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Citation suggérée : Anses. (2022). Définition des nanomatériaux : enjeux, analyse et controverses (Saisine n° 2018-SA-0168). Maisons-Alfort : Anses, 128 p.; L’utilisation croissante des substances à l’état nanoparticulaire dans des secteurs d’activité trèsvariés a conduit les pouvoirs publics à faire évoluer la réglementation nationale et européenne pour prendre en compte leurs spécificités.La caractéristique dimensionnelle de ces substances, susceptible de conférer aux matériaux despropriétés ou comportements particuliers, laisse également entrevoir de probables différences en matière d’évaluation du risque (toxicité – écotoxicité et devenir dans l’environnement). Alors que ces substances sont souvent développées pour leurs propriétés spécifiques et considérées comme des vecteurs d’innovation, l’état des connaissances concernant les effets potentiels de ces substances sur l’environnement et la santé demeure généralement insuffisant pour en évaluer les risques (Anses 2014).En l’absence d’une définition pleinement partagée permettant de définir le périmètre des objetsconcernés, une première étape vers une meilleure connaissance a consisté à harmoniser levocabulaire employé (nano-objets, agrégats, agglomérats, nanomatériaux manufacturés, etc.) via la normalisation dans un premier temps, puis à établir une définition et des critères permettant de caractériser ces substances tels que leur taille, leur distribution, leur surface spécifique, etc.Au niveau européen, la recommandation du 18 octobre 2011 de la Commission européenne (CE)relative à la définition des nanomatériaux (2011/696/UE) a servi de référence à plusieurs reprisesdans les différents textes législatifs. Celle-ci s’est appuyée sur les travaux du Scenihr (ScientificCommittee on Emerging and Newly Identified Health Risks) portés sur ce sujet et publiés en 2010(Scenihr 2010).La Commission européenne avait proposé de s’appuyer sur cette définition pour adapter cellefigurant dans le Règlement n°1169/2011 relatif à l’information du consommateur sur les denréesalimentaires, notamment en y introduisant le seuil de 50 % de particules en nombre. Cetteproposition a été rejetée par le Parlement européen au motif que rien ne justifiait l’introduction d’un tel seuil, inadapté en l’occurrence pour répondre à la demande d’information du consommateur. En conséquence, seule la définition figurant dans le règlement relatif aux nouveaux aliments, à laquelle renvoie le Règlement n°1169/2011, s’applique dans le cadre des contrôles opérés par la Direction générale de la consommation, de la concurrence et de la répression des fraudes (DGCCRF) pour s’assurer de la bonne information du consommateur sur le caractère nanométrique des ingrédients mis en œuvre. Cette définition ne comporte pas de seuil, de sorte qu’un ingrédient est déclaré « nano » dès lors que la présence de nanoparticules est avérée. Dans la pratique, selon la méthodologie de contrôle développée par le Service commun des laboratoires, un ingrédient est considéré correspondre à un nanomatériau lorsque 10 % au moins des particules en présence sont de taille nanométrique.Actuellement, la définition de « nanomatériau » peut différer d’un règlement européen à l’autre(règlements sur les produits biocides, sur les produits cosmétiques, sur les nouveaux aliments, sur l’information des consommateurs sur les denrées alimentaires, sur les dispositifs médicaux). Les travaux portant sur la révision des annexes du Règlement 1907/2006 « REACH » pour l’adapter aux substances sous forme nanoparticulaire ont été publiés en 2018 (Règlement UE 2018/1881). Le projet de texte de ces annexes a été voté par la Commission en comité le 26 avril 2018 et est entré en application le 1 er janvier 2020. Le texte se réfère à la recommandation de définition européenne.Les définitions actuelles proposées dans la recommandation de la Commission de 2011 et dans les différents règlements comportent des différences et des imprécisions (seuil de 50 % en nombre, taille, notions d’insolubilité ou de bio-persistance dans le règlement cosmétique, etc.), régulièrement mises en avant par les parties prenantes. Celles-ci souhaitent l’établissement d’une définition plus claire et harmonisée. La Commission européenne avait annoncé dans plusieurs communications relatives à cette recommandation son intention de la réviser avant décembre 2014 pour mieux prendre en compte les spécificités de ces substances, l’avancée des connaissances et préciser certains points de la définition.Le Joint Research Center (JRC), service de recherche de la Commission européenne, a publié en2014 un premier rapport comportant des propositions relatives aux critères pouvant être pris enconsidération pour définir les nanomatériaux (Rauscher et al. 2015). Plus récemment, en préparation de la proposition de définition par la Commission européenne, le JRC a publié début 2019 un document support définissant les termes et concepts utiles liés à la définition (Rauscher, Roebben, et al. 2019) puis un autre rapport relatif cette fois-ci aux techniques analytiques d’identification des nanomatériaux (Rauscher, Mech, et al. 2019).Après plusieurs phases de discussion engagées dès 2012, la Commission a ouvert une courtephase de consultation publique (du 06/05/2021 au 30/06/2021) afin de recueillir les avis quant aux propositions d’évolution de la définition européenne datant de 2011. Cette phase de consultation s’est achevée par la publication d’une nouvelle Recommandation de définition le 10 juin 2022.

The global market for nanoparticles represents a production of 11 million tons per year according to the European Commission. Among different production methods, flame synthesis is considered a promising technology for producing nanoparticles with fine control over their characteristics. In this context, the goal of this thesis is to develop optical diagnostics to study the spatial evolution of characteristics of a population of TiO2 particles produced along the flame, in order to better understand their formation mechanism and create a database for the development of numerical models. First, laser-induced emission (LIE) of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles is studied to demonstrate the feasibility of laser-induced incandescence (LII) technique on these particles. LII is a quasinon-intrusive technique that characterizes the volume fraction of particles (fv) and primary particle size. It is traditionally used for in-situ characterization of soot formation in flames, but its feasibility on TiO2 nanoparticles remains to be demonstrated. If feasible, it could provide new insights into the synthesis process of metal oxide nanoparticles in spray flames and thus allow a spatial description of the production of TiO2 nanoparticles. To verify the feasibility of the LII technique, both high-purity TiO2 nanoparticles and hydrogen flame-generated TiO2 nanoparticles are considered using two particle-generation systems: the first directly injects particles into a non-reactive environment, and the second synthesizes particles via a reactive environment. The latter applies a new version of the Yale diffusion burner that stabilizes the pre-vaporized diffusion flame of titanium isopropoxide (TTIP)/H2/Ar. In both systems, the particles are irradiated with a top-hat laser in the UV range, thus ensuring absorption and heating of the particles. A detection system equipped with a spectrometer and a photomultiplier tube (PMT) is also used to identify the spectral and temporal characteristics of the LIE of the TiO2 nanoparticles. Different laser fluences and acquisition times are considered to observe the different signal contributions from the nanoparticles. The nature of the signal is investigated by comparing it to theoretical results and reference results obtained from carbon black nanoparticles.Specially, the laser-induced emission of TiO2 nanoparticles exhibits non-LII components during the first 100 nanoseconds after the laser interaction. At low laser fluence, these features can be interpreted as laser-induced fluorescence (LIF). With high laser fluence, phase-selective laser-induced breakdown spectroscopy (PS-LIBS) can occur due to possible surface vaporization of the particles. As LIF and PS-LIBS signals are characterized by a short lifetime, delayed acquisition is considered to avoid these interferences. The LII nature of the temporally delayed emission signal is demonstrated first by confirming the spectral behavior of a black body. Secondly, the temporal evolution of the signal decay rate and the inverse temperature is analyzed and confirms as an LII-type behavior. In the considered configurations, the presence of carbon on the nanoparticles of TiO2 is unlikely. Therefore, the contribution of carbonaceous materials to the LII signal can be assumed negligible, thus demonstrating the feasibility of the LIItechnique for TiO2 nanoparticles.Next, a quantitative characterization of the production of titanium dioxide nanoparticles in flames is carried out. For this, the LII signal is converted into a volume fraction fv, which requires the knowledge of the effective temperature Teff reached by the particles during the laser irradiation and of the absorption function E(mλ). Since these two quantities are strongly related, it is necessary to have information on one in order to estimate the other. However, there is a large variability in the literature data for the absorption function E(mλ) for TiO2, whose optical properties strongly depend on particle characteristics such as geometry, crystalline structure, and state of matter. To address this issue, a new approach to estimate the spectral dependence of the absorption function is proposed from LII measurements. This method is first validated for carbon black nanoparticles, for which data are available in the literature. It is then applied to high-purity and flame-synthesized TiO2 nanoparticles. Once the information on E(mλ) is available, the effective temperature of the particles can be deduced. Finally, the spatial distribution effects of the effective temperature and the absorption function on the measurement of the volume fraction of TiO2 in our reference flame are studied. The results of the measurements are compared to those from a numerical simulation representative of state-of-the-art modeling. The comparisons of normalized fv fields provide a first indication for improving numerical models.; Le marché global des nanoparticules représente une production de 11 millions de tonnes par an d’après la Commission européenne. Parmi les différentes méthodes de production, la synthèse de celles-ci dans des flammes est considérée comme une technologie très prometteuse permettant un contrôle fin des caractéristiques des particules produites. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est de développer des diagnostiques d’optiques permettant l’étude de l’évolution spatiale des caractéristiques d’une population de particules de TiO2 produites le long de la flamme ; cela, afin, à la fois de mieux comprendre leur mécanisme de formation, et de créer une base de données pour le développement de modèles numériques. Tout d’abord, l’émission induite par laser (LIE) de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) est étudiée pour montrer la faisabilité de la technique d’incandescence induite par laser (LII) sur celles-ci. Cette technique permet de caractériser de façon quasi-non intrusive la fraction volumique des particules fv et la taille de particules primaire. Elle est classiquement utilisée pour la caractérisation in-situ de la formation de suies dans les flammes, mais sa faisabilité sur de nanoparticules de TiO2 reste encore à démontrer. Dans le cas où elle le serait, elle pourrait fournir de nouvelles informations sur le processus de synthèse des oxydes métalliques dans les flammes spray et permettre ainsi une description spatiale de la production de nanoparticules de TiO2.Pour vérifier la faisabilité de la technique LII, on considère à la fois des nanoparticules de TiO2 de haute pureté et des nanoparticules de TiO2 générées par une flamme d’hydrogène en utilisant deux systèmes de génération de particules : l’un injecte directement des particules dans un milieu non réactif et l’autre synthétise les particules via un milieu réactif. Pour ce dernier, une version inspirée du brûleur de Yale est utilisée. Elle permet la stabilisation de flamme de diffusion pré-vaporisée d’isopropoxyde de titane (TTIP)/H2/Ar. Dans les deux systèmes, les particules sont irradiées à l’aide d’un laser de type top-hat dans la gamme UV, assurant ainsi l’absorption et le chauffage des particules. Un système de détection équipé d’un spectromètre et d’un tube photomultiplicateur (PMT) est également utilisé pour identifier les caractéristiques spectrales et temporelles de LIE des nanoparticules de TiO2. Différentes fluences du laser et durées d’acquisition sont prises en compte pour observer les différentes contributions du signal provenant des nanoparticules TiO2. La nature du signal est étudiée en la comparant aux résultats théoriques et à des résultats de référence obtenus à partir de nanoparticules de noir de carbone. Plus précisément, l’émission induite par laser des nanoparticules de TiO2 présente des composantes non-LII pendant les 100 premières nanosecondes après l’interaction avec le laser. A faible fluence laser, le signal peut être interprété comme une fluorescence induite par laser (LIF). Pour une fluence laser élevée, la spectroscopie par claquage induit par laser sélectif en phase (PS-LIBS) peut se produire en raison d’une éventuelle vaporisation de la surface des particules.Comme les signaux LIF et PS-LIBS sont caractérisés par une courte durée de vie, une acquisition retardée est envisagée pour éviter ces interférences. La nature LII du signal d’émission décalée dans le temps est démontrée premièrement, en confirment le comportement spectral d’un corps noir. Deuxièmement, l’évolution temporelle du taux de décroissance du signal et de la température inverse est analysée et confirme un comportement du type LII. Dans les configurations considérées, une présence de carbone sur les nanoparticules de TiO2 est peu probable. De ce fait, la contribution de matériaux carbonés au signal LII peut être supposée négligeable, démontrant ainsi la faisabilité de la technique LII pour des particules de TiO2.Ensuite, une caractérisation quantitative de la production de nanoparticules de TiO2 dans des flammes a été réalisée. Pour cela, le signal LII est converti en fraction de volume fv. Cela nécessite donc la connaissance de la température effective Teff atteinte par les particules pendant l’irradiation du laser et de la fonction d’absorption E(mλ). Les deux grandeurs étant fortement liées, il est nécessaire de disposer d’une information sur l’une pour estimer la deuxième. Cependant, une grande variabilité caractérise les données de la littérature pour la fonction E(mλ) pour le TiO2, dont les propriétés optiques dépendent fortement des caractéristiques des particules telles que leur géométrie, la structure cristalline et l’état de la matière. Afin de répondre à cette problématique, une nouvelle approche pour estimer la forme spectrale de la fonction d’absorption est proposée à partir des mesures LII. Cette méthode est d’abord validée pour les nanoparticules de noir de carbone pour lesquelles des données sont disponible dans la littérature. Elle est ensuite appliquée aux nanoparticules de TiO2 de haute pureté et de TiO2 synthétisées via la flamme. Une fois l’information sur E(mλ) disponible, la température effective des particules peut être déduite. Enfin, les effets de la distribution spatiale de la température effective et de la fonction d’absorption sur la mesure de la fraction volumique de TiO2 dans notre flamme de référence ont été étudiés. Les résultats issus des mesures sont comparés à ceux issus d’une simulation numérique représentative de l’état-de-l‘art sur le sujet en termes de modélisation. Les comparaisons des champs de fv normalisés fournissent une première indication pour l’amélioration des modèles numériques.

Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles are the subject of numerous studies and controversies on the risks they could generate in the environment and on human health. They are electron dense nanoparticles that have a chemical signature and are thus detectable by Transmission Electron Microscopy (TEM) and Secondary Ion Mass Spectrometry (NanoSIMS 50). Moreover, abundant in sunscreens (for anti-ultraviolet sunscreen filter properties), they constitute a good material of study for the development of the imaging by correlation TEM/NanoSIMS.As TEM uses electrons and NanoSIMS uses ions, it was necessary to define a sample preparation protocol (sunscreen applied on human skin) adapted to both instruments for the detection, characterization and localization of few nanometers nano-objects in sections of a few tens of nanometers thickness. The data obtained and processed have allowed the development of the overlay of TEM and NanoSIMS images on the one hand and to lead to a 3D reconstruction of objects smaller than the thickness of the section on the other hand. It appears that the TEM/NanoSIMS correlation completes, reinforces and brings more results than each instrument provides, and that aggregated or isolated nanoparticles are retained by the corneocytes at the skin surface.; Les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) font l’objet de nombreux travaux et controverses sur les risques qu’elles pourraient engendrer dans l’environnement et sur la santé humaine. Ce sont des nanoparticules denses aux électrons qui possèdent une signature chimique et sont ainsi repérables au Microscope Electronique à Transmission (MET) et au Spectromètre de Masse d’Ions Secondaires (NanoSIMS 50). De plus, abondantes dans les crèmes solaires (pour leurs propriétés de filtre anti ultra-violets), elles constituent un bon matériel d’étude pour la mise au point de l’imagerie par corrélation MET/NanoSIMS.Comme le MET utilise des électrons et le NanoSIMS des ions, il a fallu définir un protocole de préparation d’échantillon (crème solaire appliquée sur la peau humaine) adapté aux deux instruments pour la détection, la caractérisation et la localisation de nano-objets de quelques nanomètres dans des coupes de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur. Les données obtenues et traitées ont permis de mettre au point la superposition des images MET et NanoSIMS d’une part et de conduire à une reconstruction 3D d’objets de taille inférieure à l’épaisseur de la coupe d’autre part. Il en ressort que la corrélation MET/NanoSIMS complète, renforce et apporte davantage de résultats que ce que fournit chaque instrument isolément. Il ressort également que les nanoparticules isolées ou agrégées sont retenues par la barrière cornéocytaire à la surface de la peau.

A clay-based TiO2 nanocomposite material was synthesized by a facile method to investigate its structure and photocatalytic efficiency. The supported TiO2 nanoparticles were generated from a sol-gel method, and subsequently, mixed with a suspension of sepiolite. The material was recovered in powder form (Mc-80), and then calcined to properly arrange the crystal lattice of the TiO2 particles for use in heterogeneous photocatalysis (Mc-80-500). The powder X-ray diffractogram of Mc-80-500 reveals a dispersion of anatase and rutile phase TiO2 particles on the clay surface, exhibiting a size in the order of 4-8 nm. TEM images of Mc-80-500 confirmed the presence of isolated TiO2 beads on the surface of the fibrous sepiolite. The specific surface area of Mc-80-500 is larger than that of raw sepiolite and that of free TiO2 nanoparticles.Mc-80-500 was found to be more efficient in heterogeneous photocatalysis compared to other TiO2 materials based on sepiolite. A total depollution of a reactive dye (Orange G) was achieved after 1h irradiation time, which is relatively quick compared to previous reports. The photocatalyst material can be washed with distilled water without chemical additives or calcination, and can be reused several times for photocatalysis without loss of efficiency.Keywords: nanoparticles, photocatalysis, sol-gel, sepiolite, titanium dioxide; Un matériau nanocomposite de TiO2 à base d'argile a été synthétisé par une méthode facile pour étudier sa structure et son efficacité photocatalytique. Les nanoparticules de TiO2 supportées ont été générées par une méthode sol-gel, puis mélangées à une suspension de sépiolite.Le matériau a été récupéré sous forme de poudre (Mc-80), puis calciné afin d'arranger le réseau cristallin des particules de TiO2 pour une utilisation en photocatalyse hétérogène. Il est appelé donc (Mc-80-500).Le diffractogramme des rayons X de la poudre du Mc-80-500 révèle une dispersion de particules de TiO2 en phase anatase et rutile sur la surface de l'argile, présentant une taille de l'ordre de 4-8 nm. Les images TEM du Mc-80-500 ont confirmé la présence de billes de TiO2 isolées à la surface de la sépiolite fibreuse. La surface spécifique du Mc-80-500 est supérieure à celle de la sépiolite brute et à celle des nanoparticules de TiO2 libres.Le Mc-80-500 s'est révélé plus efficace dans la photocatalyse hétérogène par rapport aux autres matériaux TiO2 à base de sépiolite. Une dépollution totale d'un colorant réactif (Orange G) a été obtenue après 1h d'irradiation, ce qui est relativement rapide par rapport aux rapports précédents. Le matériau photocatalyseur peut être lavé avec de l'eau distillée sans additifs chimiques ou calcination, et peut être réutilisé plusieurs fois pour la photocatalyse sans perte d'efficacité.Mots clé : nanoparticules, photocatalyse, sol-gel, sépiolite, dioxyde de titane

The work reported therein deals principally with the investigation by density functional theory (DFT) calculations of the stability, structure and optical properties of ligand-protected group 10 and 11 stable nanoclusters. In a first step we have investigated a series of N-heterocyclic carbene (NHC) protected gold nanoclusters (AuNCs) derived from the well-known experimentally- characterized phosphine-stabilized AuNCs. The results show that NHCs can stabilize variable- sized AuNCs with properties related to their parent phosphine-protected species. In a subsequent step we investigated the effect of doping Au13 NCs by a single transition-metal atom. Various ligated M@Au12 superatomic clusters (M = group 6-10) were investigated. We have also undertaken a general DFT investigation of the Pd and Pt organometallic nanocluster structural chemistry, for which no rationalization existed so far. Our results show that these species can be considered as superatoms or assemblies of superatoms (supermolecules). The last part of this manuscript reports an experimental work on the synthesis and characterization of ferrocenylalkylthiolate protected Au nanoparticles (FcSH-AuNPs). A clear signal in their cyclic voltammograms could be recorded, encouraging the fact that FcSH-AuNPs could be used in the design of derivatized electrode for sensing applications.; Le travail décrit dans ce mémoire concerne principalement l'étude, par des calculs en théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), de la stabilité, de la structure et des propriétés optiques de nanoclusters stables des groupes 10 et 11, protégés par des ligands. Nous avons étudié dans un premier temps, une série de nanoclusters d'or hypothétiques stabilisés par des carbènes N-hétérocycliques (NHC) dérivés de nanoclusters d’or (AuNC) bien connus, stabilisés par des phosphines et caractérisés expérimentalement. Nos résultats montrent que les NHC sont aptes à stabiliser des AuNC de taille variable avec des propriétés comparables à leurs homologues protégés par des phosphines. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'effet du dopage de nanoclusters Au13 par un atome de métal de transition. Divers clusters superatomiques M@Au12 (M = groupe 6-10) protégés par des ligands ont été étudiés. Nous avons également réalisé une investigation générale par la méthode DFT de la chimie structurale des nanoclusters organométalliques de Pd et Pt, pour laquelle aucune rationalisation n'a été proposée à ce jour. Nos résultats montrent que ces espèces peuvent être considérées comme des superatomes ou des assemblages de superatomes (supermolécules). La dernière partie de ce mémoire décrit un travail expérimental sur la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d'or protégées par des ferrocénylalkylthiolates (FcSH-AuNPs). Un signal clair présent dans leurs voltammogrammes cycliques laisse penser que les nanoparticules FcSH-AuNP pourraient être utilisées dans la conception d'électrodes dérivées pour des applications dans le domaine des capteurs.

The present thesis studies metal oxides and their engagement in the different domains. We focused our work on environmental geochemistry, cultural heritage, and photocatalysis fields based on metal oxides interactions. Environmental geochemistry. ZnO are common systems present in various contexts and also model systems widely studied. ZnO nanoparticles are found in soil and water, it is therefore important to study the fate and behavior of this material in the environment, and isotopes are efficient tools for achieving this goal. Computer simulations can complement the direct materials analysis of these systems. In particular, we focused our theoretical study on the assessment of the surface effect on the isotopic signature. Do ZnO nanoparticles have different Zn isotope composition from bulk ZnO crystals in equilibrium conditions? In order to address this question, we performed structure and frequency calculations based on DFT on various structural models. Isotopic properties are then determined from the vibrational frequencies. Three kinds of structural models were considered: ZnO bulk structure, the slab surfaces (1 0 1 ¯ 0) and (2 1 ¯ 1 ¯ 0), and a model nanoparticle. The results obtained allow us to discuss the surface effect and the isotopic properties of ZnO nanoparticles. Cultural heritage. Advanced computational modelling strategies have been applied to cultural heritage to understand the degradation processes of painting materials. The degradation of ZnO leads to the formation of complexes of Zn ions and fatty acids. Being a serious problem affecting the appearance of oil paintings, it is relevant to characterize the structure of these complexes to understand the reaction pathways of this degradation process. DFT calculations have been performed to investigate the adsorption of acetate and acetic acid on ZnO clusters and the formation of Zn-acetate complexes. Carboxylic acids with longer alkyl chains have then been investigated as more realistic models of fatty acids. DFT calculations using a periodic ZnO slab have been performed to compare the obtained results at different levels of theory. Optimization calculations and formation energies of ZnO@carboxylate coupled systems and the thermodynamics leading to possible degradation products have been computed. Our results highlight the potential of DFT calculations for better understanding paint degradation with the aim of strengthening strategies of paintings. In photocatalysis, reactions can take place using light and a semiconductor: in this mechanism, an electron-hole pair is generated upon exposure of a semiconductor material to light, then the excited electron is used to reduce an acceptor species while the hole can simultaneously oxidize a donor species. The photocatalytic properties of TiO2 make it an ideal photocatalyst. It displays high bandgap energy and is known to make photocatalytic degradation process inexpensive and easy under sunlight. ZnO has also shown immense potential as photocatalysts and exhibits similar properties to TiO2. This work provides insight into the effects of photocatalysis to degrade coronavirus using TiO2 and ZnO metal oxide semiconductors. In this preliminary study, we focused on the interaction between TiO2 / ZnO and phospholipid models which assemble the environment of the coronavirus and could adsorb on the surface, employing different models and methods to calculate the energy associated to the adsorption of phospholipid at the metal oxide surface.; La présente thèse étudie les oxydes métalliques et leur engagement dans les différents domaines. Nous avons concentré nos travaux sur les domaines de la géochimie environnementale, du patrimoine culturel et de la photocatalyse basée sur les interactions des oxydes métalliques. Géochimie environnementale. Les ZnO sont des systèmes courants présents dans divers contextes et également des systèmes modèles largement étudiés. Les nanoparticules de ZnO se trouvent dans le sol et l'eau, il est donc important d'étudier le devenir et le comportement de ce matériau dans l'environnement, et les isotopes sont des outils efficaces pour atteindre cet objectif. Des simulations informatiques peuvent compléter l'analyse directe des matériaux de ces systèmes. En particulier, nous avons concentré notre étude théorique sur l'évaluation de l'effet de surface sur la signature isotopique. Les nanoparticules de ZnO ont-elles une composition isotopique de Zn différente de celle des cristaux de ZnO en vrac dans des conditions d'équilibre ? Afin de répondre à cette question, nous avons effectué des calculs de structure et de fréquence basés sur la DFT sur différents modèles structurels. Les propriétés isotopiques sont ensuite déterminées à partir des fréquences vibrationnelles. Trois types de modèles structuraux ont été considérés : la structure brute du ZnO, les surfaces des dalles (1 0 1 ¯ 0) et (2 1 ¯ 1 ¯ 0), et une nanoparticule modèle. Les résultats obtenus permettent de discuter de l'effet de surface et des propriétés isotopiques des nanoparticules de ZnO. Héritage culturel. Des stratégies avancées de modélisation informatique ont été appliquées au patrimoine culturel pour comprendre les processus de dégradation des matériaux de peinture. La dégradation du ZnO conduit à la formation de complexes d'ions Zn et d'acides gras. S'agissant d'un problème sérieux affectant l'apparence des peintures à l'huile, il est pertinent de caractériser la structure de ces complexes pour comprendre les voies réactionnelles de ce processus de dégradation. Des calculs DFT ont été effectués pour étudier l'adsorption d'acétate et d'acide acétique sur des amas de ZnO et la formation de complexes Zn-acétate. Les acides carboxyliques avec des chaînes alkyles plus longues ont ensuite été étudiés comme modèles plus réalistes d'acides gras. Des calculs DFT utilisant une dalle périodique de ZnO ont été effectués pour comparer les résultats obtenus à différents niveaux de théorie. Les calculs d'optimisation et les énergies de formation des systèmes couplés ZnO@carboxylate et la thermodynamique conduisant à d'éventuels produits de dégradation ont été calculés. Nos résultats mettent en évidence le potentiel des calculs DFT pour mieux comprendre la dégradation des peintures dans le but de renforcer les stratégies des peintures. En photocatalyse, des réactions peuvent avoir lieu en utilisant la lumière et un semi-conducteur : dans ce mécanisme, une paire électron-trou est générée lors de l'exposition d'un matériau semi-conducteur à la lumière, puis l'électron excité est utilisé pour réduire une espèce acceptrice tandis que le trou peut simultanément s'oxyder une espèce donneuse. Les propriétés photocatalytiques du TiO2 en font un photocatalyseur idéal. Il affiche une énergie de bande interdite élevée et est connu pour rendre le processus de dégradation photocatalytique peu coûteux et facile sous la lumière du soleil.[...]

