Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Scanning Electron Microscopy Studies on Tear and Wear Failure of Short Kevlar Fiber-Thermoplastic- Polyurethane Composite

Tear and wear properties of short kevlar fiber, thermoplastic polcurethane (TPU) composite with respect to fiber loading-and fiber onentation has been studied and the fracture surfaces were examined under scanning electron microscope (SEM). Tear strength first decreased up to 20 phr fiber loading and then gradually increased with increasing fiber loading. Anisotropy in tear strength was evident beyond a fiber loading of 20 phr. Tear fracture surface of unfilled TPU showed sinusoidal folding characteristics of high strength matrix. At low fiber loading the tear failure was mainly due to fibermatrix failure whereas at higher fiber loading the failure occurred by fiber breakage. Abrasion loss shows a continuous rise with increasing fiber loading, the loss in the transverse orientation of fibers being higher than that in the longitudinal orientation. The abraded surface showed lone cracks and ridges parallel to the direction of abrasion indicating an abrasive wear mechanism. In the presence of fber the abrasion loss was mainly due to fiber low.

Size-dependent surface plasmon resonance in silver silica nanocomposites

Silver silica nanocomposites were obtained by the sol–gel technique using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and silver nitrate (AgNO3) as precursors. The silver nitrate concentration was varied for obtaining composites with different nanoparticle sizes. The structural and microstructural properties were determined by x-ray diffractometry (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and transmission electron microscopy (TEM). X-ray photoelectron spectroscopic (XPS) studies were done for determining the chemical states of silver in the silica matrix. For the lowest AgNO3 concentration, monodispersed and spherical Ag crystallites, with an average diameter of 5 nm, were obtained. Grain growth and an increase in size distribution was observed for higher concentrations. The occurrence of surface plasmon resonance (SPR) bands and their evolution in the size range 5–10 nm is studied. For decreasing nanoparticle size, a redshift and broadening of the plasmon-related absorption peak was observed. The observed redshift and broadening of the SPR band was explained using modified Mie scattering theory

Surface evolution of amorphous nanocolumns of Fe–Ni grown by oblique angle deposition

The growth of Fe–Ni based amorphous nanocolumns has been studied using atomic force microscopy. The root mean square roughness of the film surface increased with the deposition time but showed a little change at higher deposition time. It was found that the separation between the nanostructures increased sharply during the initial stages of growth and the change was less pronounced at higher deposition time. During the initial stages of the column growth, a roughening process due to self shadowing is dominant and, as the deposition time increases, a smoothening mechanism takes place due to the surface diffusion of adatoms

Swift heavy ion induced surface and microstructural evolution in metallic glass thin films

Swift heavy ion induced changes in microstructure and surface morphology of vapor deposited Fe–Ni based metallic glass thin films have been investigated by using atomic force microscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Ion beam irradiation was carried out at room temperature with 103 MeV Au9+ beam with fluences ranging from 3 1011 to 3 1013 ions/cm2. The atomic force microscopy images were subjected to power spectral density analysis and roughness analysis using an image analysis software. Clusters were found in the image of as-deposited samples, which indicates that the film growth is dominated by the island growth mode. As-deposited films were amorphous as evidenced from X-ray diffraction; however, high resolution transmission electron microscopy measurements revealed a short range atomic order in the samples with crystallites of size around 3 nm embedded in an amorphous matrix. X-ray diffraction pattern of the as-deposited films after irradiation does not show any appreciable changes, indicating that the passage of swift heavy ions stabilizes the short range atomic ordering, or even creates further amorphization. The crystallinity of the as-deposited Fe–Ni based films was improved by thermal annealing, and diffraction results indicated that ion beam irradiation on annealed samples results in grain fragmentation. On bombarding annealed films, the surface roughness of the films decreased initially, then, at higher fluences it increased. The observed change in surface morphology of the irradiated films is attributed to the interplay between ion induced sputtering, volume diffusion and surface diffusion

Unusual surface and edge morphologies, sp2 to sp3 hybridized transformation and electronic damage after Ar+ ion irradiation of few-layer graphene surfaces

Roughness and defects induced on few-layer graphene (FLG) irradiated by Ar+ ions at different energies were investigated using X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy techniques. The results provide direct experimental evidence of ripple formation, sp2 to sp3 hybridized carbon transformation, electronic damage, Ar+ implantation, unusual defects and edge reconstructions in FLG, which depend on the irradiation energy. In addition, shadowing effects similar to those found in oblique-angle growth of thin films were seen. Reliable quantification of the transition from the sp2-bonding to sp3-hybridized state as a result of Ar+ ion irradiation is achieved from the deconvolution of the XPS C (1s) peak. Although the ion irradiation effect is demonstrated through the shape of the derivative of the Auger transition C KVV spectra, we show that the D parameter values obtained from these spectra which are normally used in the literature fail to account for the sp2 to sp3 hybridization transition. In contrast to what is known, it is revealed that using ion irradiation at large FLG sample tilt angles can lead to edge reconstructions. Furthermore, FLG irradiation by low energy of 0.25 keV can be a plausible way of peeling graphene layers without the need of Joule heating reported previously

The Surface Plasmon Resonance of Supported Noble Metal Nanoparticles: Characterization, Laser Tailoring, and SERS Application

