Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Morphology and material stability in polymer solar cells

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

POLYMER-NANOPARTICLE COMPOSITES FOR APPLICATIONS IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The aim of this dissertation was to investigate flexible polymer-nanoparticle composites with unique magnetic and electrical properties. Toward this goal, two distinct projects were carried out. The first project explored the magneto-dielectric properties and morphology of flexible polymer-nanoparticle composites that possess high permeability (µ), high permittivity (ε) and minimal dielectric, and magnetic loss (tan δε, tan δµ). The main materials challenges were the synthesis of magnetic nanoparticle fillers displaying high saturation magnetization (Ms), limited coercivity, and their homogeneous dispersion in a polymeric matrix. Nanostructured magnetic fillers including polycrystalline iron core-shell nanoparticles, and constructively assembled superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized, and dispersed uniformly in an elastomer matrix to minimize conductive losses. The resulting composites have demonstrated promising permittivity (22.3), permeability (3), and sustained low dielectric (0.1), magnetic (0.4) loss for frequencies below 2 GHz. This study demonstrated nanocomposites with tunable magnetic resonance frequency, which can be used to develop compact and flexible radio frequency devices with high efficiency. The second project focused on fundamental research regarding methods for the design of highly conductive polymer-nanoparticle composites that can maintain high electrical conductivity under tensile strain exceeding 100%. We investigated a simple solution spraying method to fabricate stretchable conductors based on elastomeric block copolymer fibers and silver nanoparticles. Silver nanoparticles were assembled both in and around block copolymer fibers forming interconnected dual nanoparticle networks, resulting in both in-fiber conductive pathways and additional conductive pathways on the outer surface of the fibers. Stretchable composites with conductivity values reaching 9000 S/cm maintained 56% of their initial conductivity after 500 cycles at 100% strain. The developed manufacturing method in this research could pave the way towards direct deposition of flexible electronic devices on any shaped substrate. The electrical and electromechanical properties of these dual silver nanoparticle network composites make them promising materials for the future construction of stretchable circuitry for displays, solar cells, antennas, and strain and tactility sensors.

Compósitos de polímero-cerâmica para condensadores incorporados

A necessidade de produção de dispositivos eletrónicos mais eficientes e a sua miniaturização tem sido um dos principais desígnios da indústria eletrónica. Assim surgiu a necessidade de melhorar o desempenho das designadas placas de circuito impresso, tornando-as simultaneamente mais flexíveis, com menos ruído, mais estáveis face a variações bruscas de temperatura e que permitam operar numa vasta gama de frequências e potências. Para tal, uma das estratégias que tem vindo a ser estudada é a possibilidade de incorporar os componentes passivos, nomeadamente condensadores, sob a forma de filme diretamente no interior da placa. Por forma a manter uma elevada constante dielétrica e baixas perdas, mantendo a flexibilidade, associada ao polímero, têm sido desenvolvidos os designados compósitos de matriz polimérica. Nesta dissertação procedeu-se ao estudo do comportamento dielétrico e elétrico da mistura do cerâmico CaCu3Ti4O12 com o copolímero estireno-isoprenoestireno. Foram preparados filmes com diferentes concentrações de CCTO, recorrendo ao método de arrastamento, em conjunto com o Centro de Polímeros da Eslováquia. Foram também preparados filmes por spin-coating para as mesmas concentrações. Usaram-se dois métodos distintos para a preparação do pó de CCTO, reação de estado sólido e sol-gel. Foi realizada a caraterização estrutural (difração de raios-X. espetroscopia de Raman), morfológica (microscopia eletrónica de varrimento) e dielétrica aos filmes produzidos. Na caracterização dielétrica determinou-se o valor da constante dielétrica e das perdas para todos os filmes, à temperatura ambiente, bem como na gama de temperatura entre os 200 K e os 400 K, o que permitiu identificar existência de relaxações vítreas e subvítreas, e assim calcular as temperaturas de transição vítrea e energias de ativação, respetivamente. Foram realizados testes de adesão e aplicada a técnica de análise mecânica dinâmica para o cálculo das temperaturas de transição vítrea nos filmes preparados pelo método de arrastamento. Estudou-se ainda qual a lei de mistura que melhor se ajusta ao comportamento dielétrico do nosso compósito. Verificou-se que é a lei de Looyenga generalizada a que melhor se ajusta à resposta dielétrica dos compósitos produzidos.

