Le besoin clinique de nouvelles technologies pour favoriser la régénération des tissus et des organes lésés ou malades a permis l'émergence de l'ingénierie tissulaire. Ce concept s'est révélé être une stratégie prometteuse afin de fournir une alternative aux maladies vasculaires dans un futur plus ou moins proche. Les modèles issus du génie tissulaire vasculaire ont également le potentiel d'être utilisés comme des modèles in vitro de tissus pour l'étude des processus physiopathologiques ainsi que pour des essais précliniques de médicaments et de différents dispositifs médicaux. De nombreuses approches existent dans ce domaine ayant chacune ses avantages et inconvénients, mais aucune n'a encore eu un réel succès. Dans ce contexte, le projet de cette thèse a été de concevoir, développer et valider un modèle de la paroi vasculaire en mimant la structure d'une artère naturelle. Brièvement, une artère est composée de trois couches composées chacune d'un type cellulaire différent qui lui confèrent des propriétés et des fonctions propres à chaque type de cellules. Celles-ci sont enchevêtrées dans une matrice extracellulaire majoritairement composée de collagène. En se basant sur les travaux précédents du Laboratoire de Biomatériaux et Bioingénierie de l'Université Laval, le gel de collagène de type I a été utilisé comme matrice tridimensionnelle grâce à son fort potentiel pour supporter et guider les cellules vasculaires dans le processus de régénération du tissu in vitro. L’objectif a été le développement d'un modèle de tri-culture avec un échafaudage à base de collagène pour imiter intimement l'organisation cellulaire en tri-couches des artères natives. Dans un premier temps, un modèle plat a été élaboré et caractérisé. Puis dans un deuxième temps, une nouvelle méthode pour créer des tubes cellularisés de collagène a été mise au point. Et enfin, dans un troisième temps, le développement d'un protocole pour la création d'une tri-culture tubulaire soutenue par une matrice de collagène a été conçu et validé. / The tremendous clinical need for the development of technologies to facilitate the regeneration of injured or diseased tissues and organs allowed the openning of tissue engineering field. The concept of vascular tissue engineering has emerged as a promising strategy in order to provide an alternative to animal models of vascular diseases. Engineered arterial models have the potential to be used instantly as an in vitro models of vascular tissue for the investigation of patho/physiological processes and as preclinical tests for drugs and devices. Many approaches exist in this area, each with its advantages and disadvantages but none of the approaches yet had a real success. With this in mind, the objective of this thesis was to design, develop and validate an easy and fast-to-prepare vascular wall model mimicking the natural artery structure. Briefly, an artery is composed of three layers, consisting of different cell types that confer each layer with certain properties and functions. These cells are embedded in extracellular matrix mainly composed of collagen. Based on the previous work of the Laboratory for Biomaterials and Bioengineering of Laval University, type I collagen gel was used as a three dimensional matrix; thanks to its strong potential to support and guide the vascular cells in the process of tissue regeneration in vitro. The objective was therefore to develop a tri-culture model based on collagen scaffold to closely mimic the cellular organization in tri-layers of native arteries. First, a flat model was developed and characterized. Then secondly, a new method for creating cellularized collagen tubes was developed. And finally, the development of a protocol for the establishment of a tubular tri-culture supported by a collagen matrix was designed and valided.

