This thesis presents a novel method for the preparation of quantum dot-thermoresponsive polymer nanocomposite hydrogels. The quantum dots (QD’s) were synthesized in a microwave reactor using a high temperature organometallic synthesis procedure. The initial hydrophobic surface layer on the QD’s was coated with an amphiphilic polymer to enable phase transfer from non-polar solvent to water followed by physical immobilization of the QD’s in the thermoresponsive polymer hydrogel by photopolymerization. Their temperature dependent emission properties were investigated as a function of concentration of the incorporated QD’s. The resultant temperature dependent changes in the position of the peak emission wavelength of the QD-polymer nanocomposite hydrogels were found to be due to the change in the physical environment causing increased interaction between the embedded amphiphilic polymer coated QD’s and/or due to aggregation of QD’s. This change in peak emission position was found to be reversible in the temperature range from 29 to 37 °C.

New ABC triblock copolymers were synthesized by controlled free-radical polymerization via Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT). Compared to amphiphilic diblock copolymers, the prepared materials formed more complex self-assembled structures in water due to three different functional units. Two strategies were followed: The first approach relied on double-thermoresponsive triblock copolymers exhibiting Lower Critical Solution Temperature (LCST) behavior in water. While the first phase transition triggers the self-assembly of triblock copolymers upon heating, the second one allows to modify the self-assembled state. The stepwise self-assembly was followed by turbidimetry, dynamic light scattering (DLS) and 1H NMR spectroscopy as these methods reflect the behavior on the macroscopic, mesoscopic and molecular scale. Although the first phase transition could be easily monitored due to the onset of self-assembly, it was difficult to identify the second phase transition unambiguously as the changes are either marginal or coincide with the slow response of the self-assembled system to relatively fast changes of temperature. The second approach towards advanced polymeric micelles exploited the thermodynamic incompatibility of “triphilic” block copolymers – namely polymers bearing a hydrophilic, a lipophilic and a fluorophilic block – as the driving force for self-assembly in water. The self-assembly of these polymers in water produced polymeric micelles comprising a hydrophilic corona and a microphase-separated micellar core with lipophilic and fluorophilic domains – so called multi-compartment micelles. The association of triblock copolymers in water was studied by 1H NMR spectroscopy, DLS and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM). Direct imaging of the polymeric micelles in solution by cryo-TEM revealed different morphologies depending on the block sequence and the preparation conditions. While polymers with the sequence hydrophilic-lipophilic-fluorophilic built core-shell-corona micelles with the core being the fluorinated compartment, block copolymers with the hydrophilic block in the middle formed spherical micelles where single or multiple fluorinated domains “float” as disks on the surface of the lipophilic core. Increasing the temperature during micelle preparation or annealing of the aqueous solutions after preparation at higher temperatures induced occasionally a change of the micelle morphology or the particle size distribution. By RAFT polymerization not only the desired polymeric architectures could be realized, but the technique provided in addition a precious tool for molar mass characterization. The thiocarbonylthio moieties, which are present at the chain ends of polymers prepared by RAFT, absorb light in the UV and visible range and were employed for end-group analysis by UV-vis spectroscopy. A variety of dithiobenzoate and trithiocarbonate RAFT agents with differently substituted initiating R groups were synthesized. The investigation of their absorption characteristics showed that the intensity of the absorptions depends sensitively on the substitution pattern next to the thiocarbonylthio moiety and on the solvent polarity. According to these results, the conditions for a reliable and convenient end-group analysis by UV-vis spectroscopy were optimized. As end-group analysis by UV-vis spectroscopy is insensitive to the potential