identifier: Déprés Tremblay, G. (2017). Freeze-Dried Chitosan Platelet-Rich Plasma Hybrids for Rotator Cuff Tear Repair  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les déchirures de la coiffe du rotateur sont une des blessures musculo-squelettiques les plus répandues de l'épaule. Les techniques de réparation chirurgicales actuellement utilisées échouent dans environ 20 à 95% des cas dépendamment de l'âge, la taille, du tabagisme, du temps de guérison, de la qualité du tendon, de la qualité musculaire, de la réponse à la guérison et des traitements chirurgicaux. La majorité des déchirures chroniques des tendons surviennent principalement dans le supraspinatus, ce qui mène à des changements structurels tels que l'accumulation de gras, la perte de volume, le remodelage musculaire, la disparition de sarcomères et, parfois, une faiblesse musculaire profonde. Trouver un modèle animal similaire à l'humain est un défi de taille mais très utile pour améliorer notre compréhension des voies cellulaires et moléculaires impliquées dans la pathologie de la coiffe du rotateur. Les pathologies du tendon sont aggravées par son potentiel de guérison limité, attribué à la présence de changements dégénératifs et à une vascularité relativement faible. Le développement de nouvelles technologies pour traiter les déchirures de la coiffe du rotateur nécessite également des tests sur des modèles animaux afin d'évaluer l'innocuité et l'efficacité du traitement, avant d'effectuer des tests cliniques pour éventuellement améliorer les options de traitement thérapeutique. Il est donc important d'évaluer les modèles animaux utilisés pour la  recherche des pathologies de la coiffe du rotator; Idéalement, ceux-ci présenteraient une dégénérescence des tendons, une atrophie musculaire et une infiltration de gras similaire à celle de l'humain. Notre premier but était donc de recenser les traitements cliniques actuels utilisés pour guérir la coiffe du rotateur, de décrire les nouvelles stratégies en cours de développement clinique et préclinique. Nos résultats ont demontré qu'aucun animal n'a une anatomie comparable à celle des humains. Bien que les dernières techniques de sutures semblent augmenter le taux de guérisson des tendons, ceci n'a pas été traduit par une amélioration des résultats cliniques. Les patches de matrix extracellulaire n'ont pas démontrées de résultats prometteurs dans les essaies cliniques randomisés. Il n'existe encore aucune étude sur la réparation de la coiffe du rotateur utilisant des facteurs de croissances chez l'humain. L'utilisation de PRP en orthopédie est encore controversée et malheureusement aucunes des stratégies actuellement utilisées améliore la réparation des déchirures de la coiffe du rotateur. Une solution possible pourrait être l'utilisation d'implants de chitosan-PRP. En résumé, plusieurs stratégies de réparation sont disponibles, mais d'autres essais cliniques sont nécessaires pour trouver le traitement optimal pour la réparation de la coiffe du rotateur. Les implants de chitosane (CS)-PRP ont démontrés qu'ils pouvaient améliorer la réparation du ménisque, de la coiffe du rotateur et la réparation du cartilage dans des modèles précliniques. Cela nous a conduits à étudier les mécanismes d'action in vitro et in vivo des implants CS-PRP. Des formulations lyophilisées contenant 1% (p / v) de chitosane (80% désacétylé et masse moléculaire moyenne de 38 kDa), 1% (p / v) de trehalose, un lyoprotectant, et 42,2 mM de chlorure de calcium, l'activateur de caillot, ont été solubilisés dans du PRP. L'objectif de cette étude était d'étudier les mécanismes possibles par lesquels le chitosan inhibe la rétraction des caillots hybrides CS-PRP in vitro, caractériser l'effet du chitosan, du tréhalose et une combinaison sur l'activation plaquettaire et la sécrétion granulaire in vitro, caractériser le profil de libération de PDGF-AB et EGF à partir de caillots hybrides CS-PRP in vitro, et d'évaluer histologiquement la résidence, la bioactivité et la biodégradabilité des implants CS-PRP in vivo. Nos hypothèses de départ étaient que (1) le chitosane se lierait aux plaquettes d'une manière non spécifique inhibant l'agrégation plaquettaire dans les caillots hybrides et la rétraction du caillot médiée par les plaquettes; (2) le chitosane activerait les plaquettes et induirait la sécrétion des granules; (3) la libération de facteurs de croissances à faible point isoélectrique (chargé négativement à pH neutre), comme EGF, serait plus soutenue par les implants de CS-PRP que la libération de facteurs de croissances avec des points isoélectriques élevés (chargés positivement à pH neutre), tel PDGF-AB, en raison d'interactions électrostatiques avec le chitosane cationique; (4) Les implants CS-PRP résideraient beaucoup plus longtemps que le PRP seul in vivo, où ils induiraient le recrutement cellulaire et l'angiogenèse, mais seraient également dégradés à l'intérieur de 6 semaines. Nos images confocales, SEM et TEM soutiennent notre première hypothèse selon laquelle le chitosan recouvre physiquement les plaquettes et autres composants du caillot sanguin pour inhiber l'agrégation plaquettaire, nécessaire pour la rétraction du caillot. Dans les caillots hybrides, le chitosane interfère physiquement avec la capacité des plaquettes à adhérer l'une à l'autre ainsi qu'au réseau de fibrine, exerçant ainsi des forces mécaniques. Nos deuxième et troisième objectifs visaient à déterminer si les plaquettes étaient activées dans les caillots hybrides CS-PRP et, dans l'affirmative, comment les facteurs de croissances dérivés des plaquettes sont libérés des caillots hybrides CS-PRP. Conformément à notre troisième hypothèse, nous avons constaté que le chitosane induisait l'activation des plaquettes et la sécrétion des granules dans les suspensions cellulaires, même plus que l'ADP, un agoniste plaquettaire connu. Fait intéressant, l'incubation de la suspension cellulaire avec tréhalose et chitosane a légèrement diminué l'expression de Pac-1 et de p-sélectine par rapport à l'incubation avec du chitosane seul. Même si les conditions d'essai dans le dosage de cytométrie en flux sont différentes du caillot hybride, nous avons prévu que les plaquettes dans les caillots hybrides CS-PRP seraient activées et libèreraient leur granules, ce qui a été déterminé par des tests ELISA. Notre troisième hypothèse de depart, était que le point isoélectrique des facteurs de croissance dérivés des plaquettes déterminerait comment les facteurs de croissance seraient libérés des hybrides CS-PRP. Le point isoélectrique du PDGF est de 9,8 et dans des conditions physiologiques, nous nous attendions à une répulsion ionique entre le PDGF-AB chargé positivement et le chitosane cationique qui provoquerait une libération rapide et courte. Pendant ce temps, on s'attendait à ce qu'EGF, avec un point isoélectrique de 4,6, se lirait au chitosane dans des conditions physiologiques et serait libéré de manière plus continue. Contrairement à cela, nous avons constaté que les caillots hybrides CS-PRP ont soutenu et augmenté la libération de PDGF-AB et d'EGF pendant 1 semaine in vitro, ce qui suggére que d'autres facteurs supplémentaires contrôlent leur libération dans ce système in vivo. Nous avons aussi constaté que les niveaux cumulatifs de PDGF-AB et EGF libérés dans le milieu de culture étaient plus élevés dans les caillots CS-PRP par rapport aux caillots PRP. En ce qui concerne la libération des facteurs de croissance, il est important de considérer la contribution de chaque type de cellule présente dans la préparation PRP. Les plaquettes sont les principaux contributeurs à la libération de facteurs de croissance du PRP et des corrélations positives ont déjà été trouvées entre les doses de plaquettes et la quantité de facteurs de croissance libérés, y compris PDGF-AB, TGF-β1, VEGF et EGF. Notre quatrième objectif était d'étudier les implants in vivo, et nous avons demontré qu'ils présentaient une résidence plus longue et une bioactivité plus élevée que le PRP. En résumé, le chitosan enrobe physiquement les plaquettes, les cellules sanguines et les brins de fibrine dans les implants CS-PRP, ce qui inhibe l'agrégation plaquettaire, nécessaire pour la rétraction du caillot. Les plaquettes sont activées, granules sécrétées et des niveaux plus élevés de PDGF-AB et d'EGF sont libérés à partir de caillots CS-PRP par rapport aux caillots PRP in vitro. Enfin, les implants CS-PRP résident pendant au moins 6 semaines après implantation sous-cutanée et induisent le recrutement cellulaire et la synthèse de tissue de granulation, confirmant une résidence plus longue et une bioactivité plus élevée par rapport au PRP in vivo. L'objectif de la troisième étude était d'évaluer si les implants CS-PRP étaient capables d'améliorer la réparation des dechirures de la coiffe du rotateur dans un modèle de lapin. Des déchirures complètes ont été créées bilatéralement dans le tendon supraspinatus (SSP) des lapins blancs de Nouvelle Zéalande (n = 4 dans une étude de faisabilité pilote suivie de n = 13 dans une étude d'efficacité plus large), qui ont été réparés à l'aide de sutures transosseuses. Du côté traité, les implants CS-PRP ont été injectés dans les tunnels transosseux et dans le tendon lui-même, et la guérison a été évaluée histologiquement à des points temporels allant de 1 à 2 mois après la chirurgie. Nos hypothèses de départ étaient les suivantes: 1) Les implants CS-PRP induiraient le recrutement de cellules polymorphonucléaires (PMN) à des moments précoces après la chirurgie, 2) Les implants CS-PRP seraient dégradés 2 mois après la chirurgie et 3) Les implants CS-PRP amélioreraient la réparation des déchirures de la coiffe du rotateur grâce à une augmentation du recrutement cellulaire, de l'angiogenèse et du remodelage osseux. L'un de nos objectifs était de déterminer la répartition de l'implant et d'évaluer la dégradation de l'implant au fil du temps. Un jour après la chirurgie, les implants CS-PRP résidaient à l'intérieur du creux osseux, dans les tunnels latéraux et également sur les surfaces du tendon. Les implants CS-PRP ont également inhibé l'ossification hétérotopique du tendon SSP à 2 mois tout en favorisant la fixation du tendon SSP à la tête humérale grâce à un remodelage osseux accru à la tuberosité supérieure. Les implants CS-PRP ont induit le recrutement de PMNs à des moments précoces après la chirurgie, soutenant notre première hypothèse. Contrairement à la deuxième hypothèse, la dégradation des implants et les réactions inflammatoires associées étaient encore en cours dans 3 sur 9 épaules traitées à 2 mois. Les résultats ont partiellement soutenu notre troisième hypothèse selon laquelle CS-PRP améliorerait la réparation de la coiffe du rotateur, en améliorant la fixation du tendon SSP grâce à un remodelage osseux amélioré. De manière inattendue, de petites zones de tissu de granulation riche en neutrophiles entourant les tissus apoptotiques / nécrotiques étaient visibles dans 3 épaules traitées avec CS-PRP à 2 mois. La suppression de l'ossification hétérotopique du tendon SSP (HO) par le traitement CS-PRP a été une découverte inattendue