Double walled carbon nanotube/polymer composites via in-situ nitroxide mediated polymerisation of amphiphilic block copolymers

Because of their unique physical, chemical, and structural properties, carbon nanotubes (CNT) are playing an increasingly important role in the development of new engineering materials [1]. Across many different applications, CNT/polymer composites have been extensively studied [2] S.B. Sinnot and R. Andrews, Carbon nanotubes: synthesis, properties, and applications, Crit Rev Solid State Mater Sci 26 (2001), pp. 145–249.[2]. The key problem for CNT/polymer composite elaboration is the dispersion, compatibilization, and stabilization of the CNT in the polymer matrix. To solve this problem, a structure with di-block copolymers, one with a good affinity to CNT (monomer M1), the other being the matrix (monomer M2), is proposed in this study, as shown on the two steps mechanism of Fig. 1

Elaboration de films nid d'abeille hiérarchiquement structurés à partir de copolymères (synthèse, structuration et propriétés de surface)

Ce travail de thèse de doctorat vise à l élaboration de surfaces poreuses hiérarchiquement structurées à partir de copolymères aux structures bien définies ainsi qu à l étude de leurs propriétés. La chimie des polymères, en constante évolution, a permis dans ce travail de thèse la synthèse de copolymères diblocs de natures diverses par des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée tout aussi variées. En effet, la polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP), par transfert d atome (ATRP), par transfert réversible d addition/fragmentation (RAFT) et par le Cu(0) ont été utilisées pour la synthèse de copolymères diblocs associant un bloc de poly(styrène) à divers blocs d acrylates ou de 4-vinylpyridine. Intimement associée à un procédé d élaboration basé sur l évaporation de solvant, nommé figure de souffle (trad. Breath Figure), la synthèse de ces copolymères a permis l élaboration de surfaces poreuses hiérarchiquement structurées aux échelles du micro et nanomètre. Les différentes phases ont conféré à ces matériaux des propriétés particulières d adhésion, de mouillabilité ou encore de bioactivité. Ces recherches doctorales ont bénéficié de la double compétence du laboratoire en chimie et en physico-chimie des polymères. En effet, des techniques de microscopie (optique, à force atomique ou électronique), de diffusion de rayonnement (neutrons et rayon-X aux petits angles) ainsi que des tests de pégosité et de mouillabilité ont permis l étude de la structuration des films ainsi que l étude de leurs propriétés de surface.The present studies aim at designing hierarchically structured porous surface from copolymers with well defined structures. As a science in constant evolution, polymer chemistry, enable the synthesis of diblock copolymers with different natures by the mean of various radical controlled polymerization techniques. Indeed, radical controlled polymerization with nitroxyde (NMP), by atom transfer (ATRP), by reversible addition/fragmentation transfer (RAFT) or by Cu(0) were used for the synthesis of diblock copolymers based on polystyrene and different acrylates or 4-vinylpyridine blocks. The intimately association between a fast solvent evaporation process named the Breath Figure and the synthesis of the copolymers enable the production of hierarchically structured materials from micro to nanoscale. The nature of the different blocks confers adhesion, wettability or bioactivity properties to these materials. These researches benefit from the chemistry and physico-chemistry laboratory competences. Indeed, microscopy techniques (optical, atomic force and electronic), scattering (small angle neutron or X-ray) as well as tack or wettability measurements enable the complete characterization of films structuration and point up their properties.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Synthèse et contrôle de l'auto-assemblage de nouveaux copolymères à gradient à base de styrène et d'acide acrylique

