Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

Relargage d’ions métalliques après l’arthroplastie de la hanche à grand diamètre avec couple de frottement métal sur métal

La dégénérescence articulaire sévère de la hanche est une pathologie fréquente et son traitement ultime est le remplacement prothétique. L’arthroplastie la plus répandue au monde est la prothèse totale de hanche (PTH) avec un couple de frottement métal-sur-polyéthylène (MPE). Cependant ce type d’intervention présente une longévité limitée à cause de l’usure de PE et ne convient pas aux patients actifs souffrant de coxarthrose sévère tôt dans leur vie. Afin de palier à ce problème, une nouvelle génération de surfaces de frottement métal-sur-métal (MM) est actuellement employée. Ces surfaces de frottement sont utilisées en PTH avec tête de 28 mm, en resurfaçage (RH) et avec la PTH à tête de grand diamètre. Alors qu’il y a beaucoup d’évidence à l’égard du bon fonctionnement des implants PTH 28 mm et du RH, les données quant aux performances in vivo des PTH MM à grand diamètre manquent. Malgré cela, ces implants sont utilisés à grande échelle. Dans un premier temps, l’objectif de ce travail de recherche était d’évaluer l’effet et de comparer les taux d’ions chrome (Cr) et cobalt (Co) chez des sujets porteurs de PTH MM à grand diamètre à ceux de 64 porteurs de RH, tous deux possédant des surfaces de frottement aux propriétés tribologiques identiques. Dans un deuxième temps, nous avons comparé les taux ioniques (Cr, Co et titane (Ti)) entre quatre PTH MM à grand diamètre provenant de fabricants différents (Zimmer, DePuy, Smith & Nephew et Biomet). Les mesures d’ions étaient effectuées dans le sang entier dans un laboratoire indépendant par la technique de spectrophotométrie de masse à haute résolution HR-ICP-MS, pour l’ensemble de ce travail de recherche. Les deux comparaisons ont démontré le rôle crucial joué par la modularité au niveau de la jonction tête-col des PTH MM à grand diamètre. En effet, des écarts considérables dans les concentrations ioniques de Co ont été retrouvés entre les RH et PTH Durom ayant un couple de frottement identique, ainsi qu’entre les 4 différents designs de PTH MM à grand diamètre comparés entre eux. La PTH MM à grand diamètre Durom était la moins favorable alors que celle de Biomet était la plus performante. Nos observations démontrent que des sources inattendues comme la jonction tête-col de certains implants PTH MM à grand diamètre peuvent contribuer au relargage ionique systémique. Une meilleure compréhension de ce phénomène est indispensable avant l’utilisation clinque de nouveaux implants de ce type.

Effect of osteogenesis imperfecta on orthodontic tooth movement in a mouse model

Thesis written in co-mentorship with director: Nelly Huynh; co-directors: Frank Rauch and Jean-Marc Retrouvey; collaborators: Clarice Nishio, Duy-Dat Vu and Nathalie Alos

Effets des nanoparticules manufacturées sur les cellules pulmonaires humaines

La détection et la caractérisation des nanoparticules manufacturées (NPM) est l’une des premières étapes pour contrôler et diminuer leurs risques potentiels sur la santé humaine et l’environnement. Différents systèmes d’échantillonnage dans l’air existent pour l’évaluation d’une exposition aux NPM. Cependant, ils ne mesurent pas le risque potentiel de cette exposition à la santé humaine ni les mécanismes cellulaires qui en seraient responsables. Nos objectifs de recherche sont 1) Évaluer les effets de différents types de nanoparticules sur des cellules pulmonaires humaines et 2) Identifier de nouveaux mécanismes intracellulaires activés lors de l’exposition à divers types de NPM. Méthodologie: La lignée de cellules A549 a été utilisée. Trois types de NPM ont été étudiés (différentes concentrations et temps d’exposition): les nanoparticules de dioxyde de titane de type anatase (TiO2), les nanotubes de carbone simple paroi (NTCSP) et les nanoparticules de noir de carbone (NC). La viabilité cellulaire a été mesurée par le test MTS, le test PrestoBlue et le test d’exclusion du bleu de Trypan (uniquement pour les NTCSP). La mesure du stress oxydatif a été déterminée par la mesure des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) en utilisant l’essai DCFH-DA. L’activation d’une réponse anti-oxydative a été déterminée par la mesure de la forme réduite (GSH) et oxydée (GSSG) du glutathion, ainsi que du ratio GSH/GSSG (seulement avec NTCSP et TiO2). Résultats: Les trois nanoparticules ne semblent pas être toxiques pour les cellules A549 car il y a une diminution significative mais minime de la viabilité cellulaire. Cependant, elles induisent une augmentation du contenu intracellulaire en ROS qui est à la fois dépendante du temps et de la concentration. Aucun changement dans les concentrations de GSH et GSSG n’a été observé. En conclusion, nos données indiquent que la mesure de la viabilité n’est pas un critère suffisant pour conclure à la toxicité des NPM. La production de ROS est un critère intéressant, cependant il faudra démontrer l’activation de systèmes anti-oxydatifs pour expliquer l’absence de mortalité cellulaire suite à l’exposition aux NPM.