dans cette étude. Cette étude semble fournir des preuves que les implants CS-PRP sont sans danger et efficaces pour améliorer la réparation des déchirures de la coiffe du rotateur dans un petit modèle animal et que cela pourrait être traduit dans un contexte clinique. L'objectif de la quatrième étude était d'étudier l'effet de l'utilisation d'implants de CS-PRP en conjonction avec des ancres de suture dans des modèles de déchirure de la coiffe du rotateur ovins aigus et chroniques et voir si cela pouvait améliorer la réparation de la coiffe du rotateur. Dans deux études de faisabilité, des déchirures unilatérales de pleine épaisseur ont été créées dans le tendon de l'infraspinatus (ISP) de brebis. Dans le modèle chronique (n = 4 brebis), les tendons ont été recouverts d'une membrane de silicone permettant une dégénération chronique pendant 6 semaines, tandis que les tendons ont été réparés immédiatement dans le modèle aigu (n = 4 brebis). Les tendons ISP transectés ont été rattachés à des ancres de suture et dans le cas des épaules traitées; Les implants composés de CS lyophilisé solubilisés dans du PRP autologue ont été appliqués en plus sur l'interface tendon-os et sur le site réparé. Le modèle chronique a induit une dégénérescence et une rétraction importante du tendon et du muscle, ce qui a rendu la réparation beaucoup plus difficile que dans le modèle aigu. Le traitement par implants CS-PRP a induit le recrutement de cellules polymorphonucléaires à 2 semaines  post-opératoires et a également amélioré l'organisation structurelle du tendon ISP à 3 mois. Le traitement a également augmenté le remodelage osseux et la croissance interne à l'interface tendon-os à 3 mois, ce qui suggère qu'une fixation plus robuste pourrait être obtenue en combinant les implants CS-PRP et les ancres de suture. Ces études pilotes fournissent la première preuve que les implants CS-PRP peuvent améliorer la réparation des déchirures de la coiffe du rotateur dans de grands modèles animaux. Notre hypothèse de départ a été partiellement soutenue par le fait que le traitement avec des sutures d'ancrage + CS-PRP a conduit à une amélioration de l'apparence structurelle du tendon, à un remodelage osseux et une croissance accrue à la jonction tendon-os. Nous avons constaté que recouvrir les tendons pendant 6 semaines avec des membranes de silicone de 5 cm empêchait probablement une diffusion adéquate d'éléments nutritifs et entraînait une mort cellulaire et une dégénérescence sévère du tendon lui-même, ce qui a rendu certains tendons non réparables. Bien que la dégénérescence n'ait pas été aussi marquée lorsque les tendons ont été recouverts pendant 2 semaines avec une membrane de silicone de 5 mm, le rattachage à l'empreinte initiale aurait été difficile à atteindre puisque l'unité tendineuse avait considérablement rétracté. Nous avons constaté que les tissus cicatriciels abondants comblaient l'écart entre le tendon et la tuberosité après 2 et 6 semaines. À partir de maintenant, nous considérons que le modèle de réparation aiguë est plus cohérent et facilement reproductible que le modèle chronique. Des cellules polymorphonucléaires (PMN) ont été observées dans le tissue de réparation du tendon de l'épaule traité avec des ancres + CS-PRP 2 semaines post-implantation. Le tendon traité avec des ancres a seulement montré de la chondrogénèse et l'expression de GAG dans le corps du tendon à 6 semaines, alors que ce n'était pas le cas avec le tendon traité avec les ancres + CS-PRP. De manière inattendue, la technique de réparation des ancrages + CS-PRP a entraîné un meilleur résultat structurel du tendon que les ancres seules à 3 mois, probablement par une modulation du moment de la séquence de guérison ou par un remodelage des tissues de réparation accru. Il n'y avait aucun effet délétère spécifique au traitement dans l'articulation de l'épaule, ce qui suggère que les implants CS-PRP sont sécuritaires. Les anomalies structurelles étaient visibles dans la plupart des glénoïdes, ce qui suggère que des contraintes plus importantes sont appliquées sur cette surface par rapport à la tête humérale dans le modèle des brebis. L'infiltration de gras dans le muscle ISP a été induite dans les modèles à la fois chronique et aiguë, et aucun traitement n'a pu inverser cet effet. Une synovite transitoire légère était présente dans l'épaule traitée avec CS-PRP à 2 semaines, ce qui a été résolu à 6 semaines et 3 mois, une fois que le biomatériau a été dégradé. En résumé, les techniques de développement pour augmenter la réparation de la coiffe du rotateur restent cliniquement pertinentes. Les défis techniques associés au modèle de réparation chronique chez les brebis rendent le modèle aïgu plus préférable pour les études futures. Ces deux études pilotes fournissent la première preuve que les implants CS-PRP améliorent la réponse de guérison chez les grands modèles animaux de réparation de la coiffe du rotateur, en partie grâce à un remodelage osseux accru au tissu de réparation du tendon et à l'interface osseuse sous-jacente.  ABSTRACT: Rotator cuff tears are the most common musculoskeletal injury occurring in the shoulder. Current surgical repair fails to heal in 20 to 95% of cases depending on age, size, smoking, time of repair, tendon quality, muscle quality, healing response, and surgical treatments. The majority of chronic tendon tears occurs mostly in the supraspinatus and ultimately leads to structural changes such as fatty accumulation, loss of volume, muscle remodeling, subtraction of sarcomeres, and sometimes, profound muscle weakness. Finding the right animal model is challenging but critically important to improve our understanding of the cellular and molecular pathways involved in rotator cuff pathology. These problems are worsened by the limited healing potential of injured tendons, attributed to the presence of degenerative changes and relatively poor vascularity of the cuff tendons. Development of new techniques to treat rotator cuff tears also requires testing in animal models to assess safety and efficacy prior to clinical testing to improve therapeutic treatment options. Hence it is important to evaluate appropriate animal models for rotator cuff research with degeneration of tendons, muscular atrophy and fatty infiltration similar to humans. Our first purpose was to review current clinical treatments and new repair strategies under development both clinically and pre-clinically. Our findings showed that none of the animals have anatomy comparable to humans. Although the latest suture techniques seem to somewhat increase the rate of tendon healing, this has not been translated into improved clinical and functional outcomes. Extracellulaire matrix (ECM) patches have not shown promising results in randomized clinical trials and scaffolds still need clinical studies. Still no study exists on rotator cuff repair using growth factors in humans. Platelet-rich plasma (PRP) use in orthopedics is still controversial and none of these strategies enhance rotator cuff tear repair. One possible effective technique could be using chitosan-PRP implants. In summary, several repair strategies are available but further clinical trials are needed to find the optimal treatment for rotator cuff repair.  Chitosan (CS)-PRP implants have been shown to improve meniscus and cartilage repair in pre-clinical models. This has led us to investigate in vitro and in vivo mechanisms of action of CS-PRP implants. Our second purpose was to investigate possible mechanisms by which chitosan inhibits retraction of CS-PRP hybrid clots in vitro, characterize the effect of chitosan, trehalose and a combination of both on platelet activation and granule secretion in vitro, characterize the release profile of PDGF-AB and EGF from CS-PRP hybrid clots in vitro, and histologically assess the residency, bioactivity and biodegradability of CS-PRP implants in vivo. Our starting hypotheses were that (1) chitosan would bind to platelets in a non-specific way inhibiting platelet aggregation in hybrid clots and platelet-mediated clot retraction; (2) chitosan would activate platelets and induce granule secretion; (3) the release of growth factors with low isoelectric point (negatively charged at neutral pH), such as EGF, would be more sustained from CS-PRP hybrids than the release of growth factors with high isoelectric points (positively charged at neutral pH), such as PDGF-AB, due to electrostatic interactions with cationic chitosan; (4) CS-PRP implants would reside longer than PRP in vivo, where they would induce cell recruitment and angiogenesis, but would be degraded within 6 weeks. Confocal, SEM and TEM images supported our first hypothesis that chitosan physically coats platelets and other components of the blood clot to inhibit platelet aggregation, needed for clot retraction. In the hybrid clots, chitosan physically interferes with the ability of the platelets to adhere to each other and the fibrin network, hence exerting mechanical forces. Our second and third aims were to investigate whether platelets are activated in CS-PRP hybrid clots and, if so, how platelet-derived growth factors are released from CS-PRP hybrid clots. Consistent with our third hypothesis, we found that chitosan induces platelet activation and granule secretion in cell suspensions, even more so than ADP, a known platelet agonist. Interestingly, incubation of cell suspension with trehalose along with chitosan slightly decreased expression of Pac-1 and p-selectin compared to incubation with chitosan alone.  Even though test conditions in the flow cytometry assay are different than in the hybrid clot system, we expected platelets within the CS-PRP hybrid clots to be activated and release their granule content, and this was ascertained by ELISA assays. Our third starting hypothesis was that the isoelectric point of platelet-derived growth factors would determine how growth factors would be released from our CS-PRP hybrids. The isoelectric point of PDGF is 9.8 and, under physiological conditions, we expected ionic repulsion between positively charged PDGF-AB and cationic chitosan to result in burst release. Meanwhile, EGF, which has an isoelectric point of 4.6, would be expected to bind to chitosan under physiological conditions and be released in a more sustained manner. In contrast to this, we found that CS-PRP hybrid clots sustained and increased release of both PDGF-AB and EGF for 1 week in vitro, which suggested that additional factors are controlling their release in this system. We found that cumulative levels of PDGF-AB and EGF released in the culture medium were higher in the case of CS-PRP clots compared to PRP clots. With regard to growth factor release, it is important to consider the contribution of each cell type present in the PRP preparation. Platelets are the main contributors to growth factor release from PRP and positive correlations were previously found between platelet doses and the amount of released growth factors including PDGF-AB, TGF-1, VEGF and EGF. Our fourth aim was to investigate the implants in vivo, and they were shown to exhibit longer residency and higher bioactivity than PRP.  