L'objectif principal de ce travail de thèse est la synthèse et l'étude des propriétés en solution de nouveaux copolymères amphiphiles di- et triblocks à gradient de styrène et d'acide acrylique qui sont capables d'association réversible en milieu aqueux. Nous avons étudié la cinétique et le mécanisme de la polymérisation radicalaire contrôlée par l intermédiaire d un nitroxyde (NMP), afin de déterminer les caractéristiques quantitatives des réactions de terminaison réversible lors de ce processus. Puis la NMP a été utilisée pour la synthèse de deux architectures différentes de copolymère à gradient: copolymères di- et triblocs. L'auto-assemblage des copolymères à gradient dans l'eau a été étudiée par DLS, SANS et TEM. Les changements réversibles du nombre d'agrégation au cours des cycles de pH ont été observés. De plus, nous avons étudié l'effet du pH et de la force ionique sur les propriétés rhéologiques en solution de copolymères triblocs à gradient. Nous nous sommes également intéressés à synthétiser des brosses de polymère sur surface d'or et étudié leur propriétés pH et électro-sensibles en milieu aqueux.The main goal of our work was the synthesis and the study of solution properties of novel amphiphilic di- and triblock-gradient copolymers based on styrene and acrylic acid which are capable of reversible association in aqueous solution. We studied the kinetics and the mechanism of nitroxide-mediated radical polymerization (NMP) in order to determine the quantitative characteristics of the reversible termination reaction in this process. Then NMP was employed to the synthesis of two different block-gradient copolymer architectures: di- and triblock-gradient copolymers. The self-assembly of the block-gradient copolymers in water was studied by DLS, SANS and TEM. The reversible changes of aggregation numbers in cycles of pH were observed. We also investigated the effect of pH and ionic strength on rheological properties of triblock-gradient copolymer solution. Then, we synthesized polymer brushes on the gold-coated surface and studied their pH- and electro-responsive properties in aqueous media.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Genome-wide association analyses identify new Brugada syndrome risk loci and highlight a new mechanism of sodium channel regulation in disease susceptibility

Brugada syndrome (BrS) is a cardiac arrhythmia disorder associated with sudden death in young adults. With the exception of SCN5A, encoding the cardiac sodium channel NaV1.5, susceptibility genes remain largely unknown. Here we performed a genome-wide association meta-analysis comprising 2,820 unrelated cases with BrS and 10,001 controls, and identified 21 association signals at 12 loci (10 new). Single nucleotide polymorphism (SNP)-heritability estimates indicate a strong polygenic influence. Polygenic risk score analyses based on the 21 susceptibility variants demonstrate varying cumulative contribution of common risk alleles among different patient subgroups, as well as genetic associations with cardiac electrical traits and disorders in the general population. The predominance of cardiac transcription factor loci indicates that transcriptional regulation is a key feature of BrS pathogenesis. Furthermore, functional studies conducted on MAPRE2, encoding the microtubule plus-end binding protein EB2, point to microtubule-related trafficking effects on NaV1.5 expression as a new underlying molecular mechanism. Taken together, these findings broaden our understanding of the genetic architecture of BrS and provide new insights into its molecular underpinnings

The FunGenES Database: A Genomics Resource for Mouse Embryonic Stem Cell Differentiation

Embryonic stem (ES) cells have high self-renewal capacity and the potential to differentiate into a large variety of cell types. To investigate gene networks operating in pluripotent ES cells and their derivatives, the “Functional Genomics in Embryonic Stem Cells” consortium (FunGenES) has analyzed the transcriptome of mouse ES cells in eleven diverse settings representing sixty-seven experimental conditions. To better illustrate gene expression profiles in mouse ES cells, we have organized the results in an interactive database with a number of features and tools. Specifically, we have generated clusters of transcripts that behave the same way under the entire spectrum of the sixty-seven experimental conditions; we have assembled genes in groups according to their time of expression during successive days of ES cell differentiation; we have included expression profiles of specific gene classes such as transcription regulatory factors and Expressed Sequence Tags; transcripts have been arranged in “Expression Waves” and juxtaposed to genes with opposite or complementary expression patterns; we have designed search engines to display the expression profile of any transcript during ES cell differentiation; gene expression data have been organized in animated graphs of KEGG signaling and metabolic pathways; and finally, we have incorporated advanced functional annotations for individual genes or gene clusters of interest and links to microarray and genomic resources. The FunGenES database provides a comprehensive resource for studies into the biology of ES cells

Genome-wide association analyses identify new Brugada syndrome risk loci and highlight a new mechanism of sodium channel regulation in disease susceptibility.

Brugada syndrome (BrS) is a cardiac arrhythmia disorder associated with sudden death in young adults. With the exception of SCN5A, encoding the cardiac sodium channel Na1.5, susceptibility genes remain largely unknown. Here we performed a genome-wide association meta-analysis comprising 2,820 unrelated cases with BrS and 10,001 controls, and identified 21 association signals at 12 loci (10 new). Single nucleotide polymorphism (SNP)-heritability estimates indicate a strong polygenic influence. Polygenic risk score analyses based on the 21 susceptibility variants demonstrate varying cumulative contribution of common risk alleles among different patient subgroups, as well as genetic associations with cardiac electrical traits and disorders in the general population. The predominance of cardiac transcription factor loci indicates that transcriptional regulation is a key feature of BrS pathogenesis. Furthermore, functional studies conducted on MAPRE2, encoding the microtubule plus-end binding protein EB2, point to microtubule-related trafficking effects on Na1.5 expression as a new underlying molecular mechanism. Taken together, these findings broaden our understanding of the genetic architecture of BrS and provide new insights into its molecular underpinnings

Cristaux colloïdaux de Silice@Polymère. (Synthèse, auto-assemblage, propriétés photoniques.)

