Influence of processing and clay type on nanostructure and stability of polypropylene-clay nanocomposites

Melt processing is a critical step in the manufacture of polymer articles and is even more critical when dealing with inhomogeneous polymer-clay nanocomposites systems. The chemical composition, and in particular the clay type and its organic modification, also plays a major contribution in determining the final properties and in particular the thermal and long-term oxidative stability of the resulting polymer nanocomposites. Proper selection and tuning of the process variable should, in principle, lead to improved characteristics of the fabricated product. With multiphase systems containing inorganic nanoclays, however, this is not straightforward and it is often the case that the process conditions are chosen initially to improve one or more desired properties at the expense of others. This study assesses the influence of organo-modified clays and the processing parameters (extrusion temperature and screw speed) on the rheological and morphological characteristics of polymer nanocomposites as well as on their melt and thermo-oxidative stability. Nanocomposites (PPNCs) based on PP, maleated PP and organically modified clays were prepared in different co-rotating twin-screw extruders ranging from laboratory scale to semi-industrial scale. Results show that the amount of surfactant present in similar organo-modified clays affects differently the thermo-oxidative stability of the extruded PPNCs and that changes in processing conditions affect the clay morphology too. By choosing an appropriate set of tuned process variables for the extrusion process it would be feasible to selectively fabricate polymer-clay nanocomposites, with the desired mechanical and thermo-oxidative characteristics. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Polymer-lipid interactions:biomimetic self-assembly behaviour and surface properties of poly(styrene-alt-maleic acid) with diacylphosphatidylcholines

Abstract Various lubricating body fluids at tissue interfaces are composed mainly of combinations of phospholipids and amphipathic apoproteins. The challenge in producing synthetic replacements for them is not replacing the phospholipid, which is readily available in synthetic form, but replacing the apoprotein component, more specifically, its unique biophysical properties rather than its chemistry. The potential of amphiphilic reactive hypercoiling behaviour of poly(styrene-alt-maleic acid) (PSMA) was studied in combination with two diacylphosphatidylcholines (PC) of different chain lengths in aqueous solution. The surface properties of the mixtures were characterized by conventional Langmuir-Wilhelmy balance (surface pressure under compression) and the du Noüy tensiometer (surface tension of the non-compressed mixtures). Surface tension values and 31P NMR demonstrated that self-assembly of polymer-phospholipid mixtures were pH and concentration-dependent. Finally, the particle size and zeta potential measurements of this self-assembly showed that it can form negatively charged nanosized structures that might find use as drug or lipids release systems on interfaces such as the tear film or lung interfacial layers. The structural reorganization was sensitive to the alkyl chain length of the PC.

Synthetic Approaches to Flexible Fluorescent Conjugated Polymers

Conjugated polymers (CPs) are intrinsically fluorescent materials that have been used for various biological applications including imaging, sensing, and delivery of biologically active substances. The synthetic control over flexibility and biodegradability of these materials aids the understanding of the structure-function relationships among the photophysical properties, the self-assembly behaviors of the corresponding conjugated polymer nanoparticles (CPNs), and the cellular behaviors of CPNs, such as toxicity, cellular uptake mechanisms, and sub-cellular localization patterns. Synthetic approaches towards two classes of flexible CPs with well-preserved fluorescent properties are described. The synthesis of flexible poly(p-phenylenebutadiynylene)s (PPBs) uses competing Sonogashira and Glaser coupling reactions and the differences in monomer reactivity to incorporate a small amount (~10%) of flexible, non-conjugated linkers into the backbone. The reaction conditions provide limited control over the proportion of flexible monomer incorporation. Improved synthetic control was achieved in a series of flexible poly(p-phenyleneethynylene)s (PPEs) using modified Sonogashira conditions. In addition to controlling the degree of flexibility, the linker provides disruption of backbone conjugation that offers control of the length of conjugated segments within the polymer chain. Therefore, such control also results in the modulation of the photophysical properties of the materials. CPNs fabricated from flexible PPBs are non-toxic to cells, and exhibit subcellular localization patterns clearly different from those observed with non-flexible PPE CPNs. The subcellular localization patterns of the flexible PPEs have not yet been determined, due to the toxicity of the materials, most likely related to the side-chain structure used in this series. The study of the effect of CP flexibility on self-assembly reorganization upon polyanion complexation is presented. Owing to its high rigidity and hydrophobicity, the PPB backbone undergoes reorganization more readily than PPE. The effects are enhanced in the presence of the flexible linker, which enables more efficient π-π stacking of the aromatic backbone segments. Flexibility has minimal effects on the self-assembly of PPEs. Understanding the role of flexibility on the biophysical behaviors of CPNs is key to the successful development of novel efficient fluorescent therapeutic delivery vehicles.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Design, Synthesis, and Photophysical Investigation of Porphyrin-containing Polymer-wrapped Single-walled Carbon Nanotubes