In summary, chitosan physically coats platelets, blood cells and fibrin strands in CS-PRP hybrid clots, thus inhibiting platelet aggregation, which is required for clot retraction. Platelets are activated; granules secreted and higher levels of PDGF-AB and EGF are released from CS-PRP hydrid clots compared to PRP clots in vitro. Finally, CS-PRP implants reside for at least 6 weeks post-implantation subcutaneously and induce cell recruitment and granulation tissue synthesis, confirming a longer residency and higher bioactivity compared to PRP in vivo.  Our third purpose was to assess whether CS-PRP implants were capable of improving rotator cuff tear repair in a rabbit model. Complete tears were created bilaterally in supraspinatus (SSP) tendons of New Zealand White rabbits (n=4 in a pilot feasibility study followed by n=13 in a larger efficacy study), which were repaired using transosseous suturing. On the treated side, CS-PRP implants were additionally injected into the transosseous tunnels and the tendon itself, and healing was assessed histologically at time points ranging from 1 day to 2 months post-surgery. Our starting hypotheses were that: 1) CS-PRP implants would induce recruitment of polymorphonuclear cells (PMN) at early time points post-surgery, 2) CS-PRP implants would be degraded by 2 months post-surgery, and 3) CS-PRP implants would improve transosseous rotator cuff repair through an increase in cell recruitment, angiogenesis and bone remodeling.  One of our objectives was to determine implant distribution and assess implant degradation over time. At 1 day post-surgery, CS-PRP implants were resident inside the bony trough, in the lateral tunnels and also adhered to tendon surfaces. CS-PRP implants inhibited heterotopic ossification of the SSP tendon at 2 months while also favoring attachment of the SSP tendon to the humeral head through increased bone remodelling at the greater tuberosity.  CS-PRP implants induced PMN recruitment at early time points post-surgery, supporting our first hypothesis. In contrast to the second hypothesis, implant degradation and associated inflammatory reactions were still ongoing in 3 out of 9 treated shoulders at 2 months. Results partially supported our third hypothesis that CS-PRP would improve rotator cuff tear repair, since treatment improved SSP tendon attachment through increased bone remodeling. Unexpectedly, small areas of neutrophil-rich granulation tissue surrounding apoptotic/necrotic tissues were visible in 3 CS-PRP treated shoulders at 2 months. The suppression of SSP tendon heterotopic ossification (HO) by CS-PRP treatment was an unexpected finding in this study. The bony trough was incompletely healed in some rabbits at 2 months. This study seems to provide evidence that CS-PRP implants are safe and effective in improving rotator cuff tear repair in a small animal model, and that this could potentially be translated into clinical setting.  Our fourth purpose was to investigate the effect of using CS- PRP implants in conjunction with suture anchors in chronic and acute ovine rotator cuff tear models and see if it can improve rotator cuff repair. In two subsequent pilot feasibility studies, unilateral full-thickness tears were created in the infraspinatus (ISP) tendons of mature female Texel-Cross sheep. In the chronic model (n=4 sheep), the tendons were capped with silicone and allowed to degenerate to chronic stage for 6 weeks, while the tendons were immediately repaired in the acute model (n=4 sheep). Transected ISP tendons were reattached with suture anchors and, in the case of treated shoulders; implants composed of freeze-dried CS solubilized in autologous PRP were additionally applied to the tendon-bone interface and on top of the repaired site.  The chronic defect model induced significant tendon degeneration and retraction, which made repair more challenging than in the acute defect model. Treatment with CS-PRP implants induced recruitment of polymorphonuclear cells at 2 weeks post-operatively and improved ISP tendon structural organization at 3 months. Treatment also increased bone remodeling and ingrowth at the tendon-bone interface at 3 months, suggesting that a more robust attachment could be achieved by combining CS-PRP implants with suture anchors.  Our starting hypothesis was supported in that treatment with anchors + CS-PRP implants led to improved tendon structural appearance and increased bone remodeling and ingrowth at the tendon-bone junction. We found that capping the ISP tendons for 6 weeks with 5-cm silicone tubes likely prevented proper nutrient diffusion and led to cell death and severe tendon degeneration, which rendered some tendons unrepairable. Although degeneration was not as marked when the tendons were capped for 2 weeks with 5-mm silicone length, reattachment at the footprint would have been difficult to achieve since the tendon-muscle unit had significantly retracted. We found that abundant scar tissues were bridging the gap between the capped tendon and the tuberosity after 2 weeks and 6 weeks. As of now, we consider the acute repair model to be more consistent and easily reproducible. Polymorphonuclear (PMN) cells were observed in the tendon repair tissue of the shoulder treated with anchors + CS-PRP for 2 weeks. The tendon treated with anchors only showed chondrogenesis and GAG expression within the tendon body at 6 weeks, while the tendon treated with anchors + CS-PRP did not. Unexpectedly, the anchors + CS-PRP repair technique resulted in better tendon structural outcome than anchors only at 3 months, possibly through a modulation of timing of the healing sequence or through increased repair tissue remodeling. There were no treatment-specific deleterious effects in the shoulder joints, suggesting that CS-PRP implants have high safety. Structural abnormalities were visible in most glenoids, suggesting that greater stresses are applied on that surface compared to the humeral head in sheep. Fatty infiltration of the ISP muscle was induced in both chronic and acute models, and no treatment was able to reverse that effect. Mild transient synovitis was present in the shoulder treated with CS-PRP at 2 weeks, and this was resolved at the later 6 weeks and 3 months time points, once the biomaterial was degraded. In summary, developing techniques to augment of rotator cuff repair remains clinically relevant. The technical challenges associated with the chronic repair model in the sheep make the acute model more preferable for future studies. These pilot studies provide the first evidence that CS-PRP implants improve the healing response in large animal models of rotator cuff repair, partly through increased bone remodeling at the tendon repair tissue and underlying bone interface.


identifier: Gohring de Magalhaes, F. (2017). High-Level Modelling of Optical Integrated Networks-Based Systems with the Provision of a Low Latency Controller  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La tendance du marché dans la conception des architectures multiprocesseurs de la prochaine génération consiste à intégrer de plus en plus de cœurs dans la même puce. Cette concentra-tion des cœurs dans la même puce exige l'amélioration des politiques d'intercommunication. L'une des solutions proposées dans ce contexte consiste à utiliser les réseaux sur puce vu qu'ils présentent une amélioration considérable en termes de la bande passante, l'évolutivité et de l'extensibilité. Néanmoins, vu la croissance exponentielle en nombres de cœurs sur puce, les interconnexions électriques dans les réseaux sur puce peuvent devenir un goulet d'étranglement dans la performance du système. Par conséquent, des nouvelles techniques et technologies doivent être adoptées pour remédier à ces problèmes. Les réseaux optiques intégrés (OIN venant de l'anglais Optical Integrated Networks) sont actuellement considérés comme l'un des paradigmes les plus prometteurs dans ce contexte. Les OINs o˙rent une plus grande bande passante, une plus faible consommation d'énergie et moins de latence lors de l'échange des données. Plusieurs travaux récents démontrent la faisabilité des OIN avec les technologies de fabrication disponibles et compatibles avec CMOS. Cependant, les concepteurs des OINs font face à plusieurs défis : Actuellement, les contrôleurs représentent le principal goulot d'étranglement de la com-munication et présentent l'un des facteurs minimisant l'eÿcacité des OINs. Alors, la proposition des nouvelles solutions de contrôle à faible latence est de plus en plus pri-mordiale pour en tirer profit. Le manque d'outils de modélisation et de validation des OINs. La plupart des travaux se concentrent sur la conception des dispositifs et l'amélioration des performances des composants de base, tout en laissant le système sans assistance. Dans ce contexte, afin de faciliter le déploiement de systèmes basés sur les OINs, cette thèse se focalise sur les trois contributions majeures suivantes: (1) le développement d'un ensemble de méthodes précises de modélisation qui va permettre par la suite de réaliser une plateforme de simulation au niveau du système ; (2) la définition et le développement d'une approche de contrôle eÿcace pour les systèmes basés sur les OINs; (3) l'évaluation de l'approche de contrôle proposée.  ABSTRACT: Design trends for next-generation Multi-Processor Systems point to the integration of a large number of processing cores, requiring high-performance interconnects. One solution being applied to improve the communication infrastructure in such systems is the usage of Networks-on-Chip as they present considerable improvement in the bandwidth and scaleabil-ity. Still as the number of integrated cores continues to increase and the system scales, the metallic interconnects in Networks-on-Chip can become a performance bottleneck. As a result, a new strategy must be adopted in order for those issues to be remedied. Optical Integrated Networks (OINs) are currently considered to be one of the most promising paradigm in this design context: they present higher bandwidth, lower power consumption and lower latency to broadcast information. Also, the latest work demonstrates the feasibility of OINs with their fabrication technologies being available and CMOS compatible. However, OINs' designers face several challenges: Currently, controllers represent the main communication bottleneck and are one of the factors limiting the usage of OINs. Therefore, new controlling solutions with low latency are required. Designers lack tools to model and validate OINs. Most research nowadays is focused on designing devices and improving basic components performance, leaving system unattended. In this context, in order to ease the deployment of OIN-based systems, this PhD project focuses on three main contributions: (1) the development of accurate system-level modelling study to realize a system-level simulation platform; (2) the definition and development of an eÿcient control approach for OIN-based systems, and; (3) the system-level evaluation of the proposed control approach using the defined modelling.


