Depuis les dix dernières années, l’innovation des traitements d’oncologie a fait une utilisation croissante de la nanotechnologie. De nouveaux traitements à base de nanoparticules (NPs) sont notamment rendus au stade de l’essai clinique. Possédant des caractéristiques physico-chimiques particulières, les NPs peuvent être utilisées afin de bonifier l’effet thérapeutique des traitements actuels. Par exemple, l’amélioration de la curiethérapie (c.-à-d. radiothérapie interne) nécessite le développement de nouvelles procédures permettant de diminuer la taille des implants, et ce, tout en augmentant l’homogénéité de la dose déposée dans les tumeurs. Des études théoriques et expérimentales ont démontré que l’injection de NPs d’or à proximité des implants traditionnels de curiethérapie de faible débit de dose (par ex. 125I, 103Pd) permettrait d’augmenter significativement leur efficacité thérapeutique. L'interaction entre l’or et les photons émis par les implants de curiethérapie (c.-à-d. l’effet de radiosensibilisation) génère des rayonnements divers (photoélectrons, électrons Auger, rayons X caractéristiques) qui augmentent significativement la dose administrée. Dans le cadre de cette thèse, l’approche proposée était de développer des NPs d’or radioactives comme nouveau traitement de curiethérapie contre le cancer de la prostate. L’aspect novateur et unique était de synthétiser une particule coeurcoquille (Pd@Au) en utilisant l’isotope actuellement employé en curiethérapie de la prostate: le palladium-103 (103Pd, 20 keV). Dans ce cas-ci, la présence d’atomes d’or permet de produire l’effet de radiosensibilisation et d’augmenter la dose déposée. La preuve de concept a été démontrée par la synthèse et la caractérisation des NPs 103Pd@Au-PEG NPs. Ensuite, une étude longitudinale in vivo impliquant l’injection des NPs dans un modèle xénogreffe de tumeurs de la prostate chez la souris a été effectuée. L’efficacité thérapeutique induite par les NPs a été démontrée par le retard de la croissance tumorale des souris injectées par rapport aux souris non injectées (contrôles). Enfin, une étude de cartographie de la dose générée par les NPs à l’échelle cellulaire et tumorale a permis de comprendre davantage les mécanismes thérapeutiques liés aux NPs radioactives. En résumé, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse font office de précurseurs relativement au domaine de la nanocuriethérapie, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de NPs pour la radiothérapie. / The last decade saw the emergence of new innovative oncology treatments based on nanotechnology. New treatments using nanoparticles (NPs) are now translated to clinical trials. NPs possess unique physical and chemical properties that can be advantageously used to improve the therapeutic effect of current treatments. For instance, therapeutic efficiency enhancement related to internal radiotherapy (i.e., brachytherapy), requires the development of new procedures leading to a decrease of the implant size, while increasing the dose homogeneity and distribution in tumors. Several theoretical and experimental studies based on low-dose brachytherapy seeds (e.g., 125I and 103Pd) combined with gold nanoparticles (Au NPs) showed very promising results in terms of dose enhancement. Gold is a radiosensitizer that enhances the efficiency of radiotherapy by increasing the energy deposition in the surrounding tissues. Dose enhancement is caused by the photoelectric products (photoelectrons, Auger electrons, characteristic X-rays) that are generated after the irradiation of Au NPs. In this thesis, the proposed approach was to develop radioactive Au NPs as a new brachytherapy treatment for prostate cancer. The unique and innovative aspect of this strategy was to synthesize core-shell NPs based on the radioisotope palladium-103 (103Pd, 20 keV), which is currently used in low-dose rate prostate cancer brachytherapy. In this concept, the administrated dose is increased via the radiosensitization effect that is generated through the interactions of low-energy photons with the gold atoms. The proof-ofconcept of this approach was first demonstrated by the synthesis and characterization of the core-shell NPs (103Pd@Au-PEG NPs). Then, a longitudinal in vivo study following the injection of NPs in a prostate cancer xenograft murine model was performed. The therapeutic efficiency was confirmed by the tumor growth delay of the treated group as compared to the control group (untreated). Finally, a mapping study of the dose distribution generated by the NPs at the cellular and tumor levels provided new insights about the therapeutic mechanisms related to radioactive NPs. In summary, the studies presented in this thesis are precursors works in the field of nanobrachytherapy, and could pave the way for a new generation of NPs for radiotherapy.

Ce projet aborde trois aspects de la conception géomécanique des fosses minières à l’aide d’un cas d’étude portant sur la fosse Tiriganiaq du projet minier Meliadine. Dans un premier temps, une méthodologie a été utilisée pour quantifier la fiabilité de la mesure de l’orientation des fractures lors de campagnes de caractérisation géomécanique à l’aide de forages orientés. L’impact du niveau de fiabilité de la mesure de l’orientation sur le résultat d’une analyse cinématique de la stabilité des flancs de la fosse a ensuite été investigué. Dans un second temps, une approche a été développée pour quantifier la contribution des campagnes d’acquisition successives de données structurales sur un site minier à la caractérisation de l’orientation des fractures. L’impact des campagnes successives sur le résultat d’une analyse cinématique de la stabilité des flancs de la fosse a ensuite été investigué. Dans un troisième temps, l’évaluation de la fiabilité des bancs miniers de la fosse par rapport à des critères de fiabilité a été réalisée au moyen d’un outil logiciel bonifié lors des travaux de recherche. Une approche multicritère systématique pour évaluer la fiabilité des bancs miniers à l’aide de cartes de susceptibilité a été proposée.

