Mise au point d'essais simples pour estimer les propriétés mécaniques et la sensibilité au gel des sols et des matériaux de chaussées

La conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol.

Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

Nanoindentation Relaxation Study and Micromechanics of Cement-Based Materials

Ce travail évalue le comportement mécanique des matériaux cimentaires à différentes échelles de distance. Premièrement, les propriétés mécaniques du béton produit avec un bioplastifiant à base de microorganismes efficaces (EM) sont etudiées par nanoindentation statistique, et comparées aux propriétés mécaniques du béton produit avec un superplastifiant ordinaire (SP). Il est trouvé que l’ajout de bioplastifiant à base de produit EM améliore la résistance des C–S–H en augmentant la cohésion et la friction des nanograins solides. L’analyse statistique des résultats d’indentation suggère que le bioplastifiant à base de produit EM inhibe la précipitation des C–S–H avec une plus grande fraction volumique solide. Deuxièmement, un modèle multi-échelles à base micromécanique est dérivé pour le comportement poroélastique de la pâte de ciment au jeune age. L’approche proposée permet d’obtenir les propriétés poroélastiques requises pour la modélisation du comportoment mécanique partiellement saturé des pâtes de ciment viellissantes. Il est montré que ce modèle prédit le seuil de percolation et le module de Young non drainé de façon conforme aux données expérimentales. Un metamodèle stochastique est construit sur la base du chaos polynomial pour propager l’incertitude des paramètres du modèle à travers plusieurs échelles de distance. Une analyse de sensibilité est conduite par post-traitement du metamodèle pour des pâtes de ciment avec ratios d’eau sur ciment entre 0.35 et 0.70. Il est trouvé que l’incertitude sous-jacente des propriétés poroélastiques équivalentes est principalement due à l’énergie d’activation des aluminates de calcium au jeune age et, plus tard, au module élastique des silicates de calcium hydratés de basse densité.

Modélisation du comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances par la micromécanique : Effet de l'orientation des fibres à l'échelle de la structure

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées.

Composites and foams based on polylactic acid (PLA)

Cette étude est destinée à la production et à la caractérisation des composites d’acide polylactique (PLA) et des fibres naturelles (lin, poudre de bois). Le moussage du PLA et ses composites ont également été étudiés afin d’évaluer les effets des conditions de moulage par injection et du renfort sur les propriétés finales de ces matériaux. Dans la première partie, les composites constitués de PLA et des fibres de lin ont été produits par extrusion suivit par un moulage en injection. L’effet de la variation du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les caractéristiques morphologique, mécanique, thermique et rhéologique des composites a été évalué. Dans la deuxième étape, la poudre de bois (WF) a été choisie pour renforcer le PLA. La préparation des composites de PLA et WF a été effectuée comme dans la première partie et une série complète de caractérisations morphologique, mécanique, thermique et l’analyse mécanique dynamique ont été effectués afin d’obtenir une évaluation complète de l’effet du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les propriétés du PLA. Finalement, la troisième partie de cette étude porte sur les composites de PLA et de renfort naturel afin de produire des composites moussés. Ces mousses ont été réalisées à l’aide d’un agent moussant exothermique (azodicarbonamide) via le moulage par injection, suite à un mélange du PLA et de fibres naturelles. Dans ce cas, la charge d’injection (quantité de matière injectée dans le moule: 31, 33, 36, 38 et 43% de la capacité de la presse à injection) et la concentration en poudre de bois (15, 25 et 40% en poids) ont été variées. La caractérisation des propriétés mécanique et thermique a été effectuée et les résultats ont démontré que les renforts naturels étudiés (lin et poudre de bois) permettaient d’améliorer les propriétés mécaniques des composites, notamment le module de flexion et la résistance au choc du polymère (PLA). En outre, la formation de la mousse était également efficace pour le PLA vierge et ses composites car les masses volumiques ont été significativement réduites.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Contrôle adaptatif d'un bioréacteur cardiaque par algorithme génétique