La stabilité des excavations dans les roches fracturées est influencée, entre autres, par le régime structural, qui est inhérent à la roche. Divers outils sont disponibles pour les analyses de stabilité, mais la qualité des résultats dépend considérablement des données d’entrée disponibles et des outils utilisés. Dans ce mémoire, deux études de cas sont présentées, qui étudient l'influence de la représentation de données structurales sur l'analyse de stabilité. La première étude de cas traite de la stabilité d'une pente de roche le long d'une route près de Fleurimont, qui a subi des effondrements de dièdre. L’objectif était de découvrir si les effondrements pourraient avoir été prédits et d'évaluer la probabilité de la rupture de dièdre le long de la pente. Plusieurs analyses d'équilibre limite ont été effectuées, y compris une analyse déterministe rétrospective de deux ruptures de dièdres, et une analyse probabiliste des dièdres individuels. De plus, une analyse probabiliste de système de joints a été effectuée en utilisant les modèles 3D de système de joints, qui ont été générés avec des données de terrain. Les données nécessaires pour les analyses ont été recueillies sur place. Les résultats d’analyse rétrospective ont indiqué l'instabilité potentielle des dièdres observés, et les approches probabilistes ont confirmé l'occurrence des effondrements de dièdre le long de la pente, mais ils ont également démontré que la probabilité d'effondrements semblables est faible. Les résultats ont démontré qu'une analyse de données exhaustive en utilisant plusieurs outils d'analyse est requise pour obtenir une évaluation fiable du comportement de la roche. La deuxième étude de cas discute de la stabilité des galeries à la mine souterraine LaRonde de l'Agnico Eagle, qui sont concernées par de grandes déformations à cause de la convergence des parois. L'analyse de la convergence observée s'est concentrée sur la génération d'une série de modèles numériques 2D selon la méthode des éléments finis, visant à reproduire le mécanisme d'effondrement et les déformations résultantes. La foliation in situ a été reproduite par des joints, qui ont été introduits explicitement dans le modèle. Les données structurales requises ont été rassemblées sur place. Les modèles ont été calibrés avec les données de convergence disponibles. Les résultats de modélisation numérique ont atteint une bonne concordance avec les observations sur place. Les deux profils caractéristiques observés et l’ordre de grandeur des déformations mesurées ont pu être reproduits. Il a été démontré que le modèle numérique appliqué est un outil utile pour modéliser les conditions complexes observées à la mine. Plus d'expériences de validation devraient être effectuées, mais la méthode peut potentiellement être employée pour élaborer de meilleures stratégies pour les travaux de développement minier dans des conditions semblables. Les deux études de cas ont démontré l'influence de la représentation des données structurales sur l'analyse de données. En outre il a été montré que le choix des outils d'analyse influence les résultats obtenus. / The stability of excavations in fractured rock is influenced among others by the structural order inherent in the rock mass. Various analysis tools are available for stability analysis, but the quality of results depends considerably on the available analysis data and the tools used. In this thesis two case studies of excavations in fractured rock are presented that investigate the influence of structural data representation on the stability analysis. The first case study focused on the stability of a rock slope along a road cut near Fleurimont that has experienced wedge failures. The aim was to find out, if the failures could have been predicted, and to evaluate the probability of wedge failures along the slope. Different limit equilibrium wedge analyses were carried out, including a deterministic back-analysis of two wedge failures and a probabilistic analysis of individual wedges. Furthermore a probabilistic joint system analysis was carried out using 3D joint system models generated out of field data. As part of this work the required analysis data was collected on site. The back-analysis results suggested potential instability of the observed wedges, and the probabilistic approaches confirmed the occurrence of wedge failures along the slope, but also indicated the only low probability for these failures. The results demonstrated that a comprehensive data analysis using various analysis tools is required to reach a reliable assessment of the rock behaviour. The second case study discusses the stability of drifts at Agnico Eagle’s LaRonde underground mine that are affected by large deformations due to rock squeezing. The analysis of the observed drift convergence focused on the generation of a series of numerical 2D finite element models, aiming to reproduce failure mechanism and resulting deformations. The in situ foliation was reproduced by explicitly introducing joints into the model. The required structural data was collected on site. As reference data for the model calibration available convergence data was used. The modelling results reached a good agreement with the observations on site. Both observed characteristic deformation profiles as well as measured deformation magnitudes could be adequately reproduced. It could be demonstrated that the applied numerical model is a useful tool to model the complex squeezing ground conditions observed at the mine. More validation experiments should be carried out, but the method can potentially be used to develop better mine development strategies in similar conditions. Both case studies demonstrated the influence of structural data representation on the data analysis. Furthermore it could be shown that the choice of analysis tools influences the obtained results.

Cette recherche examine les possibilités d’optimisation économique et géotechnique des mines à ciel ouvert. Elle porte sur un cas d’étude : la fosse Portage de la mine Meadowbank, propriété exclusive d’Agnico-Eagle. Ce travail de recherche visait trois objectifs. En premier, la réalisation d’une campagne de caractérisation des murs de la fosse Portage. Cette caractérisation a permis de récolter des nouvelles données géotechniques qui ont été d’abord comparées avec les données existantes. Par la suite, ces nouvelles données ont permis de bonifier le modèle géotechnique existant de la fosse Portage. En second, le travail visait l’évaluation de la stabilité des murs de la fosse Portage selon la configuration suggérée par le plan minier 2011, en tenant compte des travaux de caractérisation exécutés par Agnico-Eagle en 2010 et ceux réalisés dans le cadre de cette recherche en 2011. Une approche intégrée a été utilisée pour analyser la stabilité des pentes de l’ensemble des fosses emboitées de la séquence planifiée d’exploitation. Enfin, cette étude visait l’élaboration des bases d’un outil d’aide à la décision qui repose sur l’optimisation économique et le potentiel d’instabilité des fosses. Cette approche a été utilisée pour la fosse Portage.

