Analysis of N-nitrosames in water using micellar electrokinetic chromatography (MEKC) and development of online and offline methods of extraction and enrichment of neutral polar analytes

Evaluation of the quality of the environment is essential for human wellness as pollutants in trace amounts can cause serious health problem. Nitrosamines are a group of compounds that are considered potential carcinogens and can be found in drinking water (as disinfection byproducts), foods, beverages and cosmetics. To monitor the level of these compounds to minimize daily intakes, fast and reliable analytical techniques are required. As these compounds are relatively highly polar, extraction and enrichment from environmental samples (aqueous) are challenging. Also, the trend of analytical techniques toward the reduction of sample size and minimization of organic solvent use demands new methods of analysis. In light of fulfilling these requirements, a new method of online preconcentration tailored to an electrokinetic chromatography is introduced. In this method, electroosmotic flow (EOF) was suppressed to increase the interaction time between analyte and micellar phase, therefore the only force to mobilize the neutral analytes is the interaction of analyte with moving micelles. In absence of EOF, polarity of applied potential was switched (negative or positive) to force (anionic or cationic) micelles to move toward the detector. To avoid the excessive band broadening due to longer analysis time caused by slow moving micelles, auxiliary pressure was introduced to boost the micelle movement toward the detector using an in house designed and built apparatus. Applying the external auxiliary pressure significantly reduced the analysis times without compromising separation efficiency. Parameters, such as type of surfactants, composition of background electrolyte (BGE), type of capillary, matrix effect, organic modifiers, etc., were evaluated in optimization of the method. The enrichment factors for targeted analytes were impressive, particularly; cationic surfactants were shown to be suitable for analysis of nitrosamines due to their ability to act as hydrogen bond donors. Ammonium perfluorooctanoate (APFO) also showed remarkable results in term of peak shapes and number of theoretical plates. It was shown that the separation results were best when a high conductivity sample was paired with a BGE of lower conductivity. Using higher surfactant concentrations (up to 200 mM SDS) than usual (50 mM SDS) for micellar electrokinetic chromatography (MEKC) improved the sweeping. A new method for micro-extraction and enrichment of highly polar neutral analytes (N-Nitrosamines in particular) based on three-phase drop micro-extraction was introduced and its performance studied. In this method, a new device using some easy-to-find components was fabricated and its operation and application demonstrated. Compared to conventional extraction methods (liquid-liquid extraction), consumption of organic solvents and operation times were significantly lower.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Silanisation de polysaccharides en milieu liquide ionique et réactivité d’un organoalkoxysilane vis-à-vis de nucléophiles simples : vers des hydrogels injectables pour l’ingénierie tissulaire du cartilage

Tissue engineering is a real challenge for the treatment of cartilage pathologies. In this field, biomimetic hydrogels based on natural polymers are among the most commonly used matrices. A hydrogel made of silanized hydroxypropylmethylcellulose (HPMC-Si) is especially promising because it can be injected in cartilaginous lesions by minimally invasive surgery. However, the current synthesis of HPMC-Si is limited by the insolubility of hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). This thesis work was focused on finding new synthesis conditions for the design of HPMC-Si hydrogel. In order to obtain a complete solubilization of HPMC and to improve its functionalization by the (3-glycidyloxypropyl) trimethoxysilane (GPTMS), the use of ionic liquids (IL), which are excellent solvents for polysaccharides, was undertaken. The beginning of this study was first devoted to the selection of an IL and then to the development of new reaction conditions. With these new conditions, higher silicon rates were obtained for HPMC modified in ionic liquid medium, however no hydrogel could be formed. The second part was therefore devoted to the synthesis of GPTMS 13C. Indeed, thanks to this radiolabeling, a structural characterization by 13C NMR of the HPMC-Si could be achieved. Finally, the reactivity in organic solvents of three organosilanes, including the GPTMS, was investigated toward nucleophiles representing the common functions found in natural polymers (e.g. -NH2, -OH, -SH). The results of this thesis have provided insights into the GPTMS reactivity in organic medium and thus paves the way to new conditions for the silanization of polysaccharides.

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.