Development of polymeric drug delivery vehicles for targeted cancer therapy

The aim of my Ph. D. thesis is to generalize a method for targeted anti-cancer drug delivery. Hydrophilic polymer-drug conjugates involve complicated synthesis; drug-encapsulated polymeric nanoparticles limit the loading capability of payloads. This thesis introduces the concept of nanoconjugates to overcome difficulties in synthesis and formulation. Drugs with hydroxyl group are able to initiate polyester synthesis in a regio- and chemo- selective way, with the mediation of ligand-tunable Zinc catalyst. Herein, three anti-cancer drugs are presented to demonstrate the high efficiency and selectivity in the method (Chapter 2-4). The obtained particles are stable in salt solution, releasing drugs over weeks in controlled manner. With the conjugation of aptamer, particles are capable to target prostate cancer cells in vitro. These results open the gateway to evaluate the in vivo efficacy of nanoconjugates for target cancer therapy (Chapter 5). Mechanism study of the polymerization leads to the discovery of chemosite selective synthesis of prodrugs with acrylate functional groups. Functional copolymer-drug conjugates will expand the scope of nanoconjugates (Chapter 6). Liposome-aptamer targeting drug delivery vehicle is well studied to achieve reversible cell-specific delivery of non-hydoxyl drugs e.g. cisplatin (Chapter 7). New monomers and polymerization mechanisms are explored for polyester in order to synthesize nanoconjugates with variety on properties (Chapter 8). Initial efforts to apply this type of prodrugs will be focused on the preparation of hydrogels for stem cell research (Chapter 9).

L'orientation et la propriété de mémoire de forme des polymères cristallins liquides à chaînes latérales covalents et supramoléculaires

In many studies of the side-chain liquid crystalline polymers (SCLCPs) bearing azobenzene mesogens as pendant groups, obtaining the orientation of azobenzene mesogens at a macroscopic scale as well as its control is important, because it impacts many properties related to the cooperative motion characteristic of liquid crystals and the trans-cis photoisomerization of the azobenzene molecules. Various means can be used to align the mesogens in the polymers, including rubbed surface, mechanical stretching or shearing, and electric or magnetic field. In the case of azobenzene-containing SCLCPs, another method consists in using linearly polarized light (LPL) to induce orientation of azobenzene mesogens perpendicular to the polarization direction of the excitation light, and such photoinduced orientation has been the subject of numerous studies. In the first study realized in this thesis (Chapter 1), we carried out the first systematic investigation on the interplay of the mechanically and optically induced orientation of azobenzene mesogens as well as the effect of thermal annealing in a SCLCP and a diblock copolymer comprising two SCLCPs bearing azobenzene and biphenyl mesogens, respectively. Using a supporting-film approach previously developed by our group, a given polymer film can be first stretched in either the nematic or smectic phase to yield orientation of azobenzene mesogens either parallel or perpendicular to the strain direction, then exposed to unpolarized UV light to erase the mechanically induced orientation upon the trans–cis isomerization, followed by linearly polarized visible light for photoinduced reorientation as a result of the cis–trans backisomerization, and finally heated to different LC phases for thermal annealing. Using infrared dichroism to monitor the change in orientation degree, the results of this study have unveiled complex and different orientational behavior and coupling effects for the homopolymer of poly{6-[4-(4-methoxyphenylazo)phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA) and the diblock copolymer of PAzMA-block- poly{6-[4-(4-cyanophenyl) phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA-PBiPh). Most notably for the homopolymer, the stretching-induced orientation exerts no memory effect on the photoinduced reorientation, the direction of which is determined by the polarization of the visible light regardless of the mechanically induced orientation direction in the stretched film. Moreover, subsequent thermal annealing in the nematic phase leads to parallel orientation independently of the initial mechanically or photoinduced orientation direction. By contrast, the diblock copolymer displays a strong orientation memory effect. Regardless of the condition used, either for photoinduced reorientation or thermal annealing in the liquid crystalline phase, only the initial stretching-induced perpendicular orientation of azobenzene mesogens can be recovered. The reported findings provide new insight into the different orientation mechanisms, and help understand the important issue of orientation induction and control in azobenzene-containing SCLCPs. The second study presented in this thesis (Chapter 2) deals with supramolecular side-chain liquid crystalline polymers (S-SCLCPs), in which side-group mesogens are linked to the chain backbone through non-covalent interactions such as hydrogen bonding. Little is known about the mechanically induced orientation of mesogens in S-SCLCPs. In contrast to covalent SCLCPs, free-standing, solution-cast thin films of a S-SCLCP, built up with 4-(4’-heptylphenyl) azophenol (7PAP) H-bonded to poly(4-vinyl pyridine) (P4VP), display excellent stretchability. Taking advantage of this finding, we investigated the stretching-induced orientation and the viscoelastic behavior of this S-SCLCP, and the results revealed major differences between supramolecular and covalent SCLCPs. For covalent SCLCPs, the strong coupling between chain backbone and side-group mesogens means that the two constituents can mutually influence each other; the lack of chain entanglements is a manifestation of this coupling effect, which accounts for the difficulty in obtaining freestanding and mechanically stretchable films. Upon elongation of a covalent SCLCP film cast on a supporting film, the mechanical force acts on the coupled polymer backbone and mesogenic side groups, and the latter orients cooperatively and efficiently (high orientation degree), which, in turn, imposes an anisotropic conformation of the chain backbone (low orientation degree). In the case of the S-SCLCP of P4VP-7PAP, the coupling between the side-group mesogens and the chain backbone is much weakened owing to the dynamic dissociation/association of the H-bonds linking the two constituents. The consequence of this decoupling is readily observable from the viscoelastic behavior. The average molecular weight between entanglements is basically unchanged in both the smectic and isotropic phase, and is similar to non-liquid crystalline samples. As a result, the S-SCLCP can easily form freestanding and stretchable films. Furthermore, the stretching induced orientation behavior of P4VP-7PAP is totally different. Stretching in the smectic phase results in a very low degree of orientation of the side-group mesogens even at a large strain (500%), while the orientation of the main chain backbone develops steadily with increasing the strain, much the same way as amorphous polymers. The results imply that upon stretching, the mechanical force is mostly coupled to the polymer backbone and leads to its orientation, while the main chain orientation exerts little effect on orienting the H-bonded mesogenic side groups. This surprising finding is explained by the likelihood that during stretching in the smectic phase (at relatively higher temperatures) the dynamic dissociation of the H-bonds allow the side-group mesogens to be decoupled from the chain backbone and relax quickly. In the third project (Chapter 3), we investigated the shape memory properties of a S-SCLCP prepared by tethering two azobenzene mesogens, namely, 7PAP and 4-(4'-ethoxyphenyl) azophenol (2OPAP), to P4VP through H-bonding. The results revealed that, despite the dynamic nature of the linking H-bonds, the supramolecular SCLCP behaves similarly to covalent SCLCP by exhibiting a two-stage thermally triggered shape recovery process governed by both the glass transition and the LC-isotropic phase transition. The ability for the supramolecular SCLCP to store part of the strain energy above T[subscript g] in the LC phase enables the triple-shape memory property. Moreover, thanks to the azobenzene mesogens used, which can undergo trans-cis photoisomerization, exposure the supramolecular SCLCP to UV light can also trigger the shape recovery process, thus enabling the remote activation and the spatiotemporal control of the shape memory. By measuring the generated contractile force and its removal upon turning on and off the UV light, respectively, on an elongated film under constant strain, it seems that the optically triggered shape recovery stems from a combination of a photothermal effect and an effect of photoplasticization or of an order-disorder phase transition resulting from the trans-cis photoisomerization of azobenzene mesogens.

