réaction d’époxydation avec la m-CPBA. L’ouverture de la fonction époxyde par des molécules aminées permet l’observation de nouvelles molécules bolaamphiphiles : le 10-hydroxy-N-11-((2-hydroxyéthyl)amino)monoundécénoate de glycérol(bola éthanolamineglycérol) et le N,N-11-(diaminobutan)-10-hydroxymonoundecanoate de glycérol (bola diaminobutaneglycérol). L’étude des propriétés physico-chimiques de ces molécules amphiphiles et bolaamphiphiles a permis de monter que toutes ces molécules sont de solvo-surfactants actifs aux interfaces et elles réduisent la tension interfaciale de l’eau jusqu’à la limite de la solubilité dans l’eau. L’adsorption des molécules ne vérifie pas le modèle de Gibbs. Le MUG et le MUDG s’auto-assemblent dans l’eau et donnent des nano-objets (vésicules et agrégats plats) et s’adsorbent sur des surfaces polaires et solides (silice et ciment). Ces deux molécules retiennent 30% et 56% molécules d’eau et le nombre de molécules d’eau fortement liée aux têtes polaires est de 21 et 49 respectivement pour le MUG et le MUDG. Pour es molécules bolaamphiphiles pures (MUGE et bola éthanolamineglycérol), elles retiennent plus de 56% de molécules d’eau et se lient à plus 53 molécules d’eau. L’ensemble de ces propriétés physico-chimiques a permis de répondre aux problématiques industrielles et de formuler un produit de cure, un agent de démoulage et un produit anti-adhérent. / This study is of the reactivity of two types of polyols (glycerol and diglycerol) by direct esterification reaction with undecylenic acid from castor oil. This reaction was catalyzed by dodecylbenzene sulfonic acid (DBSA). The first step was to study of polyol / undecylenic acid reaction systems by physico-chemical approach. The result have shown that these systems give water-in-oil (W / O) emulsion. Adding DBSA and water formed in-situ in polyol/undecylenic acid systems have reduced droplet size from 50 microns to less than 1 μm and form an organized system (micro-reactor). Increasing temperature can simplify transfers in emulsified systems and / or melted gel and to get a monophasic and homogeneous system. The only systems and aided by water formed in-situ assists the organization and structuring of gels. The reaction study of these systems was analyzed by gas chromatography. This showed that when the number of carboxylic acid function sites is less than the hydroxyl function site, synthesis is totally selective to partial esters of the two polyols (glycerol and diglycerol). The yields are higher than 60% in partial glycerol esters and 70% in partial diglycerol esters. The kinetic modeling of this synthesis and regression of kinetic data by the software GEPASI showed that the reaction follows the reversible 2 order and it is athermic. The calculated activation energy is 17 kcal/mol for the synthesis of glycerol monoundecenoate (GMU) and 16 kcal/mol for glycerol diundecenoate (GDU), these values are close to the theoretical values and they show that the reaction is happening at room temperature. Moreover, the response of the surface methodology shows that the variables chosen for the present study are temperature and catalyst concentration have a positive effect on the yield of the GMU. This approach was used to determine the optimum conditions for producing the GMU. Second study performed was of the reactivity of the terminal double bond of the GMU in presence of two oxidizing agents H 2 O 2 / formic acid and metachloroperbenzoic acid (m-CPBA), for synthesized bolaamphiphiles molecules was performed. The H 2 O 2 /formic acid was used to oxidize the double bond of GMU in diol function of glycerol 10,11-dihydroxymonoundecenoate (GMUDiol). The m-CPBA epoxidizes the double bond of GMU to give glycerol 10,11-epoxymonoundécénoate (GMUE). The opening of the epoxide function by aminoalcohol molecules are used to generate the new molecules bolaamphiphiles molecules: the bola ethanolamineglycerol and the bola diaminobutaneglycerol. The third step was the stady of the physico-chemical properties of pure amphiphilic and bolaamphiphiles molecules. The result was shown that all molecules are solvo-surfactants molecules and they are active in the interfaces (liquid/air and liquid/solid). The curves of surface tension of water do not respect the Gibbs rule. GMU and DGMU self- assemble in water and give nano-objects (vesicles and aggregates) in diluted solutions. In hydrogel, the molecules self-assemble in lamellar phase. In this lamellar phase, the amount of water retained is 56% and the number of water molecules strongly linked to the polar heads is 49 moles of water/diglycerol monoundecenoate molecule (DGMU). All these physico-chemical properties have permit to respond to industrial problems such as water retention for the curing product, self-assembly for demoulding concrete and for surface anti-adhesion and adsorption and finally foaming required for the aged bitumen regeneration. For pure bolaamphiphiles molecules (GEMU and ethanolamineglycerol bola) reduce the interfacial tension of water to the limit of the solubility of this bola molecules in water but do not provide a critical aggregation concentration (CAC). They retain more water molecules respectively between 56% and 63% water and the number of water molecules strongly bound with two polar heads groups pure bolaamphiphiles molecules is between 42 and 53.