Contrainte par la réduction des seuils d’émissions autorisés, l'industrie automobile est devenue plus respectueuse de l’environnement et des utilisateurs. Le "downsizing" des moteurs à combustion interne permet de limiter la masse des véhicules mais implique des cycles de combustion aux rendements améliorés et des niveaux de contraintes thermomécaniques plus importants. La pièce la plus sollicitée est la culasse réalisée en alliage Al-Si hypoeutectique. Les défis que cela engage sont doubles : permettre des températures de fonctionnement plus élevées et conserver des propriétés mécaniques optimales. Ces pièces sont traitées thermiquement par une séquence de : mise en solution, trempe et revenu afin d'optimiser le durcissement structural et de limiter le vieillissement en service de l'alliage par la création d'une distribution fine et homogène de nano-précipités dans les phases α pro-eutectique et eutectique. Durant la trempe, des gradients thermiques importants, résultant de vitesses de refroidissement différentes à l’intérieur de la pièce, peuvent provoquer des distorsions et réduire la résistance mécanique effective des pièces en raison de l'apparition de contraintes résiduelles. L’objectif de ce projet doctoral a été de comprendre et de caractériser l’effet de la vitesse de trempe ainsi que du revenu sur la cinétique de précipitation pour limiter l’impact des contraintes résiduelles et maintenir le potentiel durcissant sur quatre nuances industrielles. Les échantillons ont été coulés au centre de R&D Montupet par gravité à la louche dans une coquille thermo-régulée calibrée. Les échantillons comportent un SDAS compris entre 15 et 25μm, représentatif de celui en face feu des culasses automobiles. Chaque nuance a été au préalable caractérisée selon leur état métallurgique puis, dans un second temps, par simulations numériques afin de confronter les résultats et valider l’efficacité de la séquence de traitement thermique appliquée (métallographie, MEB, EDS, microsonde, ICP, fours tubulaires, DSC, essais de traction et simulations ThermoCalc, Dictra et MatCalc). Le projet s’organise selon trois volets principaux portant respectivement sur l’opération de trempe, la cinétique de précipitation associée à l’évaluation des mobilités interfaciales de précipités et la validation des lois de comportement issues d’essais mécaniques selon les conditions de revenu appliquées. / Constrained by the reduction of authorized emission thresholds, the automotive industry has become more respectful of the environment and users. The downsizing of internal combustion engines makes it possible to limit the mass of vehicles but involves combustion cycles with improved efficiency and higher levels of thermomechanical stresses. The most affected part is the cylinder head made of hypoeutectic Al-Si alloy. The challenges that this entails are two fold : allowing higher operating temperatures and maintaining optimal mechanical properties. These parts are heat treated by a solutionizing, quenching and aging steps in order to optimize the structural hardening and to limit aging during the use of the alloy by creating a fine and homogeneous distribution of nano-precipitates in the α pro-eutectic and eutectic phases. During quenching, important thermal gradients, resulting from different cooling rates inside the part, can cause distortions and reduce the effective mechanical strength of the parts due to the occurrence of residual stresses. The objective of this PhD project was to understand and characterize the effect of quench rate and aging on precipitation kinetics in order to limit the impact of residual stresses and maintain the hardening potential in four industrial alloys. The samples were castat the Montupet R&D center by gravity die casting into calibrated thermo-regulated die. The samples have aSDAS comprised between 15 and 25μm, representative of the one for fire deck surface of automobile cylinder heads. Each nuance was initially characterized according to their metallurgical state then, in a second step, by numerical simulations in order to compare the results and validate the efficiency of the applied heat treatment sequence (metallography, SEM, EDS, microprobe, ICP, tubular furnaces, DSC, tensile tests and ThermoCalc, Dictra and MatCalc simulations). The project is organized into three main sections dealing respectively with the quenching operation, the kinetics of precipitation associated with the evaluation of the interfacial mobilities of precipitates and the validation of thematerial behavior laws resulting from mechanical tests according to the applied aging conditions.