Les couleurs vives des systèmes naturels (papillon, coléoptère, ) sont généralement le résultat de leurs interactions physiques avec un rayonnement (visible) extérieur. La compréhension de tels phénomènes nécessite la reproduction de ces systèmes constitués de motifs monodisperses simples mais assemblés de manière complexe. Pour cela, un protocole de mise en oeuvre a été élaboré afin de produire une brique élémentaire submicronique constitué d un coeur de silice (SiO2, [100 ; 1400] nm) sphérique enrobé d une écorce de polymère élastomérique de PolyAcrylate de Butyle (PBA, [5 ; 115] nm) susceptible de s autoassembler en un matériau macroscopique iridescent. La production de systèmes coeur@écorce monodisperses a requis l utilisation de technique de polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) de type nitroxyde (NMP) pouvant générer à partir de la surface une brosse homogène de PBA de taille contrôlée (densité de greffage, masse molaire). La forte interaction adhésive résultant du contact entre particules a entrainé la formation de ponts capillaires capables de dissiper l énergie d assemblage sous forme de fibrilles ou de cavités. Un procédé d auto-assemblage de type dip coating, basé sur les forces de capillarité, a permis de contrôler la structuration et l empilement de briques élémentaires en larges cristaux de colloïdes en seulement quelques secondes. Ces cristaux photoniques présentent selon la hauteur du dépôt, de la brosse de polymère et du milieu environnant une iridescence identifiée comme une diffraction 2D ou 3D rappelant le comportement des ailes de papillons. L élaboration de matériau plus complexe s est traduit par l utilisation de particules quantum dots ou la mise en oeuvre de doubles structurations de type réseau inverse ou nid d abeille.The bright colours of natural systems (butterfly, beetle,...) are usually the result of their physical interactions with external light. Understanding such phenomena requires the reproduction of their structure generally based on simple monodispersed array assembled in a complex form. To reach this aim, a general set-up has been devoted to produce an elementary submicronic brick made by a silica (SiO2, [100, 1400] nm) sol-gel- spherical core surrounded by a PolyButyl Acrylate (PBA, [5, 115] nm) elastomeric polymer shell suitable to self-assemble into a macroscopic iridescent material. The production of such monodisperse core@shell systems required the use of the controlled radical polymerization (CRP) especially the nitroxyde technics (NMP). Thanks to the grafting density and the molecular weight, an homogeneous and a controlled size PBA brush has been synthesized from the surface. The strong adhesive interaction situated on the particles contact zone has generated capillary bridges formation enable to dissipate assembling energy in the form of fibril or cavity. In only a few seconds a dip coating self-assembling process, based on capillary force, helped us to control the structure and the stacking of the core@shell building blocks in large colloidal crystals. These photonic crystals present, in accordance with the coating thickness, the polymer brush and its environment, a 2D or 3D diffraction recalling the behaviour of the butterflies wings. The development of more complex material has resulted in the use of quantum dots particles or in the inverse opal or honeycomb implementation as double structures.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Auto-assemblages réversibles pH-sensibles de copolymères amphiphiles en milieu aqueux