L'ajout de lithium dans les alliages d'aluminium permet de diminuer leur masse volumique tout en augmentant leur rigidité. En considérant des propriétés mécaniques aux moins égales aux alliages traditionnels d'aluminium, il est facile de comprendre pourquoi ces nouveaux alliages deviennent intéressants dans le domaine de l'aéronautique. En effet, la diminution de la masse volumique permettra de diminuer la consommation d'essence due au poids plus faible des composantes. Le domaine de l'aéronautique demandant des contraintes de sécurité majeures, il est donc important de bien comprendre les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium-lithium ainsi que les différents phénomènes influençant ces propriétés. La résistance mécanique des alliages d'aluminium-lithium est améliorée par la présence de plusieurs types de précipités qui entravent le mouvement des dislocations. Les alliages Al-Li-x actuels utilisent plusieurs précipités semi-cohérents et cohérents pour le durcissement. L'avantage d'utiliser une co-précipitation de δ' (Al₃Li), T1 (Al₂CuLi) et de S' (Al₂CuMg) provient du fait que ces phases métastables précipitent sur différents plans, ce qui optimise le blocage du mouvement des dislocations. La microstructure obtenue en est une qui est rarement recristallisée dû à la présence de précipités cohérents Al₃Zr qui empêche la recristallisation. Par conséquent, ces alliages présentent des propriétés mécaniques anisotropes, qui ne sont pas équivalentes dans toutes les directions. Ceci est causé par la présence de textures cristallographiques, particulièrement la texture fibre <111>. Les propriétés mécaniques obtenues dans l'alliage 2099 T83 étudié varient selon les emplacements et selon l'orientation des échantillons par rapport à l'axe de déformation (extrusion). Les résistances sont plus élevées dans la direction longitudinale d'un profilé cylindrique qui présente aussi les plus fortes intensités de texture fibre <111>. Grâce à la caractérisation mécanique, microstructurale et de la texture cristallographique, des modèles permettant de prédire l'anisotropie et les propriétés mécaniques en fonction de l'intensité de la texture fibre <111> ont pu être développés. Par la suite, l'effet de la densité de précipités T₁ sur l'anisotropie des propriétés mécaniques statiques a pu être démontrée.

Le contrôle de l’usure des couteaux de découpe est un grand défi dans l’industrie de la première transformation du bois. En contrôlant le niveau d’usure, les coûts de maintenance sont diminués et une meilleure qualité des produits est obtenue. Les mécanismes d’usure des outils de coupe dans un environnement industriel de transformation du bois sont particulièrement complexes. Dans le présent projet, une caractérisation des principaux mécanismes d’usure a été faite afin de comprendre les conditions de travail en première transformation du bois. Fort de ces résultats, une analyse du choix des matériaux ainsi que différentes conditions de traitement thermique ont été faites afin d‘optimiser la durée de vie des outils de coupe. Trois différents aciers à outil ont ainsi été choisis. Les traitements thermiques ont été effectués selon neuf conditions différentes par acier. Les essais de dureté, d’impact et d’usure par abrasion avec sable (DSRW) selon la norme ASTM G65 ont été effectués. La dernière partie de projet a été axée sur la caractérisation des performances en usure de revêtements céramiques obtenus par la méthode de dépôt physique par phase vapeur (PVD) appropriés pour les conditions d’utilisation retrouvées dans la première transformation du bois. Les essais ont été réalisés sur les échantillons préalablement traités thermiquement selon les conditions optimales déterminées. Six revêtements différents ont été choisis pour faire face aux conditions pour lesquelles la résistance à l’abrasion et aux impacts périodiques sont importantes. Un appareil d’essai de fatigue par impact a été fabriqué pour évaluer la résistance des revêtements aux chocs périodiques sur la surface. De plus, des essais de micro-dureté et de l’usure par abrasion avec sable ont été faits. Afin d’évaluer la condition de la surface après chaque essai, l’analyse d’image par microscopie électronique à balayage (MEB) a été faite. Deux mécanismes dominants qui étaient observés sont la micro abrasion et l’écaillage de l’arête. La micro abrasion sur les surfaces de coupe et de dégagement est différente où il y a un grand écart en grosseur des traces d’abrasion. La résistance optimale pour l’usure par abrasion et impact a été obtenue avec l’acier AISI H13 trempé à 1040°C suivi par un double revenu à 580°C. Le revêtement d’AlCrTiN a été le meilleur pour améliorer la résistance de l’acier AISI A8 à l’usure par abrasion et fatigue d’impact. Pour les aciers AISI S1 et AISI H13, le revêtement de TiAlCrN a fourni la résistance optimale en terme de résistance à l’abrasion qui est la première cause d’usure des outils de coupe utilisés dans le procédé d’équarrissage-fragmentation. / Controlling cutting knife wear is a big challenge in industry of primary transformation of wood. By controlling the knife wear, maintenance cost will be reduced and higher quality of products will be achieved. Wear conditions in the wood transformation industry is very intricate. In this project, wear study was performed in order to understand the work condition in primary transformation of wood. Microscopic analysis was conducted to investigate wear mechanisms on the edge of knives. Wear properties on both rake face and clearance face were studied. Material selection and heat treatment practices were done in the second part of the project in order to optimize the tool life. Three steels from different tool steel categories were selected. Heat treatment tests were carried in nine different conditions per steel. Hardness, impact and dry-sand-rubber-abrasion-wear according to ASTM G65 standard (DSRW) tests were applied for evaluating the samples. Last part of this project was about evaluating of industrial coatings by physical vapour deposition (PVD) method for the working condition in primary transformation of wood. Tests were done on optimized samples from heat treatment study. Six different coatings were selected in order to perform high resistance to conditions where both abrasion and periodic impact are present. Impact Fatigue test machine was fabricated in order to evaluate the resistance of coatings to working conditions of periodic shock on the surface. Micro-hardness and DSRW test were done as well. In order to evaluate the surface change after each experiment, SEM imaging was done. The two dominant mechanisms that were observed are micro abrasion and edge chipping. The micro-abrasion patterns found on rake and clearance surfaces were dissimilar and there was a significant difference in size and shape of abrasion marks. The optimum resistance to abrasion wear and impact was achieved for AISI H13 tool steel quenched from 1040°C followed by double-tempering at 580°C. AlCrTiN coating was the best coating to improve the resistance of AISI A8 tool steel to both abrasive and impact fatigue wear. For both AISI S1 and AISI H13 steel, TiAlCrN coating has performed optimum resistance to abrasive working condition which is major cause of tool wear in chipper-cantering.