Crystallization in solution is an extremely widespread natural and industrial process, which remains poorly mastered. In particular, recent literature has demonstrated that non-crystalline transient states frequently form before the crystal. These transient states are overlooked by construction by classical nucleation theories, but their precise impact on industrial processes is still very little discussed. In this context, this thesis focuses on the precipitation of cerium oxalate, used in the recycling processes of rare earths and actinides, and for which a type of non-crystalline transient has indeed been reported. The three main conclusions of this work are:(i) there is not one, but two well distinct and thermodynamically defined transitional phases which can coexist, namely solid amorphous nanoparticles and reactant-rich liquid droplets(ii) classical methods of ex situ incubation-counting of macroscopic particles underestimate the actual nucleation kinetics by several orders of magnitude. In situ methods that also resolve non-crystalline particles, like Small Angle X-rays Scattering, give a much better estimate but remain to be improved(iii) supersaturation calculated from the solubility of crystals is not a good indicator of the kinetics of nucleation. It is necessary to take into account not only the solubility of the two transient phases, but also the kinetics of transfer to the transient/crystal interface.Finally, we propose lines of thought linking a better understanding of the thermodynamics of transient phases, sometimes below 250ms, or even 10ms, to a better control of crystallization processes, not only for cerium oxalate, but also for other neodymium or terbium oxalates., La cristallisation en solution est un processus naturel et industriel extrêmement répandu mais encore mal maîtrisé. Notamment, la littérature récente a démontré que des transitoires non-cristallins sont fréquemment formés avant le cristal. Ces transitoires sont ignorés par construction dans les théories classiques de la germination, mais leur impact précis sur les procédés industriels est encore très peu discuté. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à la précipitation de l'oxalate de cérium, utilisée dans les procédés de recyclage des terres rares et des actinides et pour lequel un type de transitoire non-cristallin a effectivement été documenté. Les trois conclusions essentielles de ce travail sont :(i) il existe non pas une, mais deux phases transitoires bien distinctes et définies thermodynamiquement, à savoir des nanoparticules amorphes solides et des gouttelettes liquides riches en réactifs(ii) les méthodes classiques d'incubation-comptage ex situ de particules macroscopiques sous-estiment de plusieurs ordres de grandeur les cinétiques de germination réelles (flux). Des méthodes in situ capables de distinguer aussi les transitoires non cristallins donnent une bien meilleure estimation(iii) la sursaturation calculée à partir de la solubilité du cristal n'est pas un bon indicateur de la cinétique de germination. Il faut tenir compte non seulement de la solubilité des deux phases transitoires, mais aussi de la cinétique de transfert à l'interface transitoire/cristal.Nous proposons enfin des pistes de réflexion reliant une meilleure compréhension de la thermodynamique des transitoires, parfois en-deçà de 250ms, à un meilleur contrôle des procédés de cristallisation, non seulement pour l'oxalate de cérium, mais aussi pour d'autres oxalates de terres rares.

Les forces d'interaction de Van der Waals entre les agglomérats de nanoparticules sont déterminées à partir d'expressions analytiques dérivées d'une fonction de corrélation de paires simplifiée. Ces forces sont directement proportionnelles au taux de remplissage, un paramètre morphologique lié à l'empilement des particules primaires constitutives de l'agglomérat. Les expressions proposées sont en bon accord avec les calculs préliminaires basés sur des calculs détaillés de sphère-molécule., Van der Waals interaction forces between agglomerates of nanoparticles are determined based on analytical expressions derived from a simplified pair correlation function. These forces are directly proportional to the packing factor, a morphological parameter related to the packing of the constituting primary particles inside an agglomerate. The proposed expressions are in good agreement with preliminary calculations based on detailed sphere-molecule calculations.

Diabetes is a major health issue worldwide. It is characterized by hyperglycemia, insulin resistance and is associated with many microvascular and macrovascular complications. In diabetic conditions, methylglyoxal (MGO) levels are increased. MGO is a major precursor of advanced glycation end products (AGE) formation and it induces cellular oxidative stress, inflammation and endoplasmic reticulum (ER) stress. These cellular stresses play a crucial role in endothelial and blood brain barrier (BBB) dysfunctions and also delay the wound healing. My thesis objective was to improve the drug delivery of a plant derived compound (Curcumin). Curcumin has several beneficial properties such as antioxidant and anti-inflammatory properties but its effects are limited due to its hydrophobic nature. Nanovectors such as High Density Lipoprotein (HDL) or micelles may help to improve the delivery of curcumin. Curcumin vectorized by HDL or micelles were evaluated in two different models: in vitro brain endothelial cell protection from methylglyoxal and in vivo tail regeneration in Zebra fish. Curcumin loaded rHDL nanoparticles (Cur-rHDLs) were prepared by mixing HDL and curcumin briefly followed by ultracentrifugation. Amount of curcumin loaded was quantified by LC-MS/MS analysis. Brain endothelial cells (Bend3), were pre-treated with rHDL, curcumin and Cur-rHDLs for 1h before co-incubating with MGO. Cur-rHDLs showed a protective effect by reducing the cytotoxicity, reactive oxygen species (ROS) production, ER stress, and chromatin condensation induced by MGO. It also improved the endothelial cell integrity impaired by MGO. Cur-rHDLs showed a synergistic effect compared to curcumin or rHDL alone. Curcumin loaded carrageenan polysaccharide micelles (Cur-micelles) were prepared by using oligocarrageenan (digested carrageenan) copolymerized with polycaprolactone. Curcumin was loaded by acetone volatilization method. Cur-micelles were characterized by nuclear magnetic resonance analysis and dynamic light scattering analysis. On the Zebrafish tail amputation model, Cur-micelles increased macrophages and neutrophils recruitment to the site of tail injuryand had a positive impact on the tail regeneration by increasing the tail regenerative area. Curmicelles also showed a synergistic effect compared to curcumin or micelles alone. These studies show the potential beneficial effects of Cur-rHDLs and Cur-micelles on MGO stimulated endothelial cells and on zebrafish tail regeneration, respectively. They open new research perspectives to further investigate and understand the mechanisms that can be used to develop therapeutics for diabetic vascular complications., Le diabète est un problème majeur de santé publique. Il est caractérisé par une hyperglycémie, une résistance à l’insuline et est associé à des complications macro et micro vasculaires. En situation de diabètes, la concentration de méthylglyoxal (MGO) est augmentée. Le MGO est un précurseur des produits avancés de glycation (AGE) et il induit un stress oxydatif, une inflammation et un stress du réticulum endoplasmique. Ces stress jouent un rôle important dans les dysfonctions endothéliales et de la barrière hématoencéphalique ainsi que dans le retard de réparation des lésions. L’objectif de ma thèse a été d’améliorer la délivrance de curcumine, une molécule d’origine végétale. La curcumine a plusieurs effets bénéfiques tel que des activités anti oxydantes et anti inflammatoires, mais ces effets sont limités par son hydrophobicité. Des nanovecteurs tel que des protéines de hautes densités (HDL) ou des micelles peuvent améliorer la délivrance de la curcumine. L’effet de la curcumine, vectorisée par des HDL ou par des micelles, a été évaluée dans deux modèles différents : la protection de cellules endothéliales en présence de MGO in vitro et in vivo, la régénération de la nageoire caudale chez le poisson zèbre. Des nanoparticules de rHDL associées avec la curcumine (Cur-rHDLs) ont été préparées par ultracentrifugation après avoir mélangé brièvement les HDL avec la curcumine. Une analyse par LC-MS/MS a permis de quantifier la curcumine associée aux HDL. Les cellules endothéliales cérébrales Bend3 ont été prétraitées 1 heure en présence de rHDL, de curcumine ou de Cur-rHDLs puis incubées en présence de MGO. Sur des cellules traitées par du MGO, la Cur-rHDLs a montré un effet protecteur en réduisant la cytotoxicité, la production d’espèces radicalaires d’oxygène, le stress du réticulum endoplasmique et la condensation de la chromatine. Elle améliore également l’intégrité des cellules endothéliales compromise par le MGO. La Cur-rHDLs a un effet synergique en comparaison des effets de la curcumine ou des rHDLs seuls. Des micelles de polysaccharide d’algues (des carraghénanes) associées avec de la curcumine (Cur-micelles) ont été préparées en copolymérisant des oligocarraghénanes (carraghénanes digérées) avec du polycaprolactone. La curcumine a été associée aux micelles par la méthode d’évaporation de l’acétone. Les Cur-micelles ont été caractérisées par des analyses de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et de diffusion dynamique de la lumière. Dans ce modèle, les Cur-micelles augmentent le recrutement des macrophages et des neutrophiles au site de la lésion ainsi que la taille de la surface de la nageoire régénérée. Les Cur-micelles ont également un effet synergique en comparaison des effets de la curcumine ou des micelles seules. Ces travaux montrent les effets bénéfiques des Cur-rHDLs sur des cellules endothéliales en présence de MGO et des Cur-micelles sur la régénérescence de la nageoire caudale des poissons zèbres. Ils permettent une meilleure compréhension de ces approches et ouvrent de nouvelles perspectives de recherche pour le développement de thérapies dans le cadre de complications vasculaires associées au diabète.

Heavy metals (radionuclide and rare earth metals) play crucial roles in the contemporary lifestyle, particularly in green and clean energy technologies. Since they have unique physical, chemical, magnetic and luminescent proprieties, these “vitamins of modern industry” are used in variety of sectors such as electric and hybrid vehicles, super magnets, rechargeable batteries, and catalysis. Day-by-day, the increase of the concentration of these metals in water due to natural and anthropogenic activities, led to an increased environmental impact and water pollution. In this context, the aim of this project was to come up with new innovative polymeric materials, capable of decontaminate aqueous media from heavy metals.copper metalloprotein was successful.During this thesis, two different polymeric systems have been prepared: Core-shell nanoparticles and star polymers. These new materials have been synthesized from a monomer derived from dipicolinic acid, using controlled radical polymerization. The present approach includes a study of the self-assembly of a series of a new amphiphilic polystyrene-b-poly(4-vinyldipicolinic acid) diblock copolymers in aqueous solution. Beside, novel star-shaped polymers, with multifunctional calix[6]arene-type initiators were synthesized in the same aim. The success of these new materials in europium trapping in aqueous medium has been confirmed and quantified by using different characterization techniques ., Résumé : Les métaux lourds (radionucléides et terres rares) jouent un rôle crucial dans le mode de vie contemporain, en particulier dans les technologies tournées vers les énergies vertes et propres. Les propriétés physiques, chimiques, magnétiques et luminescentes de ces éléments sont uniques, ces « vitamines de l'industrie moderne » sont utilisées dans divers secteurs tels que les véhicules électriques et hybrides, les aimants, les batteries rechargeables et la catalyse. Jour après jour, la concentration élevée de ces métaux dans l'eau due aux activités naturelles et anthropiques, entraîne une augmentation sur l'impact environnemental et la contamination de l'eau. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est de proposer de nouveaux matériaux polymères innovants, capables de décontaminer les milieux aqueux.Au cours de cette thèse, deux systèmes polymères différents ont été préparés : des nanoparticules de type cœur-couronne et des polymères en étoile. Ces nouveaux matériaux ont été obtenus à partir d'un monomère dérivés de l'acide dipicolinique par polymérisation radicalaire contrôlée. Les nanoparticules ont été formées suite à l'auto-assemblage d'une série de nouveaux copolymères diblocs polystyrène-b-poly(acide 4-vinyldipicolinique) en solution aqueuse. Les polymères en forme d'étoile ont pour leur part été synthétisés à partir d'amorceurs multifonctionnels de type calix[6]arene. Le succès de ces nouveaux matériaux dans le piégeage d'europium dans un milieu aqueux a été confirmé et quantifié via de nombreuses technique de caractèsatin.

Lanthanide-doped nanoparticles constitute a versatile family of photoluminescent local nanoprobes. In this work, we study the photoluminescence of Eu3+-doped NaYF4 nanorods characterized by highly polarized spectra. We develop a full theoretical model and paraxial approximation for nanorod dipole emission. We measure the photoluminescence of individual nanorods by fluorescence confocal microscopy and determine some of their intrinsic optical properties. We also determine the nature (electric or magnetic) and orientations of dipoles moments of the optical transitions used for nanoprobing in the visible range.In addition to the full theoretical model and the paraxial approximation, Fourier microscopy provides a third method to determine the dipole moment angle and but also gives access to the efective height of the nanorods. We also clarify the role of the electric and magnetic transition, including Stark sublevels in the formation of the Fourier plane images, in contrast to the literature.Finally, we use the nanorods as probes for the local density of optical states by performing a Drexhage-like experiment. We study the photoluminescence emitted by the nanorods, focusing on the transitions 5D0 →7F1, 5D0 →7F2 and 5D0 →7F4, as a function of the distance to a gold mirror. We determine the branching electric/magnetic ratios, the oscillators strengths and the quantum yield of these transitions. We finally demonstrate that the nanorods can be used as a vectorial probe of the electric and magnetic contributions to the local density of optical states (LDOS)., Les nanoparticules dopées aux lanthanides constituent une famille polyvalente de nanosondes locales photoluminescentes. Dans ce travail, nous étudions la photoluminescence de nanobâtonnets de NaYF4 dopés à l'Eu3+ caractérisée par un spectre fortement polarisé. Nous développons un modèle théorique complet et une approximation paraxiale de l'émission dipolaire des nanobâtonnets. Nous mesurons la photoluminescence de nanobâtonnets individuels par microscopie confocale de fuorescence et déterminons certaines de leurs propriétés optiques intrinsèques. Nous déterminons également la nature (électrique ou magnétique) et les orientations des moments dipolaires des transitions optiques utiles comme sonde locale dans le domaine visible.En plus du modèle théorique complet et de l'approximation paraxiale, la microscopie de Fourier fournit une troisième méthode pour déterminer l'angle du moment dipolaire, tout en donnant également accès à la hauteur efective des nanobâtonnets. Nous clarfiions également le rôle de la transition électrique et magnétique, y compris les sous-niveaux de Stark dans la formation des images du plan de Fourier, pas pris en compte dans la littérature.En fin, nous utilisons les nanobâtonnets comme sondes pour la densité locale des états optiques en réalisant une expérience de Drexhage. Nous étudions la photoluminescence émise par les nanobâtonnets, en nous concentrant sur les transitions 5D0 →7F1, 5D0 →7F2 et 5D0 →7F4, en fonction de la distance à un miroir en or. Nous déterminons les rapports de branchement électrique/magnétique, les forces des oscillateurs et le rendement quantique de ces transitions. Nous démontrons que les nanobâtonnets peuvent être utilisés comme une sonde vectorielle des contributions électriques et magnétiques à la densité locale d'états optiques (LDOS).

Partie B; International audience; Incidental zinc sulfide nanoparticles (nano-ZnS) are spread on soils through organic waste (OW) recycling. Here we performed soil incubations with synthetic nano-ZnS (3 nm crystallite size), representative of the form found in OW. We used an original set of techniques to reveal the fate of nano-ZnS in two soils with different properties. 68 Zn tracing and nano-DGT were combined during soil incubation to discriminate the available natural Zn from the soil, and the available Zn from the dissolved nano-68 ZnS. This combination was crucial to highlight the dissolution of nano-68 ZnS as of the third day of incubation. Based on the extended X-ray absorption fine structure, we revealed faster dissolution of nano-ZnS in clayey soil (82% within 1 month) than in sandy soil (2% within 1 month). However, the nano-DGT results showed limited availability of Zn released by nano-ZnS dissolution after 1 month in the clayey soil compared with the sandy soil. These results highlighted: (i) the key role of soil properties for nano-ZnS fate, and (ii) fast dissolution of nano-ZnS in clayey soil. Finally, the higher availability of Zn in the sandy soil despite the lower nano-ZnS dissolution rate is counterintuitive. This study demonstrated that, in addition to nanoparticle dissolution, it is also essential to take the availability of released ions into account when studying the fate of nanoparticles in soil.

Les situations d’exposition professionnelle aux nanoparticules sont multiples. Les nombreuses applications des silices amorphes synthétiques font que les travailleurs sont particulièrement exposés par voie respiratoire lors des différentes phases de production, qui comprennent notamment le transfert, l’échantillonnage, la pesée, la mise en suspension mais aussi le conditionnement, l’emballage, le stockage et le transport des produits. Dans ce contexte, nous cherchons à mieux caractériser leurs effets sur la santé, notamment leur éventuel rôle d’adjuvant dans le déclenchement de réactions allergiques.

The general context of this thesis is an effort to establish a bridge between gravitational andoptical physics, specifically in the context of scattering problems using as a guideline concepts andtools taken from the theory of non-self-adjoint operators. Our focus is on Quasi-Normal Modes(QNMs), namely the natural resonant modes of open leaky structures under linear perturbationssubject to outgoing boundary conditions. They also are referred to as scattering resonances.In the conservative self-adjoint case the spectral theorem guarantees the completeness andspectral stability of the associated normal modes. In this sense, a natural question in the non-self-adjoint setting refers to the characterization and assessment of appropriate notions of QNMcompleteness and spectral stability in open non-conservative systems. This defines the generalobjective of this thesis. To this aim, and in contrast with the traditional approach to scatter-ing resonances, we adopt a methodology in which QNMs are cast as a spectral problem of anappropriate non-self-adjoint operator. Specifically this methodology is based on following threeingredients:(i) Hyperboloidal approach: The hyperboloidal slicing approach is already used in gravitationalproblems, we introduced it here to optical ones. The idea is to study the wave equationin hyperbolic slices instead of usually used Cauchy slices. The system of coordinates ismore adapted to the problem of QNMs and its outgoing boundary conditions, in particularaddressing the exploding modes in the Cauchy approach. The modes are normalizable insuch coordinates and working in these slices eliminate the need of imposing the outgoingboundary conditions.(ii) Pseudospectrum of an operator: the notion of epsilon-pseudospectrum allows to assess the (in)stabilityof eigenvalues of an operator in the complex plane due to a perturbation to the operator oforder epsilon. This thesis introduces the notion of pseudospectrum in gravitational and opticalphysics in the vicinity of the eigenvalues.(iii) Numerical Chebyshev spectral methods: On the technical level, spectral methods providesan efficient tool when translating the problem into a numerical one. In particular we usedChebyshev basis to expand our fields.The results of this work touch three areas:(i) The instability of QNMs for some class of potentials. The fundamental modes are stablespecially under small "high frequency" perturbations, whereas overtones are sensitive tosuch perturbations. The instability of the overtones increases as their imaginary part grows.(ii) The universality of the asymptotic behaviour of QNMs and pseudospectrum. We remarkan asymptotically logarithmic behavior of pseudospectrum contour lines and bounding theopening QNMs branches from below.(iii) QNMs expansion. We revisit Lax & Phillips asymptotic resonant expansions of a "scattered field" in terms of QNMs in our physical settings. In particular , we make use of Keldysh expansion of the generalizations of the expressions for normal modes of conservative systems, specifically in terms of normalizable QNM eigenfunctions and explicit expressions for the excitation coefficients., Le contexte général de cette thèse est un effort pour établir un pont entre la physique gravitationnelle et optique, spécifiquement dans le contexte des problèmes de diffusion à l’aide des concepts et des outils tirés de la théorie des opérateurs non auto-adjoints. Nous nous concentrons sur les modes quasi-normaux (MQN), appelés les modes de résonance naturels des structures à fuites ouvertes sous des perturbations linéaires soumises à des conditions de bords sortantes.Ils sont également appelés résonances de diffusion. Dans le cas auto-adjoint conservateur, le théorème spectral garantit la complétude et la stabilité spectrale des modes normaux associés.En ce sens, une question naturelle dans le cadre de non auto-adjoint est reliée à la caractérisation et à l’évaluation des notions appropriées de complétude de MQNs et de stabilité spectrale dans les systèmes ouverts non conservateurs. Ceci définit les objectifs de cette thèse. Pour ce faire, et contrairement à l’approche traditionnelle des résonances de diffusion, nous adoptons une méthodologie dans laquelle les MQNs sont présentés comme un problème spectral d’un opérateur approprié non auto-adjoint. Plus précisément, cette méthodologie est basée sur les trois ingrédients suivants :(i) L’approche hyperboloïdale: L’approche en tranchant hyperboloïdales est déjà utilisée dansles problèmes gravitationnels, nous l’avons introduite dans les problèmes optiques. L’idéeest d’étudier l’équation d’onde en tranches hyperboliques au lieu des tranches de Cauchy habituellement utilisées. Le système de coordonnées est plus adapté à la problématique des QNMs et de ses conditions aux limites sortantes, en particulier, aborder les modes explosifs dans l’approche de Cauchy. Les modes sont normalisables en de telles coordonnées ettravailler dans ces tranches éliminent le besoin d’imposer les conditions de bords sortantes.(ii) Pseudospectre d’un opérateur: la notion de epsilon-pseudospectre permet d’évaluer la (in)stabilité des valeurs propres d’un opérateur dans le plan complexe en raison d’une perturbation de l’opérateur d’ordre epsilon. Cette thèse introduit la notion de pseudospectre en physique gravitationnel et optique au voisinage des valeurs propres.(iii) Au niveau technique, les méthodes spectrales fournissent un outil efficace pour traduirele problème en un problème numérique. En particulier, nous avons utilisé la base de Chebyshev pour l’expansion des nos champs. Les résultats de ce travail touchent trois domaines :(i) L’instabilité des MQN pour certaines classes de potentiels. Les modes fondamentaux sont stables spécialement sous de petites perturbations "à haute fréquence", alors que les harmoniques sont sensibles à de telles perturbations. L’instabilité des harmoniques augmente à mesure que leur partie imaginaire grandit.(ii) L’universalité du comportement asymptotique des MQNs et du pseudospectre. Nous remarquons un comportement asymptotiquement logarithmique des lignes de contour du pseudospectre et délimitant les branches d’ouverture des MQNs par le bas.(iii) MQNs expansion. Nous revisitons les expansions résonantes asymptotiques de Lax &Phillips d’un "champ diffusé" en termes de MQNs pour nos problèmes physiques. En particulier, nous utilisons le développement de Keldysh des généralisations des expressions pour les modes normaux des systèmes conservateurs, spécifiquement en termes de fonctions propres MQN normalisables et d’expressions explicites pour les coefficients d’excitation.

Diabetes is a major health issue worldwide. It is characterized by hyperglycemia, insulin resistance and is associated with many microvascular and macrovascular complications. In diabetic conditions, methylglyoxal (MGO) levels are increased. MGO is a major precursor of advanced glycation end products (AGE) formation and it induces cellular oxidative stress, inflammation and endoplasmic reticulum (ER) stress. These cellular stresses play a crucial role in endothelial and blood brain barrier (BBB) dysfunctions and also delay the wound healing. My thesis objective was to improve the drug delivery of a plant derived compound (Curcumin). Curcumin has several beneficial properties such as antioxidant and anti-inflammatory properties but its effects are limited due to its hydrophobic nature. Nanovectors such as High Density Lipoprotein (HDL) or micelles may help to improve the delivery of curcumin. Curcumin vectorized by HDL or micelles were evaluated in two different models: in vitro brain endothelial cell protection from methylglyoxal and in vivo tail regeneration in Zebra fish. Curcumin loaded rHDL nanoparticles (Cur-rHDLs) were prepared by mixing HDL and curcumin briefly followed by ultracentrifugation. Amount of curcumin loaded was quantified by LC-MS/MS analysis. Brain endothelial cells (Bend3), were pre-treated with rHDL, curcumin and Cur-rHDLs for 1h before co-incubating with MGO. Cur-rHDLs showed a protective effect by reducing the cytotoxicity, reactive oxygen species (ROS) production, ER stress, and chromatin condensation induced by MGO. It also improved the endothelial cell integrity impaired by MGO. Cur-rHDLs showed a synergistic effect compared to curcumin or rHDL alone. Curcumin loaded carrageenan polysaccharide micelles (Cur-micelles) were prepared by using oligocarrageenan (digested carrageenan) copolymerized with polycaprolactone. Curcumin was loaded by acetone volatilization method. Cur-micelles were characterized by nuclear magnetic resonance analysis and dynamic light scattering analysis. On the Zebrafish tail amputation model, Cur-micelles increased macrophages and neutrophils recruitment to the site of tail injuryand had a positive impact on the tail regeneration by increasing the tail regenerative area. Curmicelles also showed a synergistic effect compared to curcumin or micelles alone. These studies show the potential beneficial effects of Cur-rHDLs and Cur-micelles on MGO stimulated endothelial cells and on zebrafish tail regeneration, respectively. They open new research perspectives to further investigate and understand the mechanisms that can be used to develop therapeutics for diabetic vascular complications., Le diabète est un problème majeur de santé publique. Il est caractérisé par une hyperglycémie, une résistance à l’insuline et est associé à des complications macro et micro vasculaires. En situation de diabètes, la concentration de méthylglyoxal (MGO) est augmentée. Le MGO est un précurseur des produits avancés de glycation (AGE) et il induit un stress oxydatif, une inflammation et un stress du réticulum endoplasmique. Ces stress jouent un rôle important dans les dysfonctions endothéliales et de la barrière hématoencéphalique ainsi que dans le retard de réparation des lésions. L’objectif de ma thèse a été d’améliorer la délivrance de curcumine, une molécule d’origine végétale. La curcumine a plusieurs effets bénéfiques tel que des activités anti oxydantes et anti inflammatoires, mais ces effets sont limités par son hydrophobicité. Des nanovecteurs tel que des protéines de hautes densités (HDL) ou des micelles peuvent améliorer la délivrance de la curcumine. L’effet de la curcumine, vectorisée par des HDL ou par des micelles, a été évaluée dans deux modèles différents : la protection de cellules endothéliales en présence de MGO in vitro et in vivo, la régénération de la nageoire caudale chez le poisson zèbre. Des nanoparticules de rHDL associées avec la curcumine (Cur-rHDLs) ont été préparées par ultracentrifugation après avoir mélangé brièvement les HDL avec la curcumine. Une analyse par LC-MS/MS a permis de quantifier la curcumine associée aux HDL. Les cellules endothéliales cérébrales Bend3 ont été prétraitées 1 heure en présence de rHDL, de curcumine ou de Cur-rHDLs puis incubées en présence de MGO. Sur des cellules traitées par du MGO, la Cur-rHDLs a montré un effet protecteur en réduisant la cytotoxicité, la production d’espèces radicalaires d’oxygène, le stress du réticulum endoplasmique et la condensation de la chromatine. Elle améliore également l’intégrité des cellules endothéliales compromise par le MGO. La Cur-rHDLs a un effet synergique en comparaison des effets de la curcumine ou des rHDLs seuls. Des micelles de polysaccharide d’algues (des carraghénanes) associées avec de la curcumine (Cur-micelles) ont été préparées en copolymérisant des oligocarraghénanes (carraghénanes digérées) avec du polycaprolactone. La curcumine a été associée aux micelles par la méthode d’évaporation de l’acétone. Les Cur-micelles ont été caractérisées par des analyses de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et de diffusion dynamique de la lumière. Dans ce modèle, les Cur-micelles augmentent le recrutement des macrophages et des neutrophiles au site de la lésion ainsi que la taille de la surface de la nageoire régénérée. Les Cur-micelles ont également un effet synergique en comparaison des effets de la curcumine ou des micelles seules. Ces travaux montrent les effets bénéfiques des Cur-rHDLs sur des cellules endothéliales en présence de MGO et des Cur-micelles sur la régénérescence de la nageoire caudale des poissons zèbres. Ils permettent une meilleure compréhension de ces approches et ouvrent de nouvelles perspectives de recherche pour le développement de thérapies dans le cadre de complications vasculaires associées au diabète.

Many studies have been conducted regarding photodynamic therapy. Photodynamic therapy is a tool used to non-invasively treat head, neck, and skin cancers as an alternative to more invasive chemotherapy and surgical treatments. Photodynamic therapy requires the use light, a photosensitizer, and molecular oxygen to bring forth cancer cell death. In order to further optimise this remarkable phototherapy, studies have been conducted using two-photon absorption combined photodynamic therapy. Shifting to two-photon absorption offers several advantages over conventional photodynamic therapy, such as reduced thermal photo-damage of the treated area by virtue of the lower energy of the near-infrared light. Near-infrared light also allows for deeper penetration improving the possibility of treating deeper lying tumours over conventional photodynamic therapy. Therefore, the aim of this dissertation is to present several ways in which photosensitizers can be optimised for two-photon absorption application. The work in this thesis covers the design, synthesis, optimisation, and characterisation for improving the two-photon absorption properties of photosensitizers for prospective use in photodynamic therapy. The first part covers encapsulation of a porphyrin photosensitizer using acetylated lignin to form nanoparticles. Two-photon excited fluorescence measurements were used to determine the two-photon absorption properties of the nanoparticles in both bulk solution as well as a single separated nanoparticle. Additional techniques used are two-photon absorption microscopy and atomic force microscopy. The second part of this work focuses on the optimisation of the well-known, second-generation, photosensitizer Foscan®. Foscan® is chemically altered and the two-photon absorption properties are determined using two-photon excited fluorescence and power dependence measurements. Calculation of the two-photon absorption cross-section values displayed improvements upon Foscan® and show promise for the adaptation of Foscan® from conventional, one-photon photodynamic therapy to two-photon. The third part covers the design and organic synthesis of a novel porphyrin-based photosensitizer for two-photon application. Following the optimisation of several synthetic routes and the design of novel procedures, the synthesised molecules are all characterised by standard 1H-NMR and mass spectrometry. The synthesised porphyrin cores are further characterised by UV-Visible absorption and their two-photon absorption properties measured using the Z-scan technique. The calculated two-photon absorption cross-section values also display modest improvements upon well-known photosensitizers. The final part of this thesis includes the expansion of the porphyrin macrocycle. This particular work discusses expansion using naphthalene and substitution to include heavy elements (thiophene, selenophene, and tellurophene). The two-photon absorption properties of the compounds in this section are measured using the Z-scan technique and their two-photon cross-section values calculated. These molecules demonstrate reasonable values up to 1400 nm, wavelengths not previously measured for these types of compounds. The results from each section of this thesis display improvements upon already established photosensitizers, proving the usefulness of these design changes and provide many possibilities for the future use of these types of compounds. We hope this work will aid in optimising and modifying photosensitizers for two-photon absorption applications, particularly photodynamic therapy., De nombreuses études ont été menées sur la thérapie photodynamique. La thérapie photodynamique est un outil utilisé pour traiter de manière non invasive les cancers de la tête, du cou et de la peau comme alternative à la chimiothérapie et aux traitements chirurgicaux plus invasifs. La thérapie photodynamique nécessite l'utilisation de lumière, d'un photosensibilisateur et d'oxygène moléculaire pour provoquer la mort des cellules cancéreuses. Afin d'optimiser davantage cette photothérapie remarquable, des études ont été menées en utilisant la thérapie photodynamique combinée d'absorption à deux photons. Le passage à l'absorption à deux photons offre plusieurs avantages par rapport à la thérapie photodynamique conventionnelle, tels que la réduction des photo-dommages thermiques de la zone traitée en raison de la faible énergie de la lumière proche infrarouge. La lumière proche infrarouge permet également une pénétration plus profonde améliorant la possibilité de traiter des tumeurs plus profondes par rapport à la thérapie photodynamique conventionnelle. Par conséquent, le but de cette thèse est de présenter plusieurs façons d'optimiser les photosensibilisateurs pour une application d'absorption à deux photons. Les travaux de cette thèse portent sur la conception, la synthèse, l'optimisation et la caractérisation pour améliorer les propriétés d'absorption à deux photons des photosensibilisateurs pour une utilisation prospective en thérapie photodynamique. La première partie couvre l'encapsulation d'un photosensibilisateur porphyrine à l'aide de lignine acétylée pour former des nanoparticules. Des mesures de fluorescence excitée à deux photons ont été utilisées pour déterminer les propriétés d'absorption à deux photons des nanoparticules dans la solution en vrac ainsi que dans une seule nanoparticule séparée. Les techniques supplémentaires utilisées sont la microscopie d'absorption à deux photons et la microscopie à force atomique. La deuxième partie de ce travail porte sur l'optimisation du célèbre photosensibilisateur Foscan® de deuxième génération. Le calcul des valeurs de la section efficace d'absorption à deux photons a montré des améliorations par rapport à Foscan® et semble prometteur pour l'adaptation de Foscan® de la thérapie photodynamique conventionnelle à un photon à la thérapie à deux photons. La troisième partie couvre la conception et la synthèse organique d'un nouveau photosensibilisateur à base de porphyrine pour une application à deux photons. Suite à l'optimisation de plusieurs voies de synthèse et à la conception de nouvelles procédures, les molécules synthétisées sont toutes caractérisées par RMN 1H standard et spectrométrie de masse. Les valeurs calculées de la section efficace d'absorption à deux photons affichent également des améliorations modestes par rapport aux photosensibilisateurs bien connus. La dernière partie de cette thèse comprend l'expansion du macrocycle de la porphyrine. Ce travail particulier traite de l'expansion à l'aide de naphtalène et de la substitution pour inclure des éléments lourds (thiophène, sélénophène et tellurophène). Les propriétés d'absorption à deux photons des composés de cette section sont mesurées à l'aide de la technique de balayage Z et leurs valeurs de section efficace à deux photons sont calculées. Ces molécules présentent des valeurs raisonnables jusqu'à 1400 nm, des longueurs d'onde non mesurées auparavant pour ces types de composés. Les résultats de chaque section de cette thèse présentent des améliorations par rapport aux photosensibilisateurs déjà établis, prouvant l'utilité de ces changements de conception et offrent de nombreuses possibilités pour l'utilisation future de ces types de composés. Nous espérons que ce travail aidera à optimiser et à modifier les photosensibilisateurs pour les applications d'absorption à deux photons, en particulier la thérapie photodynamique.

In the recent decades, nanomaterials are in the forefront of investigations in the field materials science, due to their beneficial size-dependent properties in many instances. The goal of this work was the development of atomistic models and new computer simulation techniques to describe a phase separation in nanoparticles. For this, new Stochastic kinetic mean-field (SKMF) model was developed. In order to better understand the asymmetric miscibility gap of binary systems the gradient energy coefficient-composition function κ(c) was calculated from the interaction energy V (c) of a solution. This improved SKMF model was applied to simulate a spinodal decomposition and nucleation in Ag-Cu alloy and nanoparticles. The simulations results were compared with experimental observations of Ag-Cu nanoparticles. It was shown that the surface composition values are close to the ones calculated from a single-layer Fowler-Guggenheim approximation. I also demonstrated that this method is able to reproduce the Gibbs-Thomson effect. In addition, a new quantitative multiscale procedure based on the SKMF and phase field models was developed to study the nucleation-growth-coarsening process in alloys., Au cours des dernières décennies, les nanomatériaux sont au premier plan des recherches dans le domaine de la science des matériaux, ceci étant du à leurs propriétés intéressantes liées à leur taille. L’objectif de ce travail a été le développement de modèles atomistiques et de nouvelles techniques de simulations numériques pour décrire la décomposition spinodale dans les nanoparticules. Pour cela, un nouveau modèle stochastique de champ moyen cinétique (Stochastic Kinetic Mean-Field, SKMF) a été développé. Afin de mieux comprendre l’asymétrie de la lacune de miscibilité dans les systèmes binaires Ag-Cu, le coefficient dans l’énergie d’interface κ(c) entre les deux phases en coexistence, dépendant de la concentration, a été calculé à partir de l’énergie d’interaction V(c) de la solution. Ce nouveau modèle SKMF a été appliqué pour simuler une décomposition spinodale et la germination croissance dans d’un alliage Ag-Cu ainsi que dans une nanoparticule. Les résultats de la simulation ont été comparés avec les observations expérimentales de nanoparticules d’Ag-Cu. Il a été montré que la composition de la surface est proche de celle calculée pour une approximation de Fowler-Guggenheim sur une seule couche. Il a aussi été démontré que cette méthode est capable de reproduire l’effet de Gibbs-Thomson. De plus, une nouvelle méthode quantitative multi-échelle basée sur les modèles SKMF et de champ de phase a été développée pour étudier les processus de germination, croissance et coalescence dans les alliages binaires.

This thesis is about the development of a nanosensor made of metallic nanoparticles and DNA. The target is the survey of DNA epigenetic by metal enhancement fluorescence detection in the range of UV. Firstly, colloidal aluminum nanoparticles were synthesized by a new method, mixing sonochemistry and solvochemistry. Secondly, an optical characterization was made by a homemade UV confocal microscope, to measure theirs plasmonic behaviors. Thirdly, the DNA was attached on the aluminum nanostructure to built the sensor. Finally, it was tested in the visible by fluorescent analysis. Moreover, fluorescence correlation spectroscopy measurements (FCS) were conducted on another visible sensor in order to understand the plasmonic contribution on the fluorescent probe. This project launches further projects, by using the new synthesis method for other materials or by changing the target of the sensor.; Cette thèse concerne le développement d’un nano-capteur à base de nanoparticules et d’ADN. L’objectif était de fabriquer un dispositif permettant de suivre les modifications épigénétiques de l’ADN, par exaltation de fluorescence, dans le domaine des ultraviolets. Dans un premier temps, une nouvelle synthèse de nanoparticule d’aluminium colloïdale a été réalisée, en utilisant la sonochimie et la solvochimie. Ces nanoparticules ont été caractérisées optiquement pour confirmer leurs propriétés plasmoniques UVs, à l’aide d’un microscope optique confocal, développé pour le projet. Enfin, un protocole de fonctionnalisation entre l’aluminium et l’ADN a été mis en place pour finaliser le capteur. En parallèle, des mesures de suivi d’exaltation de la fluorescence par un métal (MEF) ont été conduites, dans le visible, pour démontrer l’apport de la plasmonique dans les modifications des transitions électroniques du fluorophore. Pour cela, la technique de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) a notamment été utilisée. Ce projet ouvre la voie à de nouveaux projets de recherche, que ce soit en adaptant la nouvelle synthèse à d’autres métaux ou en changeant la fonction primaire du capteur.