identifier: Schmitt, M. (2017). Content-Based Image Enhancement for Eye Fundus Images Visualization  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un nombre croissant de maladies peuvent être détectées par l'analyse de la rétine humaine, et ce même à des stades de celles-ci où le patient pourrait ne pas encore avoir de symptômes visibles. Comme les traitements sont généralement plus intrusifs et coûteux pour les stades les plus avancés des maladies, il est préférable pour sa santé et ses finances que le patient soit soigné au plus tôt. C'est pourquoi le dépistage régulier de la population est considéré comme un des moyens les plus efficaces pour limiter le nombre de cas extrêmes. Étant donnée la quantité d'examens de la rétine que l'on voudrait alors effectuer chaque année, l'amélioration du processus de dépistage est un sujet important. Les propositions à ce sujet cherchent généralement soit à automatiser l'analyse, soit à aider les médecins à faire leur diagnostic. Ce mémoire propose d'améliorer le processus de dépistage grâce à une méthode d'amélioration des images de fond d'oeil pour faciliter leur visualisation et leur diagnostic par un examinateur humain. Les principaux problèmes que peuvent présenter les images de fond d'oeil et dont la correction peut aider à simplifier leur diagnostic sont liés à du contenu flou, des artefacts de réflexions, des défauts d'illumination et de contraste ou encore à une importante variabilité de taille, de forme ou de couleurs entre les images. L'objectif de notre travail est de proposer une méthode qui permette de mieux observer les éléments présents dans ces images afin de faciliter leur analyse tout en s'assurant que l'apparence des images reste plausible, en particulier en termes de couleurs, de telle sorte que l'examinateur ne soit pas gêné par les changements. Nous cherchons également à réduire la variabilité en couleurs entre les images en leur faisant toutes partager la même palette de couleurs. Les précédents travaux portant sur l'amélioration des images de fond d'oeil se concentrent sur la correction des artefacts dans les images comme le flou ou les problèmes d'illumination et de contraste non uniformes. Bien que les méthodes proposées améliorent la visibilité des éléments dans les images, elles ne sont généralement pas adaptées pour la visualisation par un examinateur mais plutôt pour être utilisées comme pré-traitement pour d'autres méthodes automatiques qui peuvent mettre à profit ces améliorations. En effet, l'apparence de leurs résultats sur les images couleurs a tendance à être trop différente des images habituelles et les examinateurs ont donc des difficultés à travailler sur les images produites. L'un des principaux problèmes est la disparition de certains éléments des images lors du traitement, comme par exemple la fovéa, qui peuvent ne pas être nécessaires pour certains algorithmes automatiques mais qui sont des points de repère importants pour les examinateurs. De plus, les couleurs des images produites ne sont pas naturelles, ce qui gêne les examinateurs pour faire leur v diagnostic. Nous nous intéressons alors à un autre domaine d'amélioration d'images au travers des techniques de transfert de couleurs par l'exemple qui modifient une image source pour qu'elle utilise les couleurs d'une image de référence. Cette approche est généralement utilisée pour le transfert de style ou d'ambiance entre des images naturelles et n'a pas encore été appliquée aux images de fond d'oeil. Des travaux récents proposent d'utiliser le contenu des images pour guider le transfert de couleurs et présentent donc des résultats dans lesquels les différents éléments partagent les couleurs des éléments correspondants dans l'image de référence. Comme notre objectif est de modifier uniquement l'apparence des images et non leur contenu, l'usage d'une méthode de modification des couleurs est approprié. Ce travail propose d'étendre et d'adapter au contexte des images de fond d'oeil une méthode de transfert de couleurs qui utilise les textures dans les images pour guider le transfert. L'algorithme original utilise une valeur de similarité entre les pixels calculée à l'aide d'un descripteur de textures pour guider le transfert de couleurs. Les images ainsi produites ont des couleurs proches de l'image de référence mais sont globalement trop sombres et n'utilisent pas les couleurs attendues pour le réseau vasculaire. Pour résoudre le premier problème, nous proposons d'utiliser une segmentation de la région d'intérêt pour ne plus utiliser les pixels noirs en dehors du champ de l'appareil de capture lors du transfert. La teinte globale des résultats est alors plus proche de l'image de référence mais les couleurs du réseau vasculaire restent trop différentes de la référence. C'est pourquoi nous proposons de modifier la mesure de similarité entre les pixels pour utiliser une segmentation des réseaux vasculaires afin d'augmenter la similarité entre les pixels des réseaux. Les vaisseaux dans nos résultats ont alors des couleurs plus proches de ceux de l'image de référence. Nous présentons une expérience avec des ophtalmologistes dans le but de mesurer l'effet de notre méthode sur leurs performances en termes de vitesse et de précision de diagnostic. Bien que les résultats de notre expérience montrent une accélération pour un des médecins avec les images améliorées par notre méthode, nous ne pouvons pas conclure que cette différence est le fruit de nos améliorations à cause de certains biais liés à notre protocole. Cela nous a cependant permis d'identifier les limites et les biais de notre protocole qui devront être pris en considération pour une éventuelle prochaine itération de celui-ci. La méthode proposée remplit les objectifs fixés d'augmenter la lisibilité des images et de réduire la variabilité en couleurs entre elles. De futurs travaux s'intéressant à l'utilisation d'un descripteur à plusieurs échelles pourraient permettre d'améliorer encore le transfert de couleurs, en particulier pour les plus petits éléments dans les images pour lesquels le descripteur actuel n'est pas toujours adapté. Pour améliorer le processus de dépistage, de nouvelles approches de visualisation peuvent aussi être considérées comme la mise en valeur vide régions de l'image pour guider l'oeil de l'examinateur vers les zones où il est le plus probable de trouver des éléments utiles pour son diagnostic.  ABSTRACT: Analyzing a patient's retina allows to check for an increasing number of diseases and conditions, especially at their early stages when the patient may not notice any symptoms. Usually, the sooner a disease is treated the better it is, both for the patient's health as well as their finances, as treatments tend to become more intrusive and costly the more advanced the condition is. For these reasons, regular screening of the population is a common recommendation to reduce the number of extreme cases. Considering the objective to test the maximum number of people each year, improving the screening process is important. The improvements proposed usually either automate the diagnosis or help the graders in making their diagnosis. This thesis focuses on improving the screening process by proposing an image enhancement method for eye fundus photography images visualization to make it easier for the graders to make their diagnosis. Eye fundus images present many problems whose correction could help in making their diagnosis easier such as blurred content, reflection artifacts, non-uniform luminosity and contrast as well as variability in size, shape and colors. With our method, we want to make the elements in the images more visible to facilitate their localization and recognition while maintaining a plausible appearance for the whole image, especially in terms of colors, so as to not confuse the grader. We also want to have all the images using the same color palette to reduce the variability among images. Previous works for the enhancement of eye fundus images have focused on correcting artifacts such as blur or luminosity and contrast issues. While these methods do bring improvement to the visibility of the elements in the images, they are usually better suited as preprocessing steps to other automated methods that leverage these enhancements to improve their own results. Indeed, they fail at maintaining the natural appearance of the color images and produce results that are difficult to analyze for a human expert as they do not share enough visual resemblance with regular images. In particular, they tend to make some parts of the image disappear such as the fovea which may not be necessary for some automated algorithms but that is used as a landmark by the graders. Also the colors of the resulting images are unnatural which bother the graders when they make their diagnosis. We then consider another field of image enhancement in the by-example color manipulation methods that allow to change a source image to use the colors of a given target image. This approach is usually used to change the tone or the style of regular photographs and has not yet been adapted to the context of eye fundus images. Recent works propose methods that transfer viii the colors differently depending on the content and thus produce results where elements in the resulting image share the colors of the corresponding elements in the target image. As we want to modify only the appearance and not the content of the images, using a color manipulation method is appropriate. This work expands on a color transfer method that uses the textural content in the images to guide the color transfer and adapts it to the context of eye fundus images. The original algorithm computes a similarity metric for each pixel based on a texture descriptor and uses this metric to guide the color transfer. This produces results that have colors close to the target but that are generally too dark and for which the vascular network in particular does not have the expected colors. In order to solve the first issue, we propose to use a Region Of Interest (ROI) segmentation to not take into account the black pixels outside of the camera field of view when applying the transfer. This improves the global tone of the results that is then closer to the target but the colors of the vessels still are not close enough to those of the target. We then propose a modification of the similarity metric with a segmentation of the vascular network to make pixels from the vessels to be considered more similar. This modification allows for the vessels in our results to have colors closer to those of the vessels of the target. We conduct a user study with ophthalmologists in order to measure the effect of our method on the performances of grading in terms of speed and precision. While the experiment shows an increased grading speed for one of the ophthalmologists with our enhanced images, we cannot conclude on the impact of our method on the grading performances as some biases related to our protocol prevent us from being sure of the origin of this acceleration. This however allows us to identify the limits and biases of our protocol that should be taken into consideration for a potential future iteration of the user study. The proposed method reaches both the objectives of enhancing the readability of the images and of reducing the variability in colors among images. Using a multiple scales descriptor could improve the color transfer on the smallest elements in the images for which the current descriptor is not always adapted. In order to further improve the screening process, other visualization methods could be considered such as region highlighting to guide the grader's eyes to suspect areas in the images.


identifier: Gomez Herrera, J. A. (2017). User-Oriented Demand Response for Smart Buildings  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les récents changements dans les systèmes de puissance ouvrent une frontière de défis et d'avantages potentiels pour tous les participants tout au long du réseau. Le paradigme du réseau intelligent aide à soutenir de meilleures décisions, à améliorer l'efficacité et en général à disposer d'un approvisionnement énergétique plus fiable, économique et durable. Cela accorde une importance particulière à l'intérêt croissant pour la participation des utilisateurs finaux grâce aux programmes de réponse à la demande. Dans ce sens, la recherche présentée dans cette thèse contribue au développement et à la pénétration des programmes de réponse à la demande. Ces approches ont été conçues du point de vue de l'utilisateur, qui veut satisfaire sa demande à un coût raisonnable, mais compte tenu des variables du système de puissance telles que la réduction et le coût des pics. Pour atteindre cet équilibre, ce projet de recherche combine plusieurs éléments du monde réel et d'autres idées nouvelles afin de faire l'évolution du réseau intelligent. L'une des principales contributions de cette thèse est l'utilisation et l'estimation des profils de capacité. Ce concept est présent dans tout le document et est particulièrement important dans les deux premières contributions. Tous les deux traitent de la détermination d'un profil de capacité adéquat. Les profils de capacité sont déterminés à l'avance et représentent les besoins énergétiques futurs des utilisateurs finaux dans un contexte de réponse à la demande. Dans le premier cas, la méthodologie se concentre sur les appareils de chauffage et de refroidissement. Le profil de capacité fonctionne en combinaison avec un contrôleur d'admission existant pour guider l'opération de température du bâtiment. Dans cette contribution, le profil de capacité est estimé en utilisant une approche d'ajustement de données et un classificateur « multiclass ». Dans le second cas, le cadre est conçu pour représenter des caractéristiques spécifiques d'une demande stochastique. Cette demande est générée par l'agrégation des charges basées sur l'activité dont la consommation est déclenchée par le comportement de l'utilisateur. Ici, les profils de capacité sont déterminés en fonction de l'information disponible. Tout d'abord, une approche heuristique est préconisée lorsque peu d'informations sont connues sur les modèles de consommation des utilisateurs. Deuxièmement, une optimisation en deux étapes lorsque nous pouvons obtenir les scénarios de demande. Un élément important de cette contribution est l'inclusion d'une tarification flexible du temps et du niveau d'utilisation. Cette politique de prix permet à l'utilisateur de déterminer le profil de capacité et ses tarifs correspondants à partir d'un ensemble d'options fournies par le réseau. Ces tarifs personnalisés sont alignés sur le comportement normal de l'utilisateur et finalement orienter un processus d'apprentissage pour optimiser la consommation. La troisième contribution regroupe plusieurs utilisateurs, différents programmes de réponse à la demande et diverses ressources partagées pour planifier la consommation, le déplacement de charge et la réduction de la charge pointe. Cette approche prend des informations telles que les profils de demande et les préférences des utilisateurs directement à partir des unités de logement afin de résoudre un problème d'optimisation biobjectif pour compenser la satisfaction totale des utilisateurs et le coût total de la consommation d'énergie. Cette contribution comprend une structure de coût fixe similaire à celle de la deuxième contribution pour encourager le transfert de charge. Enfin, des expériences sont rapportées dans chaque contribution pour valider la performance de l'approche proposée. Ces résultats comprennent des éléments comme l'analyse de sensibilité, les comparaisons de référence et les fonctionnalités du monde réel afin de clarifier les points forts, les limites et les projets de recherche à venir.  ABSTRACT: The recent changes to power systems have opened up a frontier of challenges and potential benefits for all the participants.  The smart grid paradigm helps to support better decisions, to improve efficiency, and to provide a more reliable, economic, and sustainable energy supply.  This is particularly important given the growing interest in user participation via demand-response programs. The research presented in this thesis contributes to the development and penetration of demand-response programs. These approaches have been developed from the user perspective, taking into account elements of the power system such as peak reduction and cost. This research combines elements from the real world and novel ideas to balance conflicting goals and move forward in the evolution of the grid. One of the main contributions is the use and estimation of capacity profiles. The idea behind setting a capacity profile is to establish a compromise between the expected demand and the level of service perceived by the user. The capacity profiles are determined in advance and account for the users' future energy requirements in a demand-response context.  In the first contribution (Chapter 4) the methodology focuses on heating and cooling devices. The capacity profile works in combination with an existing admission controller to guide the control of the building temperature. In this case the capacity profile is estimated by a data-fitting approach and a multiclass classifier. In the second contribution (Chapter 5) the framework is based on specific features of a stochastic demand. This demand is generated by the aggregation of activity-based loads that are triggered by the user behavior. Here, the capacity profiles are determined as a function of the available information. First, we use a heuristic approach when we have limited information about the consumption patterns. Second, we use two-stage optimization when we have the demand scenarios. One highlight of this contribution is the inclusion of a flexible time-and-level-of-use pricing. This pricing policy allows the user to determine the capacity profile and its corresponding tariffs from a set of options provided by the grid. These customized tariffs are aligned with the normal user behavior and eventually guide a learning process to optimize the consumption. The third contribution (Chapter 6) aggregates several users, different demand response programs, and various shared resources to plan the consumption, load shifting, and peak reduction. This approach takes information such as the demand profiles and user preferences directly from the housing units. It solves a biobjective optimization problem to find a trade-off between the total user satisfaction and the total cost of the energy consumption. This contribution includes a fixed cost structure similar to that of the second contribution to encourage load shifting. Finally, experiments are reported in each contribution to validate the performance of the proposed approaches. We provide sensitivity analysis, benchmark comparisons, and a discussion of real-world features to help clarify the strengths, limitations, and possibilities for future research.


identifier: Monnot, P. (2017). Tressage robotisé de préformes pour des structures primaires d'aéronefs en composites  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les composites polymères à renfort fibre de carbone (PRFC) sont utilisés pour la fabrication de structures primaires d'aéronefs. Les renforts préimprégnés de matrice sont généralement laminés à l'aide de méthodes de mise en forme automatique, puis polymérisés en autoclave. Les limitations de ce procédé ont conduit au développement de solutions alternatives. Les composites à renforts tressés sont l'une d'entre elles. Ceux-ci combinent une préforme tressée non imprégnée et le procédé de moulage de composites par injection ou infusion de résine (LCM). Des propriétés supérieures en tolérance aux dommages, l'automatisation de la mise en forme et la rentabilité supérieure des procédés LCM font des composites à renforts tressés une solution performante et économique. Une application potentielle de cette technologie est les cadres de fuselage d'aéronefs, une structure primaire supportant les panneaux raidis et leurs charges. À l'heure actuelle, certains facteurs limitent l'utilisation des composites à renforts tressés à des structures secondaires et tertiaires : les coûts reliés à la qualification auprès des autorités de certification et l'imprécision des modèles de tressage actuels lorsqu'appliqués à des géométries complexes.  Les travaux de recherche qui font l'objet du présent mémoire portent sur la mise en forme de préformes tressées complexes pour des structures primaires d'aéronefs. Ils ont pour objectifs de proposer des améliorations aux modèles de tressage existants, d'automatiser la mise en forme et la caractérisation des préformes tressées. Dans une première phase, une revue de littérature portant sur les différents aspects du tressage 2D et de la planification de la trajectoire d'un manipulateur industriel a été effectuée. Par la suite, un algorithme de planification de la trajectoire d'un manipulateur industriel installé sur un rail linéaire est développé pour la mise en forme et la caractérisation des préformes tressées. Les modèles de tressage cinématiques préalablement identifiés lors de la revue de littérature sont appliqués à divers mandrins au cours de plans d'expériences numériques et expérimentaux. Des méthodes de caractérisation de l'angle de tresse des préformes par imagerie ont été développées afin de valider la justesse et la précision des modèles de tressage à l'étude. Les résultats obtenus à l'issue de cette phase ont fait l'objet de deux articles de conférence. Finalement, un démonstrateur technologique d'un cadre de fuselage d'aéronefs a été fabriqué et étudié. Celui-ci présente d'importants changements de sections reproduisant des éléments de conception que l'on retrouve typiquement sur une pièce réelle.  ABSTRACT: Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely used to manufacture modern aircraft primary structures. Preimpregnated fiber reinforcements (prepregs) are laminated with automated laydown processes and cured by autoclave. Low prepreg laydown rates and expensive operation costs have encouraged the development of alternative solutions such as braided composites. This material system combines a non-impregnated braided preform and a liquid composite molding (LCM) process. The braided preforms high damage tolerance properties, the highly automated braiding process and low-cost LCM make braided composites a cost-effective solution. Thus, they have the potential to replace conventional laminated composites on aircraft fuselage frames, an aircraft primary structure that supports skin-stringer panels.  This research project's goal is to manufacture complex braided preforms for aircraft primary structures. For this purpose, current braiding models found in literature will be carefully studied and improved. Furthermore, both the braided preform manufacturing and characterization processes will be automated. At first, a literature review on the various aspects of 2D braiding and the path planning of an industrial manipulator was carried out. Then, multi-objective optimization algorithm was developed in order to compute the path planning of an industrial robot installed on a linear axis for both the manufacturing and characterization processes. Afterwards, relevant cinematic braiding models were studied. Numerical and experimental case studies were performed using mandrels with various designs. An imaging algorithm was developed to measure the braid angle along the braided preforms in order to validate the braiding models' accuracy and precision. Results were the subject of two conference articles. Lastly, an aircraft fuselage frame technological demonstrator was designed and studied. Cross-section variations were added to simulate typical design features. Due to its complexity, a novel braiding model was developed. Results were presented in an article titled “Automated braiding of a complex aircraft fuselage frame using a non-circular braiding model” that was submitted to the “Composites Part-A: Applied Science and Manufacturing” journal. This research project was able to demonstrate the automation benefits on the preforms quality and characterization repeatability. Complex preforms were manufactured by studying and developing novel cinematic braiding models. Thereby, their weaknesses and limitations were also exposed.


