Conception, fabrication et caractérisation d'un biocapteur SPR à base de guides d'ondes photoniques sur substrat de verre

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés.

La modification chimique en surface de la cellulose microcristalline et son application dans les composites de polyéthylène

Dans le contexte de la production d’éthanol cellulosique, la cellulose doit être hydrolysée par voie chimique ou enzymatique. Dans ce procédé d’hydrolyse, la partie cristalline de la cellulose est plus difficilement fragmentable, ce qui entraîne des coûts supplémentaires dues au temps de traitement plus élevé ou à la quantité supplémentaire de produits chimiques nécessaires. Dans l’optique de réduire les coûts de l’hydrolyse tout en recherchant une voie pour valoriser la cellulose cristalline, l’idée de fabriquer des composites polymères/cellulose est attrayante. L’objectif du présent travail a donc été de valider si la cellulose microcristalline tirée d’un processus d’hydrolyse acide pourrait mener à de nouveaux matériaux composites à valeur ajoutée. Un obstacle anticipé dans le projet a été la faible adhésion de la cellulose, hydrophile et polaire, aux polymères généralement beaucoup moins polaires. Le développement de composites performants et l’atteinte de teneurs élevés en cellulose microcristalline a donc inclus, sur le plan chimique, l’objectif de comparer divers traitements de surface de la cellulose qui permettrait de pallier aux défis anticipés. La méthodologie utilisée dans ce projet a consisté à développer et optimiser un protocole de modification chimique sur de la cellulose microcristalline commerciale à l’échelle laboratoire. Les celluloses modifiées ont été soumises à une caractérisation par analyse de l’angle de contact pour caractériser l’hydrophobicité des fibres, par spectrométrie photoélectronique X pour l’analyse de la composition chimique des fibres, par granulométrie laser pour mesurer la longueur des différentes fibres et microscopie optique pour l’observation de la longueur des fibres. Toutes les techniques ont été utilisées afin de comparer les propriétés des celluloses modifiées à celles de la cellulose de référence. La cellulose de référence et les celluloses modifiées chimiquement ont ensuite été mélangées à des concentrations de 0 à 50% avec du polyéthylène de basse densité à l’état fondu en utilisant un mélangeur interne de type Brabender®. Les composites ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage pour analyser la morphologie de mélange sur les surfaces de rupture et l’homogénéité du mélange, par des analyses rhéologiques afin d’obtenir la viscosité en fonction du cisaillement et par des essais de traction afin de déterminer leur Module de Young, leur résistance à la traction et leur élongation à la rupture. Ces caractéristiques permettent de prévoir la performance des composites dans des applications structurales.

Physicochemical characterisation of protein ingredients prepared from milk by ultrafiltration or microfiltration for application in formulated nutritional products

Formulated food systems are becoming more sophisticated as demand grows for the design of structural and nutritional profiles targeted at increasingly specific demographics. Milk protein is an important bio- and techno-functional component of such formulations, which include infant formula, sports supplements, clinical beverages and elderly nutrition products. This thesis outlines research into ingredients that are key to the development of these products, namely milk protein concentrate (MPC), milk protein isolate (MPI), micellar casein concentrate (MCC), β-casein concentrate (BCC) and serum protein concentrate (SPC). MPC powders ranging from 37 to 90% protein (solids basis) were studied for properties of relevance to handling and storage of powders, powder solubilisation and thermal processing of reconstituted MPCs. MPC powders with ≥80% protein were found to have very poor flowability and high compressibility; in addition, these high-protein MPCs exhibited poor wetting and dispersion characteristics during rehydration in water. Heat stability studies on unconcentrated (3.5%, 140°C) and concentrated (8.5%, 120°C) MPC suspensions, showed that suspensions prepared from high-protein MPCs coagulated much more rapidly than lower protein MPCs. β-casein ingredients were developed using membrane processing. Enrichment of β-casein from skim milk was performed at laboratory-scale using ‘cold’ microfiltration (MF) at <4°C with either 1000 kDa molecular weight cut-off or 0.1 µm pore-size membranes. At pilot-scale, a second ‘warm’ MF step at 26°C was incorporated for selective purification of micellised β-casein from whey proteins; using this approach, BCCs with β-casein purity of up to 80% (protein basis) were prepared, with the whey protein purity of the SPC co-product reaching ~90%. The BCC ingredient could prevent supersaturated solutions of calcium phosphate (CaP) from precipitating, although the amorphous CaP formed created large micelles that were less thermo-reversible than those in CaP-free systems. Another co-product of BCC manufacture, MCC powder, was shown to have superior rehydration characteristics compared to traditional MCCs. The findings presented in this thesis constitute a significant advance in the research of milk protein ingredients, in terms of optimising their preparation by membrane filtration, preventing their destabilisation during processing and facilitating their effective incorporation into nutritional formulations designed for consumers of a specific age, lifestyle or health status

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.

