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.

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.

Determinação eletroanalítica de ácido salicílico em produto dermatológico com eletrodos de nanotubos de carbono e nanopartículas de óxido de ferro

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2016.

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.^

Peripherally η1-Platinated Organometallic Porphyrins as Building Blocks for Multiporphyrin Arrays

The modification of peripherally metalated meso-η1-platiniometalloporphyrins, such as trans-[PtBr(NiDAPP)(PPh3)2] (H2DAPP = 5-phenyl-10,20-bis(3‘,5‘-di-tert-butylphenyl)porphyrin), leads to the analogous platinum(II) nitrato and triflato electrophiles in almost quantitative yields. Self-assembly reactions of these meso-platinioporphyrin tectons with pyridine, 4,4‘-bipyridine, or various meso-4-pyridylporphyrins in chloroform generate new multicomponent organometallic porphyrin arrays containing up to five porphyrin units. These new types of supramolecular arrays are formed exclusively in high yields and are stable in solution or in the solid state for extended periods. They were characterized by multinuclear NMR and UV−visible spectroscopy as well as high-resolution electrospray ionization mass spectrometry.

Synthesis and characterization of boehmite nanofibers

Boehmite nanofibers of high quality were synthesized through a wet-gel conversion process without the use of a surfactant. The long nanofibers of boehmite with clear-cut edges were obtained by steaming the wet-gel precipitate at 170 ºC for 2 days under a pH 5. Hydrothermal treatment of the boehmite gels enabled self-assembly through directed crystal growth. Detailed characterization using X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Infrared Emission Spectroscopy (IES) and Raman Spectroscopy is presented.

Effect of poly(acrylic acid) end-group functionality on inhibition of calcium oxalate crystal growth

A number of series of poly(acrylic acids) (PAA) of differing end-groups and molecular weights prepared using atom transfer radical polymerization were used as inhibitors for the crystallization of calcium oxalate at 23 and 80°C. As measured by turbidimetry and conductivity and as expected from previous reports, all PAA series were most effective for inhibition of crystallization at molecular weights of 1500–4000. However, the extent of inhibition was in general strongly dependent on the hydrophobicity and molecular weight of the end-group. These results may be explicable in terms of adsorption/desorption of PAA to growth sites on crystallites. The overall effectiveness of the series didn't follow a simple trend with end-group hydrophobicity, suggesting self-assembly behavior or a balance between adsorption and desorption rates to crystallite surfaces may be critical in the mechanism of inhibition of calcium oxalate crystallization.

Engineering an Ecosystem : Taking Cues from Nature’s Paradigm to Build Tissue in the Lab and the Body

This manuscript took a 'top down' approach to understanding survival of inhabitant cells in the ecosystem bone, working from higher to lower length and time scales through the hierarchical ecosystem of bone. Our working hypothesis is that nature “engineered” the skeleton using a 'bottom up' approach,where mechanical properties of cells emerge from their adaptation to their local me-chanical milieu. Cell aggregation and formation of higher order anisotropic struc- ture results in emergent architectures through cell differentiation and extracellular matrix secretion. These emergent properties, including mechanical properties and architecture, result in mechanical adaptation at length scales and longer time scales which are most relevant for the survival of the vertebrate organism [Knothe Tate and von Recum 2009]. We are currently using insights from this approach to har-ness nature’s regeneration potential and to engineer novel mechanoactive materials [Knothe Tate et al. 2007, Knothe Tate et al. 2009]. In addition to potential applications of these exciting insights, these studies may provide important clues to evolution and development of vertebrate animals. For instance, one might ask why mesenchymal stem cells condense at all? There is a putative advantage to self-assembly and cooperation, but this advantage is somewhat outweighed by the need for infrastructural complexity (e.g., circulatory systems comprised of specific differentiated cell types which in turn form conduits and pumps to overcome limitations of mass transport via diffusion, for example; dif-fusion is untenable for multicellular organisms larger than 250 microns in diameter. A better question might be: Why do cells build skeletal tissue? Once cooperatingcells in tissues begin to deplete local sources of food in their aquatic environment, those that have evolved a means to locomote likely have an evolutionary advantage. Once the environment becomes less aquarian and more terrestrial, self-assembled organisms with the ability to move on land might have conferred evolutionary ad-vantages as well. So did the cytoskeleton evolve several length scales, enabling the emergence of skeletal architecture for vertebrate animals? Did the evolutionary advantage of motility over noncompliant terrestrial substrates (walking on land) favor adaptations including emergence of intracellular architecture (changes in the cytoskeleton and upregulation of structural protein manufacture), inter-cellular con- densation, mineralization of tissues, and emergence of higher order architectures?How far does evolutionary Darwinism extend and how can we exploit this knowl- edge to engineer smart materials and architectures on Earth and new, exploratory environments?[Knothe Tate et al. 2008]. We are limited only by our ability to imagine. Ultimately, we aim to understand nature, mimic nature, guide nature and/or exploit nature’s engineering paradigms without engineer-ing ourselves out of existence.