Significant advances in understanding the fundamental photophysical behavior of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have been made possible by the development of ionic, conjugated aryleneethynylene polymers that helically wrap SWNTs with well-defined morphology. My contribution to this work was the design and synthesis of porphyrin-containing polymers and the photophysical investigation of the corresponding polymer-wrapped SWNTs. For these new constructs, the polymer acts as more than just a solubilization scaffold; such assemblies can provide benchmark data for evaluating spectroscopic signatures of energy and charge transfer events and lay the groundwork for further, rational development of polymers with precisely tuned redox properties and electronic coupling with the underlying SWNT. The first design to incorporate a zinc porphyrin into the polymer backbone, PNES-PZn, suffered from severe aggregation in solution and was redesigned to produce the porphyrin-containing polymer S-PBN-PZn. This polymer was utilized to helically wrap chirality-enriched (6,5) SWNTs, which resulted in significant quenching of the porphyrin-based fluorescence. Time-resolved spectroscopy revealed a simultaneous rise and decay of the porphyrin radical cation and SWNT electron polaron spectroscopic signatures indicative of photoinduced electron transfer. A new polymer, S-PBN(b)-Ph2PZn3, was then synthesized which incorporated a meso-ethyne linked zinc porphyrin trimer. By changing the absorption profile and electrochemical redox potentials of the polymer, the photophysical behavior of the corresponding polymer-wrapped (6,5)-SWNTs was dramatically changed, and the polymer-wrapped SWNTs no longer showed evidence for photoinduced electron transfer.

Emulsion-Based RIR-MAPLE Deposition of Conjugated Polymers: Primary Solvent Effect and Its Implications on Organic Solar Cell Performance.

Emulsion-based, resonant infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) has been demonstrated as an alternative technique to deposit conjugated polymer films for photovoltaic applications; yet, a fundamental understanding of how the emulsion target characteristics translate into film properties and solar cell performance is unclear. Such understanding is crucial to enable the rational improvement of organic solar cell (OSC) efficiency and to realize the expected advantages of emulsion-based RIR-MAPLE for OSC fabrication. In this paper, the effect of the primary solvent used in the emulsion target is studied, both experimentally and theoretically, and it is found to determine the conjugated polymer cluster size in the emulsion as well as surface roughness and internal morphology of resulting polymer films. By using a primary solvent with low solubility-in-water and low vapor pressure, the surface roughness of deposited P3HT and PCPDTBT polymer films was reduced to 10 nm, and the efficiency of P3HT:PC61BM OSCs was increased to 3.2% (∼100 times higher compared to the first MAPLE OSC demonstration [ Caricato , A. P. ; Appl. Phys. Lett. 2012 , 100 , 073306 ]). This work unveils the mechanism of polymer film formation using emulsion-based RIR-MAPLE and provides insight and direction to determine the best ways to take advantage of the emulsion target approach to control film properties for different applications.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Fabrication, Optical Analysis and Photonic Applications of Certain Metallic Nanostructure-Integrated Dye Doped Polymer Optical Fibers” submitted by Ms. Suneetha Sebastian