On the interaction of bovine serum albumin with ionic surfactants: Temperature induced EPR changes of a maleimide nitroxide reflect local protein dynamics and probe solvent accessibility

The interaction of bovine serum albumin (BSA) with the ionic surfactants sodium dodecylsulfate (SDS, anionic), cetyltrimethylammonium chloride (CTAC, cationic) and N-hexadecyl-N,N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate (HPS, zwitterionic) was studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of spin label covalently bound to the single free thiol group of the protein. EPR spectra simulation allows to monitor the protein dynamics at the labeling site and to estimate the changes in standard Gibbs free energy, enthalpy and entropy for transferring the nitroxide side chain from the more motionally restricted to the less restricted component. Whereas SDS and CTAC showed similar increases in the dynamics of the protein backbone for all measured concentrations. HPS presented a smaller effect at concentrations above 1.5 mM. At 10 mM of surfactants and 0.15 mM BSA, the standard Gibbs free energy change was consistent with protein backbone conformations more expanded and exposed to the solvent as compared to the native protein, but with a less pronounced effect for HPS. In the presence of the surfactants, the enthalpy change, related to the energy required to dissociate the nitroxide side chain from the protein, was greater, suggesting a lower water activity. The nitroxide side chain also detected a higher viscosity environment in the vicinity of the paramagnetic probe induced by the addition of the surfactants. The results suggest that the surfactant-BSA interaction, at higher surfactant concentration, is affected by the affinities of the surfactant to its own micelles and micelle-like aggregates. Complementary DLS data suggests that the temperature induced changes monitored by the nitroxide probe reflects local changes in the vicinity of the single thiol group of Cys-34 BSA residue. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Magnetic Nanoparticle-based Targeted Drug Delivery for Treatment of Neuro-AIDS and Drug Addiction

Brain is one of the safe sanctuaries for HIV and, in turn, continuously supplies active viruses to the periphery. Additionally, HIV infection in brain results in several mild-to-severe neuro-immunological complications termed neuroAIDS. One-tenth of HIV-infected population is addicted to recreational drugs such as opiates, alcohol, nicotine, marijuana, etc. which share common target-areas in the brain with HIV. Interestingly, intensity of neuropathogenesis is remarkably enhanced due to exposure of recreational drugs during HIV infection. Current treatments to alleviate either the individual or synergistic effects of abusive drugs and HIV on neuronal modulations are less effective at CNS level, basically due to impermeability of therapeutic molecules across blood-brain barrier (BBB). Despite exciting advancement of nanotechnology in drug delivery, existing nanovehicles such as dendrimers, polymers, micelles, etc. suffer from the lack of adequate BBB penetrability before the drugs are engulfed by the reticuloendothelial system cells as well as the uncertainty that if and when the nanocarrier reaches the brain. Therefore, in order to develop a fast, target-specific, safe, and effective approach for brain delivery of anti-addiction, anti-viral and neuroprotective drugs, we exploited the potential of magnetic nanoparticles (MNPs) which, in recent years, has attracted significant importance in biomedical applications. We hypothesize that under the influence of external (non-invasive) magnetic force, MNPs can deliver these drugs across BBB in most effective manner. Accordingly, in this dissertation, I delineated the pharmacokinetics and dynamics of MNPs bound anti-opioid, anti-HIV and neuroprotective drugs for delivery in brain. I have developed a liposome-based novel magnetized nanovehicle which, under the influence of external magnetic forces, can transmigrate and effectively deliver drugs across BBB without compromising its integrity. It is expected that the developed nanoformulations may be of high therapeutic significance for neuroAIDS and for drug addiction as well.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

Étude du comportement d'une section d'essais de chaussée de BAC avec des armatures en PRFV