Microscopic and spectroscopic investigation of poly(3-hexylthiophene) interaction with carbon nanotubes

The inclusion of carbon nanotubes in polymer matrix has been proposed to enhance the polymer’s physical and electrical properties. In this study, microscopic and spectroscopic techniques are used to investigate the interaction between poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and nanotubes and the reciprocal modification of physical properties. The presence of P3HT-covered nanotubes dispersed in the polymer matrix has been observed by atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Then, the modification of P3HT optical properties due to nanotube inclusion has been evidenced with spectroscopic techniques like absorption and Raman spectroscopy. The study is completed with detailed nanoscale analysis by scanning probe techniques. The ordered self assembly of polymer adhering on the nanotube is unveiled by showing an example of helical wrapping of P3HT. Scanning tunneling spectroscopy study provides information on the electronic structure of nanotube-polymer assembly, revealing the charge transfer from P3HT to the nanotube.

Identification of dispersion-dependent hexagonal cavity modes of an individual ZnO nanonail

The hexagonal resonator characteristics of an individual ZnO-nanonail’s head were investigated via spatially resolved cathodoluminescence (CL) at room temperature. The positions of most of distinct CL peaks in visible range were well matched to those of whispering gallery modes (WGMs) of a hexagonal dielectric cavity when we took birefringence and dispersion of refractive indices into account. The broad and weak peaks for TE polarization in long wavelength range were consistent with refractive-index values below the threshold for total internal inflection. CL peaks that were not matched to WGMs were identified as either triangular quasi-WGM or Fabry–Pérot resonance modes.

Catalyst-free growth and optical properties of vertically aligned ZnO Nanorod Arrays on Si substrates covered with thin buffer layers

Vertically aligned ZnO nanorods have been grown on silicon substrates pre-coated with thin, less than 10 nm, textured ZnO seeding layers via a vapor-solid mechanism. The ZnO seeding layers, which were essential for vertical alignment of ZnO nanorods without using any metal catalyst, were prepared by decomposing zinc acetate. The structure and the luminescence properties of the ZnO nanorods synthesized onto ZnO seeding layers were investigated and their morphologies were compared with those of single-crystalline GaN substrates and silicon substrates covered with sputtered ZnO flms. Patterning of ZnO seed layers using photolithography allowed the fabrication of patterned ZnO-nanorod arrays.

Nanostructures for sensors, electronics, energy and environment

Nanoscale science is growing evermore important on a global scale and is widely seen as playing an integral part in the growth of future world economies. The daunting energy crisis we are facing could be solved not only by new and improved ways of getting energy directly from the sun, but also by saving power thanks to advancements in electronics and sensors. New, cheap dye-sensitized and polymer solar cells hold the promise of environmentally friendly and simple production methods, along with mechanical flexibility and low weight, matching the conditions for a widespread deployment of this technology. Cheap sensors based on nanomaterials can make a fundamental contribution to the reduction of greenhouse gas emissions, allowing the creation of large sensor networks to monitor countries and cities, improving our quality of life. Nanowires and nano-platelets of metal oxides are at the forefront of the research to improve sensitivity and reduce the power consumption in gas sensors. Nanoelectronics is the next step in the electronic roadmap, with many devices currently in production already containing components smaller than 100 nm. Molecules and conducting polymers are at the forefront of this research with the goal of reducing component size through the use of cheap and environmentally friendly production methods. This, and the coming steps that will eventually bring the individual circuit element close to the ultimate limit of the atomic level, are expected to deliver better devices with reduced power consumption.

Driving Ge island ordering on nanostructured Si surfaces

Semiconductor epitaxial nanostructures have been recently proposed as the key building blocks of many innovative applications in materials science and technology. To bring their tremendous potential to fruition, a fine control of nanostructure size and placement is necessary. We present a detailed investigation of the self-ordering process in the prototype case of Ge/Si heteroepitaxy. Starting from a bottom-up strategy (step-bunching instabilities), our analysis moves to lithographic techniques (scanning tunneling lithography, nanomechanical stamping, focused ion beam patterning) with the aim of developing a hybrid approach in which the exogenous intervention is specifically designed to suit and harness the natural self-organization dynamics of the system.

Ultraviolet photodetection of flexible ZnO nanowire sheets in polydimethylsiloxane polymer

ZnO nanowires are normally exposed to an oxygen atmosphere to achieve high performance in UV photodetection. In this work we present results on a UV photodetector fabricated using a flexible ZnO nanowire sheet embedded in polydimethylsiloxane (PDMS), a gas-permeable polymer, showing reproducible UV photoresponse and enhanced photoconduction. PDMS coating results in a reduced response speed compared to that of a ZnO nanowire film in air. The rising speed is slightly reduced, while the decay time is prolonged by about a factor of four. We conclude that oxygen molecules diffusing in PDMS are responsible for the UV photoresponse

Low temperature synthesis of carbon nanotubes on indium tin oxide electrodes for organic solar cells

The electrical performance of indium tin oxide (ITO) coated glass was improved by including a controlled layer of carbon nanotubes directly on top of the ITO film. Multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) were synthesized by chemical vapor deposition, using ultra-thin Fe layers as catalyst. The process parameters (temperature, gas flow and duration) were carefully refined to obtain the appropriate size and density of MWCNTs with a minimum decrease of the light harvesting in the cell. When used as anodes for organic solar cells based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), the MWCNT-enhanced electrodes are found to improve the charge carrier extraction from the photoactive blend, thanks to the additional percolation paths provided by the CNTs. The work function of as-modified ITO surfaces was measured by the Kelvin probe method to be 4.95 eV, resulting in an improved matching to the highest occupied molecular orbital level of the P3HT. This is in turn expected to increase the hole transport and collection at the anode, contributing to the significant increase of current density and open circuit voltage observed in test cells created with such MWCNT-enhanced electrodes.