Un bon fonctionnement du coeur humain est primordial pour maintenir une bonne qualité de vie. Cependant, lorsque le coeur est défaillant, certaines interventions chirurgicales s’avèrent nécessaires pour prolonger l’espérance de vie. Dans le cadre d’un projet multidisciplinaire reliant le génie mécanique avec le domaine biomédical, notre équipe travaille sur la fabrication de valves cardiaques conçues entièrement par génie tissulaire. Pour y parvenir, il est important d’obtenir des propriétés mécaniques optimales pour les tissus biologiques. Afin d’obtenir ces propriétés mécaniques, un outil important a été fabriqué lors d’une étude antérieure : le bioréacteur cardiaque. Le bioréacteur cardiaque permet de reproduire l’environnement physiologique du coeur, notamment les conditions de débit et de pression. Il est crucial de bien contrôler ces conditions, car celles-ci jouent un rôle important lors du conditionnement des substituts valvulaires. Toutefois, il est complexe de contrôler simultanément ces deux conditions de manière efficace. C’est pourquoi notre équipe s’est concentrée sur le développement d’une nouvelle stratégie de contrôle afin que le bioréacteur puisse reproduire le plus fidèlement possible l’environnement physiologique. Plusieurs techniques de contrôle ont été essayés jusqu’à maintenant. Par contre, leur précision était généralement limitée. Une nouvelle approche a donc été envisagée et est présentée dans ce mémoire. Cette nouvelle approche pour le contrôle du bioréacteur est basée sur un type d’algorithme bien connu mais encore très peu utilisé en contrôle : les algorithmes génétiques. Cette approche prometteuse nous a permis de produire des résultats dépassant tous ceux obtenus jusqu’à maintenant pour l’une des deux conditions, soit le débit physiologique.

Conception, développement et validation expérimentale d’une boussole haptique

Ce mémoire présente la conception, le contrôle et la validation expérimentale d’une boussole haptique servant à diriger les utilisateurs aux prises avec une déficience visuelle, et ce, dans tous les environnements. La revue de littérature décrit le besoin pour un guidage haptique et permet de mettre en perspective cette technologie dans le marché actuel. La boussole proposée utilise le principe de couples asymétriques. Son design est basé sur une architecture de moteur à entraînement direct et un contrôle en boucle ouverte étalonné au préalable. Cette conception permet d’atteindre une vaste plage de fréquences pour la rétroaction haptique. Les propriétés mécaniques de l’assemblage sont évaluées. Puis, l’étalonnage des couples permet d’assurer que le contrôle en boucle ouverte produit des couples avec une précision suffisante. Un premier test avec des utilisateurs a permis d’identifier que les paramètres de fréquence entre 5 et 15 Hz combinés avec des couples au-delà de 40 mNm permettent d’atteindre une efficacité intéressante pour la tâche. L’expérience suivante démontre qu’utiliser une rétroaction haptique proportionnelle à l’erreur d’orientation améliore significativement les performances. Le concept est ensuite éprouvé avec dix-neuf sujets qui doivent se diriger sur un parcours avec l’aide seule de cette boussole haptique. Les résultats montrent que tous les sujets ont réussi à rencontrer tous les objectifs de la route, tout en maintenant des déviations latérales relativement faibles (0:39 m en moyenne). Les performances obtenues et les impressions des utilisateurs sont prometteuses et plaident en faveur de ce dispositif. Pour terminer, un modèle simplifié du comportement d’un individu pour la tâche d’orientation est développé et démontre l’importance de la personnalisation de l’appareil. Ce modèle est ensuite utilisé pour mettre en valeur la stratégie d’horizon défilant pour le placement de la cible intermédiaire actuelle dans un parcours sur une longue distance.

Développement de fibres optiques composites pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge

Les sources laser à large bande possédant les caractéristiques requises pour émettre sur la plage spectrale correspondant à la seconde fenêtre de transmission atmosphérique (3 à 5 μm) exercent un attrait considérable pour divers domaines tels que la télédétection de polluants atmosphériques et les contremesures infrarouges. Les supercontinua générés à l’intérieur de fibres optiques représentent une option intéressante pour réaliser ce type de sources laser. En effet, ils possèdent une intensité élevée, un large contenu spectral, une excellente directionnalité de faisceau, ainsi qu’un bon potentiel pour constituer des sources lumineuses compactes et robustes. Toutefois, la génération d’un tel supercontinuum implique certains défis à relever sur le plan de la conception des fibres optiques employées. En fait, ces fibres optiques doivent présenter de faibles pertes de propagation sur la plage spectrale de 3 à 5 μm, posséder un paramètre de non-linéarité élevé et permettre le pompage en régime anomal de dispersion à des longueurs d’onde pour lesquelles des sources laser compactes sont offertes commercialement. En matière de robustesse, ces fibres doivent également démontrer de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une stabilité chimique appropriée vis-à-vis de la corrosion causée par l’humidité. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau type de fibres composites à saut d’indice fortement contrasté a été développé pour atteindre ces objectifs de génération de supercontinuum. Ce type de fibres combine respectivement un verre de tellurite et un verre de germanate pour son coeur et sa gaine permettant ainsi d’atteindre une différence d’indice de réfraction d’environ 0.3 entre ces deux dernières structures. Grâce à cet important saut d’indice, ces fibres peuvent fortement confiner les modes optiques à l’intérieur de leur coeur, ce qui leur donne la possibilité d’atteindre un niveau élevé de non-linéarité et d’optimiser leurs caractéristiques de dispersion chromatique pour la génération du supercontinuum. D’autre part, leur section transversale toute solide leur confère aussi une meilleure stabilité environnementale comparativement à celle démontrée par les fibres optiques microstructurées à base de verres d’oxydes de métaux lourds, de verres de chalcogénure et de verres fluorés. Toutefois, leur fabrication nécessite l’appariement de verres dont les propriétés thermomécaniques concordent suffisamment ensemble pour permettre leur fibrage. Les travaux effectués ici démontrent la production de fibres optiques composites et leur potentiel pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge moyen.

Stratégie d'amélioration de la résistance mécanique des zones de connecteurs

Le bois subit une demande croissante comme matériau de construction dans les bâtiments de grandes dimensions. Ses qualités de matériau renouvelable et esthétique le rendent attrayant pour les architectes. Lorsque comparé à des produits fonctionnellement équivalents, il apparait que le bois permet de réduire la consommation d’énergie non-renouvelable. Sa transformation nécessite une quantité d’énergie inférieure que l’acier et le béton. Par ailleurs, par son origine biologique, une structure en bois permet de stocker du carbone biogénique pour la durée de vie du bâtiment. Maintenant permis jusqu’à six étages de hauteur au Canada, les bâtiments de grande taille en bois relèvent des défis de conception. Lors du dimensionnement des structures, les zones des connecteurs sont souvent les points critiques. Effectivement, les contraintes y sont maximales. Les structures peuvent alors apparaitre massives et diminuer l’innovation architecturale. De nouvelles stratégies doivent donc être développées afin d’améliorer la résistance mécanique dans les zones de connecteurs. Différents travaux ont récemment porté sur la création ou l’amélioration de types d’assemblage. Dans cette étude, l’accent est mis sur le renforcement du bois utilisé dans la région de connexion. L’imprégnation a été choisie comme solution de renfort puisque la littérature démontre qu’il est possible d’augmenter la dureté du bois avec cette technique. L’utilisation de cette stratégie de renfort sur l’épinette noire (Picea Mariana (Mill.) BSP) pour une application structurale est l’élément de nouveauté dans cette recherche. À défaut d’effectuer une imprégnation jusqu’au coeur des pièces, l’essence peu perméable de bois employée favorise la création d’une mince couche en surface traitée sans avoir à utiliser une quantité importante de produits chimiques. L’agent d’imprégnation est composé de 1,6 hexanediol diacrylate, de triméthylopropane tricacrylate et d’un oligomère de polyester acrylate. Une deuxième formulation contenant des nanoparticules de SiO2 a permis de vérifier l’effet des nanoparticules sur l’augmentation de la résistance mécanique du bois. Ainsi, dans ce projet, un procédé d’imprégnation vide-pression a servi à modifier un nouveau matériau à base de bois permettant des assemblages plus résistants mécaniquement. Le test de portance locale à l’enfoncement parallèle au fil d’un connecteur de type tige a été réalisé afin de déterminer l’apport du traitement sur le bois utilisé comme élément de connexion. L’effet d’échelle a été observé par la réalisation du test avec trois diamètres de boulons différents (9,525 mm, 12,700 mm et 15,875 mm). En outre, le test a été effectué selon un chargement perpendiculaire au fil pour le boulon de moyen diamètre (12,700 mm). La corrélation d’images numériques a été utilisée comme outil d’analyse de la répartition des contraintes dans le bois. Les résultats ont démontré une portance du bois plus élevée suite au traitement. Par ailleurs, l’efficacité est croissante lorsque le diamètre du boulon diminue. C’est un produit avec une valeur caractéristique de la portance locale parallèle au fil de 79% supérieure qui a été créé dans le cas du test avec le boulon de 9,525 mm. La raideur du bois a subi une augmentation avoisinant les 30%. Suite au traitement, la présence d’une rupture par fissuration est moins fréquente. Les contraintes se distribuent plus largement autour de la région de connexion. Le traitement n’a pas produit d’effet significatif sur la résistance mécanique de l’assemblage dans le cas d’un enfoncement du boulon perpendiculairement au fil du bois. De même, l’effet des nanoparticules en solution n’est pas ressorti significatif. Malgré une pénétration très faible du liquide à l’intérieur du bois, la couche densifiée en surface créée suite au traitement est suffisante pour produire un nouveau matériau plus résistant dans les zones de connexion. Le renfort du bois dans la région des connecteurs doit influencer le dimensionnement des structures de grande taille. Avec des éléments de connexion renforcés, il sera possible d’allonger les portées des poutres, multipliant ainsi les possibilités architecturales. Le renfort pourra aussi permettre de réduire les sections des poutres et d’utiliser une quantité moindre de bois dans un bâtiment. Cela engendrera des coûts de transport et des coûts reliés au temps d’assemblage réduits. De plus, un connecteur plus résistant permettra d’être utilisé en moins grande quantité dans un assemblage. Les coûts d’approvisionnement en éléments métalliques et le temps de pose sur le site pourront être revus à la baisse. Les avantages d’un nouveau matériau à base de bois plus performant utilisé dans les connexions permettront de promouvoir le bois dans les constructions de grande taille et de réduire l’impact environnemental des bâtiments.