Depuis ces dernières décennies, le domaine des biomatériaux a connu un essor considérable, évoluant de simples prothèses aux dispositifs les plus complexes pouvant détenir une bioactivité spécifique. Outre, le progrès en science des matériaux et une meilleure compréhension des systèmes biologiques a offert la possibilité de créer des matériaux synthétiques pouvant moduler et stimuler une réponse biologique déterminée, tout en améliorant considérablement la performance clinique des biomatériaux. En ce qui concerne les dispositifs cardiovasculaires, divers recouvrements ont été développés et étudiés dans le but de modifier les propriétés de surface et d’améliorer l’efficacité clinique des tuteurs. En effet, lorsqu’un dispositif médical est implanté dans le corps humain, son succès clinique est fortement influencé par les premières interactions que sa surface établit avec les tissus et les fluides biologiques environnants. Le recouvrement à la surface de biomatériaux par diverses molécules ayant des propriétés complémentaires constitue une approche intéressante pour atteindre différentes cibles biologiques et orienter la réponse de l’hôte. De ce fait, l'élucidation de l'interaction entre les différentes molécules composant les recouvrements est pertinente pour prédire la conservation de leurs propriétés biologiques spécifiques. Dans ce travail, des recouvrements pour des applications cardiovasculaires ont été créés, composés de deux molécules ayant des propriétés biologiques complémentaires : la fibronectine (FN) afin de promouvoir l’endothélialisation et la phosphorylcholine (PRC) pour favoriser l’hémocompatibilité. Des techniques d’adsorption et de greffage ont été appliquées pour créer différents recouvrements de ces deux biomolécules sur un polymère fluorocarboné déposé par traitement plasma sur un substrat en acier inoxydable. Dans un premier temps, des films de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ont été utilisés en tant que surface modèle afin d'explorer l'interaction de la PRC et de la FN avec les surfaces fluorocarbonées ainsi qu’avec des cellules endothéliales et du sang. La stabilité des recouvrements de FN sur l'acier inoxydable a été étudiée par déformation, mais également par des essais statiques et dynamiques sous-flux. Les recouvrements ont été caractérisés par Spectroscopie Photoéléctronique par Rayons X, immunomarquage, angle de contact, Microscopie Électronique de Balayage, Microscopie de Force Atomique et Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire à Temps de Vol (imagerie et profilage en profondeur). Des tests d’hémocompatibilité ont été effectués et l'interaction des cellules endothéliales avec les recouvrements a également été évaluée. La FN greffée a présenté des recouvrements plus denses et homogènes alors que la PRC quant à elle, a montré une meilleure homogénéité lorsqu’elle était adsorbée. La caractérisation de la surface des échantillons contenant FN/PRC a été corrélée aux propriétés biologiques et les recouvrements pour lesquels la FN a été greffée suivie de l'adsorption de la PRC ont présenté les meilleurs résultats pour des applications cardiovasculaires : la promotion de l'endothélialisation et des propriétés d’hémocompatibilité. Concernant les tests de stabilité, les recouvrements de FN greffée ont présenté une plus grande stabilité et densité que dans le cas de l’adsorption. En effet, la pertinence de présenter des investigations des essais sous-flux versus des essais statiques ainsi que la comparaison des différentes stratégies pour créer des recouvrements a été mis en évidence. D'autres expériences sont nécessaires pour étudier la stabilité des recouvrements de PRC et de mieux prédire son interaction avec des tissus in vivo. / Over the past years, we have perceived the remarkable growth of the field of biomaterials, evolving from simple prosthetics to complex materials with specific bioactivities. Advances in materials science jointed with an improved understanding of biological systems have carried the ability to create synthetic materials, which would modulate and/or stimulate specific biological responses. In this way, it has been possible to greatly improving the performance of biomaterials. Indeed, when a dispositive is implanted in the human body, the clinical success of the biomaterial is influenced by the first interactions its surface establishes with the surrounding biological tissues and fluids. Regarding cardiovascular devices, various coatings have been investigated to modify the surface properties of stents and to improve their clinical efficacy. In this context, coating biomaterials with several molecules having complementary properties is an interesting approach to accomplish different biological targets. However, the elucidation of the interaction between those molecules will be relevant to predict the preservation of their specific properties on the biomaterial surface. In this work, coatings for cardiovascular applications were created containing two molecules with complementary properties: fibronectin (FN) to promote endothelialization and phosphorylcholine (PRC) for hemocompatibility. Adsorption and grafting techniques were used to achieve different coatings containing both molecules on stainless steel substrate previously coated with a fluorocarbon polymer deposited by plasma treatment. Polytetrafluoroethylene films were first used as model surfaces to explore the interaction of FN and PRC with fluorocarbon surfaces as well as with cells and blood. The stability of FN coatings on fluorocarbon/stainless steel substrates was accomplished through plastic deformation, static and