Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

Weld joint characteristics by nano-materials addition

The need for industries to remain competitive in the welding business, has created necessity to develop innovative processes that can exceed customer’s demand. Significant development in improving weld efficiency, during the past decades, still have their drawbacks, specifically in the weld strength properties. The recent innovative technologies have created smallest possible solid material known as nanomaterial and their introduction in welding production has improved the weld strength properties and to overcome unstable microstructures in the weld. This study utilizes a qualitative research method, to elaborate the methods of introducing nanomaterial to the weldments and the characteristic of the welds produced by different welding processes. The study mainly focuses on changes in the microstructural formation and strength properties on the welded joint and also discusses those factors influencing such improvements, due to the addition of nanomaterials. The effect of nanomaterial addition in welding process modifies the physics of joining region, thereby, resulting in significant improvement in the strength properties, with stable microstructure in the weld. The addition of nanomaterials in the welding processes are, through coating on base metal, addition in filler metal and utilizing nanostructured base metal. However, due to its insignificant size, the addition of nanomaterials directly to the weld, would poses complications. The factors having major influence on the joint integrity are dispersion of nanomaterials, characteristics of the nanomaterials, quantity of nanomaterials and selection of nanomaterials. The addition of nanomaterials does not affect the fundamental properties and characteristics of base metals and the filler metal. However, in some cases, the addition of nanomaterials lead to the deterioration of the joint properties by unstable microstructural formations. Still research are ongoing to achieve high joint integrity, in various materials through different welding processes and also on other factors that influence the joint strength.

Molecular adjuvant interleukin-33 enhances the antifertility effect of Lagurus lagurus zona pellucida 3 DNA vaccine administered by the mucosal route

It has been shown that cytokines can act as molecular adjuvant to enhance the immune response induced by DNA vaccines, but it is unknown whether interleukin 33 (IL-33) can enhance the immunocontraceptive effect induced by DNA vaccines. In the present study, we explored the effects of murine IL-33 on infertility induced by Lagurus lagurus zona pellucida 3 (Lzp3) contraceptive DNA vaccine administered by the mucosal route. Plasmid pcD-Lzp3 and plasmid pcD-mIL-33 were encapsulated with chitosan to generate the nanoparticle chi-(pcD-Lzp3+pcD-mIL-33) as the DNA vaccine. Sixty female ICR mice, divided into 5 groups (n=12/group), were intranasally immunized on days 0, 14, 28, and 42. After intranasal immunization, the anti-LZP3-specific IgG in serum and IgA in vaginal secretions and feces were determined by ELISA. The results showed that chi-(pcD-Lzp3+pcD-mIL-33) co-immunization induced the highest levels of serum IgG, secreted mucosal IgA, and T cell proliferation. Importantly, mice co-immunized with chi-(pcD-Lzp3+pcD-mIL-33) had the lowest birth rate and mean litter size, which correlated with high levels of antibodies. Ovaries from infertile female mice co-immunized with chi-(pcD-Lzp3+pcD-mIL-33) showed abnormal development of ovarian follicles, indicated by atretic follicles and loss of oocytes. Our results demonstrated that intranasal delivery of the molecular adjuvant mIL-33 with chi-pcD-Lzp3significantly increased infertility by enhancing both systemic and mucosal immune responses. Therefore, chi-(pcD-Lzp3+pcD-mIL-33) co-immunization could be a strategy for controlling the population of wild animal pests.

Recuperação da solução de soda cáustica usada no tratamento do couro bovino na produção de gelatina