Développement à visée clinique d’une prothèse vasculaire décellularisée de faible diamètre produite par génie tissulaire

Il existe un besoin clinique pour les prothèses vasculaires de faible diamètre (< 6 mm), notamment pour effectuer des pontages vasculaires. Les prothèses synthétiques de faible diamètre, n’ayant pas d’endothélium, sont sujettes à la thrombose. Ainsi les chirurgiens préfèrent utiliser les vaisseaux autologues des patients. Pour cela, la veine saphène est de loin la plus utilisée. Cependant, de nombreux patients n’ont pas de vaisseaux adéquats, soit parce qu’ils ont déjà été utilisés, soit parce qu’ils sont malades. Pour pallier ce manque, le LOEX a développé un substitut vasculaire reconstruit en laboratoire par la méthode d’auto-assemblage du génie tissulaire. Ces substituts, faits à partir de cellules humaines, ont une longue période de production et ne peuvent être faits à l’avance ni préservés. L’objectif principal de cette thèse est le développement d’une prothèse vasculaire de faible diamètre facilitant le transfert du laboratoire vers la clinique. S’inspirant de travaux antérieurs, les travaux focalisent sur des prothèses obtenues à partir de fibroblastes dermiques humains puis décellularisés. Comme la réponse immunitaire se fait principalement contre les cellules et non pas contre la matrice extracellulaire, la décellularisation permet de gagner une compatibilité immunitaire inter-individu, voire inter-espèce. Ainsi, des prothèses ont été implantées dans six rats pendant six mois sans immunosuppression avec un taux de succès de 83%. Les explants présentaient une infiltration cellulaire suggérant la formation d’une nouvelle media recouverte d’un endothélium. Par ailleurs, nous avons démontré qu’il était également possible de produire des prothèses de grandeur et diamètre adéquats pour une utilisation clinique. Ces prothèses ont été préservées durant trois mois sans altérer leurs propriétés mécaniques. Nous avons également endothélialisé des vaisseaux qui ont ensuite été conditionnés en bioréacteur durant une semaine. Le processus entraînait une compaction de la matrice extracellulaire et un gain dans la résistance à la traction du matériau. En conclusion, les prothèses vasculaires décellularisées offrent deux avantages majeurs facilitant ainsi les essais précliniques et accélérant leur transfert du laboratoire vers les patients.