under-flow dynamic tests. Coatings were characterized through X-Ray Photoelectron Spectroscopy, immunostaining, water contact angle, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (imaging and depth profiling analyses). The interaction of coatings with endothelial cells and blood was also assessed. Regarding FN coatings, those where the protein was grafted, presented denser and more homogeneous coatings. In the case of while PRC coatings, those adsorbed resulted in higher homogeneity than those where PRC was chemical activated during the grating process. Surface characterization of FN/PRC was correlated to the biological properties. Coatings where FN was first grafted followed by the adsorption of PRC exhibited the best results for cardiovascular applications: promotion of endothelialization and hemocompatibility properties. Concerning the stability tests, FN grafted exhibited higher stability than FN adsorbed. Indeed, the relevance of investigating under dynamic conditions (under-flow tests) versus static tests as wells as the comparison of different strategies to create coatings were evidenced. Further experiments are required to study the stability of PRC coatings and to enhance the mimicking of the biological environment in order to predict the interaction of the coatings with living tissues in vivo. / En los últimos años hemos sido testigos de un notable crecimiento en el ramo de biomateriales; hemos sido partícipes de la evolución de simples prótesis a materiales complejos con bioactividad específica. Los avances en ciencias de materiales, así como en la comprensión del funcionamiento de sistemas biológicos, han traído consigo la posibilidad de crear materiales sintéticos capaces de modular/estimular respuestas específicas del organismo vivo, con lo cual ha sido posible mejorar significativamente el desempeño clínico de distintos biomateriales. En lo que respecta a dispositivos cardiovasculares, diversos revestimientos han sido investigados para modificar las propiedades de la superficie de stents con el fin de mejorar su eficacia clínica. Efectivamente, cuando un dispositivo médico es implantado en un organismo vivo, su éxito clínico se verá fuertemente influenciado por las primeras interacciones que su superficie establecerá con los tejidos y fluidos biológicos de sus alrededores. La concepción de revestimientos de biomateriales con distintas moléculas con propiedades complementarias ha sido un enfoque interesante en los últimos años para alcanzar diferentes objetivos biológicos. La elucidación de la interacción de las diferentes moléculas entre sí, y con el substrato, tiene alta relevancia en lo que respecta a la predicción de la preservación de propiedades biológicas específicas a cada molécula en cuestión. En este trabajo, se han creado revestimientos para aplicaciones cardiovasculares que contienen dos moléculas con propiedades complementarias: fibronectina (FN) para promover la endotelialización y fosforilcolina (PRC) por sus propiedades de hemocompatibilidad. Con el fin de crear los diferentes revestimientos, se aplicaron distintas técnicas de adsorción y de enlaces químicos entre las dos moléculas bioactivas. Dichos revestimientos fueron creados sobre un polímero de fluorocarbono depositado por tratamiento con plasma sobre acero inoxidable. Durante los primeros trabajos, se utilizaron películas de politetrafluoroetileno como superficies modelo con el fin de explorar la interacción de FN y PRC con superficies de fluorocarbono así como con células y sangre. La estabilidad de los revestimientos de FN en substratos de acero inoxidable recubierto del polímero fluorocarbonado fue investigada por medio de pruebas de deformación, así como pruebas en condiciones estáticas y dinámicas (bajo flujo). Los revestimientos fueron caracterizados por medio de análisis en Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X, inmunomarcado, ángulo de contacto, Microscopía Electrónica de Barrido, Microscopía de Fuerza Atómica y Espectrometría de Masa de Ionización Secundaria por Tiempo de Vuelo (éste último en análisis de imágenes y perfiles de profundidad). Igualmente, se realizaron pruebas de hemocompatibilidad, y se evaluó la interacción de los revestimientos con células endoteliales. Los revestimientos en los que la FN fue activada químicamente presentaron mayor densidad y homogeneidad que aquéllos donde la proteína fue simplemente adsorbida; mientras que la PRC adsorbida presentó mayor homogeneidad que aquélla que fue activada químicamente. La caracterización de superficie de los revestimientos de FN/PRC fue correlacionada con sus propiedades biológicas. Los revestimientos en los que la FN fue enlazada para posteriormente adsorber la PRC, mostraron los mejores resultados para aplicaciones cardiovasculares: promoción de la endotelialización y propiedades de hemocompatibilidad. En lo que respecta a las pruebas de estabilidad, la FN activada químicamente exhibió mayor estabilidad y revestimientos más densos incluso después de pruebas dinámicas bajo flujo. En efecto, gracias a estos experimentos, se logró poner de manifiesto la relevancia de la presentación de investigaciones de pruebas bajo flujo versus pruebas estáticas; de igual manera, fue posible poner en evidencia la relevancia de comparar diferentes estrategias en la creación de revestimientos con el fin de propiciar óptimas interacciones entre éstos y el organismo vivo. Como perspectivas y trabajos futuros, será requerido estudiar la estabilidad de los revestimientos de PRC, así como estudios biológicos más avanzados con el fin de predecir mejor la interacción de los revestimientos con tejidos in vivo.

L’objectif de la présente thèse a été de développer des procédés de modification de surface de polymères par plasma à la pression atmosphérique pour la fonctionnalisation de surface en groupements amine (NH2) visant des applications dans le domaine biomédical. Le procédé à la pression atmosphérique vise à éliminer la nécessité d'un système à vide et ainsi développer une technique aussi performante et peu coûteuse pour s'approcher d'un procédé industriel. Le mode de génération du plasma choisi est une décharge contrôlée par barrière diélectrique (DBD). Deux stratégies de modification de surface ont été investiguées : l’amination de surface et le dépôt de couches minces fonctionnalisées. Les deux types de modifications de surface induites ont été caractérisés par Spectroscopie de Photoélectrons induits par Rayons-X (XPS), Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires par Temps de Vol (ToF SIMS), spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR), Angle de Contact (CA), Microscopie à Force Atomique (AFM) et Microscopie Électronique à Balayage (MEB). Pour l’amination de surface, les résultats ont démontré l’importance de H2 et de ses espèces dérivées dans la fonctionnalisation de groupements amine sur la surface de polymère dans une DBD à la pression atmosphérique de N2-H2. De plus, les connaissances obtenues permettent d’envisager le contrôle et l’optimisation de la concentration et la spécificité de la modification de surface pour les groupements amine greffés en surface des polymères. Les couches minces fonctionnalisées obtenues en atmosphère de N2-C2H4 présentent une concentration en azote variable en fonction du ratio gaz réactif/gaz vecteur (C2H4/N2) tout en ayant une concentration d’amines constante. Les coefficients de collage et/ou la mobilité des différentes espèces présentes en fonction du temps de résidence dans la décharge mènent à différentes morphologies. L’ajout d’H2 dans la décharge conduit à la formation de nanoparticules et de nouvelles structures, appelées « nanobâtonnets », qui présentent des dimensions anisotropiques importantes (100-200 nm de diamètre pour 1-10 m de long). Finalement, la fonctionnalisation de surface obtenue avec une DBD à pression atmosphérique est une méthode efficace, peu coûteuse pour la création de modification de surface uniforme de groupements amine qui peuvent subséquemment être utilisés pour greffer diverses fonctionnalités chimiques utiles pour diverses applications. / The objective of this thesis was to develop surface modification processes using atmospheric pressure plasma for the surface functionalization of polymers with amino groups (NH2) for biomedical applications. Developing a process working at atmospheric pressure aims to eliminate the need for a pumping system, thus obtaining a technology that would be efficient and low cost for an industrial process. The plasma generation mode chosen was a dielectric barrier discharge (DBD). Two surface modification strategies were investigated: Surface plasma amination and plasma thin film deposition. The two different types of surface modifications were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF SIMS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Contact Angle goniometry (CA), Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM). On one hand, surface plasma amination, results demonstrate the importance of H2 and its derived species for amino groups functionalization on the surface of polymers in an atmospheric pressure DBD in N2-H2. Moreover, the obtained knowledge allows now the possibility to control and optimize the surface density and surface modification specificity for amino groups. On the other hand, the functionalized thin films obtained in an atmosphere of N2-C2H4 reveals a highly variable nitrogen concentration as a function of the reactive gas/carrier gas (C2H4/N2) while the surface density in amino groups is constant. Sticking coefficients and/or surface mobility of the different species created as a function of time residence in the discharge lead to different coating morphologies. The addition of H2 in the discharge leads to the formation of nanoparticles and new structures, named “nanorods” that present anisotropic dimensions (100-200 nm in diameter for 1-10 m in length). Finally, atmospheric pressure DBD surface functionalization is an efficient and low cost technique for the creation of uniform surface modification with amino groups that can be later used to covalently graft various chemicals functionalities; chemical functionalities that can be used for various applications.