Au Québec, l’épandage des sels de déglaçage pendant l’entretien hivernal des routes est l’une des causes de la corrosion des armatures en acier dans les ouvrages routiers en béton armé. La corrosion de l’acier crée des tensions internes dans le béton, ce qui entraine l’éclatement du béton qui enrobe l’armature d’acier. La durée de vie des infrastructures routières est par conséquent réduite et les coûts d’entretien sont augmentés. Le présent projet de recherche est né d’une collaboration entre le ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) et l’Université de Sherbrooke. Il vise à étudier l’utilisation des barres en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), non sujettes à la corrosion dans les dalles en béton armé continu (BAC). Dans cette étude, une section de chaussée de 300 mètres de long a été instrumentée pendant la reconstruction de l’autoroute 40 Ouest à Montréal, pour caractériser le comportement à court et à long terme des dalles en BAC avec des armatures en PRFV. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions climatiques affectent considérablement le comportement à la fissuration des dalles en BAC de PRFV et d’acier. Une analyse par éléments finis d’une section de la chaussée a été également réalisée avec le logiciel Abaqus en vue d’étudier l’influence de plusieurs paramètres tels que le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur profondeur, l’épaisseur de la dalle, le coefficient de dilatation thermique du béton et l’espacement des armatures transversales sur le comportement de la dalle en BAC de PRFV. Le modèle par éléments finis a été validé avec les résultats expérimentaux obtenus en chantier. Les résultats numériques montrent que le coefficient de dilatation thermique du béton, le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur positionnement dans la dalle, l’épaisseur de la dalle constituent les paramètres qui influencent le plus le comportement des dalles en BAC. Pour le dimensionnement des dalles en BAC de PRFV, des taux d’armature ainsi que des propriétés de barres de PRFV ont été proposés en tenant compte des résultats expérimentaux ainsi que de l’analyse par éléments finis.

Physicochemical complexity in complex chemical systems

Self-replication and compartmentalization are two central properties thought to be essential for minimal life, and understanding how such processes interact in the emergence of complex reaction networks is crucial to exploring the development of complexity in chemistry and biology. Autocatalysis can emerge from multiple different mechanisms such as formation of an initiator, template self-replication and physical autocatalysis (where micelles formed from the reaction product solubilize the reactants, leading to higher local concentrations and therefore higher rates). Amphiphiles are also used in artificial life studies to create protocell models such as micelles, vesicles and oil-in-water droplets, and can increase reaction rates by encapsulation of reactants. So far, no template self-replicator exists which is capable of compartmentalization, or transferring this molecular scale phenomenon to micro or macro-scale assemblies. Here a system is demonstrated where an amphiphilic imine catalyses its own formation by joining a non-polar alkyl tail group with a polar carboxylic acid head group to form a template, which was shown to form reverse micelles by Dynamic Light Scattering (DLS). The kinetics of this system were investigated by 1H NMR spectroscopy, showing clearly that a template self-replication mechanism operates, though there was no evidence that the reverse micelles participated in physical autocatalysis. Active oil droplets, composed from a mixture of insoluble organic compounds in an aqueous sub-phase, can undergo processes such as division, self-propulsion and chemotaxis, and are studied as models for minimal cells, or protocells. Although in most cases the Marangoni effect is responsible for the forces on the droplet, the behaviour of the droplet depends heavily on the exact composition. Though theoretical models are able to calculate the forces on a droplet, to model a mixture of oils on an aqueous surface where compounds from the oil phase are dissolving and diffusing through the aqueous phase is beyond current computational capability. The behaviour of a droplet in an aqueous phase can only be discovered through experiment, though it is determined by the droplet's composition. By using an evolutionary algorithm and a liquid handling robot to conduct droplet experiments and decide which compositions to test next, entirely autonomously, the composition of the droplet becomes a chemical genome capable of evolution. The selection is carried out according to a fitness function, which ranks the formulation based on how well it conforms to the chosen fitness criteria (e.g. movement or division). Over successive generations, significant increases in fitness are achieved, and this increase is higher with more components (i.e. greater complexity). Other chemical processes such as chemiluminescence and gelation were investigated in active oil droplets, demonstrating the possibility of controlling chemical reactions by selective droplet fusion. Potential future applications for this might include combinatorial chemistry, or additional fitness goals for the genetic algorithm. Combining the self-replication and the droplet protocells research, it was demonstrated that the presence of the amphiphilic replicator lowers the interfacial tension between droplets of a reaction mixture in organic solution and the alkaline aqueous phase, causing them to divide. Periodic sampling by a liquid handling robot revealed that the extent of droplet fission increased as the reaction progressed, producing more individual protocells with increased self-replication. This demonstrates coupling of the molecular scale phenomenon of template self-replication to a macroscale physicochemical effect.