Au cours de 15 dernières années, les maladies coronariennes et les accidents vasculaires cérébraux demeurent les causes principales de décès dans le monde. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, en 2015, ces deux maladies ont causé 15 millions des décès sur les 56,4 millions dans le monde. Des traitements chirurgicaux ont été élaborés et améliorés pour soigner ces maladies en maintenant les vaisseaux sanguins ouverts. Parmi les traitements chirurgicaux, l'angioplastie avec utilisation d’un stent est le traitement le plus populaire et le moins invasif. Les stents, qui sont des tubes métalliques en treillis, vont soutenir mécaniquement les vaisseaux sanguins après l’implantation et les maintenir ouverts pour améliorer le flux sanguin. Ceux-ci sont principalement composés d’acier inoxydable AISI316L (SS316L), d'alliage de cobalt-chrome et d'alliage de titane. Depuis plus d'un demi-siècle, lorsqu'un stent a été implanté pour la première fois, ils ont été considérablement améliorés. Cependant, la libération d'ions métalliques, potentiellement toxiques, et la détérioration des propriétés mécaniques à cause de la corrosion ainsi que la diminution de l'adhérence des revêtements, dans le cas de stents avec les revêtements en polymère, constituent encore des préoccupations majeures lors de l’utilisation des stents. Dans le cas des stents en SS316L, afin d’éviter la libération d'ions métalliques, au laboratoire de biomatériaux et de bioingénierie de l'Université Laval (LBB), lors de précédentes recherches, un revêtement fluorocarboné (CFx) a été étudié pour isoler complètement le stent de l'environnement biologique. Ce revêtement permet également le greffage ultérieur de molécules bioactives pour améliorer son intégration dans le corps. Cependant, l'interface de SS316L / CFx devait être améliorée pour augmenter l’adhésion du revêtement CFx sur le SS316L. Dans mon projet de doctorat, l’oxydation au plasma a été utilisé pour élaborer une nouvelle interface entre le substrat SS316L et le revêtement. Les propriétés de cette nouvelle interface, qui est composée d’une couche d'oxyde, ont été modifiées en faisant varier les paramètres du procédé plasma afin de préserver les propriétés de cette couche d’oxyde lorsqu’elle subit une déformation plastique de 25%, c’est-à-dire le pourcentage de déformation maximale que subira le stent lors de son implantation. Cette interface a permis de diminuer la libération des ions du substrat SS316L en réduisant son taux de corrosion plus que trois fois et d’améliorer l’adhérence adéquate du revêtement CFx sur le substrat, après déformation et après immersion dans une solution aqueuse saline. La nouvelle couche d'oxyde sur SS316L est une couche d'oxyde amorphe avec une épaisseur d'environ 6 nm qui se distincte bien de la microstructure polycristalline du substrat. L'amélioration des propriétés de l'interface a été attribuée à cette couche d'oxyde amorphe nano-épaisse, qui est résistante aux déformations plastiques. Cette couche d'oxyde peut être appliquée sur des stents métalliques nus composés de métaux passivables. En outre, elle crée une interface favorable pour les revêtements en polymère, qui sont utilisés pour les stents à relargage de principes actifs ainsi que pour améliorer l'intégration des stents dans le corps humain. / Over the past 15 years, ischemic heart disease and stroke have remained the leading causes of death, worldwide. According to the World Health Organization, 15 million of the 56.4 million global deaths, in 2015, were caused only by ischemic heart disease or stroke. For the treatment of these diseases, surgical treatments have been introduced and improved to hold the blood vessels open. Among the surgical treatments, angioplasty with stenting is the most popular and the least invasive treatments. Stents, which are wire mesh tubes, prepare a mechanical support for blood vessels and hold them open to restore the blood flow. They are mostly made up of AISI316L stainless steel (SS316L), cobalt-chromium, and titanium alloys. More than half a century ago, when a stent first used, it has considerably evolved. However, release of potentially-toxic metallic ions and deterioration of mechanical properties due to corrosion, and decrease of polymeric coatings adhesion, in case of coated stents, still constitute major concerns in SS316L stents. In the case of SS316L stents, to circumvent the release of metallic ions, in the laboratory for biomaterials and bioengineering of Université Laval (LBB), a fluorocarbon (CFx) coating was previously investigated to isolate the stent completely from the biological environment. The coating also enables subsequent grafting of bioactive molecules to improve its integration in the body. The results were promising; however, the interface of SS316L/CFx needed to be modified to improve the adhesion of the CFx coating. In this Ph.D. research project, a new interface between the SS316L substrate and the CFx coating was created by plasma oxidation. The properties of this new interface, which was an oxide layer, was modified by varying the plasma-process parameters in order to preserve its properties after a 25% plastic deformation. This deformation is the maximum plastic deformation that imposes on a stent during its implantation. The new interface decreased the release of ions by decreasing the corrosion rate of the SS316L substrate by a factor of three. It was also found that the new interface produced an adequate adhesion of the CFx coating to the substrate after deformation as well as after immersion in an aqueous saline solution. The new oxide layer on SS316L was an amorphous oxide layer with an approximately 6 nm thickness, which was clearly distinguished from the polycrystalline microstructure of the substrate. The enhancement of the interface properties was ascribed to this nano-thick amorphous oxide layer, which was found to be more resistant to plastic deformation. This new oxide layer can be produced on bare-metal stents made of passivating metals. Moreover, it can create a favorable interface for coated stents, which have been used in drug-eluting stents, and also to improve stents integration in the human body.

L'objectif du projet de doctorat est le développement d'une procédure innovante de mesure et post-traitement des données pour obtenir des informations quantitatives sur les paramètres magnétiques de nanoparticules magnétiques individuelles par l'utilisation de la Microscopie à Force Magnétique (MFM). Les nanoparticules magnétiques (MNP), grâce à leurs propriétés magnétiques particulières (monodomaine, superparamagnétisme, etc.) et leur taille nanométrique, conviennent à plusieurs applications biomédicales, telles que les systèmes d'administration de médicaments, les traitements de hyperthermie magnétique, l'étiquetage cellulaire, les agents de contraste pour l'imagerie a résonance magnétique (IRM). La conception de ces techniques requiert une connaissance détaillée des propriétés magnétiques des nanomatériaux utilisès, comme l'aimantation de saturation Ms, le champ magnétique de saturation Hs, la coercivité Hc. Les techniques standard, comme les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID) ou la magnétomètrie à échantillon vibrant (VSM), permettent la détection des propriétés magnétiques globales des populations de nanoparticules. Mais la détection des propriétés magnétiques des particules isolées n'est pas possible et l'évaluation de ces propriétés en fonction de la taille des particules n'est pas explicite. Grâce à sa résolution latérale nanométrique et sa capacité à détecter des champs magnétiques faibles, MFM est un outil puissant pour la caractérisation de dimensions de nanoparticules isolées, ainsi que leurs propriétés magnétiques. Cependant, une méthodologie pour obtenir des informations quantitatives sur les caractéristiques magnétiques de nanoparticules isolées par MFM n'a pas été individualisée, principalement en raison de i) la complexité des interactions pointe-échantillon qui affectent les mesures MFM et qui produisent également des phénomènes non magnétiques (par exemple, des interactions électrostatiques), et ii) l’absence d'un modèle théorique décrivant les interactions magnétiques entre la pointe et une nanoparticule de manière cohérente avec les données expérimentales détectées. Pour exploiter toutes le potentialités de la technique MFM en tant qu'instrument de nanométrologie magnétique, la stratégie proposée et suivie dans ce projet est organisée en 4 phases:1) a vérification théorique et expérimentale et la rationalisation des problemes ouvertes limitant l'applicabilité de la MFM à la caractérisation magnétique quantitative des NP individuels; Dans cette phase, la présence d'artefacts électrostatiques a été individualisée comme principale limite responsable de l'incohérence entre les données expérimentales et les modèles théoriques décrivant les interactions tip-NP. 2) le développement d'un appareil instrumental et d'une procédure de mesure pour évaluer et éliminer les contributions non magnétiques (électrostatiques) affectant quantitativement les données MFM; 3) l'individuation d'un modèle théorique décrivant l'interaction magnétique pointe-NP, cohérente avec les données expérimentales, et capable d'établir une relation précise entre les données mesurées et les paramètres physiques à déterminer (magnétisation dans le cas spécifique); 4) le développement d'une procédure pour mesurer quantitativement les propriétés magnétiques, et eventuellement d'autres paramètres, de nanoparticules isolées par MFM. Les résultats obtenus avec les procédures et les méthodologies présentées dans cette thèse ont démontré la possibilité de réaliser des mesures magnétiques quantitatives sur des NP magnétiques individuelles par la plateforme technologique MFM. / The objective of the PhD project is the development of a innovative measurement procedure and a data post-processing method to obtain quantitative information about the magnetic parameters of single magnetic nanoparticles through the use of the Magnetic Force Microscopy (MFM) technique. Magnetic nanoparticles (MNPs), thanks to their particular magnetic properties (single domains, superparamagnetism, etc.) and their nanometric size, are thought to be suitable for several biomedical applications, such as drug delivery systems, magnetic hyperthermia treatments, cell labelling, contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI). The design of these techniques requires a detailed knowledge on the magnetic properties of the adopted nanomaterials, like the saturation magnetization Ms, the saturation magnetic field Hs, the coercivity Hc. Standard techniques, like Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) or Vibrating Sample Magnetometer (VSM), to allow the detection of global magnetic properties of nanoparticles populations. Nevertheless, the detection of magnetic properties of single particles is not possible and the evaluation of the particle size dependence is not explicit. Thanks to its nanometric lateral resolution and its capability to detect weak magnetic fields, MFM is a potential powerful tool for the characterization of single nanoparticles dimensions, together with their magnetic properties. However, a methodology to extract quantitative information about the magnetic characteristics of single nanoparticles through MFM has not been individuated, mainly because of the complexity of tip-sample interactions affecting MFM measurements, which produces also non magnetic phenomena (e.g. electrostatic interactions), and the lack of a theoretical model describing the magnetic tip-NP interactions consistently with the detected experimental data. In order to exploit all the potential capabilities of MFM as a magnetic nanometrology tool, the strategy proposed and followed in this project is organized in the following four phases: 1) the theoretical and experimental verification and rationalization of the open issues and the problems limiting the applicability of MFM to the quantitative magnetic characterization of single NPs; in this phase the presence of electrostatic artifacts has been individuated as the main limitation responsible for the inconsistency between experimental data and theoretical models describing the tip-NP interactions. 2) the development of an instrumental apparatus and a measurement procedure to evaluate and eliminate the non-magnetic (electrostatic) contributions quantitatively affecting the MFM data; 3) the individuation of a theoretical model describing the magnetic tip-NP magnetic interaction, coherent with the experimental data, and able to establish a precise relationship between the measured data and the physical parameters desired to be determined (magnetization in the specific case); 4) the development of a procedure to quantitatively measure the magnetic properties, and eventually other parameters, of single nanoparticles by MFM. The results obtained with the procedures and methodologies presented in this thesis demonstrated the possibility of performing quantitative magnetic measurements on single magnetic NPs by MFM technology platform. / L'obiettivo del progetto di dottorato è lo sviluppo di una procedura di misura innovativa e di un metodo di elaborazione dei dati al fine di ottenere informazioni quantitative sui parametri magnetici di singole nanoparticelle magnetiche attraverso l'uso della Microscopia a Forza Magnetica MFM. Le nanoparticelle magnetiche (MNPS), grazie alle loro particolari proprietà magnetiche (singolo dominio, superparamagnetismo, etc.) e le loro dimensioni nanometriche, stanno recentemente trovando grande applicazione in diverse tecniche in campo biomedico, come i sistemi di somministrazione mirata di farmaci, trattamenti di tumori tramite ipertermia magnetica, l'etichettatura cellulare, gli agenti di