identifier: Farnia, F. (2017). Low-Rate False Alarm Anomaly-Based Intrusion Detection System with One-Class SVM  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La détection d'anomalie est une tâche consistant à repérer au sein d'un groupe de modèles ceux qui s'écartent de manière significative du comportement attendu ou souhaité. Ces modèles, non conformes, sont appelés anomalies ou données aberrantes. La détection des anomalies comporte diverses applications, telles que la détection des fraudes, la vidéosurveillance, les soins de santé et la détection des intrusions. Généralement, la détection d'anomalies vise à modéliser une fonction d'aide à la décision de manière à ce qu'elle puisse distinguer l'écart, significatif ou non, entre l'anomalie détectée et le comportement classique attendu. La détection des intrusions est maintenant un sujet d'intérêt pour le domaine de la sécurité informatique. Les intrusions (ou anomalies) sont des activités malveillantes permettant de pénétrer un ou plusieurs systèmes afin d'en retirer des informations confidentielles. Par conséquent, nous pouvons utiliser des méthodes de détection d'anomalie pour détecter les intrusions. Afin de pouvoir distinguer les intrusions des comportements classiques ou attendus (modèles non liés à l'attaque), différents systèmes de détection d'intrusion ont été développés. Ces derniers sont divisés en deux catégories: (1) les systèmes basés sur l'anomalie et (2) les systèmes basés sur la signature. Pour ce qui est des systèmes basés sur la signature, les modèles des anomalies sont connus, alors que pour ce qui est des systèmes de détection basés sur l'anomalie, les modèles d'intrusions peuvent être nouveaux. Autrement dit, les systèmes de détection d'intrusions basés sur l'anomalie peuvent détecter de nouvelles anomalies ou des attaques. Cependant, ces systèmes produisent un taux élevé de fausses alertes. Plus précisément, ces systèmes classent par erreur les modèles de non-attaque comme des anomalies, ce qui entraîne un taux élevé de fausses alarmes. Diminuer ce taux est l'un des principaux défis dans les systèmes de détection d'intrusion basés sur l'anomalie. Il existe plusieurs techniques pour diminuer le taux de fausses alarmes dans les systèmes de détection basés sur l'anomalie, telles que les méthodes de classification d'une classe. Le taux de faux positif montre le taux d'observations de non-attaque qui sont classées comme aberrantes et le taux de faux négatif représente la fraction des valeurs aberrantes qui sont détectées comme des non-attaques. Un système de détection d'intrusion idéal a un taux de faux positif nul et un taux de faux négatif nul. Nous proposons d'utiliser un algorithme nommé une machine de vecteur de support de classe unique (SVM à une classe) pour détecter des anomalies, en diminuant le taux de fausses alarmes (faux positif) avec le même taux de vrai positif. Le SVM d'une classe est un algorithme de classification d'une classe, à savoir une extension non supervisée de SVM qui construit un modèle basé sur une classe nommée classe cible. Toute observation qui ne se trouve pas dans cette classe s'appelle un horsain. En pratique, cette technique construit une classe pour les observations de cible ou non et une autre classe pour l'origine, et elle tente de trouver un classificateur approprié pour séparer les deux classes. Cette technique vise à calculer un hyperplan qui maximise la distance entre les points de formation et l'origine. Cet hyperplan (fonction de décision) peut être utilisé pour distinguer les observations non vues en tant que horsains ou non-attaques. Sur la base de la définition de cet algorithme, toute observation qui tombe sur le mauvais côté de cette frontière est un dépassement et les autres observations sont classées comme des non-attaques. De plus, cet algorithme profite d'un paramètre important appelé v, qui peut être défini par l'utilisateur pour déterminer la fraction des valeurs aberrantes et des vecteurs de support. Pour évaluer la méthode proposée, nous utilisons un jeu de données réel capturé à partir des journaux du serveur contenant des indicateurs de bas niveau, tels que la charge de la CPU, l'utilisation du processeur, etc., pour détecter les activités d'intrusion réelle. Nous comparons trois scénarios différents: une SVM de classe unique, une SVM de classe unique avec une étape de réduction de fausses alarmes et une SVM de classe unique avec une étape de réduction de fausses alarmes qui est formée sans valeurs aberrantes. Nous avons utilisé un métrique appelé F-measure pour comparer ces trois scénarios. La mesure F est le moyen harmonique entre précision et rappel. La précision montre la fraction des attaques vraies sur le nombre total d'observations détectées comme attaques, et le rappel représente la fraction des attaques réelles détectées. Sur la base des résultats expérimentaux, la SVM d'une classe avec le scénario de réduction de la fausse alarme a atteint une valeur élevée de F-0, 963. Plus précisément, la valeur de la mesure F a augmenté de 34, 4 par rapport à la SVM seule et de 52, 2 par rapport à la SVM d'une seule classe avec la réduction de la fausse alarme qui est formée sans valeurs aberrantes. Nous observons que le deuxième scénario a permis de réduire le nombre de fausses alarmes. Nous comparons également nos scénarios avec trois algorithmes de classification d'une classe : densité de Parzen, mélange d'estimation de densité de Gaussiens et description de données k-means. Les résultats de la description des données k-means et du mélange de Gaussians sont comparables à ceux de la SVM d'une classe avec l'étape de réduction des fausses alarmes, alors que la méthode de densité de Parzen présentait une faible valeur de mesure F de 0, 341. En outre, nous avons testé ces trois scénarios sur un ensemble de données réel (Knowledge Discovery Data Mining 99), sous-tendant encore l'efficacité de la méthode de réduction des fausses alarmes proposée.  ABSTRACT: Anomaly detection is a task of detecting patterns that significantly deviate from an expected behavior. These nonconforming patterns are referred to as anomalies or outliers. Anomaly detection has various applications, such as fraud detection, video surveillance, health care and intrusion detection. Generally, anomaly detection aims to find a decision function such that it can distinguish deviation from the expected behavior. The detection of intrusions is now a topic of great interest in the computer security field. Intrusions (or anomalies) are malicious activities and can penetrate systems and obtain confidential information. Consequently, we can use anomaly detection methods to detect intrusions. For this reason, intrusion detection systems have been introduced to distinguish intrusions from expected behavior (non-attack patterns). Intrusion detection systems are divided into two categories: anomaly-based and signature-based systems. In signature-based systems, the patterns of the anomalies are known, whereas in anomaly-based detection systems, these patterns can be novel. Anomaly-based intrusion detection systems can detect novel anomalies or attacks, although these systems produce a high false alarm rate. Specifically, these systems mistakenly classify non-attack patterns as anomalies, which leads to a high false alarm rate. Decreasing this rate is one of the main challenges in anomaly-based intrusion detection systems. There are multiple techniques to decrease the false alarm rate in anomaly-based detection systems, such as one-class classification methods. The false positive rate shows the rate of non-attack observations that are classified as outliers, and the false negative rate depicts the fraction of outliers that are detected as non-attacks. An ideal intrusion detection system has zero false positive rate and zero false negative rate. We propose to use an algorithm named one-class support vector machine (one-class SVM) to detect anomalies, decreasing the false alarm (false positive) rate with the same false negative rate. One-class SVM is a one-class classification algorithm, namely, an unsupervised extension of SVMs that constructs a model based on one class named the target class. Any observation that is not in this class is called an outlier. In practice, this technique builds one class for target or non-attack observations and another class for the origin, and it attempts to find a proper one-class classifier to separate the two classes. This technique aims to compute a hyperplane that maximizes the distance between the training points and the origin. This hyperplane (decision function) can be used for distinguishing the unseen observations as outliers or non-attacks. Based on the definition of this algorithm, any observation that falls on the wrong side of this frontier is an outlier, and the other observations are classified as non-attacks. Moreover, this algorithm takes advantage of an important parameter called v, which can be defined by the user to determine the fraction of outliers and support vectors. To evaluate the proposed method, we use a real dataset captured from server logs containing low-level indicators, such as CPU load, CPU usage, and so forth, to detect real intrusion activities. We compare three different scenarios: a one-class SVM alone, a one-class SVM with the false alarm reduction step, and a one-class SVM with the false alarm reduction step that is trained without outliers. We use a metric called F-measure to compare these three scenarios. F-measure is the harmonic mean between precision and recall. Precision shows the fraction of true attacks on the total number of  observations that are detected as attacks, and recall depicts the fraction of detected real attacks. Based on the experimental results, one-class SVM with the false alarm reduction step scenario achieved a high F-measure value of 0.963. Specifically, the F-measure value increased 34.4 percent compared to the one-class SVM alone and 52.2 percent compared to the one-class SVM with the false alarm reduction step that is trained without outliers. We observe that the second scenario achieved a lower number of false alarms. We also compare our scenarios with three one-class classification algorithms: Parzen density estimation, mixture of Gaussians density estimation and k-means data description. The results of the one-class SVM with the false alarm reduction step is comparable to those of the k-means data description, whereas the Parzen density method presented the lowest F-measure value of 0.341. Furthermore, we test these three scenarios on one real dataset (Knowledge Discovery Data Mining 99), again underlying the efficiency of the proposed false alarm reduction method. Finally, we investigate the sample size and dimensionality behavior in one-class SVM with respect to F-measure, training time and FP reduction time on six artificial normally distributed datasets. According to the experimental results, for the same sample sizes, when the dimensionality increases, the F-measure value decreases. Moreover, by increasing the sample size and dimensionality, the training time and FP reduction time also increase.