La modification de surface par plasma est une technique largement utilisée pour améliorer les propriétés de surface de polymères par le greffage de différents groupes fonctionnels. Dans ce projet de recherche, différentes méthodes pour améliorer les techniques de caractérisation de décharge micro-ondes de N2 et N2-H2 ont été étudiées dans le but d’optimiser le procédé de traitement de surface par plasma. Tout d'abord, un certain nombre de paramètres du plasma ont été mesurés à différentes conditions de traitement. Pour déterminer les paramètres du plasma, la spectroscopie d'émission optique a été utilisée dans la région l’ultraviolet, du visible et l’infrarouge (rarement utilisée dans la littérature scientifique). L’utilisation de la spectroscopie d'émission dans cette dernière région spectrale est avantageuse car elle permet d'éliminer les forts chevauchements entre les transitions atomiques et moléculaires et de pallier la faible intensité du signal observée dans la région de l’ultraviolet et du visible. Par la suite, la composition chimique de surface du PTFE a été analysée par XPS pour déterminer les concentrations en carbone, fluor, azote et des groupements amine suite à un traitement par plasma. Les résultats mentionnés ci-dessus ont été utilisés pour corréler les conditions de traitement et les paramètres de décharge micro-ondes à la composition chimique du PTFE modifié, dans l’objectif de mettre en évidence les paramètres expérimentaux du plasma et les espèces présentes dans le plasma qui jouent un rôle clé pour maximiser la fonctionnalisation de surface du polymère avec des groupements amine. En outre, un modèle mathématique a été développé en utilisant la technique de régression PLS. Pour construire ce modèle, un ensemble de données de variables d'entrée contenant les conditions de traitement et les paramètres spectroscopiques du plasma et une matrice de réponse contenant les propriétés de surface du polymère ont été générées. La base de données obtenue a été utilisée pour établir la relation entre les paramètres du plasma, les conditions de traitement et la chimie de surface du film. Cela a finalement permis de prédire la composition chimique de la surface à partir d’informations relatives au plasma, sans avoir à effectuer des analyses de surface après le traitement. / Plasma surface modification is a widely used technique for improving the surface properties ‎of ‎polymers through the introduction of different functional groups. In ‎the current research project, ‎different methods to improve the characterization techniques of ‎N2 and N2-H2 microwave discharge ‎were investigated with the aim of optimizing the ‎plasma surface process. First of all, a number of plasma parameters were measured at ‎different process conditions. To determine the plasma ‎parameters, optical emission spectroscopy was used ‎not only within the well-documented ‎UV-Visible region but also within the rarely ‎studied infrared zone. Using infrared optical emission ‎spectroscopy is advantageous as it ‎eliminates the strong overlap between atomic and molecular ‎transitions as well as the low ‎intensity UV-Visible emission spectroscopy limitations. In the next step, the PTFE surface chemical composition was analyzed via XPS to quantify the ‎concentrations of carbon, fluorine, and nitrogen after a plasma treatment in a N2-H2 gaseous ‎environment. The XPS analyses were also performed after chemical derivatization to quantify the ‎surface concentration of amino groups (%NH2) at different process conditions. The above-mentioned results were used to correlate process conditions and microwave N2-‎H2 ‎discharge‏ ‏parameters‏ ‏to the chemical composition of the modified ‎PTFE. The purpose was ‎to ‎determine the external plasma parameters and species present within the plasma ‎which ‎‎play a key ‎role in the introduction of amino groups to the polymer surface. ‎Furthermore, a mathematical model was developed using ‎the Partial Least Squares ‎Regression, ‎‎(PLSR) ‎using custom scripts written in MATLAB. A data set of ‎input variables including the process conditions ‎and plasma ‎parameters for each experiment ‎were generated along with the corresponding response ‎matrix which in turn contained the ‎surface ‎properties of the film.‎ ‎The resulting database was used to ‎build the relationship ‎between the plasma parameters, ‎process condition and the resulting film ‎surface chemistry. ‎This ultimately enabled to predict the PTFE surface chemistry from data originating ‎from the plasma, without having to proceed to post-plasma surface characterization.

Au cours de la dernière décennie, les alliages de fonderie Al-Si ont été utilisés de plus en plus comme une alternative appropriée à la fonte dans la fabrication de composants de moteurs (par exemple les culasses). Les objectifs du projet étaient d'étudier l'effet des éléments tels que le cuivre, le magnésium et le fer sur les défauts de solidification, et sur l'évolution des phases poste-eutectiques les alliages de fonderie Al-Si. Tout d’abord, les travaux antérieurs sont soigneusement examinés afin de mieux comprendre les charges de fatigue thermomécanique, les caractéristiques, les exigences et les matériaux applicables dans les composantes du moteur. Par la suite, les défauts de solidification (tendance de fissuration à chaud (HTS) et microporosité) des alliages à base d’Al-Si ont été évalués. En augmentant la teneur en Cu et en Fe des alliages, la valeur de HTS et de microporosité ont été augmentées. Les indices théoriques de fissuration à chaud ont été simulés avec un modèle de microségrégation multiphasique avec rétrodiffusion dans la phase primaire «multiphase back diffusion model». La corrélation obtenue entre les résultats expérimentaux (HTS) et les résultats simulés est excellente. L’effet de la composition chimique (Cu, Mg et Fe contenu) dans les alliages Al-Si sur l'évolution de la microstructure