Nanostructured catalysts for the development of the hydrogen economy

La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l’environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l’énergie. L’objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d’examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l’hydrogène. Dans un premier temps, une série d’oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d’hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l’oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d’hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d’hydrogène à partir de l’ammoniaborane (aussi appelé borazane). L’activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d’imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l’hydrolyse du borazane et la décomposition de l’hydrazine aqueuse pour la production d’hydrogène. Il a été démontré qu’un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l’effet bi-métallique, l’interaction métal-support, et la taille des particules de métal.

Étude du comportement des piles de pont confinées de PRFC par écoute acoustique

Une structure en béton armé est sujette à différents types de sollicitations. Les tremblements de terre font partie des événements exceptionnels qui induisent des sollicitations extrêmes aux ouvrages. Pour faire face à cette problématique, les codes de calcul des ponts routiers font appel à une approche basée sur des niveaux de performance qui sont rattachés à des états limites. Actuellement, les états limites d'une pile de ponts en béton armé (BA) confinée à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) proposés dans la littérature ne prennent pas en compte le confinement lié au chemisage de PRFC en combinaison avec celui des spirales d'acier. Ce projet de recherche était la suite du volet de contrôle non destructif d'une étude réalisée en 2012 qui comprenait un volet expérimental [Carvalho, 2012] et un volet numérique [Jean, 2012]. L'objectif principal était de compléter l'étude du comportement des poteaux en BA renforcés de PRFC soumis à un chargement cyclique avec les données acoustiques recueillies par St-Martin [2014]. Plus précisément, les objectifs spécifiques étaient de déterminer les états limites reliés aux niveaux de performance et de caractériser la signature acoustique de chaque état limite (p. ex. fissuration du béton, plastification de l'acier et rupture du PRFC). Une méthodologie d'analyse acoustique basée sur l'état de l'art de Behnia et al. [2014] a été utilisée pour quantifier la gravité, localiser et caractériser le type de dommages. Dans un premier temps, les données acoustiques provenant de poutres de 550 mm x 150 mm x 150 mm ont permis de caractériser la signature acoustique des états limites. Puis, des cinq spécimens d'essai construits en 2012, les données acoustiques de trois spécimens, soient des poteaux circulaires d'un diamètre de 305 mm et d'une hauteur de 2000 mm ont été utilisée pour déterminer les états limites. Lors de ces essais, les données acoustiques ont été recueillies avec 14 capteurs de résonances qui étaient reliés à un système multicanal et au logiciel AEwin SAMOS 5.23 de Physical Acoustics Corporation (PAC) [PAC, 2005] par St-Martin [2014]. Une analyse de la distribution des paramètres acoustiques (nbr. de comptes et énergie absolue) combiné à la localisation des événements et le regroupement statistique, communément appelé clustering, ont permis de déterminer les états limites et même, des signes précurseurs à l'atteinte de ces états limites (p. ex. l'initiation et la propagation des fissures, l'éclatement de l'enrobage, la fissuration parallèle aux fibres et l'éclatement du PRFC) qui sont rattachés aux niveaux de performances des poteaux conventionnels et confinés de PRFC. Cette étude a permis de caractériser la séquence d'endommagement d'un poteau en BA renforcé de PRFC tout en démontrant l'utilité de l'écoute acoustique pour évaluer l'endommagement interne des poteaux en temps réel. Ainsi, une meilleure connaissance des états limites est primordiale pour intégrer les PRFC dans la conception et la réhabilitation des ouvrages.

Greffage d’un film mince de nano-TiO2 sur les fibres naturelles cellulosiques pour le renforcement de biocomposites polymériques

Abstract : Natural materials have received a full attention in many applications because they are degradable and derived directly from earth. In addition to these benefits, natural materials can be obtained from renewable resources such as plants (i.e. cellulosic fibers like flax, hemp, jute, and etc). Being cheap and light in weight, the cellulosic natural fiber is a good candidate for reinforcing bio-based polymer composites. However, the hydrophilic nature -resulted from the presence of hydroxyl groups in the structure of these fibers- restricts the application of these fibers in the polymeric matrices. This is because of weak interfacial adhesion, and difficulties in mixing due to poor wettability of the fibers within the matrices. Many attempts have been done to modify surface properties of natural fibers including physical, chemical, and physico-chemical treatments but on the one hand, these treatments are unable to cure the intrinsic defects of the surface of the fibers and on the other hand they cannot improve moisture, and alkali resistance of the fibers. However, the creation of a thin film on the fibers would achieve the mentioned objectives. This study aims firstly to functionalize the flax fibers by using selective oxidation of hydroxyl groups existed in cellulose structure to pave the way for better adhesion of subsequent amphiphilic TiO[subscript 2] thin films created by Sol-Gel technique. This method is capable of creating a very thin layer of metallic oxide on a substrate. In the next step, the effect of oxidation on the interfacial adhesion between the TiO[subscript 2] film and the fiber and thus on the physical and mechanical properties of the fiber was characterized. Eventually, the TiO[subscript 2] grafted fibers with and without oxidation were used to reinforce poly lactic acid (PLA). Tensile, impact, and short beam shear tests were performed to characterize the mechanical properties while Thermogravimetric analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic mechanical analysis (DMA), and moisture absorption were used to show the physical properties of the composites. Results showed a significant increase in physical and mechanical properties of flax fibers when the fibers were oxidized prior to TiO[subscript 2] grafting. Moreover, the TiO[subscript 2] grafted oxidized fiber caused significant changes when they were used as reinforcements in PLA. A higher interfacial strength and less amount of water absorption were obtained in comparison with the reference samples.

