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Theses Year : 2021

Multimodal surface microscopy applied to healthcare technologies

Microscopie de surface multimodale appliquée aux technologies pour la santé

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Amanda Gomes de Carvalho
  • Function : Author
  • PersonId : 1219571
  • IdRef : 263586774

Abstract

The interfacial properties of tools in health technologies are very important, because most reactions in biology take place at interfaces. As medicine is engaged in implantable technologies, the study of interfaces is becoming increasingly important in innovation. To respond to the complexity of biology, tools for the chemical characterization of high-performance surfaces are necessary. The objective of this thesis is to implement a multimodal chemical surface imaging approach with three levels of sophistication. By combining surface analysis methods, one can acquire chemical and morphological information from biomedical interfaces such as those present in non-human brain tissue containing implanted technologies, or in drug delivery systems used in treatment. glioblastoma and neural devices used as a brain-computer interface. We used ToF-SIMS spectrometry, tandem mass spectrometry (MS), XPS spectroscopy as well as photoemission electron microscopy (PEEM) and AFM microscopy. These techniques can identify and quantify the main chemical elements, functional groups and molecules present in the biological system and monitor surface morphology. The analysis by ToF-SIMS and XPS of drug delivery systems not yet implanted in living brains allowed us to obtain a chemical distribution on the surface, and quantitatively, to verify the surface chemistry of the microcapsules of ketorolac tromethamine. and gellan gum in the HA hydrogel. Despite the limitations of AFM, we were able to image the fibrillar appearance of the surface of gellan gum microcapsules. Then, by ToF -SIMS and XPS, we were able to highlight two regions of distinct chemical composition (S1- and S2-OCT) in the O.C.T.TM sample as well as quantify the chemical environments in these two regions of interest. Confirmation of molecular assignments in the mass spectrum was obtained using Tandem MS. Imaging of chemical environments found in these regions was performed by X-PEEM. Despite the charge effects, we were able to obtain high resolution spectra for the C 1s and O 1s core levels similar in shape to those obtained by XPS, confirming the chemical stability of this surface upon exposure to X-rays. Finally, we studied the same biological sample in the same region of interest, with the HA hydrogel. First, we verified by ToF-SIMS the existence of the hydrogel inside the surgical area of the brain of a rodent, even after 3 months of implantation, and observed an abnormal distribution of phospholipids and fatty acids characteristic of an environment rich in plasma membranes, among the amino acids and proteoglycans characteristic of an environment rich in extracellular matrix. A consistent quantification of the surface composition was obtained by XPS. Imaging of these chemical environments present in glial scar tissue was performed by X-PEEM: Identification of the same chemical environments as found by XPS confirms the chemical stability of the biological tissue during analysis.
Les propriétés interfaciales des dispositifs en technologies de la santé sont très importantes, car la plupart des réactions en biologie se déroulent aux interfaces. Alors que la médecine est engagée dans les technologies implantables, l’étude des interfaces prend une importance croissante en innovation. Pour répondre à la complexité de la biologie, des outils de caractérisation chimique des surfaces performants sont nécessaires. L'objectif de cette thèse consiste à mettre en œuvre une approche par imagerie chimique de surface multimodale à trois niveaux de sophistication. En combinant les méthodes d'analyse de surface, on peut acquérir des informations chimiques et morphologiques d'interfaces biomédicales telles que celles présentes dans les tissus cérébraux non humains contenant des technologies implantées, ou dans les systèmes d'administration de médicaments utilisés dans le traitement du glioblastome et les dispositifs neuronaux utilisés comme interface cerveau-ordinateur. Nous avons utilisé la spectrométrie ToF-SIMS, la spectrométrie de masse (MS) en tandem, la spectroscopie XPS ainsi que la microscopie électronique à photoémission (PEEM) et la microscopie AFM. Ces techniques peuvent identifier et quantifier les principaux éléments chimiques, groupes fonctionnels et molécules présents dans le système biologique et suivre la morphologie de surface. L'analyse par ToF-SIMS et XPS de systèmes d'administration de médicaments non encore implantés dans des cerveaux vivants nous a permis d’obtenir une répartition chimique en surface, et de manière quantitative, vérifier la chimie de surface des microcapsules de kétorolac trométhamine et de gomme gellane dans l'hydrogel HA. Malgré les limitations de l’AFM, nous avons pu imager l'aspect fibrillaire de la surface des microcapsules de gomme gellane. Enuite, par ToF -SIMS et XPS, nous avons pu mettre en évidence deux régions de composition chimique distinctes (S1- et S2-OCT) dans l’échantillon O.C.T.TM ainsi que quantifier les environnements chimiques dans ces deux régions d'intérêt. La confirmation des attributions moléculaires dans le spectre de masse a été obtenue en utilisant Tandem MS. L'imagerie des environnements chimiques trouvés dans ces régions a été réalisée par X-PEEM. Malgré les effets de charge, nous avons pu obtenir des spectres à haute résolution pour les niveaux de cœur C 1s et O 1s de forme similaire à celles obtenues par XPS, confirmant la stabilité chimique de cette surface lors de l'exposition aux rayons X. Enfin, nous étudié le même échantillon biologique dans une même région d'intérêt, avec l’hydrogel HA. Tout d'abord, nous avons vérifié par ToF-SIMS l'existence de l'hydrogel à l'intérieur de la zone chirurgicale du cerveau d'un rongeur, même après 3 mois d'implantation, et observé une répartition anormale des phospholipides et des acides gras caractéristiques d'un environnement riche en membrane plasma, parmi les acides aminés et les protéoglycanes caractéristiques d'un environnement riche en matrice extracellulaire. Une quantification cohérente de la composition de surface a été obtenue par XPS. L'imagerie de ces environnements chimiques présents dans le tissu cicatriciel glial a été réalisée par X-PEEM: l’identification des mêmes environnements chimiques que trouvés par XPS confirme la stabilité chimique du tissu biologique pendant l'analyse.
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Dates and versions

tel-03956169 , version 1 (25-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03956169 , version 1

Cite

Amanda Gomes de Carvalho. Microscopie de surface multimodale appliquée aux technologies pour la santé. Chimie analytique. Université Paris sciences et lettres, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPSLC008⟩. ⟨tel-03956169⟩
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