This PhD work focused on the development of new therapeutic vectors for the treatment of Parkinson's disease. Parkinson's disease is a neurodegenerative disease characterized by the presence of proteinaceous intracytoplasmic inclusions called "Lewy bodies", mainly composed of α-synuclein. One of the causes for their formation may rely on the impairment of the autophagy-lysosomal pathway. Therefore, the restoration of autophagic function constitutes an interesting therapeutic target against Parkinson's disease. An interdisciplinary approach enabled to work on the various stages of research for therapeutic purposes, from the chemical synthesis of active substances to their nanoformulation, and then to the biological evaluation of these nano-vectors. First, the restoration of the lysosomal pH by poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) nanoparticles was investigated. This first part allowed concluding that these nanoparticles bear a neuroprotective activity, associated with a synucleinopathy reduction and a restoration of autophagy in a mouse model of Parkinson's disease. Secondly, the effect of a neuroprotective active substance, trehalose, was evaluated in-vitro on a neuronal cell line (BE (2)-M17), notably on the activation of the autophagy-lysosomal pathway. Nucleolipid-trehalose derivatives (called GlycoNucleoLipids or GNL) were developed and synthetized before their encapsulation in PLGA nanoparticles. These GNLs demonstrated their ability to self-assemble into solid lipid nanoparticles (called SLN) capable, like their PLGA analogues, of crossing cell membranes and of inducing the autophagic flux., Cette thèse a porté sur le développement de nouveaux vecteurs thérapeutiques pour le traitement de la maladie de Parkinson. La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative qui se caractérise notamment par la présence d’inclusions protéiques intracytoplasmiques appelées « corps de Lewy ». L'une des causes de la formation de ces « corps de Lewy », principalement composés d’α-synucléine, serait l’atteinte du système autophagie-lysosome, nécessaire à la dégradation des composants cellulaires. Le rétablissement des fonctions de l’autophagie constitue donc une cible thérapeutique intéressante pour lutter contre la maladie de Parkinson. Une approche interdisciplinaire a permis de travailler sur les diverses étapes de la recherche à visée thérapeutique, de la synthèse chimique de substances actives à leur nano-formulation, puis à l’évaluation biologique de ces nanovecteurs. Premièrement, les propriétés biologiques de restauration du pH lysosomal des nanoparticules de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA) ont été étudiées. Cette première partie a permis de conclure que ces nanoparticules possédaient une activité neuroprotectrice, tout en améliorant la synucléinopathie et un rétablissement de la fonction lysosomale chez un modèle murin de la maladie de Parkinson. Deuxièmement, l’effet thérapeutique d’une substance active reconnue comme neuroprotectrice, le tréhalose, a été évalué in-vitro sur une lignée cellulaire (BE (2)-M17), notamment pour sa capacité d’activation de l’autophagie. Des dérivés nucléolipide-tréhalose (appelés GlycoNucléoLipides ou GNL) ont donc été développés et synthétisés avant leur encapsulation à l’intérieur de nanoparticules de PLGA. Ces GNL ont également montré leur capacité d’auto-assemblage pour former des nanoparticules solides lipidiques (appelées SLN) capables, comme leurs analogues de PLGA, de traverser les membranes cellulaires et d’induire une activation de l’autophagie.

National audience; L’analyse d’élément traces concerne des domaines aussi variés que celui de l’environnement, de la santé ou encore de l’électronique. Les protocoles développés vont ainsi être directement conditionnés par ces champs d’application (nature des échantillons, niveau de trace, nature de l’information requise...). Après une approche globale de l’analyse de traces, cet article expose les grandes étapes de l’analyse de la teneur totale en éléments (mesure proprement dite mais aussi échantillonnage, mise en solution, concentration), puis traite de cas plus spécifiques (imagerie, spéciation, analyse de nanoparticules). La dernière partie est consacrée à la validation et à la fiabilité des résultats.

National audience; Flexible strain devices are associated with the rapid growth of soft robotics and wearable equipment. Over last few years, a large number of new devices based on flexible strain sensors have been introduced for use in healthcare fields, and human-computer interactions among others. Usually, flexible sensors have excellent mechanical and electrical properties, such as high sensitivity, high-resolution and rapid response but they often lack stability and durability. Flexible sensing devices typically consist of active elements such as nanoparticles or nanowires and a soft substrate. Among the sensing materials used, 1D nanomaterials exhibit unique benefits due to their inherent structural characteristics i.e. the large surface to volume ration resulting in enhanced mechanical and electrical properties. In this thesis, gold nanoparticles (AuNP) functionalized with MPA (3-Mercaptopropionic acid) ligand and covalently grafted onto silica helical nanostr! uctures by an amide bond, are used as the sensing active element. These materials are referred to as Helical Nanostructures (HNS). Thanks to their helical morphology, mimicking a mechanical spring, highly stable and very sensitive strain sensors have been fabricated. To enhance the performances of the strain sensors, the HNS are unidirectionally aligned and precisely deposited on interdigitated electrodes using dielectrophoresis (DEP). The electrical resistance of the sensors can be tuned using a multiple step DEP deposition. The sensors are then encapsulated with an insulating thin film to protect the active materials from dust and moisture. Mechanical characterization has been carried out using a three-point bending mechanical test bench. Further, humidity and temperature tests have been performed. The obtained results show a high stability of the strain sensors when they are encapsulated without impacting their sensitivity. The HNS strain sensors can measure strain as low as 0.01% with a gauge factor up to 80. They are very stable (variation of less than a few % over 2 million cycles at 1% strain) and show no hysteresis. They were successfully used for performing electrophysiological measurements like cardiac pulse monitoring. These striking features make these HNS devices of particular interest for applications in the field of soft robotics and healthcare.; L’essor des dispositifs flexibles est associé à la croissance rapide de la robotique souple et des équipements portables. Au cours des dernières années, un grand nombre de nouveaux dispositifs basés sur des capteurs de déformation souples ont été introduits pour être utilisés dans les domaines de la santé et des interactions homme-machine, entre autres. Les capteurs flexibles ont généralement d'excellentes propriétés mécaniques et électriques en termes de sensibilité, de résolution et de temps de réponse mais ils sont peu stables et leur durée de vie est très limitée. Ce type de capteurs se composent le plus souvent d'éléments actifs tels que des nanoparticules ou des nanofils déposés sur un substrat souple. Parmi les matériaux de détection utilisés, les nanomatériaux 1D présentent des avantages uniques en raison de leurs caractéristiques structurales inhérentes, c'est-à-dire un rapport surface/volume important qui ! permet d'améliorer les propriétés mécaniques et électriques. Dans cette thèse, des nanoparticules d'or (AuNP) fonctionnalisées avec le ligand MPA (acide 3-Mercaptopropionique) et greffées de manière covalente sur des nanostructures hélicoïdales de silice par une liaison amide, sont utilisées comme élément actif de détection. Ces matériaux sont désignés sous le nom de nanostructures hélicoïdales (HNS). Grâce à leur morphologie en hélice, proche de celle d’un ressort mécanique, des capteurs de déformation très stables et très sensibles ont été fabriqués. Pour améliorer les performances des capteurs de déformation, les HNS sont alignées de manière unidirectionnelle et déposées avec précision sur des électrodes interdigitées par diélectrophorèse (DEP). La résistance électrique des capteurs peut être modulée en utilisant un dépôt DEP en plusieurs étapes. Les capteurs sont ensuite encapsulés avec un film mince isolant pour protéger les matériaux actifs de la poussière et de l'humidité. La caractérisation mécanique a été réalisée à l'aide d'un banc d'essai mécanique en flexion trois points. De plus, des tests d'humidité et de température ont été réalisés. Les résultats obtenus montrent une grande stabilité des capteurs de contrainte lorsqu'ils sont encapsulés sans dégrader leur sensibilité. Les capteurs de contrainte HNS peuvent mesurer des contraintes aussi faibles que 0,01% avec un facteur de jauge allant jusqu'à 80. Ils sont très stables (variation de moins de quelques % sur 2 millions de cycles à 1% de déformation) et ne présentent aucune hystérésis. Ils ont été utilisés avec succès pour effectuer des mesures électrophysiologiques du rythme cardiaque. Les caractéristiques remarquables de nos capteurs les rendent particulièrement intéressants pour des applications dans le domaine de la robotique souple et de la santé.

Based on the existed fluid model in our group , a 1D fluid model of radio-frequency (RF) capacitively-coupled silane/hydrogen plasmas that includes a detailed chemistry for silane-hydrogen discharge as well as the surface reactions to account for deposition and etching processes has been developed and tested against the experimental results. In particular, the surface chemistry including recombination, etching, and deposition reactions is coupled to the fluid model via a set of reaction probabilities. The 1-D fluid model was also coupled with a sectional model and transport equations to account for the formation of nanoparticles within plasma and the evolution of both size and charge distributions of the nanoparticles. To make the coupled 1-D fluid-sectional model computationally efficient, a time-splitting method was employed. Two groups of the fast and slow variables were defined depending on the characteristic time scale of their dynamics with respect to the period of RF field oscillations. The governing equations for two groups were solved in alteration by keeping the variables from another group as the “frozen” ones and using a smaller time step for the fast variable group compared to the time step for the slow variable group. The time averaged values of the fast variables (e.g. electrical potential, electron temperature, gas species densities, fluxes of species onto particles, nucleation rate, ion drag force) were used as the input values for the block of slow variable equations. The parametric tests were performed to find the optimal time-splitting conditions (fast and slow time steps, number of RF cycles for the fast variable block). The time-splitting approach was validated with the fully coupled code by using the same time step for both fast and slow variables. Also, the contribution of nanoparticles to the total deposition rate of silicon thin films was estimated and compared with experiments.Both numerical and experimental studies of the effects of gas pressure (1 to 3.5 Torr) and silane concentration (2 to 10%) on the deposition rate of silicon thin films in a standard plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor demonstrated that the deposition rate as determined from the optical modelling of UV-visible spectroscopic ellipsometry measurements agrees well with the modeling results. SiH3 radicals are found to be the main contributor to the computed deposition rates, whereas H3+ ions play the main role in the etching process.The developed 1-D fluid model can be used for the studies of complex silane/hydrogen plasma properties at different process conditions, thus, predicting the behavior of plasma species and nanoparticles at nanoscale that is not accessible with the direct in-situ measurement techniques., Sur la base d’un modèle fluide développé dans notre groupe, un modèle fluide 1D de plasmas silane/hydrogène dans des décharges RF à couplage capacitif comprenant une chimie détaillée du plasma ainsi que des réactions de surface pour tenir compte des processus de dépôt et de gravure a été développé et testé par rapport aux résultats expérimentaux. En particulier, la chimie de surface, y compris les réactions de recombinaison, de gravure et de dépôt, est couplée au modèle de fluide via un ensemble de probabilités de réaction. Le modèle fluide 1-D a également été couplé à un modèle sectionnel et à des équations de transport pour tenir compte de la formation de nanoparticules dans le plasma et de l'évolution des distributions de taille et de charge des nanoparticules. Pour rendre le modèle fluide-sectionnel couplé 1-D efficace du point de vue informatique (réduire le temps de calcul), une méthode de fractionnement du temps a été utilisée. Deux groupes de variables (rapides et lentes) ont été définis en fonction de l'échelle de temps caractéristique de leur dynamique par rapport à la période des oscillations du champ RF (74 ns). Les équations régissant les deux groupes ont été résolues de façon itérative en gardant les variables d'un autre groupe comme « figées » et en utilisant un pas de temps plus petit pour le groupe de variables rapides par rapport au pas de temps pour le groupe de variables lentes. Les valeurs moyennes dans le temps des variables rapides (par exemple le potentiel électrique, la température électronique, la densités d'espèces gazeuses, le flux d'espèces sur les particules, le taux de nucléation, ou la force de traînée ionique) ont été utilisées comme valeurs d'entrée pour le bloc d'équations de variables lentes. Les tests paramétriques ont été effectués pour trouver les conditions optimales de répartition dans le temps (pas de temps rapides et lents, nombre de cycles RF pour le bloc variable rapide). L'approche de fractionnement du temps a été validée avec le code entièrement couplé en utilisant le même pas de temps pour les variables rapides et lentes. De plus, la contribution des nanoparticules au taux de dépôt total des films minces de silicium a été estimée et comparée à des expériences.Des études numériques et expérimentales sur les effets de la pression du gaz (1 à 3,5 Torr) et de la concentration de silane (2 à 10 %) sur la vitesse de dépôt de films minces de silicium ont démontré que la vitesse de dépôt déterminé à partir de la modélisation des mesures de la fonction diélectrique pare ellipsométrie dans le domaine UV-visible concorde bien avec les résultats de la modélisation. Les radicaux SiH3 s'avèrent être le principal contributeur aux taux de dépôt calculés, tandis que les ions H3+ jouent le rôle principal dans le processus de gravure.Le modèle fluide 1-D peut être utilisé pour étudier les propriétés complexes du plasma silane/hydrogène dans différentes conditions de procédé, et prédire ainsi le comportement des espèces réactives et des nanoparticules, ce qui n’est pas facilement accessible avec des techniques de mesure caractérisation in situ.