ont donc été étudiées. Les microstructures à l'état de coulée et à l'état de traitement thermique de mise en solution (SHT) ont été évaluées par les microscopies optique/électronique. Deux intermétalliques contenant du Mg (Q-Al5Cu2Mg8Si6, π-Al8FeMg3Si6) qui apparaissent avec une couleur grise sous le microscope optique ont été discriminés par des attaques chimiques que nous avons développées. L’analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC) a été utilisée pour examiner les transformations de phase survenant au cours du processus de chauffage et de refroidissement. Les calculs thermodynamiques ont été effectués pour évaluer la formation de la phase à l'état d'équilibre et hors-équilibre. Les résultats ont démontré que la séquence de solidification et la stabilité des intermétalliques contenant du Cu/Mg ont été fortement influencée par la composition chimique des alliages. La phase Q-Al5Cu2Mg8Si6 a été solidifiée soit à la même température ou plus tôt que la phase θ-Al2Cu en fonction de la teneur en Cu de l'alliage. Par ailleurs, les phases Q-Al5Cu2Mg8Si6 et π-Al8FeMg3Si6 qui étaient solubles à 505℃ dans l'alliage Al-7Si-1.5Cu-0.4mg, sont restées presque intactes dans l'alliage Al-7Si-1.5Cu-0.8mg wt.-%. Bien que l’intermétallique-AlCuFe a été à peine observé dans la microstructure de coulée, la réaction entre la phase primiare α-Al avec la phase β-Al5FeSi a causé la formation de la phase N-Al7Cu2Fe au cours de la mise en solution. La transformation de phase à l'état solide de la phase β-Al5FeSi à la phase N-Al7Cu2Fe a également été étudiée. / Over the past decade, Al-Si based foundry alloys have increasingly been used as a suitable alternative for cast iron in the fabrication of engine components. This project was aimed to study the effect of Cu, Mg and Fe elements on solidification defects (hot rearing tendency and microporosity), and on evolution of post eutectic phases in the Al-7Si (wt.-%) based alloys. Initially, the previous works and the most pertinent literatures were thoroughly reviewed to elaborate the thermo-mechanical fatigue loads, characteristics, requirements and materials applicable in engine components (mainly cylinder-head). Subsequently, the solidification defects of the Al-Si based alloys were evaluated. By increasing Cu and Fe content of the alloys, the hot tearing sensitivity and the microporosity content of the alloys were both enhanced. Multiphase back diffusion model was utilized to simulate the theoretical hot tearing indices. A very good correlation was obtained between the experimental and the theoretical hot tearing indices. Effect of the chemistry (Cu, Mg and Fe content) on microstructure evolution of the Al-Si foundry alloys was consequently studied. As-cast and solution heat treated (SHT) microstructures of the alloys were evaluated by optical- and electron-microscopy. Two etchants were developed to discriminate the Mg-bearing intermetallics (Q-Al5Cu2Mg8Si6, π- Al8FeMg3Si6) under optical microscope. Differential scanning calorimetry (DSC) was utilized to examine the phase transformations occurring during heating/cooling process. Thermodynamic computations were carried out to assess the phase formation in the equilibrium/non-equilibrium conditions. According to the predicted/experimental results, the solidification sequence and the stability of Cu/Mg bearing intermetallics are strongly influenced by the chemistry of the alloys. Q-Al5Cu2Mg8Si6 phase was solidified either at the same temperature or earlier than θ-Al2Cu phase depending the Cu content of the alloy. Moreover, Q-Al5Cu2Mg8Si6 and π- Al8FeMg3Si6 which were soluble at 505℃ in the alloy Al-7Si-1.5Cu-0.4Mg, remained almost intact in the alloy Al-7Si-1.5Cu-0.8Mg wt.-%. Tough the AlCuFe- intermetallic was barely observed in the as-cast microstructure, the reaction of α-Al with the β-Al5FeSi phase caused the formation of the N-Al7Cu2Fe phase during SHT. The solid state phase transformation (precipitation temperature and mechanism) of β-Al5FeSi to the N-Al7Cu2Fe phase was also investigated.

Thèse en cotutelle Université Laval et Université Pierre et Marie Curie / Les infections associées au milieu hospitalier demeurent une cause majeure de mortalité et de morbidité dans le monde, malgré plusieurs décennies dédiées à promouvoir une meilleure surveillance et des méthodes de désinfection plus complètes. La capacité des bactéries pathogènes à survivre sur des substrats solides a été identifiée comme un facteur clé de la pathogenèse de ces infections, en multipliant les sources de transmission et de contamination. Au niveau de la recherche, cette situation s’est récemment traduite par un intérêt marqué pour le développement de revêtements antibactériens novateurs pouvant constituer une ligne de défense complémentaire contre la colonisation bactérienne de surfaces, pourvu qu’ils puissent résister à l’environnement rigoureux des établissements de santé. Dans cette thèse, nous avons émis l'hypothèse qu'un revêtement antibactérien avec une stabilité supérieure pouvait être déposé en utilisant un procédé plasma modulable, de sorte que les propriétés du revêtement résultant pourraient être adaptées aux exigences de différentes situations ou applications. Par conséquent, des revêtements nanocomposites de carbone amorphe adamantin contenant de l'argent (Ag-DLC) ont été développés et étudiés comme plate-forme polyvalente pour des surfaces antibactériennes. L’intérêt de ce matériau réside dans la combinaison des excellentes propriétés mécaniques, de la résistance à l'usure et de l'inertie chimique du carbone amorphe adamantin avec les propriétés antibactériennes à large spectre des nanomatériaux d'argent au sein d’un même revêtement déposé par plasma. Ce travail a d'abord identifié les défis de conception spécifiquement associés au développement de revêtements antibactériens pour le milieu hospitalier. Des analyses approfondies des