Sol-Gel Nanocrystalline Catalytic Titania Powders and Functional Coatings

In the present work Titania bulk powders and coatings were prepared by subjecting titanium isopropoxide solution to a controlled hydrolysis-condensation process. The powders were characterized using techniques such as FTIR for their chemical interactions, TG-DTA for the thermal decomposition features, XRD for the phase assemblage, BET specific surface area analysis for the textural features. The study discusses the preparation methods and the characterization techniques employed and a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the prepared systems. The influence of dopants and leaching on the physico-chemical properties as well as their influence on photo activity is also included. The structural/functional coatings of different Titania compositions includes in this study. Coatings on pre-treated glass surfaces with the best compositions prepared showed 90 % transmittance in the visible region.

Synthesis,Characterization and Properties of [REI_xREX]TiNb06 Dielectric Ceramics

Dielectric ceramics based on solid solution phases of [RE1_x= REr]TiNb06, where REI_s = Nd, Pr, Sm and RE' = Dy, Gd and Y, were prepared by the conventional solid-state ceramic route for values of x. The ceramic samples are characterized by X-ray diffraction and microwave methods. Ceramics based on RE (Pr, Nd and Sm) belonging to aeschynite group shows positive value of Tf and those based on RE (Gd, Dy and Y) belonging to euxenite group show negative value of r f. The solid solution phases between the aeschynite and the euxenite group shows intermediate dielectric constant and r f values. The results indicate the possibility of tailoring the dielectric properties by varying the composition of the solid solution phases. The range of solid solubility of euxenite in aeschenite and aeschenite in euxenite are different for different rare earth ions

Organometallic Hydroxides of Transition Elements

Northern Illinois University DeKalb,Institut fu¨r Anorganische Chemie & Southern Methodist University

Development of novel surface coatings based on acrylic copolymers

The present study describes the preparation of Vinyl acetate-Butyl acrylate copolymer lattices of varying compositions and solid contents by semicontinuous emulsion polymerization method. This copolymer lattices were used as binder to develop a new surface coating formulation. The properties of this surface coating were improved by using nano TiO2 colloidal sol as a pigment. Antimicrobial activity of surface coatings was improved by the addition of carboxymethyl chitosan as biocide. Uniformly dispersed tyre crumb was used to give a mat finish to the coating. The mechanical properties adhesive properties, thermal properties etc. of the coatings are presented in thesis.

Aqueous Sol-gel Process for Nanocrystalline Photocatalytic Titania, Transparent Functional Coatings and Ceramic Membrane

The present thesis develops from the point of view of titania sol-gel chemistry and an attempt is made to address the modification of the process for better photoactive titania by selective doping and also demonstration of utilization of the process for the preparation of supported membranes and self cleaning films.A general introduction to nanomaterials, nanocrystalline titania and sol-gel chemistry are presented in the first chapter. A brief and updated literature review on sol-gel titania, with special emphasis on catalytic and photocatalytic properties and anatase to rutile transformation are covered. Based on critical assessment of the reported information the present research problem has been defined.The second chapter describes a new aqueous sol-gel method for the preparation of nanocrystalline titania using titanyl sulphate as precursor. This approach is novel since no earlier work has been reported in the same lines proposed here. The sol-gel process has been followed at each step using particle size, zeta potential measurements on the sol and thermal analysis of the resultant gel. The prepared powders were then characterized using X-ray diffraction, FTIR, BET surface area analysis and transmission electron microscopy.The third chapter presents a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the aqueous sol-gel derived doped titania. The effect of dopants such as tantalum, gadolinium and ytterbium on the anatase to rutile phase transformation, surface area as well as their influence on photoactivity is also included. The fourth chapter demonstrates application of the aqueous sol-gel method in developing titania coatings on porous alumina substrates for controlling the poresize for use as membrane elements in ultrafiltration. Thin coatings having ~50 nm thickness and transparency of ~90% developed on glass surface were tested successfully for self cleaning applications.