No tratamento de couro bovino para a produção de gelatina utiliza-se uma solução de soda cáustica com função de dissolver substâncias orgânicas indesejáveis, como proteínas e gorduras. Para evitar seu descarte como efluente, procurou-se viabilizar um processo de purificação da soda cáustica, evitando seu desperdício e ainda tornando-o adequado para reutilização no processo. A microfiltração, a ultrafiltração e a nanofiltração são técnicas potenciais para esta separação, dependendo do tipo e tamanho dos sólidos existentes. Experimentos de ultrafiltração foram realizados na unidade de micro/ultrafiltração Koch Membrane System Model Protosep modified IV, nas pressões transmembrana de 2,5; 3,5 e 4,5 kgf/cm² e temperaturas de 25 e 50 °C. Utilizaram-se membranas cerâmicas (material TiO2/alfa-Al2O3) tubulares com diâmetro médio de corte de 0,01, 0,05 e 0,10 µm. O trabalho foi dividido em duas etapas: na primeira selecionou-se a melhor pressão para cada membrana, e na segunda adotou-se a pressão de 3,5 kgf/cm², usou-se uma alimentação centrifugada e outra peneirada para então definir a membrana. As melhores condições operacionais foram determinadas em termos de fluxo de permeado e qualidade de produto. Com os resultados obtidos, observaram-se as melhores condições operacionais: pressão de 3,5 kgf/cm², temperatura de 25 °C e membrana com diâmetro médio de poros de 0,01 µm.

Upkonvertoivien nanopartikkelien pinnan muokkausmenetelmät ja niiden vaikutus partikkelien stabiilisuuteen ja luminesenssiominaisuuksiin Heterogeeninen upkonvertoiviin nanopartikkeleihin perustuva immunomääritys sydänspesifiselle troponiini I:lle

Upkonvertoivat nanopartikkelit (engl. upconverting nanoparticle, UCNP) ovat lantanidi-ioneja sisältäviä epäorgaanisia fluoroforeja, jotka muuttavat virityksessä käytettävän lähi-infrapunavalon korkeampienergiseksi emissiovaloksi. Tämän ominaisuuden ansiosta autofluoresenssi ei häiritse upkonversio-luminesenssin mittausta biologisissa sovelluksissa. Koska sovellukset edellyttävät vesiympäristöä, pinnoitteen tulee suojata UCNP:eita riittävästi veden aiheuttamalta upkonversioluminesenssin sammutukselta. Tutkielman kirjallisessa osassa esitetään erilaisia UCNP:ien pinnan muokkausmenetelmiä, ja käsitellään niiden vaikutuksia UCNP:ien stabiilisuuteen ja luminesenssi-ominaisuuksiin. Sydänperäinen troponiini I (engl. cardiac troponin I, cTnI) on sydäninfarktiin yhdistetty merkkiaine, jonka havaitseminen immunomäärityksellä auttaa sydäninfarktin diagnosointia. Tutkielman kokeellisen osan tarkoituksena oli kehittää UCNP-leimaan perustuva herkkä cTnI-immunomääritys, jossa voidaan käyttää yksinkertaista mittalaitetta. Tutkimus sisälsi kolme vaihetta, jotka olivat UCNP:ien pinnoitus hydrofiilisiksi, cTnI:tä tunnistavan vasta-aineen konjugoiti kovalenttisesti UCNP:ien pintaan ja heterogeeninen UCNP-leimaa käyttävä kaksipuolinen cTnI-immunomääritys. Eri vaiheissa käytettyjä menetelmiä optimoitiin UCNP-leiman epäspesifisen sitoutumisen vähentämiseksi ja cTnI-immunomäärityksen analyyttisen herkkyyden parantamiseksi. Immunomäärityksen toimivuutta testattiin, ja menetelmää muokattiin, jotta sillä voitaisiin määrittää myös tunnetut cTnI-pitoisuudet terveiden henkilöiden plasmanäytteistä. Poly(akryylihapolla) pinnoitetulla UCNP-leimalla määritettiin parempi analyyttinen herkkyys kuin silikalla pinnoitetulla UCNP-leimalla. Muokatun cTnI-immunomäärityksen analyyttinen herkkyys oli 2,2 ng/l. Tutkimus osoitti, että UCNP-leimalla on mahdollista havaita erittäin alhaisia cTnI-pitoisuuksia. Plasmanäytteiden cTnI-saannoissa oli eroja valituilla määritysolosuhteilla, joten toimiva immunomääritys vaatii vielä olosuhteiden lisäoptimointia.