association of polymers in solution, it was advantageously exploited for the molar mass characterization of the prepared amphiphilic block copolymers. / Die Arbeit widmet sich der Synthese von neuen amphiphilen ternären "ABC" Block-Copolymeren und der Untersuchung ihrer Selbstorganisation zu mizellaren Überstrukturen in wässriger Lösung. Die Block-Copolymere wurden durch kontrollierte radikalische Polymerisation mittels des sogenannten „RAFT“ Prozesses (radical addition fragmentation chain transfer) hergestellt. Neben der Realisierung der gewünschten Polymerarchitekturen erlaubte es die Methode, die Molmassen der Polymere durch Endgruppenanalyse zu bestimmen. Die Kettenenden der Polymere tragen infolge des Polymerisationsmechanismus’ definierte Funktionalitäten, welche UV- und sichtbares Licht absorbieren und somit durch UV-vis-Spektroskopie quantifizierbar sind. Das Absorptionsverhalten der Endgruppen wurde untersucht und die UV-vis-Endgruppenanalyse optimiert. Es zeigte sich, dass die Vorteile der Methode ihre generelle Anwendbarkeit und ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Assoziation von Polymeren in Lösung sind. Aufgrund ihrer drei unterschiedlichen Blöcke bilden die synthetisierten ABC Triblockcopolymere komplexere selbstorganisierte Strukturen als die bisher üblichen Diblockcopolymere. Die Triebkraft für ihre Selbstorganisation in wässriger Lösung ist im wesentlichen der hydrophobe Effekt. Es wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt: Zum einen wurden doppelt-schaltbare Triblockcopolymere hergestellt, von denen ein Block permanent wasserlöslich ist, während die anderen Blöcke jeweils eine untere Entmischungstemperatur in wässriger Lösung aufweisen. Diese Blöcke „schalten“ beim Erwärmen von hydrophil auf hydrophob. Oberhalb des ersten Phasenübergangs - bei der niedrigeren Entmischungstemperatur - assoziieren die Makromoleküle und bilden Polymermizellen im Nanometerbereich. Beim weiteren Erwärmen „schaltet“ auch der zweite Block und modifiziert den selbstorganisierten Zustand, während der permanent wasserlösliche Block für die Stabilisierung der Aggregate sorgt. Die Assoziation der Block-Copolymere ist nach Abkühlen der wässrigen Lösung vollständig reversibel. Die stufenweise Selbstorganisation wurde mit Hilfe von Turbidimetrie, Dynamischer Lichtstreuung (DLS) und 1H-NMR-Spektroskopie untersucht, da diese Methoden das Verhalten auf der makroskopischen, mesoskopischen und molekularen Skala widerspiegeln. Obwohl der einsetzende Selbstorganisationsprozess problemlos zu detektieren war, konnten die Veränderungen infolge des zweiten Phasenübergang nicht immer eindeutig identifiziert werden, da sie zum Teil mit der langsamen Reaktion des Systems auf relativ schnelle Temperaturänderungen zusammenfielen. Außerdem hängt die Aggregatbildung nicht nur sensibel von der detaillierten Polymerarchitektur ab, sondern unterliegt auch teilweise einer kinetischen Kontrolle. Der zweite Ansatz zu komplexeren Polymermizellen basierte auf der Inkompatibilität „triphiler“ Blockcopolymere als Triebkraft für die Selbstorganisation. Das heißt, die Block-Copolymere bestehen aus einem hydrophilen, einen lipophilen und einen fluorophilen (Fluorkohlenwasserstoff-liebenden) Teil, die jeweils miteinander unverträglich sind. Die Polymere assoziierten in Wasser zu Polymermizellen mit einer hydrophilen Korona und einem unterstrukturierten Mizellkern mit separaten Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenwasserstoff-Domänen – sogenannten Multi-Kompartiment-Mizellen. Die Assoziation der Triblock-Copolymere wurde mit 1H-NMR-Spektroskopie, DLS und cryogener Transmissionselektronenmikroskopie (cryo-TEM) untersucht. Die unmittelbare Abbildung der Polymermizellen in Lösung mittels cryo-TEM enthüllte unterschiedliche Morphologien in Abhängigkeit von der Blocksequenz und den Präparationsbedingungen. Während Polymere mit der Blocksequenz hydrophil-lipophil-fluorophil Kern-Schale-Korona-Mizellen mit der Fluor-Domäne als Kern bildeten, wurde eine neue, unerwartete Mizellmorphologie für die Polymere mit dem hydrophilen Block in der Mitte gefunden: Einzelne oder mehrere Fluordomänen “schwimmen” als Scheiben auf dem lipophilen Kern. Die beobachteten Morphologien sind weitgehend stabil, unterliegen aber ebenfalls - zumindest teilweise - einer kinetischen Kontrolle. So führten erhöhte Temperaturen während der Mizellpräparation gelegentlich zu einer Veränderung der Mizellmorphologie oder Partikelgröße.

Increasing demands for organ transplants and the depleting supply of available organs has heightened the need for alternatives to this growing problem. Tissue engineers strive to regenerate organs in the future; however doing so requires a fundamental understanding of organ development and its key processes. The first chapter of this thesis provides a brief overview of developmentally inspired engineering, specifically in the context of how I approach this challenge in this thesis. The second chapter provides an in depth review of current and past work focused on organ regeneration from a developmentally-inspired perspective, and using tooth formation as a model system. The third chapter describes the design and fabrication of a thermoresponsive polymer inspired by an embryonic induction mechanism, and demonstrates its ability to induce tooth differentiation in vitro and in vivo. This is effectively a 3D `shrink wrap'-like polymer sponge that constricts when it is warmed to body temperature and induces compaction of cells contained within it, hence recapitulating the mesenchymal condensation process that has been shown to be a key induction mechanism that triggers formation of various epithelial organs, including tooth in the embryo. The fourth chapter describes the fabrication of a novel microarray screening platform consisting of a unique set of ECM proteins (collagen VI, tenascin, and combination of the two at different coating densities) on an array of soft substrates (~130-1500 Pa) that are physiologically relevant to the embryonic microenvironment. This technology demonstrated the capacity to analyze combinatorial effects of these ECM proteins and soft substrates on cell density, cell area and odontogenic differentiation in murine mandible embryonic mesenchymal cells. The fifth chapter of this thesis summarizes and discusses the advantages, limitations and future potential of the findings described in the previous two chapters in the context of organ engineering and regeneration. Taken together, the work and results presented in this thesis have led to the development of new insights, approaches and tools for studying organ formation and potentially inducing organ regeneration, which are inspired by key developmental mechanisms used during embryonic organ formation. / Engineering and Applied Sciences

Les nanocristaux de cellulose (NCC), obtenus par hydrolyse acide des microfibrilles de cellulose native sous forme de suspensions colloïdales aqueuses, sont des nanoparticules biosourcées ayant des propriétés mécaniques et optiques particulièrement séduisantes pour la conception de nanomatériaux à haute performance. Pour éliminer certaines de leurs limitations comme la sensibilité au sel et l'absence de contrôle de leurs interactions, nous nous sommes attachés au cours de ce travail à modifier chimiquement ces NCC par greffage de chaînes de polymère thermosensible de la famille de polyétheramines Jeffamine® sur leur surface. La première méthode de greffage utilisée faisait appel à une oxydation TEMPO suivie d'un couplage peptidique. Après l'optimisation de la réaction de greffage, les nouveaux systèmes (NCC-g-Jeffamine) ont été caractérisés et de nouvelles propriétés ont été identifiées notamment leur insensibilité au sel, leur capacité de redispersion dans des solvants organiques, leur caractère tensioactif, leur stabilité thermique améliorée ainsi que leur thermoagrégation réversible. L'étude structurale par diffusion des neutrons aux petits angles a permis d'avoir des informations sur les épaisseurs des couches de polymère greffé ainsi que sur la conformation des chaînes. De nouvelles caractéristiques de l'auto-organisation en phase chirale-nématique de ces nouveaux systèmes ont été notées concernant leur diagramme de phase et leur pas cholestériques. La deuxième méthode de greffage explorée consistait en une oxydation aux ions métapériodate suivie d'une amination réductrice. Les résultats ont montré un détachement partiel des chaînes de cellulose suite à l'oxydation puis leur détachement complet après le greffage du polymère pour obtenir des copolymères cellulose-Jeffamine ayant éventuellement des propriétés intéressantes à étudier. / Cellulose nanocrystals (CNC), obtained by acid hydrolysis of native cellulose microfibrils as colloidal aquous suspensions, are bioresourced nanoparticles that have great mechanical and optical properties well adapted for the conception of new nanomaterials with high performance. In order to eliminate some of their limitations like sensitivity to salt and absence of interactions control, we studied in this work the chemical modification of these CNC by grafting thermoresponsive polymer chains (polyetheramines Jeffamine®) on the their surface. A first grafting strategy used was a TEMPO oxidation followed by peptidic coupling. After the optimization of the grafting reaction, the new systems (CNC-g-Jeffamine) were characterized and new properties were identified particularly their insensitivity to salts, their ability to be redispersed in organic solvents, their surfactant character, their enhanced thermal stability and their reversible thermoagregation. The structural study using small angles neutrons scattering gave us information about thicknesses of the polymer corona and the chains conformation. New characteristics of their self-assembly into chiral-nematic phases were noticed more particularly concerning phase diagrams and cholesteric pitches. The second grafting strategy consisted in an oxidation using periodate ion followed by reductive amination. Results showed a partial detachment of cellulose chains after oxidation. A complete detachment was observed after grafting the polymer chains to finally obtain cellulose-Jeffamine copolymers which could have interesting properties to study.

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