L'auto-assemblage en solution aqueuse des copolymères di-blocs amphiphiles à base de polystyrène (hydrophobe) et de poly(acide acrylique) (hydrophile et polyélectrolyte) est connu et décrit dans la littérature. Ils mènent à la formation d'agrégats dynamiquement " gelés "(indissociables et insensibles à divers stimuli tels que le pH).L'objectif de cette thèse était d'obtenir une agrégation pH-sensible réversible de copolymère à base de PS et de PAA. La polymérisation par l'intermédiaire de nitrosyle, nous a permis de synthétiser des copolymères di-blocs classiques PS-b-PAA mais aussi un type de copolymère original constitué d'un bloc pur de PAA et d'un second bloc à gradient de composition PS-grad-PAA. Le passage d'agrégats gelés, pour les copolymères PS-b-PAA, à des micelles dynamiques et une micellisation réversible pH-sensible pour les copolymères à gradient de composition à été mis en évidence. Nous avons aussi greffé chimiquement ces copolymères à gradient de composition sur des surfaces de silicium. Un comportement similaire à celui révélé en solution a alors été observé. Il est ainsi possible de moduler, de manière réversible, la structure de la surface selon le pH. A bas pH, on forme une surface rugueuse du fait de la présence d'agrégats et à pH basique on obtient une surface hydrophile homogène. L'ensemble des résultats, que ce soit en solution ou sur des surfaces greffées, montrent la grande complexité de comportement de ce nouveau type de copolymère amphiphile et ouvre la voie à de nombreuses applications comme l'encapsulation ou le re-largage de principes actifs et la formation de bio-récepteurs ou bio-capteurs.The self assembly in aqueous solution of copolymers formed by polystyrène (hydrophobic) and po(acrylicacid) (hydrophilic and polyelectrolyte) is well known and described in the litterature. They lead the formation of frozen aggregates (unable to dissociate and not sensitives to various stimuli like pH) The goal of this work was to obtain a pH-sensitive and reversible aggregation for based PS and PAA copolymers.The Nitroxide-Mediated Poymerization allowed us to synthesize classical di-blocks PS-b-PAA but also an original type of copolymers formes by a pure PAA block and a gradient block PS-grad-PAA. We have demonstrated the passage from frozen aggregates, for classical copolymres PS-b-PAA, to dynamic micelles and a pH-sensitive and reversible micellization for copolymres based on a gradient composition PS-grad-PAA. These new types of copolymers were also chemically grafted to silicium surfaces. A pH-sensitive and reversible behavior was observed, similar to that we have shown in aqueous solution.At low pH, a rough surface is formed due to the presence of aggregates where as at high pH a smooth hydrophilic surface is obtrained. These results,for gradient copolymers in solution or grafted to an inorganic surface, show the high complexe behavior of this new type of amphiphilic copolymers and open the way to many applications such as encapsulation, carrier and delivery of molecules or th formation of bio-captors and bio-receivers.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Macromolecular engineering to design latex particles by miniemulsion polymerization

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié la synthèse de particules de latex par polymérisation en miniémulsion, un procédé de polymérisation en milieu aqueux dispersé. Nous avons synthétisé avec succès et de manière contrôlée des particules de latex de polystyrène de masse molaire élevée (Mn > 30 000 g.mol-1) par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP) en miniémulsion, en présence et en absence de tensio-actif moléculaire. Des latex stables présentant des diamètres de l ordre de 150 200 nm ont été synthétisés. Une seconde partie de ce travail de thèse est dédié à la transposition de la polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes amorcée depuis la surface ( surface-initiated NMP ) d un procédé en masse vers un procédé en milieu aqueux dispersé (miniémulsion) en vue de synthétiser des nanoparticules cœur@écorce de type silica@polystyrène. La dernière partie du travail de thèse est consacrée à la synthèse de stabilisants polymères et plus précisément à la synthèse de copolymères amphiphiles à base de dextrane ou de poly(acide acrylique) modifiés de manière hydrophobes par des terpènes. L efficacité de stabilisation de tels copolymères synthétisés à partir de bio-resources a été étudiée au travers leur capacité à stabiliser la polymérisation en miniémulsion du styrène. Tout au long de ce travail, les caractéristiques macromoléculaires des polymères ainsi que la taille et la morphologie des particules ont été caractérisées respectivement par chromatographie d exclusion stérique, diffusion dynamique de la lumière et microscopie (SEM, TEM, AFM).During the work of this PhD, we investigated the synthesis of latex particles by miniemulsion, an aqueous dispersed medium process. We managed to synthesize in a controlled manner high molar mass (Mn > 30 000 g.mol-1) polystyrene latex particles via nitroxide mediated radical polymerization (NMP) in miniemulsion in both the presence and absence of molecular surfactant. Stable latex with final diameters within the range of 150-200 nm were synthesized. A second part of the PhD work was devoted to the transposition of surface-initiated NMP from bulk polymerization to polymerization in aqueous dispersed media (miniemulsion) in order to synthesize silica@polystyrene core@shell hybrid nanoparticles. The last part of the PhD work was dedicated to the synthesis of polymeric stabilizers, more precisely to the synthesis of amphiphilic copolymers based on dextran or poly(acrylic acid) polymers hydrophobically modified by terpenes. The stabilization efficiency of such copolymers synthesized from renewable resources to stabilize styrene miniemulsion polymerization was investigated. During this work, we characterized the macromolecular features of polymers along with the size and the morphology of the final particles by respectively size exclusion chromatography (SEC), dynamic light scattering (DLS) and microscopy (SEM, TEM, AFM).PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF