Le remplacement des tissus mous du système ostéo-articulaire par des implants synthétiques en hydrogels est souvent limité par un faible ancrage avec le tissu osseux. Une approche pour renforcer l’interface os/implant consiste à fonctionnaliser la surface de l’implant par un revêtement biocéramiques. Dans cette thèse, nous étudions deux approches pour revêtir des hydrogels d’alcool polyvinylique (APV) avec des particules biocéramiques d’hydroxyapatite (HA). Dans une première approche, basée sur le procédé d’enduction, des substrats d’hydrogel ont été revêtus par des particules d’HA enchâssées dans une matrice d’hydrogel d’APV non-dégradable. Dans ce procédé, le contrôle de la composition de la solution de trempage permet d’ajuster finement l’épaisseur, la cohésion et l’adhérence du revêtement, ainsi que le taux d’exposition d’HA à la surface du revêtement. La biocompatibilité avec la pratique chirurgicale et l’ostéointégration de ces revêtements ont été évaluées par une étude in vivo sur un modèle de cicatrisation de tunnel osseux chez le lapin. Ces premiers travaux nous ont menés à la découverte d’une nouvelle approche pour gélifier des films d’hydrogel par un procédé auto-entretenu, qui consiste à utiliser la déplétion de solvant créée à la surface d’un substrat gonflant dans une solution de polymère pour induire la gélification sans action extérieure. Dans ce procédé, la croissance de ces films dépend de la concentration de la solution, du temps de trempage et de la cinétique de gonflement du substrat. Le caractère doux de ce procédé de gélification a été vérifié en encapsulant des fibroblastes, qui restent viables durant 48h. Avec un second procédé plus énergétique, des substrats d’hydrogels d’APV ont été revêtus de couches denses de particules d’HA submicroniques par cold spray. Les paramètres de projection (température, pression, distance de projection) ont été variés systématiquement pour déterminer des conditions de projection appropriées. Un schéma de formation du revêtement est proposé, basé sur les observations microscopiques. Chacun de ces procédés et leur combinaison ouvrent de nouvelles voies dans la conception de système hydrogel-céramique ayant des propriétés microstructurales, mécaniques et biologique contrôlées. / The replacement of soft osteoarticular tissues by synthetic hydrogel implants is often limited by a weak anchorage to bone tissues. One approach to strengthen the bone-implant interface consists in functionalizing the surface of the implant by a coating of bioceramics. In this thesis, we investigate two approaches to coat hydrogels of poly(vinyl alcohol) (PVA) with ceramic particles of hydroxyapatite (HA). In a first “soft” process, based on dip-coating, hydrogel substrates were coated with hydroxyapatite particles embedded in a non-degradable PVA hydrogel matrix. In this process, the control of the soaking solution composition allows to finely tune the thickness, the cohesion and the adhesion of the coating, as well as the HA exposure at the coating surface. The biocompatibility with surgical handling and the osteointegration of these systems were assessed by an in vivo study in a rabbit model of bone tunnel healing. This first approach led to the discovery of a new approach to grow physical hydrogel films by a self-sustained process, consisting in using the solvent depletion created at the surface of a swelling polymer substrate immersed in a PVA solution to induce the gelation of hydrogel films without external action. In this process, the growth of these hydrogel films depends on the solution concentration, the soaking time and the swelling kinetics of the substrate. We verified the gentle character of this process by encapsulating fibroblasts, which remain viable for 48h. In a second more “energetic” process, dense coatings of submicronic HA particles were produced on PVA hydrogel by cold spray. Spraying parameters (temperature, pressure and stand-off distance) were varied systematically to determine efficient spraying condition. Based on microscopic observations, a picture explaining the formation of the coating is proposed. Both processes and their combination open new routes for the design of ceramic-hydrogel systems having controlled microstructural, mechanical and biological properties.