Novos complexos micelares de metais de transição para aplicação na terapia dirigida contra o cancro

O cancro é a segunda causa de mortalidade a nível mundial. Um dos problemas nos tratamentos atuais de quimioterapia relaciona-se com os efeitos secundários causados pela falta de seletividade dos fármacos utilizados. Assim, um dos desafios atuais é o desenvolvimento de sistemas terapêuticos que permitam potenciar o efeito dos fármacos e diminuir os seus efeitos nocivos. Neste contexto, neste trabalho, foram sintetizados complexos de Fe, Co e Zn com fórmula geral [M(bipy-R)3]x+, a partir dos quais foi possível obter sistemas micelares formados in situ pela adição de um copolímero de PLA-b-PEG ou por introdução de macroligandos poliméricos anfifílicos. Os resultados mostram que as nanopartículas formadas apresentam tamanho e características adequadas para aplicações na terapia dirigida contra o cancro. Os resultados preliminares de citotoxicidade na linha tumoral humana da mama MDAMB231 indicam que todos os compostos estudados apresentam atividade citotóxica relevante, sendo os compostos micelares os mais promissores; Abstract: New micellar transition metals complexes for targeted therapy of cancer Cancer is the second leading cause of mortality worldwide. One problem in the current chemotherapy treatments is related to the severe side effects caused by the lack of selectivity of the drugs in clinical use. Thus, one of the current challenges is the development of new therapeutic systems that allow maximizing the effect of the drugs and reducing their harmful effects. In this context, several Fe, Co and Zn compounds of the general formula [M (bipy-R)3]x+ were synthesized in order to obtain micellar systems, either by in situ addition of a PLA-b-PEG copolymer or by introducing amphiphilic macroligands. The results show that the formed nanoparticles have size and characteristics suitable for applications in targeted therapy against cancer. Preliminary results of cytotoxicity in human breast cancer line MDAMB231 indicate that all the studied compounds show significant cytotoxic activity, being the micellar compounds the most promising agents.

On the etiology of cardiovascular diseases: a new framework for understanding literature results

The interpretative framework presented here provides a rationale for many well-known features of cardiovascular diseases. Prolonged acidemia with high blood levels of free fatty acids is proposed to shape the basic context for formation of fatty acid micelles and vesicles with an acidic core that fuse with the endothelia, disrupt vital cell processes, and initiate atherosclerotic plaque formation. It offers an explanation for the distributed localization of atherosclerotic lesions, and how mild cases of occurrence of fatty acids vesicles formed within the heart and the arteries close to the heart may cause such lesions. It provides a rationale for how acute events, namely heart attacks and strokes, may arise from stormy development of fatty acid vesicles within the heart. Additionally, a process is proposed for clot development from the existing fatty acid vesicles.

Radical chemistry of the catechol/quinone system and its role in the control of lipid peroxidation and melanin biosynthesis

The catechol (1,2-dihydroxybenzene) is a privileged structural motif among natural antioxidants like flavonoids, owing to its reactivity with alkylperoxyl radicals due to the stability of the semiquinone radical. The exploration of the relevance and mechanism of this non-conventional antioxidant chemistry in heterogenous biomimetic systems (aqueous micelles and unilamellar liposomes) is explored for the first time in Chapter 1. Results show antioxidant behaviour that surpasses that of nature’s premiere antioxidant α-tocopherol and relies on the cross-dismutation of alkylperoxyl and hydroperoxyl radicals at the water-lipid interface with regeneration of the catechol function from the oxidized quinone. The design and synthesis of new biomimetic catechol-type antioxidants by conjugation of thiols (e.g. cysteine) with quinones highlighted an unusual 1,6-type regioselectivity, which had been previously reported but never fully rationalized. Owing to its importance both in nature and in the development of new antioxidants, we investigated it in detail in Chapter 2. We could prove the onsetting of a radical-chain mechanism intermediated by thiyl and thiosemiquinone radicals at the basis of the “anomalous nucleophilic addition” of thiols to ortho-quinones, which paves the way to better understanding of the chemistry of such systems. The oxidation of catechols to the corresponding quinones is also a key reaction in the biosynthesis of melanins, mediated by enzyme Tyrosinase.