Synthesis and characterization of nanoperforated metal oxide thin films

For advanced devices in the application fields of data storage, solar cell and biosensing, one of the major challenges to achieve high efficiency is the fabrication of nanopatterned metal oxide surfaces. Such surfaces often require both precise structure at the nanometer scale and controllable patterned structure at the macro scale. Nowadays, the dominating candidates to fabricate nanopatterned surfaces are the lithographic technique and block-copolymer masks, most of which are unfortunately costly and inefficient. An alternative bottom-up approach, which involves organic/inorganic self-assembly and dip-coating deposition, has been studied intensively in recent years and has proven to be an effective technique for the fabrication of nanoperforated metal oxide thin films. The overall objective of this work was to optimize the synthesis conditions of nanoperforated TiO2 (NP-TiO2) thin films, especially to be compatible with mixed metal oxide systems. Another goal was to develop fabrication and processing of NP-TiO2 thin films towards largescale production and seek new applications for solar cells and biosensing. Besides the traditional dip-coating and drop-casting methods, inkjet printing was used to prepare thin films of metal oxides, with the advantage of depositing the ink onto target areas, further enabling cost-effective fabrication of micro-patterned nanoperforated metal oxide thin films. The films were characterized by water contact angle determination, Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy and Grazing Incidence XRay Diffraction. In this study, well-ordered zinc titanate nanoperforated thin films with different Zn/Ti ratios were produced successfully with zinc precursor content up to 50 mol%, and the dominating phase was Zn2Ti3O8. NP-TiO2 structures were also obtained by a cost-efficient means, namely inkjet printing, at both ambient temperature and 60 °C. To further explore new biosensing applications of nanoperforated oxide thin films, inkjet printing was used for the fabrication of both continuous and patterned polymeric films onto NP-TiO2 and perfluorinated phosphate functionalized NP-TiO2 substrates, respectively. The NP-TiO2 films can be also functionalized with a fluoroalkylsilane, resulting in hydrophobic surfaces on both titania and silica. The surface energy contrast in the nanoperforations can be tuned by irradiating the films with UV light, which provides ideal model systems for wettability studies.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.

Metal oxides prepared through the nanocasting approach-mechanistic study, surface interactions and applications in separation

Mesoporous metal oxides are nowadays widely used in various technological applications, for instance in catalysis, biomolecular separations and drug delivery. A popular technique used to synthesize mesoporous metal oxides is the nanocasting process. Mesoporous metal oxide replicas are obtained from the impregnation of a porous template with a metal oxide precursor followed by thermal treatment and removal of the template by etching in NaOH or HF solutions. In a similar manner to the traditional casting wherein the product inherits the features of the mold, the metal oxide replicas are supposed to have an inverse structure of the starting porous template. This is however not the case, as broken or deformed particles and other structural defects have all been experienced during nanocasting experiments. Although the nanocasting technique is widely used, not all the processing steps are well understood. Questions over the fidelity of replication and morphology control are yet to be adequately answered. This work therefore attempts to answer some of these questions by elucidating the nanocasting process, pin pointing the crucial steps involved and how to harness this knowledge in making wholesome replicas which are a true replication of the starting templates. The rich surface chemistry of mesoporous metal oxides is an important reason why they are widely used in applications such as catalysis, biomolecular separation, etc. At times the surface is modified or functionalized with organic species for stability or for a particular application. In this work, nanocast metal oxides (TiO2, ZrO2 and SnO2) and SiO2 were modified with amino-containing molecules using four different approaches, namely (a) covalent bonding of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), (b) adsorption of 2-aminoethyl dihydrogen phosphate (AEDP), (c) surface polymerization of aziridine and (d) adsorption of poly(ethylenimine) (PEI) through electrostatic interactions. Afterwards, the hydrolytic stability of each functionalization was investigated at pH 2 and 10 by zeta potential measurements. The modifications were successful except for the AEDP approach which was unable to produce efficient amino-modification on any of the metal oxides used. The APTES, aziridine and PEI amino-modifications were fairly stable at pH 10 for all the metal oxides tested while only AZ and PEI modified-SnO2 were stable at pH 2 after 40 h. Furthermore, the functionalized metal oxides (SiO2, Mn2O3, ZrO2 and SnO2) were packed into columns for capillary liquid chromatography (CLC) and capillary electrochromatography (CEC). Among the functionalized metal oxides, aziridinefunctionalized SiO2, (SiO2-AZ) showed good chemical stability, and was the most useful packing material in both CLC and CEC. Lastly, nanocast metal oxides were synthesized for phosphopeptide enrichment which is a technique used to enrich phosphorylated proteins in biological samples prior to mass spectrometry analysis. By using the nanocasting technique to prepare the metal oxides, the surface area was controlled within a range of 42-75 m2/g thereby enabling an objective comparison of the metal oxides. The binding characteristics of these metal oxides were compared by using samples with different levels of complexity such as synthetic peptides and cell lysates. The results show that nanocast TiO2, ZrO2, Fe2O3 and In2O3 have comparable binding characteristics. Furthermore, In2O3 which is a novel material in phosphopeptide enrichment applications performed comparably with standard TiO2 which is the benchmark for such phosphopeptide enrichment procedures. The performance of the metal oxides was explained by ranking the metal oxides according to their isoelectric points and acidity. Overall, the clarification of the nanocasting process provided in this work will aid the synthesis of metal oxides with true fidelity of replication. Also, the different applications of the metal oxides based on their surface interactions and binding characteristics show the versatility of metal oxide materials. Some of these results can form the basis from which further applications and protocols can be developed.