A new insight about pharmaceutical dosage forms for benzathine penicillin G

In this work, a micellar system of benzathine penicillin G (BPG) in sodium deoxycholate (NaDC) was developed and evaluated physicochemically. The solubility profile of the drug in water and buffer solutions at various pH was determined, as well as its n-octanol/water partition coefficient. The Critical Micellar Concentration of NaDC and its ability to incorporate BPG were also assessed. The study was carried out at low and high ionic strength which was adjusted by the addition of sodium chloride. The results demonstrated the ability of the micellar system to incorporate BPG, as well as to increase its apparent solubility in water. The enhancement of the solubility of BPG by the presence of NaDC micelles could be analyzed quantitatively within the framework of the pseudo-phase model. Concentration analysis showed that the micellar system could attain up to 90% incorporation of BPG. The incorporated drug is expected to exhibit improved stability, since the antibiotic enclosed in the hydrophobic core of micelles is rather shielded from the aqueous external environment

Studies on the synthesis of novel PP2A inhibitors and a GPCR detergent

Chapter 1 While targeting kinases in oncology research has been explored extensively, targeting protein phosphatases is currently in its infancy. However, a number of pharmaceutical companies are currently looking to expand their research efforts in this area. PP2A has been shown to down-regulate ERK5, a mitogen-activated protein kinase (MAPK) that has been shown to be important in driving the invasive phenotype of prostate cancer. Fostriecin and its related structural analogues PD 113,270 and 113,271 have been shown to inhibit a mitotic entry checkpoint in cell growth through the potent and selective inhibition of protein phosphatases PP1, PP2A, and PP4 (IC50 of 45 μM, 1.5 nM, and 3 nM respectively). Fostriecin is one of the most selective protein phosphatase inhibitors disclosed to date with a 104 fold selectivity for PP2A/PP4 versus PP1. Unfortunately, fostriecin and its analogues are very unstable, and this instability has effectively prevented them from being used as effective therapeutic leads. The microcystins and nodularins on the other hand, exhibit significant inhibitory activity against PP1 and PP2A (IC50 = 26 pM and 1.8 nM respectively), but their high toxicity has prevented any therapeutic application. Truncation of the ADDA chain from these polypeptides completely attenuates PP inhibitory activity. Simpler analogues incorporating the N-acylated ADDA chain and D-Ala retain moderate activity against PP1 and PP2A (IC50 = 1.0 μM and 0.17 μM respectively). The generation of a new series of fostriecin analogues to further expand its structure-activity relationship is envisaged with a view to creating new more stable PP2A inhibitors. It was hoped that by incorporating some of the more stable structural features of ADDA into fostriecin that stability and activity could be reconciled. With that in mind a series of PP2A inhibitors were synthesised and biologically evaluated. Chapter 2 GPCRs are an important area of research and are the targets of a quarter of the drugs on the market (2005). As a result, GPCRs continue to be at the forefront of research in both small and large drug companies. However one of the difficulties in studying this diverse class of membrane proteins is their tendency to denature in aqueous solution. As a result there is a pressing need to develop new detergents to solubilise, stabilise and crystallise GPCRs in their native form for further study. Cholesterol analogues have been shown to be important for stabilising membrane proteins and preventing their thermal inactivation. In addition the β2-adrenergic receptor, a GPCR membrane protein, has been crystallised in the active state with two cholesterol molecules bound between the I, II, III and IV helices of the protein. This appears to represent a distinct cholesterol binding pocket on the membrane protein that is speculated to be conserved across up to 44% of the rhodopsin class of GPCRs. CHOBIMALT is a cholesterol-based detergent that has been shown to exhibit promising GPCR-stabilising properties. When benchmarked against other cholesterol based detergents it was found to be superior to all others tested except for cholesteryl hemisuccinate.1 CHOBIMALT has an aggregation number of roughly 200 and forms 210 ± 30 kDa micelles, which are significantly larger than those of most detergents used for biological systems which is likely due to the packing constraints associated with CHOBMALT’s large polar headgroup.2 As a result, CHOBIMALT is used mostly as an additive to other commercially available detergents in order to decrease micelle size. A branched dimaltoside motif is common in recently synthesised detergents by Chae and co-workers. These detergents have shown promising detergent properties, for example the maltose neopentyl glycol (MNG) detergent synthesised by Chae. This branched dimaltoside detergent was shown to be able to solubilise and stabilise the very labile light harvesting complex I (LHI) from Rhodopsin capsulatus in its active form for 20 days with little loss of protein conformation.3 A cholesterol-based detergent was envisaged that combines the cholesterol framework of CHOBIMALT but replaces its linear tetrasaccharide with a branched dimaltoside. This detergent would then be investigated to assess its ability to solubilise, stabilise and crystallise GPCR proteins. This cholesterol-based detergent (shown below) was eventually synthesised in 9 linear steps from cholesterol.

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.