Les plastiques sont omniprésents dans l’environnement où ils sont retrouvés de manière ubiquitaire dans les eaux, les sols et l’air et à différentes tailles, allant des plastiques macroscopiques aux dimensions nanométriques. La voie d’exposition majeure aux plastiques est via l’ingestion. Or, il a été démontré que les particules de taille inférieure à 150 nm peuvent traverser le tractus gastro-intestinal. Pourtant, l’impact sur la santé humaine de ces nanoplastiques n’est à ce jour pas démontré. C’est pour cela que dans cette étude, des modèles d’épithélium intestinal humain ont été utilisés pour tester la toxicité de nanoparticules de polystyrène, une catégorie de plastique largement présente dans l’environnement. Des modèles d’épithélium en co-culture ont été utilisés, composés d’entérocytes Caco2-LV-Nod2 WT ou Caco2-LV-Nod21007fs et des cellules sécrétrices de mucus HT29-MTX. Ainsi, un modèle d’épithélium sain et un modèle d’épithélium comportant des cellules porteuses d’un gène associé à la maladie de Crohn ont été utilisés. La maladie de Crohn est une maladie inflammatoire chronique du tube digestif qui est favorisée par des facteurs environnementaux. Des tests pour évaluer la toxicité de ces nanoplastiques ont été effectués afin de déterminer l’impact de ces nanoparticules sur la santé humaine : l’évaluation de la cytotoxicité, la mise en évidence d’espèces réactives de l’oxygène et de marqueurs de l’inflammation et des tests de génotoxicité. Cette étude fournit des informations sur la toxicité des nanoparticules de polystyrène sur les cellules de l’intestin humain, qui sont utiles pour évaluer le risque de ces nanoparticules chez l’homme.

For several years, the use of nanotechnology has been at the heart of research. The use of nanoparticles in oncology opens a vast field of clinical applications. Indeed, nanoparticles have the ability to act as radiosensitizers. They enhance the effectiveness of irradiation in tumor cells, and may represent a promising approach for the local treatment of tumors by external radiotherapy. In this context, the biotechnology company, NH TherAguix (Grenoble, France), has developed AGuIX (Activation and Guidance of Irradiation by X-ray) nanoparticles. These ultra-small nanoparticles, around 5 nm, are composed of a polysiloxane matrix and gadolinium chelates. The nanoparticles have very high radiosensitizing properties as well as contrast agent properties due to the presence of gadolinium. According to the various studies carried out, no signs of toxicity were observed in two animal species (rodents and monkeys) after intravenous administration. The biodistribution in different animal models has shown that the nanoparticles accumulate passively and selectively in tumours due to the EPR effect (Enhanced Permeability and Retention effect) and are cleared via renal elimination. A radiosensitizing effect has also been observed with different types of irradiation in vitro and in vivo on several types of cancers, including radio-resistant models. These promising nanoparticles are therefore currently undergoing clinical trials combined with radiotherapy in several centres in France and in the USA. This review summarizes the main preclinical results that have led to the first administration of AGuIX nanoparticles in humans., Depuis quelques années, l’utilisation des nanotechnologies est au cœur des recherches thérapeutiques. L’utilisation en cancérologie de nanoparticules ouvre un vaste champ d’applications cliniques. En effet, les nanoparticules ont la capacité d’agir comme des radiosensibilisants. Elles permettent d’améliorer l’efficacité de l’irradiation au niveau des cellules tumorales. Leur utilisation pourrait donc être une approche prometteuse pour le traitement local des tumeurs par radiothérapie externe. Dans ce contexte, la société de biotechnologies NH TherAguix (Grenoble, France) développe les nanoparticules AGuIX (Activation and Guidance of Irradiation by X-ray). Ce sont des nanoparticules de très petite taille, de l’ordre de 5 nm, constituées d’une matrice de polysiloxane et de chélates de gadolinium. Elles possèdent des propriétés radiosensibilisantes très importantes ainsi que des propriétés d’agent de contraste, grâce à la présence de gadolinium. D’après les différentes études réalisées, aucun signe de toxicité n’a été observé sur deux espèces animales (rongeurs et singes) après une administration intraveineuse. La biodistribution sur différents modèles animaux a prouvé une accumulation passive et sélective dans les tumeurs grâce à l’effet EPR (Enhanced Permeability and Retention effect) et une élimination rénale des nanoparticules après administration. Un effet radiosensibilisant a également été observé avec différents types d’irradiations in vitro et in vivo, sur plusieurs types de cancers, y compris des modèles radiorésistants. Ces nanoparticules prometteuses sont actuellement en cours d’évaluation dans des essais cliniques, en association avec la radiothérapie dans plusieurs centres en France et aux États-Unis. Cette revue résume ainsi les principaux résultats précliniques qui ont conduit à la première administration chez l’homme des nanoparticules AGuIX.

International audience; For several years, the use of nanotechnology has been at the heart of research. The use of nanoparticles in oncology opens a vast field of clinical applications. Indeed, nanoparticles have the ability to act as radiosensitizers. They enhance the effectiveness of irradiation in tumor cells, and may represent a promising approach for the local treatment of tumors by external radiotherapy. In this context, the biotechnology company, NH TherAguix (Grenoble, France), has developed AGuIX (Activation and Guidance of Irradiation by X-ray) nanoparticles. These ultra-small nanoparticles, around 5 nm, are composed of a polysiloxane matrix and gadolinium chelates. The nanoparticles have very high radiosensitizing properties as well as contrast agent properties due to the presence of gadolinium. According to the various studies carried out, no signs of toxicity were observed in two animal species (rodents and monkeys) after intravenous administration. The biodistribution in different animal models has shown that the nanoparticles accumulate passively and selectively in tumours due to the EPR effect (Enhanced Permeability and Retention effect) and are cleared via renal elimination. A radiosensitizing effect has also been observed with different types of irradiation in vitro and in vivo on several types of cancers, including radio-resistant models. These promising nanoparticles are therefore currently undergoing clinical trials combined with radiotherapy in several centres in France and in the USA. This review summarizes the main preclinical results that have led to the first administration of AGuIX nanoparticles in humans.; Depuis quelques années, l’utilisation des nanotechnologies est au cœur des recherches thérapeutiques. L’utilisation en cancérologie de nanoparticules ouvre un vaste champ d’applications cliniques. En effet, les nanoparticules ont la capacité d’agir comme des radiosensibilisants. Elles permettent d’améliorer l’efficacité de l’irradiation au niveau des cellules tumorales. Leur utilisation pourrait donc être une approche prometteuse pour le traitement local des tumeurs par radiothérapie externe. Dans ce contexte, la société de biotechnologies NH TherAguix (Grenoble, France) développe les nanoparticules AGuIX (Activation and Guidance of Irradiation by X-ray). Ce sont des nanoparticules de très petite taille, de l’ordre de 5 nm, constituées d’une matrice de polysiloxane et de chélates de gadolinium. Elles possèdent des propriétés radiosensibilisantes très importantes ainsi que des propriétés d’agent de contraste, grâce à la présence de gadolinium. D’après les différentes études réalisées, aucun signe de toxicité n’a été observé sur deux espèces animales (rongeurs et singes) après une administration intraveineuse. La biodistribution sur différents modèles animaux a prouvé une accumulation passive et sélective dans les tumeurs grâce à l’effet EPR (Enhanced Permeability and Retention effect) et une élimination rénale des nanoparticules après administration. Un effet radiosensibilisant a également été observé avec différents types d’irradiations in vitro et in vivo, sur plusieurs types de cancers, y compris des modèles radiorésistants. Ces nanoparticules prometteuses sont actuellement en cours d’évaluation dans des essais cliniques, en association avec la radiothérapie dans plusieurs centres en France et aux États-Unis. Cette revue résume ainsi les principaux résultats précliniques qui ont conduit à la première administration chez l’homme des nanoparticules AGuIX.

Diseases of the heart and blood vessels are still the leading causes of death in most European countries, as well as Canada and the USA. Often, a blockage of the arteries induced by stenosis results in the need for a bypass surgery. Even though, harvesting the vein from the patient himself, avoiding immune response, seems like the most advantageous solution, it does in fact, in one third of the cases, show to be unsuccessful. For that reason, polytetrafluoroethylene (PTFE) vascular grafts are used. They show to have good mechanical properties and stability but could, in some cases, have unwanted side effect and cause neointimal hyperplasia on the interface between the native vessel and the vascular graft, this in return can result in restenosis. In order to inhibit this phenomenon, it has been proposed to use a drug, imatinib mesylate (IM), which is an inhibitor of three kinase receptors: PDGF-R, c-Kit and abl, where the first two ones are implicated in the occurrence of neointimal hyperplasia. It has been shown that small doses of IM successfully inhibit SMC proliferation without slowing down the endothelialisation, hence it has been chosen as the drug to improve the functionality of PTFE vascular grafts.The goal of this project was to find a way to develop an innovative approach to incorporate imatinib mesylate into the vascular grafts and enable its controlled release upon contact with the blood. To do that, the creation of thin films by Atmospheric Pressure Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (AP-PECVD) in a Dielectric Barrier Discharge (DBD) configuration was chosen to be conducted. However, to protect the drug from the energetic and reactive plasma species, nanoparticles (NPs) were used to encapsulate the drug and to act as another level for controlled drug release. Indeed, deposition of an organic nanostructured, by silica nanoparticles, drug-filled thin layer has been achieved under atmospheric pressure in an argon plasma. The way this problem was tackled, was to first study the behavior of the organic precursor in the plasma by in-situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), while the thin film is deposited and compare with the characterization of the final layer. First, the observation of artefacts in infrared spectra of plasmas, mistakenly attributed in the literature to vibration lines, was explained and described mathematically. The results obtained show that the wavenumber at which these artefacts are observed depends on the frequency at which the plasma is generated and on the sampling frequency of the interferogram measured by the spectrometer. Secondly, plasma technology at atmospheric pressure in FSK (Frequency Shift Keying) mode at 1 kHz and 15 kHz was used to simultaneously deposit a plasma polymer, using ethyl lactate as a precursor, and silica nanoparticles, dispersed beforehand in the precursor. This work clearly shows that the nanoparticles are preferentially deposited during the low frequency cycle of the discharge, while the polymerization of the precursor, which requires more energy, is rather observed at a higher frequency. Subsequently, space-resolved infrared spectroscopy was used to compare the polymerization mechanisms of ethyl lactate for two modes of discharge, namely the filamentary regime and the homogeneous regime. The results thus generated made it possible to follow the degradation of the organic precursor throughout the discharge and to correlate this information with the composition of the plasma polymer deposited. They also showed that FTIR gas spectroscopy makes it possible to characterize the NPs. Finally, the conclusions of this thesis present preliminary results which aim to demonstrate the feasibility of applying the developed layers to vascular prostheses and the potential of the overall strategy to inhibit the proliferation of smooth muscle cells., Les maladies du cour et des vaisseaux sanguins sont encore aujourd'hui, les principales causes de déces dans les pays européens, au Canada et aux États-Unis. Souvent, un blocage des arteres induit par une sténose entraîne la nécessité d'une chirurgie de pontage. Meme si l'utilisation des veines du patient lui-meme évite la réponse immunitaire et semble etre la solution la plus avantageuse, elle s'avere en fait infructueuse dans un tiers des cas. Pour cette raison, des greffes vasculaires en polytétrafluoroéthylene (PTFE) sont utilisées. Elles présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité mais peuvent, dans certains cas, avoir des effets secondaires indésirables et provoquer une hyperplasie néointimale (HN) a l'interface entre le vaisseau natif et la greffe vasculaire, ce qui en retour peut entraîner une resténose. Afin d'inhiber ce phénomene, il a été proposé d'utiliser un médicament, le mésylate d'imatinib (IM), qui est un inhibiteur de trois récepteurs de kinase (PDGF-R, le c-Kit et l'abl) les deux étant impliqués dans HN. Il a été démontré in vitro que de petites doses de IM inhibent avec succes la prolifération des cellules musculaires lisses (CML) sans ralentir l'endothélialisation. Ce médicament a donc été choisi pour améliorer la fonctionnalité des greffes vasculaires en PTFE.L'objectif de ce projet est de trouver un moyen de développer une approche innovante pour incorporer le mésylate d'imatinib dans les greffons vasculaires et permettre sa libération contrôlée au contact du sang. Pour ce faire, la création de films minces par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a pression atmosphérique (AP-PECVD) dans une configuration de décharge de barriere diélectrique (DBD) a été réalisée. Pour protéger le médicament des especes énergétiques et réactives du plasma, il a été encapsulé dans des nanoparticules (NP) qui ajoutent aussi un autre niveau de contrôle de la libération du médicament. Ainsi, le dépôt d'une couche mince organique nanostructurée par des NPs de silice remplie de médicament a été réalisé a pression atmosphérique dans un plasma d'argon.Le probleme été abordé par l'étude de la décomposition du précurseur organique dans une DBD plan-plan par spectroscopie infrarouge a transformée de Fourier (IRTF) et la corrélation avec la chimie du film déposé. Dans un premier temps, l'observation d'artéfacts dans les spectres infrarouges du plasma, attribués a tort dans la littérature a des raies de vibration, a été expliquée et décrite mathématiquement. Les résultats obtenus montrent que le nombre d'onde auquel ces artéfacts sont observés dépendent de la fréquence a laquelle est généré le plasma et de la fréquence d'échantillonnage de l'interférogramme. Apres, la technologie plasma a la pression atmosphérique en mode FSK a 1 kHz et 15 kHz a été mise a profit pour déposer conjointement un polymere plasma, en utilisant le lactate d'éthyle comme précurseur, et des nanoparticules de silices dispersées dans le précurseur. Ces travaux démontrent clairement que les nanoparticules sont préférentiellement déposées pendant le cycle de basse fréquence de la décharge alors que la polymérisation du précurseur, qui requiert plus d'énergie, est plutôt observée a plus haute fréquence. Par la suite, la IRTF résolue dans l'espace a été utilisée pour comparer les mécanismes de polymérisation du lactate d'éthyle pour deux modes de décharge : régime filamentaire et homogene. Les résultats ainsi générés ont permis de suivre la dégradation du précurseur organique au long de la décharge et de corréler cette information avec la composition du polymere plasma déposé. Ils ont aussi montré que la IRTF du gaz permet de caractériser les NPs. Finalement, les annexes de cette these présentent des résultats préliminaires qui visent a démontrer la faisabilité d'application des couches développées a des protheses vasculaires et le potentiel de la stratégie globale pour inhiber la prolifération des cellules musculaires lisses.