Nanoparticules Chitosane-PEG-FA-ADN pour la thérapie génique non virale et application du gène de l’IL-1Ra dans un modèle expérimental d’arthrite rhumatoïde

La thérapie génique représente l'un des défis de la médecine des prochaines décennies dont la réussite dépend de la capacité d'acheminer l'ADN thérapeutique jusqu'à sa cible. Des structures non virales ont été envisagées, dont le chitosane, polymère cationique qui se combine facilement à l’ADN. Une fois le complexe formé, l’ADN est protégé des nucléases qui le dégradent. Le premier objectif de l'étude est de synthétiser et ensuite évaluer différentes nanoparticules de chitosane et choisir la mieux adaptée pour une efficacité de transfection sélective in vitro dans les cellules carcinomes épidermoïdes (KB). Le deuxième objectif de l'étude est d'examiner in vivo les effets protecteurs du gène de l'IL-1Ra (bloqueur naturel de la cytokine inflammatoire, l’Interleukine-1β) complexé aux nanoparticules de chitosane sélectionnées dans un modèle d'arthrite induite par un adjuvant (AIA) chez le rat. Les nanoparticules varient par le poids moléculaire du chitosane (5, 25 et 50 kDa), et la présence ou l’absence de l’acide folique (FA). Des mesures macroscopiques de l’inflammation seront évaluées ainsi que des mesures de concentrations de l’Interleukine-1β, Prostaglandine E2 et IL-1Ra humaine secrétés dans le sérum. Les nanoparticules Chitosane-ADN en présence de l’acide folique et avec du chitosane de poids moléculaire de 25 kDa, permettent une meilleure transfection in vitro. Les effets protecteurs des nanoparticules contenant le gène thérapeutique étaient évidents suite à la détection de l’IL-1Ra dans le sérum, la baisse d'expressions des facteurs inflammatoires, l’Interleukine-1 et la Prostaglandine-E2 ainsi que la diminution macroscopique de l’inflammation. Le but de cette étude est de développer notre méthode de thérapie génique non virale pour des applications cliniques pour traiter l’arthrite rhumatoïde et d’autres maladies humaines.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Étude de la voie de signalisation de l’insuline chez la drosophile par une approche phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance.

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

La bioaccumulation d’une nanoparticule d’argent (nAg) par l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii : distinguer la contribution de la particule de celle de l’ion Ag+