contrasto per la risonanza magnetica nucleare (MRI). Il design e l’ottimizzazione di queste tecniche richiede una conoscenza dettagliata delle proprietà magnetiche dei nanomateriali adottati, come la magnetizzazione di saturazione Ms, il campo magnetico di saturazione Hs, la coercitività Hc. Le tecniche standard, come i Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) o i magnetometro a vibrazione del campione (VSM), consentono il rilevamento delle proprietà magnetiche globali di numerose popolazioni di nanoparticelle. Ma il rilevamento delle proprietà magnetiche di singole particelle non è possibile e la valutazione di queste proprietà in dipendenza della dimensione delle particelle non è esplicito. Grazie alla risoluzione laterale nanometrica e la sua capacità di rilevare i campi magnetici deboli, la tecnica MFM rappresenta uno strumento ad elevato potenziale per la caratterizzazione delle proprietà magnetiche di singole nanoparticelle, insieme alle loro dimensioni. Tuttavia, un metodo per estrarre informazioni quantitative sulle caratteristiche magnetiche di singole nanoparticelle attraverso la tecnica MFM non è stato individuato, soprattutto a causa della complessità delle interazioni punta-campione che interessano le misurazioni e che possono dare luogo anche a contributi non magnetici (ad esempio interazioni elettrostatiche), e alla mancanza di un modello teorico in grado di descrivere le interazioni magnetiche punta-NP in modo coerente con i dati sperimentali rilevati. Al fine di individuare e superare i limiti della tecnica MFM che ne limitano l’utilizzo come strumento nanometrologico magnetico, la strategia proposta e seguita in questo progetto di dottorato è organizzata nelle seguenti 4 fasi: 1) la verifica teorica e sperimentale e la razionalizzazione delle problematiche che limitano l'applicabilità della tecnica MFM alla caratterizzazione magnetica quantitativa di singole NP; in questa fase la presenza di artefatti elettrostatici è stato individuata come il principale limite responsabile per la riscontrata l'inconsistenza tra i dati sperimentali e modelli teorici che descrivono le interazioni tip-NP. 2) lo sviluppo di un apparato strumentale e una procedura miosura per la valutazione ed eliminazione dei contributi elettrostaticie non magnetici che influiscono quantitativamente sui dati MFM; 3) l'individuazione di un modello teorico che descrive l'interazione magnetica punta-NP coerentemente con i dati sperimentali, e in grado di stabilire una relazione precisa tra i dati misurati e i parametri fisici che si desiderano misurare (magnetizzazione nel caso specifico); 4) lo sviluppo di un procedimento per misurare quantitativamente le proprietà magnetiche, ed eventualmente altri parametri, di singole nanoparticelle tramite MFM. I risultati ottenuti con le procedure e le metodologie presentate in questa tesi hanno dimostrato la possibilità di effettuare misure magnetiche quantitative su singole NP magnetiche facendo uso della piattaforma tecnologica MFM.

Depuis trente ans, des efforts ont été menés dans le domaine de l'ingénierie des matériaux afin de concevoir des appareils médicaux pouvant être en contact avec les tissus humains. Néanmoins l'interaction entre la surface du matériau et l'environnement physiologique entraine la plupart du temps des complications. Le laboratoire d'ingénierie des surfaces est spécialisé dans l'élaboration de surfaces biomimétiques capables d'interagir de manière proactive avec leur environnement. Pour des applications cardiovasculaires, une des stratégies consiste à utiliser des protéines de la matrice extracellulaire, comme la fibronectine, connue pour la promotion de l'adhésion des cellules endothéliales. Dans ce contexte, parce que la bioactivité de la fibronectine est fortement liée à sa conformation, l'objectif est de comparer différentes stratégies d'immobilisation en caractérisant la quantité de fibronectine immobilisée ainsi que son activité biologique. Les précédentes études menées au laboratoire ont souligné le fait que la fibronectine immobilisée par les cystéines présente une meilleur bioactivité que lorsque celle-ci est immobilisée par les groupements lysines qu'elle contient. L'actuel projet porte sur l'étude de l'influence de l'utilisation d'un bras d'ancrage hydrophile ou hydrophobe entre la protéine et la surface sur la bioactivité de la protéine. Les résultats ont d'une part montré l'efficacité des bras d'ancrage dans l'immobilisation de la fibronectine et d'autre part les limites de leur utilisation pour une étude comparative portant sur la quantification et la bioactivité de la protéine.