Engineered Vesicles for Perchlorate Degradation

This study demonstrates the use of engineered vesicles to reduce perchlorate. Specifically, cell-free extracts containing perchlorate reductase and chlorite dismutase enzymes were encapsulated in a triblock copolymer vesicle functionalized with the outer membrane porin OmpF. The porin allows for perchlorate transport into the vesicles, inside which the encapsulated enzymes transform perchlorate to chloride. Perchlorate reduction was quantified using a methyl viologen colorimetric technique. The vesicle solutions had perchlorate-reducing activities ranging from 35-45 units per liter. This work shows that vesicles can provide a mechanism to utilize environmentally-relevant biological enzymes. When incorporated into a vesicle, the enzymes could be used outside of environmental conditions where they would normally be expressed by natural bacteria.

Performances of dead-end ultrafiltration of seawater: from the filtration and backwash efficiencies to the membrane fouling mechanisms

The present work investigates the fouling mechanisms of PVDF hollow fibre membrane (0.03 μm) during the dead end ultrafiltration at a fixed permeate flux (outside to inside configuration) of complex synthetic seawater composed by humic acids, alginic acids, inorganic particles and numerous salts at high concentrations. Short term ultrafiltration experiments at 100 L.h-1.m-2 show that the optimal specific filtered volume seems to be equal to 50 L.m-2. A residual fouling resistance equal to 2.1010 m-1 is added after each cycle of filtration during 8h of ultrafiltration at 100 L.h-1.m-2 and 50 L.m-2. Most of the fouling is reversible (80%). Organics are barely (15% of humic acids) retained by the membrane. Backwash efficiency drops during operation which induces less organics into backwash waters. Humic acids could preferentially accumulate on the membrane early in the ultrafiltration and alginic acids after the build-up of a fouling pre-layer. Colloids and particulates could accumulate inside a heterogeneous fouling layer and/or the concentrate compartment of the membrane module before being more largely recovered inside backwash waters.