L’explosion de la nanotechnologie a permis l’intégration d’une multitude de nanoparticules dans des produits de consommation. Les nanoparticules d’argent (nAg) sont les plus utilisées à ces fins, selon les derniers recensements disponibles. La plupart des études toxicologiques, à ce jour, ont fait état de l’implication très évidente de l’ion Ag+ dans la toxicité aigüe des nAg; cependant, quelques études ont mis en évidence des effets toxicologiques dus aux nAg. Il y a un certain consensus à propos d’un risque de contamination des eaux douces via leur rejet par les effluents des réseaux d’aqueducs. Puisque les concentrations en Ag+ sont généralement très faibles dans les eaux douces (de l’ordre du pg L-1), de par la formation de complexes non-labiles avec des thiols (organiques et inorganiques) et des sulfures, la toxicité inhérente aux nAg pourrait ne pas être négligeable- comparativement aux tests en laboratoires. Cette étude s’intéressait donc aux mécanismes de bioaccumulation d’argent par l’algue verte C. reinhardtii suite à l’exposition à des nAg de 5 nm (enrobage d’acide polyacrylique). La bioaccumulation d’argent pour l’exposition à Ag+ servait de point de comparaison; également, les abondances de l’ARNm de l’isocitrate lyase 1 (ICL1) et de l’ARNm de Copper Transporter 2 (CTR2) étaient mesurées comme témoins biologiques de la bioaccumulation de Ag+. Les expériences ont été menées en présence d’un tampon organique (NaHEPES, 2 x 10-2 M; Ca2+, 5x 10-5 M) à pH de 7,00. Pour des expositions à temps fixe de 2 heures, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+; cependant, il n’y avait pas de différence d’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 entre nAg et Ag+. D’un autre côté, pour une exposition à temps variables, la bioaccumulation d’argent pour nAg était supérieure à ce qui était prédit par sa concentration initiale en Ag+ et une augmentation de l’abondance de l’ARNm de ICL1 était notée pour nAg. Cependant, il n’y avait aucune différence significative au niveau de l’abondance de l’ARNm de CTR2 entre nAg et une solution équivalente en Ag+. L’ajout d’un fort ligand organique (L-Cystéine; log K= 11,5) à une solution de nAg en diminuait radicalement la bioaccumulation d’argent par rapport à nAg-sans ajout de ligand. Par contre, l’abondance des ARNm de ICL1 et de CTR2 étaient stimulées significativement par rapport à une solution contrôle non-exposée à nAg, ni à Ag+. Les résultats suggéraient fortement que les nAg généraient des ions Ag+ au contact de C. reinhardtii.

Les effets de revêtements de surface sur la dissolution et la bioaccumulation de nanoparticules d'oxyde de zinc par l'algue unicellulaire, C. reinhardtii

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules ont connu un essor sans précédent dans plusieurs domaines. On peut retrouver ces nanoparticules dans des secteurs aussi variés tels que la médecine, l’électronique, les écrans solaires, les cosmétiques et les plastiques, pour ne nommer que ceux-là. Cette utilisation massive a eu un effet pervers sur l’environnement, sachant qu’une grande partie de ces produits se sont retrouvés inévitablement dans les milieux naturels. Plusieurs études révèlent qu’autant la présence des nanoparticules que leurs produits de dissolution sont à prendre en considération lorsque des travaux toxicologiques ou le devenir de ces matériaux sont étudiés. Il est désormais clair que les propriétés de surface de ces nanoparticules jouent un rôle central sur leur comportement dans les solutions aqueuses; que ce soit les interactions avec des organismes ou entre les particules elles-mêmes. Afin d’évaluer le devenir de nZnO, une étude sur la dissolution ainsi que la bioaccumulation a été réalisée avec l’algue modèle Chlamydomonas reinhardtii en présence de nanoparticules ayant différents enrobages. Les nanoparticules d’oxyde de zinc suivantes ont été étudiées : (i) nZnO sans enrobage (nZnO); (ii) nZnO avec enrobage d’acide polyacrylique (nZnO-PAA) et (iii) nZnO avec enrobage d’hexamétaphosphate de sodium (nZnO-HMP). La dissolution était mesurée à l’aide de trois techniques : ultrafiltration par centrifugation (CU); technique potentiométrique (scanned stripping chronopotentiometry, SSCP) et spectrométrie de masse – plasma à couplage inductif couplé à une résine échangeuse d’ions (resin-based inductively coupled plasma-mass spectrometry, resin-based ICP-MS). Les résultats obtenus démontrent une grande tendance à la dissolution pour le nZnO (presque totale) tandis que pour le nZnO-PAA et le nZnO-HMP, la dissolution est dépendante de la nature de l’enrobage le composant. Pour la bioaccumulation sur l’algue testée, les données montrent une grande dépendance au zinc libre issu de la dissolution pour nZnO et nZnO-PAA. À l’inverse, le nZnO-HMP démontre une bioaccumulation plus élevée par comparaison aux mêmes concentrations d’expositions du zinc libre, expliquée par la stimulation de l’internalisation du zinc provoqué par la présence de phosphate constituant l’enrobage de nZnO-HMP.