The purpose of this nonexperimental quantitative study was to determine if there was a relationship between the 2018 Tennessee Value-Added Assessment System (TVAAS) Growth Score given by the Tennessee Department of Education and the overall 2018 Tennessee Educator Acceleration Model (TEAM) Observation Rating for teachers in grades 3-12 in the participating public school district. Demographic variables associated with both the teacher and evaluator were considered to determine if there existed a significant difference between gender, teaching license, grade level, TEAM Certified Observer years of experience, and the growth score and overall TEAM Observation Rating. The participating public school district is located in Northeast Tennessee and has 12 elementary schools, 2 middle schools, 2 high schools, and 1 optional high school. Participants included employees of the school district in tested subject areas in grades 3-12. Eight research questions served as the framework of the study. Data were analyzed using a Pearson correlation, Independent Samples t-tests, and Analysis of Variance (ANOVA). Results of the analysis revealed no significant correlation between TVAAS Growth Scores and the TEAM Observation Ratings for TN Ready tested teachers, in grades 3-12. There was no significant difference by gender in the TEAM Observation Ratings, no significant difference by type of teaching license in the TVAAS Growth Scores, and no significant difference by type of teaching license in the overall TEAM Observation Ratings. There was a significant difference in the TVAAS Growth Scores by grade level taught. Students in secondary classrooms showed more growth from testing than students in elementary classrooms. There was no significant difference by grade level taught in the overall TEAM Observation Ratings. There was a significant difference by TEAM Certified Observer’s years of experience in the TVAAS Growth Scores. Teachers assigned TEAM Certified Observers in the 0-1 year group and the 5-8 years group showed more student growth than teachers in the 2-4 years group. There was no significant difference by TEAM Certified Observer’s years of experience and the overall TEAM Observation Ratings for teachers in grades 3-12 in the participating public school district.

This thesis presents computational work on the structures, characterisation and optical properties of homogeneous gold nanoclusters, and gold-containing bimetallic nanoalloys. An introductory overview of nanoscience is followed by four results chapters in which various computational methods are applied to elucidate properties that are not fully understood; from these results areas for future development, and application, are identifed. Chapter 2 looks at structural motif preference as a function of composition and size for Au and Pd. Bimetallic (AuPd)_N particles are further studied, with thermodynamic preference found for Au_shellPd_core configurations with a monolayer Au shell. Chapter 3 discusses the development and implementation of a genetic algorithm designed to aid the determination of the structures of small nanoclusters from images taken with a scanning transmission electron microscope. The implementation of a search method proves efficient at identifying high-symmetry test clusters, and shows promise for further application to the identification of cluster structure from experimental images. Chapter 4 contains a first-principles study of Au₁₆ deposited on a graphite substrate. We introduce surface defects to see their influence on the nanocluster structure, as well as testing for potential catalytic applications. Finally, Chapter 5 looks at the optical response of monometallic and bimetallic nanoparticles. Surface plasmon resonance spectra are calculated for a variety of geometries, compositions and chemical ordering. The greatest influence on the extinction spectra is attributed to the particle shape and its environment.

Hospital-acquired infections, a large proportion of which are derived from contact transmission, represent a massive global challenge. It has been proved that surface modification of biomaterials with Ag or Cu has evolved as a potentially effective method for preventing bacterial proliferation on the devices surfaces. However, thin antimicrobial coatings on materials such as austenitic stainless steels can be easily worn and removed in relative motion with other surfaces. The purpose of this study is to develop multi-functional stainless steel surfaces which combine greatly improved wear resistance, at least maintain corrosion resistance and provide long-lasting, high efficacy, antimicrobial effects. In this thesis a series of surface engineering technologies, including active screen co-alloying, active screen plasma duplex alloying and double glow plus active screen duplex plasma alloying, were developed for surface alloying stainless steel with Ag or Cu and N; the phase constitution, microstructure, composition, and surface roughness of the alloyed surfaces were fully characterized, and the surface hardness, wear resistance, bonding strength, antimicrobial efficiency and corrosion behaviour of the treated surfaces were evaluated. In addition, further inspection of the wear mechanisms and corrosion mechanisms were conducted on post-exposure surfaces. It was found that the adhesive wear mechanism of austenite can be reduced by this alloying combination and the wear resistance was improved by up to 1000 times, and the Ag/Cu alloyed surface was bactericidal and growth-inhibitive for many pathogens including E. coli NCTC 10418 and S. epidermidis NCTC 11047 effectively up to 99%/6h. The mechanism of bactericidal efficiency of Ag/Cu is found dependent on the structure of the bacterial membrane and a higher efficiency of antibacterial agents is found associated with the higher elemental concentration of copper and silver. With regard to corrosion, it is affected largely by the configuration of surface structure and several corrosion mechanisms were evolved. One principal conclusion was that it is feasible to generate long lasting antimicrobial stainless steel surface to fulfil growing demands from industry for practically robust multifunctional medical device surfaces.