Double hydrophilic polyphosphoester containing copolymers as efficient templating agents for calcium carbonate microparticles

International audience

Dielectric studies of Liquid Crystal Nanocomposites and Nanomaterial systems.

Liquid crystals (LCs) have revolutionized the display and communication technologies. Doping of LCs with inorganic nanoparticles such as carbon nanotubes, gold nanoparticles and ferroelectric nanoparticles have garnered the interest of research community as they aid in improving the electro-optic performance. In this thesis, we examine a hybrid nanocomposite comprising of 5CB liquid crystal and block copolymer functionalized barium titanate ferroelectric nanoparticles. This hybrid system exhibits a giant soft-memory effect. Here, spontaneous polarization of ferroelectric nanoparticles couples synergistically with the radially aligned BCP chains to create nanoscopic domains that can be rotated electromechanically and locked in space even after the removal of the applied electric field. The resulting non-volatile memory is several times larger than the non-functionalized sample and provides an insight into the role of non-covalent polymer functionalization. We also present the latest results from the dielectric and spectroscopic study of field assisted alignment of gold nanorods.

Synthetic biology in droplet-based microfluidics

Droplet microfluidics is an active multidisciplinary area of research that evolved out of the larger field of microfluidics. It enables the user to handle, process and manipulate micrometer-sized emulsion droplets on a micro- fabricated platform. The capability to carry out a large number of individual experiments per unit time makes the droplet microfluidic technology an ideal high-throughput platform for analysis of biological and biochemical samples. The objective of this thesis was to use such a technology for designing systems with novel implications in the newly emerging field of synthetic biology. Chapter 4, the first results chapter, introduces a novel method of droplet coalescence using a flow-focusing capillary device. In Chapter 5, the development of a microfluidic platform for the fabrication of a cell-free micro-environment for site-specific gene manipulation and protein expression is described. Furthermore, a novel fluorescent reporter system which functions both in vivo and in vitro is introduced in this chapter. Chapter 6 covers the microfluidic fabrication of polymeric vesicles from poly(2-methyloxazoline-b-dimethylsiloxane-b-2-methyloxazoline) tri-block copolymer. The polymersome made from this polymer was used in the next Chapter for the study of a chimeric membrane protein called mRFP1-EstA∗. In Chapter 7, the application of microfluidics for the fabrication of synthetic biological membranes to recreate artificial cell- like chassis structures for reconstitution of a membrane-anchored protein is described.

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.

Estudo morfológico da blenda polimérica poli(metacrilato de metila)/poli(tereftalato de etileno) reciclado (PMMA/PET)

Among the options for plastics modification more convenient, both from a technical-scientific and economic, is the development of polymer blends by processing in the molten state. This work was divide into two stages, with the aim to study the phase morphology of binary blend PMMA / PET blend and this compatibilized by the addition of the poly(methyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate-co-ethyl acrylate) copolymer (MMA-GMA-EA). In the first stage is analyzed the morphology of the blend at a preliminary stage where we used the bottle-grade PET in a Haake torque rheometer and the effect of compatibilizer in this blend was evaluated. In the second stage the blend was processed using the recycled PET in a single screw extruder and subsequently injection molding in the shape of specimens for mechanical tests. In both stages we used a transmission electron microscopy (TEM) to observe the morphologies of the samples and an image analyzer to characterize them. In the second stage, as well as analysis by TEM, tensile test, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) was performed to correlate the morphology with the mechanical properties. The samples used in morphological analyzes were sliced by cryo-ultramicrotomy technique for the analysis by TEM and the analysis by SEM and AFM, we used the flat face of the block after cut cryogenic. It was found that the size of the dispersed phase decreased with the addition of MMA-GMA-EA in blends prepared in a Haake. In the tensile test, the values of maximum tensile strength and modulus of elasticity is maintained in a range between the value of pure PMMA the pure PET, while the elongation at break was influenced by the composition by weight of the PMMA mixture. The coupling agent corroborated the results presented in the blend PMMA / PETrec / MMA-GMA-EA (80/15/5 %w/w), obtained by TEM, AFM and SEM. It was concluded that the techniques used had a good morphologic correlation, and can be confirmed for final analysis of the morphological characteristics of the blends PMMA / PET

Non chemical natural organic matter removal with a contact TiO2 process

Dissertação de Mestrado, Tecnologia dos Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2014