identifier: TavakoliNaeini, A. (2017). Large Scale Production, Purification, and Modification of Chitosan-Based Complexes for Gene Therapy  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le chitosane (CS) est un polymère cationique naturel qui s'associe aux acides nucléiques (AN), tels que les ARN interférents courts (siRNA), l'ADN plasmidique (pDNA) ou l'ARN messager (mRNA), pour former des complexes polyélectrolytes ou polyplexes non-solubles. Au cours des dernières années, les formulations de polyplexes à base de chitosane ont suscité un intérêt croissant en tant que systèmes de livraison d'acides nucléiques efficaces et sécuritaires, et ce pour des applications in vitro et in vivo. Les polyplexes CS/AN se forment par association électrostatique lorsque des solutions de CS et NA sont mélangées l'une avec l'autre. On utilise généralement le CS en excès par rapport aux AN, de telle sorte que les polyplexes portent une charge nette positive et suffisante pour assurer leur stabilité colloïdale. Malgré leur grand potentiel thérapeutique, les polyplexes à base de chitosane et leurs méthodes de production doivent être développés/optimisés davantage avant de pouvoir être utilisés pour des applications cliniques.  Le mélange manuel est la méthode de production la plus courante des polyplexes CS/NA. Une telle méthode ne permet cependant pas un contrôle précis du processus de formation des complexes, pose donc des problèmes de variabilité/répétabilité entre utilisateurs/expérimentateurs et ne peut évidemment pas être utilisée à grande échelle. D'un autre côté, une fraction significative du CS utilisé en excès lors de la préparation des polyplexes demeure libre (non-lié aux polyplexes). Cette fraction de chitosane libre ainsi que la charge électrique positive des polyplexes favorisent les interactions avec les composants du sang et des systèmes physiologiques qui sont chargés négativement, ce qui limite la dose applicable de ces systèmes de livraison. L'application clinique de cette technologie de livraison par voie intravasculaire requièrt donc le développement de formulations avec une hémocompatibilité accrue. Le développement de telles formulations nécessite l'élimination de la fraction de CS libre et la modification des polyplexes avec, par exemple, le recouvrement de leur surface avec des polymères hydrophiles neutres ou des polyanions, de façon à neutraliser ou inverser le signe de la charge de ces complexes et ainsi éliminer/limiter les interactions avec les composantes du sang et améliorer leur pharmacocinétique.  Dans le cadre de ce projet de doctorat, un système de mélange en ligne automatisé (SMLA) pour la production contrôlée et reproductible de larges volumes de polyplexes CS/AN a d'abord été développé. Le SMLA a permis la production de polyplexes CS/siRNA plus petits et plus homogènes par rapport à ceux obtenus par mélange manuel. Les polyplexes CS/siRNA produits à l'aide du SMLA en utilisant la vitesse de mélange maximale de 300 mL/min et une concentration de siRNA de 0.2 mg/mL, sont sphériques, plus petits et homogènes avec un diamètre hydrodynamique (Z-average) et un indice de polydispersite (PdI) de 47 nm et 0.12, respectivement, comparativement à des complexes préparés manuellement dont la taille est de l'ordre de 100 nm et le PdI de l'ordre de 0.2. Ces travaux de recherche ont permis de démontrer que les polyplexes CS/siRNA préparés à l'aide du SMLA ont une efficacité de silençage du gene de l'apolipoprotéine B (ApoB) in vitro équivalente ou supérieure à celle des polyplexes préparés par mélange manuel. Cette plate-forme de production à grande échelle automatisée permet de surmonter les limitations associées au mélange manuel des polyplexes et rend possible leur production contrôlée en grandes quantités pour des applications précliniques/cliniques.  Afin de purifier de grands volumes de polyplexes à base de CS préparés à l'aide du SMLA, la filtration à flux tangentiel (TFF) basée sur l'utilisation de la technologie de fibres creuses a été adoptée et optimisée. Les paramètres d'opération optimaux de la TFF opérée en mode diafiltration ont été déterminés en utilisant des fibres creuses de polyethersulfone modifié (mPES) avec un poids moléculaire de coupure (MWCO) de 100 kDa: pression transmembranaire (TMP) de 0.9-1.0 psi, taux de cisaillement relativement faible allant de 7000 à 11000 s-1. Le rendement du procédé optimisé est de l'ordre de 85% avec une élimination du chitosane libre de plus de 98% et les résultats démontrent que les propriétés physico-chimiques des complexes ne sont pas altérées par la diafiltration. Les complexes de CS/siRNA ainsi purifiés ont été recouverts avec une librairie de molécules d'acide hyaluronique (HA) afin d'accroitre leur hémocompatibilité. Des HAs de masse molaire et degré de sulfatation (densité de charge) différents ont été utilisés. Les résultats démontrent que l'utilisation de HAs sulfatés ou non-sulfatés dans des proportions molaires de charges négatives du HA : charges négatives du siRNA supérieures ou égales à 2 :1 permet la production de polyplexes homogènes de faible taille et chargés négativement. De plus, l'utilisation de HA sulfatés permet d'obtenir des complexes plus stables par rapport à ceux préparés avec des HAs non-sulfatés. Finalement, nous avons déterminé que les polyplexes recouverts avec de HA non-sulfaté de masse molaire 10 kDa et de HA sulfaté de masse molaire 12 kDa (diamètres hydrodynamiques de 125 – 129 nm, PdI de 0.09 – 0.18 et potentiel zeta de 17 mV) possèdent une efficacité de silençage in vitro aussi élevée que celle de polyplexes CS/siRNA non recouverts de HA (non modifiés) et présentent une hémocompatibilité accrue par rapport aux complexes non-recouverts.  Globalement, ce travail de recherche a mené au développement d'une méthode contrôlée et reproductible de production à grande échelle de polyplexes à base de chitosane. Ces polyplexes possèdent une bioactivité équivalente ou supérieure en comparaison à celle de polyplexes préparés par mélange manuel. La purification de larges volumes de polyplexes par TFF, tout en préservant leurs propriétés physico-chimiques et leur bioactivité, constitue une autre réalisation importante de ce projet. L'ajout de molécules de HA à la surface de polyplexes suite à leur purification par TFF a mené au développement d'une nouvelle classe de complexes bioactifs avec une hémocompatibilité accrue. L'ensemble des résultats et développements de ce travail de recherche représentent un pas important pour l'utilisation future de polyplexes CS/AN dans des applications précliniques et cliniques.  ABSTRACT: Chitosan (CS) is a naturally derived cationic polysaccharide which simply self-assembles with nucleic acids (NAs) to form non-soluble polyelectrolyte complexes. In recent years, CS-based polyplex formulations have gained increasing interest as safe and efficient non-viral gene delivery systems both in vitro and in vivo. CS/NA polyplexes are produced by electrostatic-mediated association upon mixing of CS and NA solutions while CS is in excess versus NA. Thus, the final polyplexes bear a net positive charge that electrostatically stabilize them. Despite their great therapeutic potential, CS-based polyplexes must be further improved before transferring for clinical applications. Manual mixing is the most common method to produce CS-based polyplexes. However, this method varies in implementation, which raises concerns regarding comparability of the final polyplexes. Nonetheless, independent of the adopted approach, the conventional manual mixing is not only a poorly controlled method that results in irreproducibility but it is also restricted to relatively small volumes, which poses risks of batch to batch and inter-user variability. On the other hand, upon mixing of CS and NA, a significant portion of CS remains unbound to polyplexes. Due to interactions with negatively charged blood components, the unbound CS as well as the positive surface of polyplexes limit the applicable dosage of these therapeutics. Hence, clinical application of this technology requires development of hemocompatible formulations for intravenous (IV) delivery systems. Development of formulations with increased hemocompatibility involves coating the polyplexes either with another hydrophilic neutral polymer, e.g. polyethylene glycol (PEG), or with another polyanion, e.g. Hyaluronic Acid (HA), to switch the surface charge in order to eliminate the interactions with blood cells, and finally enhance the pharmacokinetics of CS-based polyplexes. Before these polyplexes can be used for further surface modifications, and studied clinically for IV administration they must be purified. Purification of CS-based polyplexes relies on elimination of the unbound CS molecules from the polyplexes.  This work initially established a fully automated in-line mixing system (AIMS) for production of large batches of CS-based polyplexes. CS/siRNA polyplexes produced via AIMS were predominantly spherical, with z-average diameter as small as 47 nm, polydispersity index (PDI) as low as 0.12, and zeta potential of +16 mV, when prepared at the highest possible mixing speed (300mL/min), and siRNA concentration of 0.2mg/mL. Thus, AIMS was capable to deliver even smaller and more monodisperse CS/siRNA polyplexes compared to manual polyplexes with z-average of 100 nm and PDI of 0.20). It was also demonstrated that the in-line mixed CS/siRNA polyplexes have equivalent or higher silencing efficiency of Apolipoprotein B (ApoB) in HepG2 cells, compared to manually prepared polyplexes. This scaled-up platform addressed the risk of batch to batch inter-user and intra-user variability, resulting in a controlled quality of large quantities of polyplexes intended for pre-clinical and clinical applications.  Furthermore, to concentrate and purify large batches of CS-based polyplexes, tangential flow filtration (TFF) was adopted based on hollow fiber technology. Optimal TFF operational conditions were established using 100kD modified polyethersulfone (mPES) hollow fibers: trans-membrane pressure (TMP) of 0.9-1.0 psid, and relatively low shear rates of 7000-11000 s-1. Upon establishment of the operational conditions, it was demonstrated that TFF is capable in concentration of polyplexes up to sevenfold while preserving their physico-chemical properties. Optimal number of diafiltration volumes (DV) for diafiltration of polyplexes was also studied. Our data showed that when system ran at the shear rate of 7000 s-1, more than 98% of the unbound CS was removed with a DV of 5, while recovery yield was as high as 85%. Moreover, no marked changes in physico-chemical properties and morphology of polyplexes were observed post-diafiltration. Purified CS/siRNA eGFP polyplexes were then coated by a library of HA molecules to enhance their hemocompatibility. HAs with different molecular weights and degrees of sulfation, at different phosphate to carboxyl ratios (C:P) were tested. It was found that a high molecular weight HA (866 kDa) results in macroscopic flocculations at every C:P ratio tested. Moreover, for low molecular weight HA (10-40 kDa) or moderate molecular weight HA (148-168 kDa), C:P≥ 2 is needed to effectively coat the polyplexes and switch the surface charge of complexes. Our data showed that polyplexes coated with lower molecular weight HAs, non-sulfated 10kDa and sulfated 12 kDa have have even higher knockdown efficiency of eGFP in H1299 cells (75-82%), compared to the uncoated polyplexes (53-63%). Furthermore, it was shown that although both sulfated and non-sulfated HAs result in small sized, homogenous and bioactive complexes, sulfated HA molecules present higher stability during filtration process. However, for both non-sulfated and sulfated HAs, coated formulations demonstrated improved hemocompatibility compared to the uncoated polyplexes.  This work allowed to develop a controlled method for reproducible production of large batches of CS-based polyplexes with equivalent bioactivity as compared to manually prepared polyplexes. Purification of large batches of polyplexes via TFF while preserving their physicochemical properties, and their biological activity was another accomplishment of this work. Moreover, adding a HA-coating to polyplexes led to the development of a new class of bioactive complexes with increased hemocompatibility. These results represent an important step towards future clinical use of CS-based intravenous gene therapies.