This work deals with the optical properties of supported noble metal nanoparticles, which are dominated by the so-called Mie resonance and are strongly dependent on the particles’ morphology. For this reason, characterization and control of the dimension of these systems are desired in order to optimize their applications. Gold and silver nanoparticles have been produced on dielectric supports like quartz glass, sapphire and rutile, by the technique of vapor deposition under ultra-high vacuum conditions. During the preparation, coalescence is observed as an important mechanism of cluster growth. The particles have been studied in situ by optical transmission spectroscopy and ex situ by atomic force microscopy. It is shown that the morphology of the aggregates can be regarded as oblate spheroids. A theoretical treatment of their optical properties, based on the quasistatic approximation, and its combination with results obtained by atomic force microscopy give a detailed characterization of the nanoparticles. This method has been compared with transmission electron microscopy and the results are in excellent agreement. Tailoring of the clusters’ dimensions by irradiation with nanosecond-pulsed laser light has been investigated. Selected particles are heated within the ensemble by excitation of the Mie resonance under irradiation with a tunable laser source. Laser-induced coalescence prevents strongly tailoring of the particle size. Nevertheless, control of the particle shape is possible. Laser-tailored ensembles have been tested as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leading to an improvement of the results. Moreover, they constitute reproducible, robust and tunable SERS-substrates with a high potential for specific applications, in the present case focused on environmental protection. Thereby, these SERS-substrates are ideally suited for routine measurements.

Mechanisms and dynamics of protein clustering on a solid surface

A methodology for discovering the mechanisms and dynamics of protein clustering on solid surfaces is presented. In situ atomic force microscopy images are quantitatively compared to Monte Carlo simulations using cluster statistics to differentiate various models. We study lysozyme adsorption on mica as a model system and find that all surface-supported clusters are mobile, not just the monomers, with diffusion constant inversely related to cluster size. The surface monomer diffusion constant is measured to be D1∼9×10-16  cm2 s-1, such a low value being difficult to measure using other techniques.

The variation in transparency of amniotic membrane used in ocular surface regeneration

Background/aims: Scant consideration has been given to the variation in structure of the human amniotic membrane (AM) at source or to the significance such differences might have on its clinical transparency. Therefore, we applied our experience of quantifying corneal transparency to AM. Methods: Following elective caesarean, AM from areas of the fetal sac distal and proximal (ie, adjacent) to the placenta was compared with freeze-dried AM. The transmission of light through the AM samples was quantified spectrophotometrically; also, tissue thickness was measured by light microscopy and refractive index by refractometry. Results: Freeze-dried and freeze-thawed AM samples distal and proximal to the placenta differed significantly in thickness, percentage transmission of visible light and refractive index. The thinnest tissue (freeze-dried AM) had the highest transmission spectra. The thickest tissue (freeze-thawed AM proximal to the placenta) had the highest refractive index. Using the direct summation of fields method to predict transparency from an equivalent thickness of corneal tissue, AM was found to be up to 85% as transparent as human cornea. Conclusion: When preparing AM for ocular surface reconstruction within the visual field, consideration should be given to its original location from within the fetal sac and its method of preservation, as either can influence corneal transparency.

Ex Vivo Construction of an Artificial Ocular Surface by Combination of Corneal Limbal Epithelial Cells and a Compressed Collagen Scaffold Containing Keratocytes

We have investigated the use of a laminin coated compressed collagen gel containing corneal fibroblasts (keratocytes) as a novel scaffold to support the growth of corneal limbal epithelial stem cells. The growth of limbal epithelial cells was compared between compressed collagen gel and a clinically proven conventional substrate, denuded amniotic membrane. Following compression of the collagen gel, encapsulated keratocytes remained viable and scanning electron microscopy showed that fibres within the compressed gel were dense, homogeneous and similar in structure to those within denuded amniotic membrane. Limbal epithelial cells were successfully expanded upon the compressed collagen resulting in stratified layers of cells containing desmosome and hemidesmosome structures. The resulting corneal constructs of both the groups shared a high degree of transparency, cell morphology and cell stratification. Similar protein expression profiles for cytokeratin 3 and cytokeratin 14 and no significant difference in cytokeratin 12 mRNA expression levels by real time PCR were also observed. This study provides the first line of evidence that a laminin coated compressed collagen gel containing keratocytes can adequately support limbal epithelial cell expansion, stratification and differentiation to a degree that is comparable to the leading conventional scaffold, denuded amniotic membrane.

The composition and crystallinity of the near-surface regions of weathered alkali feldspars

Our ability to identify thin non-stoichiometric and amorphous layers beneath mineral surfaces has been tested by undertaking X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmission electron microscopy (TEM) work on alkali feldspars from pH 1 dissolution experiments. The outcomes of this work were used to help interpret XPS and TEM results from alkali feldspars weathered for <10,000 years in soils overlying the Shap Granite (north-west England). The chemistry of effluent solutions indicates that silica-rich layers a few nanometers in thickness formed during the pH I experiments. These layers can be successfully identified by XPS and have lower Al/Si, Na/Si, K/Si and Ca/Si values than the outermost similar to 9 nm of unweathered controls. Development of Al-Si non-stoichiometry is coupled with loss of crystal structure to produce amorphous layers that are identifiable by TEM where >similar to 2.5 nm thick, whereas the crystallinity of albite is retained despite leaching of Na to depths of tens to hundreds on nanometers. Integration of XPS data over the outermost 6-9 nm of naturally weathered Shap feldspars shows that they have stoichiometric Al/Si and K/Si ratios, which is consistent with findings of previous TEM work on the same material that they lack amorphous layers. There is some XPS evidence for loss of K from the outermost couple of nanometers of Shap orthoclase, and the possibility of leaching of Na from albite to greater depths cannot be excluded using the XPS or TEM results. This study demonstrates that the leached layer model, as formulated from laboratory experiments, is inapplicable to the weathering of alkali feldspars within acidic soils, which is an essentially stoichiometric reaction. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.