L'objectif central de notre thèse de doctorat visait l'utilisation d'halogénures d'aryles en tant qu'électrophiles dans des réactions de substitution nucléophile aromatique (SNAr). D'abord, nous avons cherché à former des liaisons C(aryl) hétéroatome par réaction entre des nucléophiles hétéroatomiques et des halogénures d'aryles substitués par des groupements électro-attracteurs. Les résultats de cette étude ont été comparés à des incohérences relevées dans la littérature et montrent que l'ordre de réactivité d'halogénures d'aryles communément accepté n'est pas toujours respecté. Un effet positif a été observé par l'ajout de 2,2,6,6-tétraméthyl-3,5-heptanedione pour l'arylation de phénols avec des halogénures d'aryles substitués par des groupements électro-donneurs, ce qui en fait la première méthode capable de générer des diaryléthers par cette voie réactionnelle sans ajout de catalyseurs métalliques. Ensuite, nous avons mis au point une réaction générale d'± arylation de cétones aromatiques avec des halogénures d'aryles dans des conditions réactionnelles douces. L'utilisation du t-BuOK, une base inorganique capable de transferts mono-électroniques, et de DMF comme additif permet la synthèse d'±-arylcétones avec d'excellents rendements. Cette méthode a été appliquée à la synthèse d'hétérocycles fusionnés et de (Z)-tamoxifène, des molécules montrant une activité biologique. Une étude mécanistique a montré que l'anion carbamoyle du DMF est impliqué dans une étape clé de transfert mono-électronique avec des halogénures d'aryles. Nous avons également appliqué cette méthode à la substitution nucléophile vinylique de ″-halostyrènes. Bien que des précédents de la littérature font état de mécanismes ioniques pour les réactions de ces substrats, nos résultats expérimentaux supportent un mécanisme radicalaire. Enfin, nous avons tenté de mettre au point le premier protocole permettant la synthèse de biaryles dissymétriques au départ d'halogénures d'aryles et de triarylbismuths(III) via une catalyse par des sels de cuivre. Malgré le fait que de nombreux ligands bidentates et tétradentates ont été testés, les faibles rendements obtenus font que les conditions réactionnelles demeurent à optimiser. Globalement, nous avons donc apporté une contribution en ce qui concerne la détermination de la frontière expérimentale entre la SNAr et la catalyse métallique, la fonctionnalisation en ± de cétones aromatiques et la synthèse de biaryles dissymétriques par réactions de couplages croisés de triarylbismuths catalysées au cuivre. / The primary objective of our doctoral research was centered on the use of aryl halides as electrophiles for nucleophilic aromatic substitution (SNAr). First, we tried to create C(aryl)−heteroatom bonds by reacting heteroatom nucleophiles with aryl halides substituted by electron-withdrawing groups. The results of this study were compared with inconsistencies found in the literature and show that the expected order of reactivity of aryl halides is not always observed. A beneficial effect was observed by adding 2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dione to the reaction of phenols and aryl halides substituted by electron-donating groups in what is the first method allowing the synthesis of diarylethers without added metal catalysts by this pathway. Second, we developed a general α-arylation reaction of aryl ketones with aryl halides under mild reaction conditions. Use of KOt-Bu, an inorganic base capable of single-electron transfer, and DMF as additive enables the synthesis of α-arylketones in excellent yields. This method was applied to the synthesis of fused heterocycles and (Z) tamoxifen, molecules possessing biological activity. A mechanistic study showed that the carbamoyl anion of DMF is involved in a single-electron transfer reaction with aryl halides as the key step of the mechanism. We next applied this method to the nucleophilic vinylic substitution of β-halogenostyrenes. While literature precedents suggest ionic mechanisms for reactions involving these substrates, we obtained experimental evidence suggesting a radical mechanism. Third, we tried to develop the first protocol enabling the copper-catalyzed synthesis of unsymmetrical biaryls starting from aryl halides and triarylbismuthanes(III). Although many bidentate and tetradentated ligands were tested, further optimization is required in order to develop a general method, as only low yields are obtained. Globally, we have contributed to the determination of the experimental frontier between SNAr and metallic catalysis, to the α-functionnalization of aryl ketones and to the synthesis of biaryls through copper-catalyzed cross-coupling reactions of triarylbismuths.