revêtements Ag-DLC ont ensuite démontré une bonne efficacité antibactérienne in vitro ainsi qu’une stabilité des propriétés, de la structure et de l’état chimique des revêtements dans le temps. L'étendue de la polyvalence des revêtements Ag-DLC a été évaluée au travers de l’identification des mécanismes de croissance principaux, permettant d’obtenir des informations essentielles sur la façon dont les propriétés des films, telles que la dureté, la teneur et la distribution d’argent, pouvaient être contrôlées en ajustant des paramètres spécifiques du dépôt plasma. De plus, un traitement de surface in situ a été développé pour surmonter les problèmes de délamination et a montré la capacité de favoriser l'adhérence de revêtements DLC sur des substrats métalliques. Dans l'ensemble, cette étude a mis en évidence l'importance de la stabilité dans l'application des revêtements antibactériens et a démontré le vaste potentiel des procédés plasma pour le dépôt de revêtements antibactériens stables avec des propriétés adaptables. / Healthcare-associated infections remain a major cause of mortality and morbidity worldwide, with a substantial financial burden on society, despite decades of monitoring and disinfection efforts. The ability of pathogenic bacteria to survive on solid substrates has emerged as a key contributing factor in the pathogenesis of these infections by multiplying the sources of transmission and contamination. This has prompted investigations into the development of innovative antibacterial coatings, which could provide a complementary barrier against bacterial colonization of surfaces provided that they can withstand the harsh operating environment of healthcare facilities. In this thesis, we hypothesized that an antibacterial coating with superior stability could be deposited using a tailorable plasma process, so that the resulting coatings’ properties could be adapted to match the requirements of different situations or applications. Therefore, silver-containing diamond-like carbon (Ag-DLC) nanocomposite coatings were developed and investigated as a versatile platform material for antibacterial surfaces. The interest of this material lies in the combination of the excellent mechanical properties, wear-resistance and chemical inertness of diamond-like carbon with the broad-spectrum antibacterial properties of silver nanomaterials in a single, plasma-deposited coating. This work first identified the specific design challenges associated with the development of antibacterial coatings for healthcare environments. Thorough investigations of Ag-DLC coatings then revealed good antibacterial efficacy in vitro as well as stability of the coatings’ properties, structure, and chemistry over time. The extent of the tailorability of Ag-DLC coatings was also assessed through the identification of the main growth mechanisms, providing insights on how the film’s properties, such as the hardness, silver content, and silver distribution, could be controlled by adjusting specific plasma deposition parameters. Furthermore, an in situ interface plasma treatment was developed to overcome delamination issues and showed the ability to promote the adhesion of high stress DLC coatings on metallic substrates. Overall, this study highlighted the importance of stability in the application of antibacterial coatings and demonstrated the vast potential of plasma processes for the deposition of stable antibacterial coatings with tunable properties.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L'objectif principal de ce projet de doctorat est de développer et de caractériser un agent de contraste pour la détection in vivo, en imagerie par résonance magnétique (IRM) pondérée en T₁; d'un groupe de cellules préalablement marquées in vitro. Le but de ce marquage est de visualiser et de suivre le développement de cellules après leur implantation dans un modèle préclinique et ce, en contraste "positif". Pour ce faire, la stratégie choisie pour cette thèse est de synthétiser des nanoparticules ultrafines (< 3 nm) d'oxyde de gadolinium recouvertes d'un ligand biocompatible. La première étape de ce projet consistait, après optimisation d'une synthèse de nanoparticules de Gd₂O₃ recouvertes de diéthylène glycol, à mener une expérience d'ingestion cellulaire avec des cellules de glioblastome multiforme de souris (GL-261). Le rehaussement du signal des cellules en IRM a été démontré après l'ingestion, tout comme la possibilité de les détecter après une implantation sur la membrane chorioallantoïque d'un oeuf de poulet fertilisé. Des études MET ont révélé que les particules s'accumulent et s'agrègent dans les endosomes cellulaires pendant l'ingestion. La seconde étape de la thèse a donc consisté à analyser in vitro, en milieu aqueux, l'impact de cette agrégation sur les propriétés relaxométriques des particules. Pour ce faire, des analyses MET, DLS et avec des relaxomètres à champs magnétiques variables ont été menées. Ces études ont démontré que l'agrégation influence les propriétés relaxométriques des suspensions de Gd₂O₃, surtout à champs magnétiques élevés (> 7 T, ou 300 MHz). Finalement, une synthèse alternative en une étape, recouvrant les nanoparticules de polyethylene glycol (PEG), a été développée afin de limiter l'agrégation. Les propriétés physicochimiques des particules de PEG-Gd₂O₃ (1,3 nm) ont été étudiées par MET, DLS, DRX, EDS, FTIR et ATG. Les relaxivités longitudinale et transverse mesurées à 1.41 T (60 MHz, 37°C, pH 5) ont été de 14,2 et 17,2 mM⁻¹s⁻¹. La performance de ce produit de contraste a été testée en injectant in vivo des cellules de glioblastome multiforme (F98) préalablement marquées. Les cellules implantées ont été visualisées en IRM et ont toutes développé des tumeurs cérébrales malignes en quelques jours. En conclusion, les nanoparticules développées auront permis de détecter efficacement des cellules implantées in vivo.