Matériaux mésoporeux fonctionnalisés pour l'extraction sélective des terres rares

Les matériaux mésoporeux à base de silice sont des plateformes polyvalentes qui offrent une réponse aux besoins de domaines variés comme l’environnement, la santé et les énergies. La fonctionnalisation avec des groupements organiques en fait des matériaux hybrides qu’il est aisé d’orienter vers une application spécifique. Ainsi, afin de fournir une alternative aux procédés industriels, dommageables pour l’environnement actuellement utilisés pour l’extraction et la purification des terres rares, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL) majoritairement, les silices mésoporeuses ont été sollicitées à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Cette dernière, en opposition à l’ELL, présente de nombreux avantages dont, la suppression des solvants organiques, le contrôle de la sélectivité envers et parmi le groupe des éléments de terres rares (ÉTR) à travers l’ancrage du ligand sur un support solide et la possibilité de réutiliser plusieurs fois l’adsorbant. Les ÉTR sont des métaux qui participent à la transition vers des technologies moins coûteuses en énergie, il est donc primordial de rendre leurs procédés d’extraction plus verts. Dans le cadre de ce travail, différents types de silices ordonnées mésoporeuses, MCM-41, SBA-15 et SBA-16, ont été synthétisées, fonctionnalisées avec un ligand approprié, et leurs comportements vis à vis de ces éléments, comparés. Ces matériaux ont de nombreux points communs mais certaines caractéristiques les différencient néanmoins : la taille et la géométrie des pores, la connexion entre les pores, l’épaisseur des parois, l’accessibilité aux pores ou encore la diffusion des liquides ou gaz dans la matrice. C’est pourquoi, le but de cette étude est d’élucider l’impact de ces diverses propriétés sur l’adsorption sélective des ÉTR en condition statique et dynamique.

Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Fibronectin/phosphorylcholine coatings on fluorocarboned surfaces: a study upon adsorption and grafting processes

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.

Valves cardiaques par génie tissulaire - Simplification des essais et concept tubulaire

Les substituts valvulaires disponibles actuellement comportent encore plusieurs lacunes. La disponibilité restreinte des allogreffes, les risques de coagulation associés aux valves mécaniques et la durabilité limitée des bioprothèses en tissu animal sont toutes des problématiques que le génie tissulaire a le potentiel de surmonter. Avec la méthode d’auto-assemblage, le seul support des cellules consiste en leur propre matrice extracellulaire, permettant la fabrication d’un tissu entièrement libre de matériau exogène. Ce projet a été précédé par ceux des doctorantes Catherine Tremblay et Véronique Laterreur, ayant respectivement développé une méthode de fabrication de valves moulées par auto-assemblage et une nouvelle version de bioréacteur. Au cours de cette maîtrise, le nouveau bioréacteur a été adapté à une utilisation stérile avec des tissus vivants et la méthode de fabrication de valves moulées a été modifiée puis éprouvée avec la production de 4 prototypes. Ces derniers n’ont pas permis d’obtenir des performances satisfaisantes en bioréacteur, motivant la conception d’une nouvelle méthode. Plutôt que de tenter de répliquer la forme native des valves cardiaques, des études récentes ont suggéré une géométrie tubulaire. Cela permettrait une fabrication simplifiée, une implantation rapide, et un encombrement minimal en vue d’opérations percutanées. Cette approche minimaliste s’accorde bien avec la méthode d’auto-assemblage, qui a déjà été utilisée pour la production de vaisseaux de petits diamètres. Un total de 11 tubes ont été produits par l’enroulement de feuillets fibroblastiques auto-assemblés, puis ont été transférés sur des mandrins de diamètre inférieur, leur permettant de se contracter librement. La caractérisation de deux tubes contrôles a démontré que cette phase de précontraction était bénéfique pour les propriétés du tissu en plus de prévenir la contraction en bioréacteur. Les prototypes finaux pouvaient supporter un écoulement physiologique pulmonaire. Cette nouvelle méthode montre que le procédé d’auto-assemblage a le potentiel d’être utilisé pour fabriquer des valves cardiaques tubulaires.