Les copolymères poly (acétate de vinyle-co-alcool vinylique), désignés par PVA, sont des tensioactifs macromoléculaires obtenus par hydrolyse partielle de poly (acétate de vinyle)(PVAc). Si les propriétés tensioactives des PVA ont pu être corrélées aux caractéristiques moléculaires il n'en est par de même en ce qui concerne les associats du type nanogels présents dans les solutions aqueuses. L'objectif de cette thèse était de caractériser les nanogels par des techniques telles que la diffusion dynamique de la lumière, la chromatographie d'exclusion stérique et la viscosimétrie. 9 PVA, de degrés d'hydrolyse de 73 à 88 mole% et de degrés de polymérisation de 650 à 2500 ont été étudiés. Il est apparu que les nanogels présent dans les PVA de DH =73 mole% et formés par interactions hydrophobe-hydrophobe entre séquences acétate ont des tailles entre 20-40 nm, avec des fractions volumiques de l'ordre de 20-30%. La désagrégation des nanogels par formation de complexes avec des tensioactifs anioniques du type SDS et SDBS a ensuite été démontrée. En faisant appel à la technique de fractionnement par « point de trouble » il est apparu que les chaînes les plus riches en acétate et en particulier celles ayant des longueurs des séquences acétate importantes complexent plus de SDS.Des « copolymères modèles » du type copolymères diblocs PVAc-b-PVOH comportant une séquence hydrophobe PVAc et une hydrophile PVOH ont pu être préparés par polymérisation RAFT, suivie par une réaction click. Une étude préliminaire de la micellisation de tels copolymères a permis de montrer la très grande analogie entre micelles de copolymères à blocs PVAc-b-PVOH et les nanogels de PVA examinés précédemment. / Poly (vinyl acetate-co-vinyl alcohol) copolymers, designated by PVA, are macromolecular surfactants obtained by partial hydrolysis of poly (vinyl acetate) (PVAc). If the surfactant properties of PVA have been correlated with molecular characteristics it is not the same for the colloidal aggregates in aqueous solutions so-called nanogels. The objective of this thesis was to characterize the nanogels using techniques such as dynamic light scattering, size exclusion chromatography and viscometry.9 PVA with degrees of hydrolysis between 73 and 88 mole% and polymerization degrees of 650 to 2500 were studied. It appeared that the nanogels, formed by hydrophobic-hydrophobic interactions between acetate sequences, are the size in the range of 20 to 40 nm with volume fractions between 20 and 30%. The disaggregation of nanogels by complex formation with anionic surfactants such as SDS and SDBS was further demonstrated. By using the "cloud point" fractionation technique it appeared that SDS is complexed by the sequences with high acetate content and in particular those with significant lengths of acetate sequences.As a model system diblock copolymers PVAc-b-PVOH containing a PVAc hydrophobie sequence and a PVOH hydrophilic sequence were prepared by RAFT polymerization, followed by a click reaction. A preliminary micellization study of these copolymers showed a very strong analogy between PVAc-b-PVOH block copolymer micelles and PVA nanogels discussed above.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse présente les travaux de développement de formulations injectables capables de se solidifier in situ, formant ainsi un implant piégeant des microparticules magnétiques en vue du traitement de tumeurs par induction magnétique d'une hyperthermie locale modérée. Nous exposons tout d'abord le contexte physique, biologique et clinique de l'hyperthermie comme traitement anticancéreux, particulièrement des modalités électromagnétiques. Les performances in vitro et in vivo des matériaux et formulations sont alors présentées. L'objet du chapitre suivant est la caractérisation des propriétés physicochimiques, magnétiques, et chauffantes, dans un champ magnétique alternatif (115 kHz, 9 - 12 mT), des microparticules de silice renfermant des nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPIONs) et de deux de leurs formulations: un hydrogel d'alginate de sodium et un organogel de poly(éthylène-co-alcool vinylique) dans le diméthylsulfoxide. Finalement, nous présentons le potentiel thérapeutique de 20 minutes d'hyperthermie locale induite après injection de l'organogel superparamagnétique dans un modèle murin sous-cutané de tumeurs nécrosantes de colocarcinome humain.