Modification of Linear Low Density Polyethylene for Improved Photo and Biodegradation

LLDPE was blended with poly (vinyl alcohol) and mechanical, thermal, spectroscopic properties and biodegradability were investigated. The biodegradability of LLDPE/PVA blends has been studied in two environments, viz. (1) a culture medium containing Vibrio sp. and (2) a soil environment over a period of 15 weeks. Nanoanatase having photo catalytic activity was synthesized by hydrothermal method using titanium-iso-propoxide. The synthesized TiO2 was characterized by X-Ray diffraction (XRD), BET studies, FTIR studies and scanning electron microscopy (SEM). The crystallite size of titania was calculated to be ≈ 6nm from the XRD results and the surface area was found to be about 310m2/g by BET method. SEM shows that nanoanatase particles prepared by this method are spherical in shape. Linear low density polyethylene films containing polyvinyl alcohol and a pro-oxidant (TiO2 or cobalt stearate with or without vegetable oil) were prepared. The films were then subjected to natural weathering and UV exposure followed by biodegradation in culture medium as well as in soil environment. The degradation was monitored by mechanical property measurements, thermal studies, rate of weight loss, FTIR and SEM studies. Higher weight loss, texture change and greater increments in carbonyl index values were observed in samples containing cobalt stearate and vegetable oil. The present study demonstrates that the combination of LLDPE/PVA blends with (I) nanoanatase/vegetable oil and (ii) cobalt stearate/vegetable oil leads to extensive photodegradation. These samples show substantial degradation when subsequent exposure to Vibrio sp. is made. Thus a combined photodegradation and biodegradation process is a promising step towards obtaining a biodegradable grade of LLDPE.

Studies on Catalysis by Nano Titania Modified with Metals and Nonmetals

Semiconductor photocatalysis has received much attention during last three decades as a promising solution for both energy generation and environmental problems. Heterogeneous photocatalytic oxidation allows the degradation of organic compounds into carbon dioxide and water in the presence of a semiconductor catalyst and UV light source. The •OH radicals formed during the photocatalytic processes are powerful oxidizing agents and can mineralise a number of organic contaminants. Titanium dioxide (TiO2), due to its chemical stability, non-toxicity and low cost represents one of the most efficient photocatalyst. However, only the ultraviolet fraction of the solar radiation is active in the photoexcitation processes using pure TiO2 and although, TiO2 can treat a wide range of organic pollutants the effectiveness of the process for pollution abatement is still low. A more effective and efficient catalyst therefore must be formulated. Doping of TiO2 was considered with the aim of improving photocatalytic properties. In this study TiO2 catalyst was prepared using the sol-gel method. Metal and nonmetal doped TiO2 catalysts were prepared. The photoactivity of the catalyst was evaluated by the photodegradation of different dyes and pesticides in aqueous solution. High photocatalytic degradation of all the pollutants was observed with doped TiO2. Structural and optical properties of the catalysts were characterized using XRD, BET surface area, UV-Vis. DRS, CHNS analysis, SEM, EDX, TEM, XPS, FTIR and TG. All the catalysts showed the anatase phase. The presence of dopants shifts the absorption of TiO2 into the visible region indicating the possibility of using visible light for photocatalytic processes.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Resultados clínicos, radiológicos del manejo de fracturas diafisiarias de fémur con clavos elásticos endomedulares en población pediátrica

Introducción: Las fracturas de fémur en pediatría son una causa de discapacidad por requerir una inmovilización prolongada, convirtiendo su manejo en un reto para el ortopedista. El tratamiento depende de muchos factores, como la edad, el peso, el tipo de fractura y mecanismo de trauma. El estudio evaluará los desenlaces clínicos y radiológicos del paciente pediátrico con fracturas diafisiaria de fémur manejadas quirúrgicamente con clavos elásticos endomedulares. Materiales y métodos: Estudio observacional descriptivo, serie de casos, recolección de información a través de revisión de historias clínicas en pacientes sometidos quirúrgicamente con clavos elásticos. Resultados: Un total de 13 casos; promedio de edad de 8,2±2,86 años; relación hombre mujer es 3: 1. Principal mecanismo de trauma baja energía (9 casos). Con un seguimiento de 12.5±2,82 meses, el postoperatorio evidenció complicaciones menores relacionadas con irritación del punto de entrada del clavo (9 casos). Solo un caso presentó no unión de la fractura. No se documentaron otras complicaciones, existen diferencias estadísticamente significativas en la anteversión femoral del miembro fracturado y el sano (p=0,001) relacionado con problemas rotacionales, igual que la angulación en el plano sagital (p=0,030) sin repercusión para la consolidación ni la marcha. Conclusiones: El análisis de resultados clínicos y radiológicos concuerda con lo descrito en la literatura mundial, los clavos elásticos endomedulares es una técnica reproducible con resultados excelentes y satisfactorios, bajas tasas de complicaciones. Éste estudio presenta limitaciones debido al tamaño de muestra, no podemos hacer recomendaciones definitivas.