Polymer Optical Fibers have occupied historically a place for large core flexible fibers operating in short distances. In addition to their practical passive application in short-haul communication they constitute a potential research field as active devices with organic dopants. Organic dyes are preferred as dopants over organic semiconductors due to their higher optical cross section. Thus organic dyes as gain media in a polymer fiber is used to develop efficient and narrow laser sources with a tunability throughout the visible region or optical amplifier with high gain. Dyes incorporated in fiber form has added advantage over other solid state forms such as films since the pump power required to excite the molecules in the core of the fiber is less thereby utilising the pump power effectively. In 1987, Muto et.al investigated a dye doped step index polymer fiber laser. Afterwards, numerous researches have been carried out in this area demonstrating laser emission from step index, graded index and hollow optical fibers incorporating various dyes. Among various dyes, Rhodamine6G is the most widely and commonly used laser dye for the last four decades. Rhodamine6G has many desirable optical properties which make it preferable over other organic dyes such as Coumarin, Nile Blue, Curcumin etc. The research focus on the implementation of efficient fiber lasers and amplifiers for short fiber distances. Developing efficient plastic lasers with electrical pumping can be a new proposal in this field which demands lowest possible threshold pump energy of the gain medium in the cavity as an important parameter. One way of improving the efficiency of the lasers, through low threshold pump energy, is by modifying the gain of the amplifiers in the resonator/cavity. Success in the field of Radiative Decay Engineering can pave way to this problem. Laser gain media consisting of dye-nanoparticle composites can improve the efficiency by lowering the lasing threshold and enhancing the photostability. The electric field confined near the surface of metal nanoparticles due to Localized Surface Plasmon Resonance can be very effective for the excitation of active centers to impart high optical gain for lasing. Since the Surface Plasmon Resonance of nanoparticles of gold and silver lies in the visible range, it can affect the spectral emission characteristics of organic dyes such as Rhodamine6G through plasmon field generated by the particles. The change in emission of the dye placed near metal nanoparticles depend on plasmon field strength which in turn depends on the type of metal, size of nanoparticle, surface modification of the particle and the wavelength of incident light. Progress in fabrication of different types of nanostructures lead to the advent of nanospheres, nanoalloys, core-shell and nanowires to name a few. The thesis deals with the fabrication and characterisation of polymer optical fibers with various metallic and bimetallic nanostructures incorporated in the gain media for efficient fiber lasers with low threshold and improved photostability.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Morphology and material stability in polymer solar cells

Polymer solar cells are promising in that they are inexpensive to produce, and due to their mechanical flexibility have the potential for use in applications not possible for more traditional types of solar cells. The performance of polymer solar cells depends strongly on the distribution of electron donor and acceptor material in the active layer. Understanding the connection between morphology and performance as well as how to control the morphology, is therefore of great importance. Furthermore, improving the lifetime of polymer solar cells has become at least as important as improving the efficiency.   In this thesis, the relation between morphology and solar cell performance is studied, and the material stability for blend films of the thiophene-quinoxaline copolymer TQ1 and the fullerene derivatives PCBM and PC70BM. Atomic force microscopy (AFM) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM) are used to investigate the lateral morphology, secondary ion mass spectrometry (SIMS) to measure the vertical morphology and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy to determine the surface composition. Lateral phase-separated domains are observed whose size is correlated to the solar cell performance, while the observed TQ1 surface enrichment does not affect the performance. Changes to the unoccupied molecular orbitals as a result of illumination in ambient air are observed by NEXAFS spectroscopy for PCBM, but not for TQ1. The NEXAFS spectrum of PCBM in a blend with TQ1 changes more than that of pristine PCBM. Solar cells in which the active layer has been illuminated in air prior to the deposition of the top electrode exhibit greatly reduced electrical performance. The valence band and absorption spectrum of TQ1 is affected by illumination in air, but the effects are not large enough to account for losses in solar cell performance, which are mainly attributed to PCBM degradation at the active layer surface.

BEHAVIOR OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE PILES WITH ELLIPTICAL CROSS SECTIONS IN INTEGRAL ABUTMENT BRIDGE FOUNDATIONS

Every year in the US and other cold-climate countries considerable amount of money is spent to restore structural damages in conventional bridges resulting from (or “caused by”) salt corrosion in bridge expansion joints. Frequent usage of deicing salt in conventional bridges with expansion joints results in corrosion and other damages to the expansion joints, steel girders, stiffeners, concrete rebar, and any structural steel members in the abutments. The best way to prevent these damages is to eliminate the expansion joints at the abutment and elsewhere and make the entire bridge abutment and deck a continuous monolithic structural system. This type of bridge is called Integral Abutment Bridge which is now widely used in the US and other cold-climate countries. In order to provide lateral flexibility, the entire abutment is constructed on piles. Piles used in integral abutments should have enough capacity in the perpendicular direction to support the vertical forces. In addition, piles should be able to withstand corrosive environments near the surface of the ground and maintain their performance during the lifespan of the bridge. Fiber Reinforced Polymer (FRP) piles are a new type of pile that can not only accommodate large displacements, but can also resist corrosion significantly better than traditional steel or concrete piles. The use of FRP piles extends the life of the pile which in turn extends the life of the bridge. This dissertation studies FRP piles with elliptical shapes. The elliptical shapes can simultaneously provide flexibility and stiffness in two perpendicular axes. The elliptical shapes can be made using the filament winding method which is a less expensive method of manufacturing compared to the pultrusion or other manufacturing methods. In this dissertation a new way is introduced to construct the desired elliptical shapes with the filament winding method. Pile specifications such as dimensions, number of layers, fiber orientation angles, material, and soil stiffness are defined as parameters and the effects of each parameter on the pile stresses and pile failure have been studied. The ANSYS software has been used to model the composite materials. More than 14,000 nonlinear finite element pile models have been created, each slightly different from the others. The outputs of analyses have been used to draw curves. Optimum values of the parameters have been defined using generated curves. The best approaches to find optimum shape, angle of fibers and types of composite material have been discussed.

Evaluation and FMEA of Fabrication Techniques for Metallic Grating Couplers on Polymer Substrates with Low Glass Transition Temperatures

The main task is to analyze the state of the art of grating couplers production and low-cost polymer substrates. Then to provide a recommendation of a new or adapted process for the production of metallic gratings on polymer sheets, based on a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). In order to achieve that, this thesis is divided into four chapters. After the first introductory chapter, the second section provides details about the state-of-the-art in optical technology platforms with focus on polymers and their main features for the aimed application, such as flexibility, low cost and roll to roll compatibility. It defines then the diffraction gratings and their specifications and closes with the explanation of adhesion mechanisms of inorganic materials on polymer substrates. The third chapter discusses processing of grating couplers. It introduces the basic fabrication methods and details a selection of current fabrication schemes found in literature with an assessment of their potential use for the desired application. The last chapter is a FMEA analysis of the retained fabrication process, called Flip and Fuse, in order to check its capability to realize the grating structure.

Laser ablation-based one-step generation and bio-functionalization of gold nanoparticles conjugated with aptamers

Background: Bio-conjugated nanoparticles are important analytical tools with emerging biological and medical applications. In this context, in situ conjugation of nanoparticles with biomolecules via laser ablation in an aqueous media is a highly promising one-step method for the production of functional nanoparticles resulting in highly efficient conjugation. Increased yields are required, particularly considering the conjugation of cost-intensive biomolecules like RNA aptamers. Results: Using a DNA aptamer directed against streptavidin, in situ conjugation results in nanoparticles with diameters of approximately 9 nm exhibiting a high aptamer surface density (98 aptamers per nanoparticle) and a maximal conjugation efficiency of 40.3%. We have demonstrated the functionality of the aptamer-conjugated nanoparticles using three independent analytical methods, including an agglomeration-based colorimetric assay, and solid-phase assays proving high aptamer activity. To demonstrate the general applicability of the in situ conjugation of gold nanoparticles with aptamers, we have transferred the method to an RNA aptamer directed against prostate-specific membrane antigen (PSMA). Successful detection of PSMA in human prostate cancer tissue was achieved utilizing tissue microarrays. Conclusions: In comparison to the conventional generation of bio-conjugated gold nanoparticles using chemical synthesis and subsequent bio-functionalization, the laser-ablation-based in situ conjugation is a rapid, one-step production method. Due to high conjugation efficiency and productivity, in situ conjugation can be easily used for high throughput generation of gold nanoparticles conjugated with valuable biomolecules like aptamers.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Impact of weight loss on oxidative stress and inflammatory cytokines in obese type 2 diabetic patients.

Background: Type 2 diabetes mellitus is associated with abnormal markers of inflammatory cytokines and oxidative stress markers. Although, these abnormalities could be modulated with weight reduction; there is limitation in clinical studies that have addressed the beneficial effects of weight reduction in modulating biomarkers of inflammatory cytokines and oxidative stress for obesity associated with type 2 diabetes mellitus. Objective: This study was designed to detect the effects of weight loss on the inflammatory cytokines, oxidative stress markers in obese type 2 diabetic patients. Material and Methods: Eighty obese patients with type 2 diabetes mellitus, their age ranged from 35-57 years and their body mass index ranged from 31-35 kg/m2 were equally assigned into 2 groups: the weight reduction group received aerobic exercises, diet regimen, where as the control group received medical treatment only for 12 weeks. Results: The mean values of body mass index (BMI), tumor necrosis factor–alpha (TNF-α), interleukin-6 (IL-6), C-reactive protein (sCRP), conjugated dienes (CD) and malondialdehyde (MDA) were significantly decreased, while the mean values of glutathione peroxidase (GPx), superoxide dismutase (SOD) and glutathione (GSH) were significantly increased in patients of group (A), while changes were not significant in group (B). Also, there were significant differences between mean levels of the investigated parameters in group (A) and group (B) at the end of the study. Conclusion: Weight loss ameliorates inflammatory cytokines and oxidative stress markers in obese type 2 diabetic patients.