identifier: Deschênes-Allard, F. (2017). Modélisation thermodynamique des équilibres de phases impliquant le cuivre dans le développement d'anodes inertes pour l'électrolyse de l'aluminium  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre de la recherche de matériaux d'anodes inertes pour l'électrolyse de l'aluminium, un modèle thermodynamique pour le système multicomposant Cu-Fe-Ni-Na-Al-Ca-O-F est en cours de développement. L'objectif de ce dernier est de représenter les équilibres entre les phases qui composent les anodes inertes (métal, spinelle, oxydes) et les bains cryolithiques sodiques à différentes teneurs en alumine dissoute. À terme, ce modèle thermodynamique doit permettre de calculer les diagrammes de phases pertinents pour les étapes de fabrication et d'opération des anodes inertes. Le cuivre, le fer et le nickel sont les espèces à ajouter en priorité au modèle thermodynamique existant du bain cryolithique (Na+, Al3+, Ca2+ // O2-, F-), car la plupart des matériaux d'anodes inertes considérés par l'industrie sont composés de NiFe2O4, de NiO et de Cu en proportions variables. Le présent projet de recherche a permis d'ajouter partiellement le Cu+ et le Cu2+ dans le modèle thermodynamique de ce système, pour des bains cryolithiques à faible teneur en oxydes. En plus des données pertinentes obtenues de la littérature, une approche expérimentale a été préconisée dans le présent projet. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC), la diffractométrie aux rayons X (DRX) et la microscopie électronique à balayage (MEB) sont les techniques expérimentales qui ont été préconisées dans ce travail pour déterminer et identifier les transitions de phases dans des systèmes chimiques fluorés impliquant le cuivre. Le système chimique étudié est NaF-AlF3-Cu-CuF-CuF2-Cu2O-CuO. Les espèces ioniques considérées dans l'étude thermodynamique sont les suivantes : Na+, Al3+, Cu+, Cu2+ // O2-, F-, Va-, où Va- représente un électron temporairement localisé sur un site anionique permettant de modéliser le métal dissous. La base de données thermodynamique développée de manière cohérente avec le modèle du système existant Na+, Al3+, Ca2+ // O2-, F-. Ainsi, les solutions liquides ont été évaluées à l'aide du Modèle Quasichimique Modifié avec l'approximation des quadruplets, tandis que les solutions solides ont été évaluées à l'aide du « Compound Energy Formalism ». La procédure d'optimisation du modèle thermodynamique s'appuie sur la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram), consistant à sélectionner les données thermodynamiques les plus fiables issues de la littérature pour évaluer successivement les fonctions d'énergie de Gibbs des composés purs et des solutions en débutant par les systèmes binaires, pour ensuite évaluer les systèmes d'ordre supérieur. En suivant cette logique, les sous-systèmes ont été évalués dans l'ordre suivant : Cu-F, Cu-O, Cu-O-F, Cu-Na-O-F, Cu-Na-Al-O-F. À partir du modèle thermodynamique optimisé pour ces sous-systèmes, des équilibres et des diagrammes de phases peuvent être calculés par un algorithme de minimisation de l'énergie de Gibbs de toutes les phases en présence. Ce modèle est pertinent pour la recherche sur les anodes inertes, puisqu'il permet de calculer les équilibres de phases de systèmes impliquant le cuivre dans le bain cryolithique (à faibles teneurs en alumine dissoute) pour différentes conditions de température, de composition et de pression. Des mesures expérimentales (DSC) ont été effectuées pour les systèmes Cu-F, CuF2-NaF, CuF2-NaF-AlF3 et Cu2O-NaF. Ces dernières se sont avérées nécessaires en raison du manque de données cohérentes disponibles dans la littérature pour les fluorures de cuivre. Le réactif commercial de CuF2 utilisé contenait une proportion non négligeable d'une impureté hydroxyfluorée. Après un traitement thermique à 450°C, le réactif de CuF2 contenait 5% massique de CuO ne pouvant pas être facilement séparé du CuF2. La manipulation du CuF2 étant sensible, des creusets fermés sur mesure ont été adaptés d'une conception existante afin d'effectuer les mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Deux creusets internes, en cuivre et en platine, ont été conçus afin d'étudier les différents systèmes fluorés en conditions réductrices et neutres, respectivement. Ces creusets ont permis de mesurer les températures des transitions de phases avec une précision estimée à 10°C. Les résultats expérimentaux de la présente recherche ont permis de réinterpréter certaines conclusions tirées d'études précédentes sur le système Cu-F. Premièrement, l'hypothèse de l'existence d'une transformation allotropique du CuF2 rapportée par certains auteurs n'a pas été vérifiée. Ensuite, les mesures expérimentales effectuées dans ce travail n'ont pas permis de vérifier l'existence du CuF à l'état cristallin. Le modèle thermodynamique optimisé représente de manière satisfaisante les résultats expérimentaux effectués sur le système Cu-F. Des mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont également été effectuées pour quelques compositions ciblées des systèmes CuF2-NaF et CuF2-NaF-AlF3. Le modèle thermodynamique représente les résultats obtenus de manière satisfaisante, mais il diverge des données expérimentales disponibles dans la littérature pour le système CuF2-NaF. Le système Cu2O-NaF a été étudié expérimentalement pour une composition riche en NaF. Les températures des transitions de phases mesurées correspondent à celles estimées par un modèle thermodynamique approximatif, à l'intérieur de la marge d'erreur sur les mesures. Cette concordance entre les valeurs mesurées et calculées indique que l'approximation dans la solution liquide du CuF par le LiF et du Cu2O par le Li2O est raisonnable. Lorsque le CuF2 est étudié dans un creuset interne de cuivre, une solution liquide CuF-CuF2 se forme en réagissant avec la paroi, indiquant la présence de Cu+ dans le liquide. Cela a été confirmé après le refroidissement de l'échantillon par la présence de cuivre métallique précipité dans le résidu, selon la réaction 2Cu+ = Cu2+ + Cu0. Aucune trace de cuivre métallique n'est cependant observée dans le résidu récupéré du creuset interne de platine, indiquant que le CuF n'est pas formé dans la solution liquide sous des conditions neutres. Aux compositions des systèmes binaires et ternaires étudiées, le Cu+ en solution liquide fluorée est défavorisé, même dans un creuset interne de cuivre. Cette observation s'applique de manière analogue aux solides purs, où la stabilité du Cu+ est défavorisée, notamment dans le CuF(s) ou le Cu3AlF6(s). Cette conclusion est importante pour le développement d'anodes inertes, puisqu'elle indique que dans un bain cryolithique à faible teneur en alumine dissoute, la présence de Na+ et d'Al3+ déstabilise le Cu+ en solution liquide, même en présence de cuivre solide.  ABSTRACT: In the context of the development of inert anodes for the aluminum electrolysis, the development of a thermodynamic model for the multicomponent system Cu-Fe-Ni-Na-Al-Ca-O-F is in progress. The goal of the latter is to represent the phase equilibria between the phases composing inert anodes (metal, spinel, oxides) and the cryolitic bath, for various contents of dissolved alumina. Once completed, this thermodynamic model will allow to calculate relevant phase diagrams for the production and operation of inert anodes. Copper, iron and nickel are the species to be added in priority to the existing thermodynamic model (Na+, Al3+, Ca2+ // O2-, F-), considering that most inert anodes proposed by the industry are composed of NiFe2O4, NiO and Cu in different proportions. The present research project partially added Cu+ and Cu2+ in this thermodynamic model for cryolitic baths with low oxydes contents. In addition to the relevant data from the literature, an experimental study was performed in the present project. Differential Scanning Calorimetry (DSC), X-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to determine and identify the phase transitions in various fluorinated chemical systems involving copper. The chemical system studied is NaF-AlF3-Cu-CuF-CuF2-Cu2O-CuO. The ionic species considered in the thermodynamic model are the following: Na+, Al3+, Cu+, Cu2+ // O2-, F-, Va- (Va- species represents an electron temporarily localized on an anionic site, which allows to model dissolved metal in the solution). The thermodynamic database is developed consistently with the existing model of the Na+, Al3+, Ca2+ // O2-, F- system. Thus, the liquid solutions were modeled using the Modified Quasichemical Model in the quadruplet approximation, whilst solid solutions were modeled using the Compound Energy Formalism. The thermodynamic model was optimized following the CALPHAD method (CALculation of PHAse Diagram), consisting in the selection of the most relevant thermodynamic data from the literature to evaluate the Gibbs energy functions of the pure compounds and solutions, starting with the binary systems and then treating the higher-order systems. According to this logic, the following subsystems were successively evaluated: Cu-F, Cu-O, Cu-O-F, Cu-Na-O-F and Cu-Na-Al-O-F. From the optimized thermodynamic model for these subsystems, phase equilibria and phase diagrams can be calculated by the minimization of the Gibbs energy of all the phases considered. This model is useful for the research on inert anodes, because the calculations of the phase equilibria for systems involving copper in cryolitic bath (with low contents of dissolved alumina) can be performed in different conditions of temperature, composition and pressure. Experimental measurements were performed for the Cu-F, CuF2-NaF, CuF2-NaF-AlF3 and Cu2O-NaF systems, owing to the discrepancies existing between the data available in the literature for copper fluorides. A commercial CuF2 reactant that contains a substantial level of an hydroxyfluoride impurity was used. After a thermal treatment at 450°C, the CuF2 reactant was found to contain 5 wt% CuO, which could not easily be removed. Owing to difficulties with the handling of CuF2, closed crucibles were adapted from an existing design in order to perform Differential Scanning Calorimetry (DSC) measurements. Two inner liners, made of copper and platinum, were designed to study the fluorinated systems in reducing and neutral conditions, respectively. It was estimated that these crucibles allow to measure the temperatures of the phase transitions with an accuracy of ±10°C. Based on the present experimental results, some conclusions from the previous studies on the Cu-F system were reinterpreted. Firstly, the existence of an allotropic transformation of CuF2 claimed by some authors was not observed in this work. Secondly, no evidence of stable crystalline CuF was found. The optimized thermodynamic model satisfactorily reproduces the experimental results for the Cu-F system. Differential scanning calorimetry measurements were performed on a few targeted compositions in the CuF2-NaF and CuF2-NaF-AlF3 systems. The thermodynamic model satisfactorily reproduced those measurements. However, the latter diverge from experimental data on the CuF2-NaF system from the literature. The Cu2O-NaF system was studied experimentally for one NaF-rich composition. The temperatures of the measured phase transitions were in good agreement with those estimated by an approximated thermodynamic model. Therefore, the approximation in the liquid solution of CuF and Cu2O by LiF and Li2O, respectively, is reasonable. When CuF2 is studied in an inner liner of copper, a CuF-CuF2 liquid solution is formed by reaction with the liner's wall, thus indicating the presence of Cu+ in the liquid. This was confirmed by the presence of precipitated metallic copper in the residue after cooling the sample, according to the reaction 2Cu+ = Cu2+ + Cu0. However, no metallic copper was found in the residue recovered from the platinum liner, thus indicating that CuF is not formed in the liquid solution in neutral conditions. For the binary and ternary systems studied, Cu+ is not favoured in the fluoride liquid solution, even when it is studied in an inner liner of copper. Similarly, the low stability of Cu+ is observed for pure fluorinated solids, such as CuF(s) and Cu3AlF6(s). This conclusion is important for the development of inert anodes, by pointing out that Na+ and Al3+ do not favour Cu+ in a cryolitic bath with a low alumina content, even in the presence of solid copper.


identifier: Chevalier, Q. (2017). Méthodes de simulation de scénarios macroscopiques de densification résidentielle à Montréal  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le contexte d'un projet qui vise à étudier les impacts des transports sur la santé de la population à Montréal, cette recherche étudie différentes approches méthodologiques propres à simuler des scénarios de répartition de la population sur le territoire de l'agglomération et à estimer leurs impacts en termes de mobilité. Les scénarios qui ont été expérimentés cherchent à augmenter la densité de ménages ou de personnes à proximité du centre-ville ou des noeuds de transport en commun. De telles perspectives de développement sont communes à un nombre important de villes de pays industrialisés et sont mentionnées dans le plan d'aménagement de la région montréalaise (PMAD). Cette recherche est inscrite dans le contexte du développement durable en transport, qui dénonce les impacts négatifs de la surutilisation de l'automobile et cherche à proposer des alternatives basées sur les concepts d'environnement, d'économie et de social. La question des impacts des transports sur la santé telle qu'elle est envisagée dans le projet est inscrite dans ce paradigme.  ABSTRACT: Embedded in a project studying transportation health impacts in Montreal, this research examines different methodological processes in order to simulate scenarios of population distribution in the urban area and to estimate their impacts in terms of mobility. Scenarios that have been tested seek to increase density of households or people close to the downtown area or transit nodes. Such development prospectives could be identified in many cities of industrialized countries and are mentioned in the Montreal Regional Development Plan (PMAD). This research is written in the context of the sustainable development of transportation, which denounces the negative impacts of automobile dependency and seeks to develop alternatives based on environmental, economic and social concepts. As considered in the project, the issue of transportation health impacts is widely part of this paradigm.