L'objectif de ces travaux était de mettre au point une nouvelle voie de modification de la silice comme renfort d'élastomères silicones. La polymérisation par ouverture de cyclosiloxanes anionique (POCA) amorcée directement à partir de la silice dispersée en phase aqueuse a été réalisée. Les caractéristiques des silices utilisées dans cette étude ainsi que leur comportement en dispersion aqueuse ont tout d'abord été étudiés. La silice affiche des groupements silanolates à la surface de la silice pour des pH supérieurs au point de charge nulle. A pH 7, ces groupements silanolates en surface sont capables d'amorcer une polymérisation des cyclosiloxanes, et pas en suspension aqueuse. L'influence du contre-ion et de sa concentration sur le greffage obtenu s'est avérée primordiale, en complément des propriétés adsorbantes de la silice via les liaisons siloxanes. Les silices obtenues par ce nouveau procédé ont fait l'objet d'analyses poussées par thermogravimétrie, fragmentation-CPG, 29Si RMN simple impulsion et pyrolyse CPG-SM dans le but de décrire précisément la conformation du greffage. Le procédé a été transféré à plus grande échelle pour permettre la production d'importantes quantités de silice qui ont ensuite été incorporées dans une matrice silicone. Des limites de densités de greffage au-delà et en deçà desquelles la silice est mal dispersée dans le matériau ont été mises en évidence par traitement d'image. Les propriétés des élastomères ont été évaluées à partir de tests de dureté, de traction uniaxiale, de traction cyclique et de résistance à la déchirure dans le but d'étudier l'influence du greffage (conformation et groupements vinylés) sur le renforcement. / This work deals with a new way of modifying silica surface in a view to reinforce silicone elastomers. The surface-initiated ring-opening-polymerization (Si-ROP) of cyclosiloxanes was performed directly from the surface of silica dispersed in water. The characteristics of silica used in this study and their behavior in aqueous dispersion were first studied. For pH higher than the Point of Zero Charge, silica presents silanolate groups at its surface that are able to initiate the ROP of cyclosiloxanes from the surface, and not in aqueous suspension. The influence of the counter-cation and its concentration proved to be essential, in addition to silica's adsorbing properties. Modified silicas obtained by this new process were deeply analyzed by thermogravimetric analyses (TGA), fragmentation-GC, simple impulsion 29Si RMN and pyrolysis GC-MS in order to describe precisely the grafting conformation. The polymerization process was then scaled up to produce higher quantities of modified silica, which were incorporated in a model silicone formulation. Highest and lowest grafting densities tended to poor silica dispersions, as shown by image treatment. Hardness tests, uniaxial tensile and cyclic tests and tear resistance tests were performed in order to evaluate the influence of the grafting (conformation and vinylated groups) on silicone elastomers properties.

Self-assembled microsphere monolayers (SMMs) hold significant promise for micro- and nanopatterning. Here we exploit, for the first time, SMMs as stamps for microcontact printing (μCP) and demonstrate this to fabricate patterned initiator templates that can subsequently be amplified into polymer brushes by surface initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). SMM stamps avoid the need for expensive and sophisticated instrumentation in pattern generation, and provide a broad range of accessible surface chemistries and pitch size control.

The objective of this research is to develop and apply a HILIC UHPLC stationary phase that allows for separation of intact glycoproteins. In Chapter 1 I give an overview of the problems of current glycosylation profiling with regards to biotherapeutics, and my strategy to separate the intact glycoprotein with HILIC. Chapter 2 describes the methods used to produce the nonporous packing material and stationary phase. In Chapter 3 I describe previous work in developing a HILIC polyacrylamide stationary phase, and further improvements I have made. Chapter 4 describes development of an assay in collaboration with Genentech of therapeutic mAb glycosylation. In Chapter 5, I show HILIC-MS of digested ribonuclease B as a beginning step to analyze glycosylated biomarkers.

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses. / Neutral polymer brushes of poly(tert-butyl acrylate) (PtBA) and polyelectrolyte brushes of poly(acrylic acid) (PAA) were chemically grafted on mica in order to study their conformation as a function of grafting density, pH and ionic strength. The brushes were prepared via surface-initiated atom-transfer radical polymerization (SI-ATRP). This approach allows the control of the polymer growth and of the polymer grafting density. The study of brush conformation was investigated by measuring the dry and the swollen film thicknesses by Atomic Force microscopy (AFM) under various environmental conditions. Mica substrates were activated by a plasma method leading to OH-functionalized surfaces to which a radical initiator was covalently bound using standard siloxane protocols. The initiator grafting on the mica substrate was confirmed by water contact angle measurements and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The covalently immobilized initiator successfully underwent SI-ATRP with tert-butyl acrylate, yielding end-grafted PtBA brushes that are covalently linked to mica. A linear relationship of the polymer thickness with respect to the molecular weight of the free polymer and with respect to the monomer conversion is obtained confirming that SI-ATRP is well controlled. The PtBA brushes were then hydrolyzed to PAA as confirmed by water contact angle measurements, polymer thickness measurements and FT-IR. The grafted layers show a good stability in air, organic solvent and aqueous solution and a reversible swelling. Film cleavage is observed for long exposure time in basic solution. This study represents the first example of chemically grafted brushes on mica via SI-ATRP. The polymer grafting density of poly(tert-butyl acrylate) was controlled by tuning the initiator surface coverage. By adjusting parameters such as the immobilization reaction time and concentration of the initiator, a wide range of initiator surface coverages and hence polymer densities on mica were possible ranging from 0.04 chain/nm2 to 0.5 chain/nm2). The swelling behavior of PAA brushes was investigated as a function of the polymer grafting density, pH and ionic strength cs (NaCl). A sharp transition from collapsed to stretched conformation was found with increasing pH. At neutral pH, the brushes are collapsed and behave like neutral brushes in poor solvent. At high pH, the brushes are swollen and charged and belong to the Pincus regime. In the presence of salt, the Coulombic repulsions are screened. The observed behavior of PAA brushes resembles the one of strong polyelectrolyte brushes. This study contributes to a better understanding of the complex behaviour of weak polyelectrolyte brushes and brings experimental support to theoretical studies.

This critical review summarizes recent developments in the fabrication of patterned polymer brushes. As top-down lithography reaches the length scale of a single macromolecule, the combination with the bottom-up synthesis of polymer brushes by surface-initiated polymerization becomes one main avenue to design new materials for nanotechnology. Recent developments in surface-initiated polymerizations are highlighted along with diverse strategies to create patterned polymer brushes on all length scales based on irradiation (photo- and interference lithography, electron-beam lithography), mechanical contact (scanning probe lithography, soft lithography, nanoimprinting lithography) and on surface forces (capillary force lithography, colloidal lithography, Langmuir–Blodgett lithography) (116 references). / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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In dieser Arbeit wurden verschiedene Materialien durch das Pfropfen von Polymerbürsten auf Poly(dopamin) (PDA) und Graphen (G) synthetisiert. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf sog. strain-engineering von Graphen und Synthese von Janus-Membranen gelegt. Die Kombination aus PDA-Oberflächenchemie und oberflächeninitiierter Cu(0)-vermittelter kontrolliert radikalischer Polymerisation (SI-CuCRP) wurde als robuste und vielseitige Methode zur Synthese von Polymerbürsten etabliert. Dabei können Schichtdicken von einigen hundert Nanometern innerhalb 1 h erreicht werden. Die Zugänglichkeit der Endgruppen bleibt erhalten, was die Synthese von Pentablockcopolymerbürsten ermöglicht. Dies stellt die bis dato höchste Blockzahl für oberflächengebundenes Copolymer dar. Zudem erlaubt die SI-CuCRP eine einfache und hocheffiziente Synthese von Polymerbürsten mit definierten Gradienten und Strukturen sowie die Funktionalisierung von natürlichen Membranen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde diese Methode zur Funktionalisierung von Graphen mit Polymerbürsten angewendet. Aufgrund des hohen sterischen Drucks innerhalb der Bürsten, sollte die resultierende chemisch-mechanische Beanspruchung zu einer Deformation des Graphens und einem straintronic-Effekt führen. Die Bewertung und Quantifizierung der chemisch-mechanisch induzierten Belastung ist jedoch problematisch. Vermutlich führt die induzierte mechanische Spannung zum Bruch bzw. Reißen der Graphenschicht, wenn die Pfropfungsdichte und Schichtdicke der Polymerbürsten zunimmt. Diese Annahme wird durch neueste Literatur gestützt. Dennoch wurde eine ganze Reihe von Polymermodifikationen auf Graphen erhalten, um (gerichtete) Faltenbildung verschiedener Größenordnungen zu erzielen. Im Zusammenhang der Materialsynthese wurden sowohl aus PDA als auch aus Graphen Janus-Membranen, sog. Janus polymer carpets, hergestellt. Hierzu wurde entweder sequentieller Transfer freistehender Polymerteppiche oder einseitige, sequentielle Polymerisation auf Graphen genutzt. Auf diesem Weg wurden Janus-Membranen hergestellt, die hydrophob/hydrophil, nicht-sensitiv/T sensitiv oder nicht sensitiv/pH sensitiv sind oder eine Polymerbürsten/Flaschenbürsten-Architektur besitzen. Diese kann allerdings Reihe auf einfache Weise erweitert werden. Alle hergestellten Janus polymer carpets weisen typischerweise eine Größe von ca. 1 cm² auf. Unter Berücksichtigung ihrer Gesamtdicken, die im Bereich von max. einigen hundert Nanometern liegen, betragen die Aspektverhältnisse zwischen 10000 und 100000. In Kombination mit der strukturellen Vielfalt von Polymerbürsten bieten die vorgestellten Methoden einen einzigartigen Weg zu einer ganzen Palette neuartiger 2D-Materialien mit einstellbaren Eigenschaften. Das hervorragende Faltverhalten von strukturierten Janus polymer carpets macht sie besonders interessant für gerichteten Transport und Bewegung oder kontrollierte Verformung.

Controlled radical polymerization (CRP) can be viewed as the middle ground between living anionic polymerization (LAP) and conventional free radical polymerization (FRP). It combines the precise control over polymer structure offered by LAP, under a tolerant reaction condition similar to FRP. One of the most studied CRP is atom transfer radical polymerization (ATRP), with over 10,000 papers published since its introduction in 1995. Despite the numerous studies, knowledge on its fundamental mechanism is still lacking, as evident from the lack of expression for full MWD and polydispersity that account for termination reaction. Since termination is unavoidable in ATRP, the existing expressions give inaccurate predictions as dead chains accumulate. In this study, we derived expressions for full MWD at low conversion and for polydispersity. These expressions allow us to quantify and gain better understanding on the contribution of termination. In addition, the resulting polydispersity expression shows better agreement than the existing equation when correlated with experiment data. In addition to the aforementioned questions, there are also controversies regarding the kinetics of surface-initiated ATRP, with researchers divided into two schools of theories. We evaluated the validity of these theories by comparing their predictions to experimental trends. Both theories were found to be inadequate in explaining all the experimental observations, thus triggering an investigation of the graft density. Graft density is an important determining property for polymer brushes, yet little is known about what affects its final value. Through simulations, we investigated the effect of experiment factors on the grafting density. A decrease in the amount of deactivator is found to decrease the grafting density, which could be explained by an increase in the number of monomers added per activation cycle. This knowledge allows us to explain the conflicting experiment observations regarding the growth trends of polymer layers reported in the literatures. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Polymer materials are used almost everywhere in our daily life from clothing to water bottle. This wide range of applications owes to the nearly infinite possible properties that polymer can possess. Different polymerization processes to synthesize polymers have their own weaknesses and strengths. Herein we investigated the fundamental mechanism of one of the currently most attractive polymerization systems, atom transfer radical polymerization (ATRP). This process allows the synthesis of polymers with precisely tailored chain microstructures, making it possible to create polymer with sophisticated properties. Using modeling approaches, we derived explicit expressions for determining chain properties, allowing detailed investigation of how various factors affect these properties. Through these investigations, we obtained better understanding on the mechanism of ATRP in solution and on surface. This knowledge is crucial in providing insight and guiding experimental designs for better control over the material properties.

No / Microcarrier cell culture systems provide an attractive alternative to the conventional monolayer cell culture for cell amplification, due to their high surface area-to-volume ratio. Unlike enzymatic methods for removing cells from microcarriers after cell culture, which can lead to irreversible damage of the cells, microcarriers which release cells by temperature adjustment have been developed. This was achieved by grafting a temperature-responsive polymer, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), on the microcarrier surface. This review comprehensively presents various methods to prepare such thermo-responsive microcarriers based on PNIPAAm. These methods include the grafting-to technique, grafting-from technique, grafting-through technique, along with methods leading to PNIPAAm hydrogel beads, seeded polymerization, and non-covalent adsorption. The methods for controlling PNIPAAm grafting density, molecular weight and molecular architecture are also outlined. Further, the efficiency of cell attachment, proliferation and thermally-induced detachment of such thermo-responsive microcarriers is introduced and compared. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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