A multifunctional system was developed to be used as a dual ultraviolet (UV) and near infrared (NIR) light harvester and photo-converters by Down (DS-DC) and Up Conversions (UC) in visible light to enhance the light trapping properties of thin-film solar cells. Nanorods ( 140 nm x 60 nm) of β-NaGdF4 singly doped by Eu3+, Pr3+, Er3+ and co-doped by Yb3+ were synthesized by co-precipitation method (optimized conditions: 150°C, 60 min). The structural and morphological properties were characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, Raman and electron microscopy (TEM) confirming the quality of the elaborated materials. Using the structural probe properties of the Eu3+ ion, local order was identified and discussed on the basis of Judd-Ofelt theory. The analysis of the fluorescence properties was carried out under pulsed and cw excitations. The radiative de-excitation and energy transfer channels for both DC and UC processes, occurring in each system, have been identified and discussed based on the evolution of fluorescence intensities as a function of continuous pump power and on the kinetics of luminescence decays under UV and NIR excitations. Particular attention was paid to the Er3+/Yb3+ system for which a coupling by plasmonic effect was considered with metallic nanoparticles (NPMs) of noble metals gold and silver. Depending on the nature, shape and size of the NPMs, enhancements or attenuations of fluorescence intensities, in addition in some cases to an increase in decaying rates have been observed. They are discussed considering two main processes, scattering and the Purcell effects., Un système multifonctionnel a été élaboré pour être utilisé comme double capteur de lumière ultraviolette (UV) et proche infrarouge (NIR) et permettant de convertir ces rayonnements par des mécanismes Stokes (DS-DC) et anti-Stokes (UC) en lumière visible susceptible d’accroître le rendement des cellules photovoltaïques. Des nano-bâtonnets ( 140 nm x 60 nm) de β-NaGdF4 monodopés par Eu3+, Pr3+, Er3+ et codopés par Yb3+ ont été synthétisés de façon reproductible par co-précipitation (conditions optimisées : 150°C, 60 min). Les propriétés structurales et morphologiques ont été caractérisées par diffraction des rayons X, spectroscopie infrarouge, Raman et microscopie électronique (MET) confirmant la qualité des matériaux synthétisés. L’utilisation des propriétés de sonde structurale de l’ion Eu3+ a permis d’identifier et de discuter de l’ordre local en s’appuyant sur la théorie de Judd-Ofelt. L’analyse des propriétés de fluorescence a été menée sous excitations impulsionnelle et continue. Les canaux de désexcitation radiative et de transfert d’énergie pour les deux processus DC et UC, pour chaque système, ont été identifiés et discutés en s’appuyant sur l’évolution des intensités de fluorescence en fonction de la puissance de pompe en régime continu et sur les cinétiques de décroissances temporelles sous excitations UV et NIR. Une attention particulière a été accordée au système Er3+/Yb3+ pour lequel un couplage par effet plasmonique a été envisagé avec des nanoparticules métalliques (NPMs) de métaux nobles or et argent. Selon la nature, la forme et la taille des NPMs, des exaltations ou des atténuations des intensités de fluorescence, s’accompagnant dans certains cas d’un accroissement des taux de décroissance temporelle ont été observées. Elles sont discutées en considérant deux processus principaux, la diffusion et l’effet Purcell.

The mechanical properties of the cell's membrane control many biological processes. Giant Unilamellar vesicle (GUV) are an easy approach to reproduce cells membrane. Micropipette aspiration is a well-known technique used to characterize their mechanical properties, though it involves long time experimentation, and huge set up. Here we present a microfluidic platform that reproduce micropipette aspiration especially by its cylindrical trap form. The main advantage is the flexibility in terms of the shape we can fabricate, as well as the multiplexing micropipette, offering high throughput measurements and finally the ability to fabricate the elements composing the micropipette by hundreds at a time. We were able first to characterize simple lipid compositions such as DOPC, POPC and Brain SM, whose bending and stretching moduli are in very good agreement with the values reported in the literature. We also characterized the effect of cholesterol on DOPC membranes: cholesterol does increase the stretching modulus of DOPC membrane but does not affect its bending modulus, making therefore the membrane stiffer. Moreover, we characterized DOPC membrane challenged with co-polymers nanoparticles which are usually used for drug delivery and which showed a softening in the membrane which could be due to the permeation effect of the NP on the membrane. As this method is versatile, by changing the shape of the cylindrical micropipette to a cross section which allows the GUVs to be trapped with a residual flow around it, we were able to have a preliminary characterization of the effect of flow on the membranes' fluidity properties. Finally, we adapted the size of the micropipette in order to characterize the viscoelastic properties of spheroids made of cancer cells. We characterized the viscosity of pancreatic cancer cells and demonstrated that it is independent on the spheroids size., Les propriétés mécaniques de la membrane cellulaire contrôlent de nombreux processus biologiques. Les vésicules unilamellaires géantes (GUV) sont une approche facile pour reproduire la membrane cellulaire. L'aspiration par micropipettes est une technique bien connue utilisée pour caractériser leurs propriétés mécaniques, bien qu'elle implique une expérimentation de longue durée pour une mesure et une configuration complexe. Nous avons développé des plates-formes microfluidique visant à intégrer l'aspiration par micropipettes. Un avantage crucial de l'approche la plus avancée que nous avons mise en place est la flexibilité en termes de forme que nous pouvons fabriquer (en particulier forme de piège cylindrique). Cette approche permet également de multiplexer des micropipettes, offrant des mesures à haut débit, et enfin la possibilité de fabriquer les éléments composant la micropipette par centaines à la fois. Nous avons d'abord pu caractériser des compositions lipidiques simples telles que DOPC, POPC et Brain SM, dont les modules de courbure et d'étirement étaient en très bon accord avec les valeurs rapportées dans la littérature. Nous avons également caractérisé l'effet du cholestérol sur les membranes DOPC : le cholestérol augmentait le module d'étirement de la membrane DOPC mais n'affectait pas son module de courbure, rendant ainsi la membrane plus rigide. De plus, nous avons caractérisé la membrane DOPC contestée avec des nanoparticules de copolymères, généralement utilisées pour l'administration de médicaments. Ces nanoparticules ont induit un ramollissement de la membrane, qui pourrait être dû à l'effet de perméabilisation des NP sur la membrane, ou à leur insertion dans les membranes provoquant des défauts. Cette méthode étant polyvalente, en changeant la forme de la micropipette cylindrique en une section transversale permettant de piéger les GUV avec un écoulement résiduel autour d'elle, nous avons pu avoir une caractérisation préliminaire de l'effet de l'écoulement sur la fluidité des membranes. Enfin, nous avons adapté la taille de la micropipette afin de caractériser les propriétés viscoélastiques des sphéroïdes, agrégats de cellules cancéreuses 3D. Nous avons caractérisé la viscosité des cellules cancéreuses du pancréas et démontré qu'elle est indépendante de la taille des sphéroïdes.

The combination of optical microscopy and molecular genetics, optogenetics, is revolutionizing the field of neurosciences. Genetically-encoded fluorescent indicators and opsins now allow optical monitoring and control of neuron activities with minimal invasiveness. While 2-photon stimulation can now address individually hundreds of neurons, deep in brain, the associated increase in laser power leads to photo-induced thermal effects which require a careful evaluation as they can potentially alter neural functions. In this manuscript, we describe the development of a luminescence-based thermometric probe, providing in vivo temperature measurements at the end of a single optical fibre during 2-photon optogenetic stimulation. The method provides 0.05 K temperature sensitivity, 2 ms temporal resolution, and single-neuron-size-range spatial resolution (~15μm). This allowed us to precisely evaluate the temperature rise induced by various optogenetic illumination conditions, deep in tissues. To evaluate the alteration of neural activity induced by such thermal variations, we developped a platform that provides precise spatial control of temperature at the microscale. Fast, accurate and reconfigurable temperature patterns are demonstrated over arbitrarily shaped regions by tailoring an optical pattern projected on a homogeneous array of absorbing plasmonic nanoparticles. Finally, we utilized this concept of microscale temperature control to develop wavefront-shaping devices based on tailored resistors inducing thermo-optical effects. We demonstrated that tunable electro-thermo-optical micro-lenses arrays allow the simultaneous Ca2+ imaging of neuron activities at different depth.; La combinaison de la microscopie optique et de la génétique moléculaire, l'optogénétique, a bouleversé le domaine des neurosciences. L’opsines et d’indicateurs fluorescents codés génétiquement permet de contrôler et suivre optiquement l’activité neuronale de manière peu invasive. La stimulation à 2 photons permet d’adresser individuellement centaines de neurones en profondeur du cerveau, mais la puissance laser nécessaire entraîne des effets thermiques photo-induits qu’il est nécessaire d’évaluer précisément, puisqu’ils sont susceptibles d’altérer certaines fonctions neuronales. Dans ce manuscrit, nous décrivons le développement d'une sonde thermométrique basée sur la luminescence, permettant de mesurer in vivo la température à l'extrémité d'une fibre optique lors d’une stimulation optogénétique à 2 photons. Cette sonde offre la sensibilité thermique de 0,05 K, la résolution temporelle de 2 ms et spatiale comparable à la taille neuronale (~15μm). Elle permet d’estimer l’élévation thermique induite par diverses conditions d’illumination optogénétique. Pour évaluer l'altération de l'activité neuronale lors de telles variations, nous avons développé une plateforme qui contrôle la température à l'échelle du micron. Nous générons des formes thermiques arbitraires et rapidement reconfigurables en projetant un motif d’illumination sur un ensemble homogène de nanoparticules plasmoniques absorbantes. Enfin, nous avons utilisé ce concept de contrôle thermique pour développer des dispositifs de contrôle du front d'onde basés sur des résistances induisant des effets thermo-optiques. Une matrices de micro-lentilles permettent l'imagerie calcique à différentes profondeurs simultanément.

A full understanding of the thermodynamic behavior of asphaltenic fluids requires a precise knowledge of the physical and chemical properties of asphaltenes as well as their mechanism of destabilization and aggregation. Experimental characterization of the phase behavior of these complex systems is very difficult but can be achieved by indirect measurements, such as the exploitation of frequency responses of immersed quartz crystal resonator sensors (QCR).In this doctoral work, an experimental set having as main element a QCR was used to characterize the destabilization of asphaltene solutions and their sub-fractions in different solvents. The experimental results obtained highlight (i) the differentiation of the processes involved in the destabilization of these systems: flocculation-aggregation-precipitation, as well as (ii) the specific differences in the formation of solid deposits. The stages of destabilization and the characteristics of deposit formation were interpreted and correlated to the structural properties of the samples and aggregates, through the association of complementary techniques: Ultra-high resolution mass spectrometry by Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR MS), atomic force microscopy (AFM) and gel permeation chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry (GPC-ICP MS). The results obtained show that the families of compounds with the most flexible molecular structures, thus "Archipelago" type, show the greatest tendency to form deposits and interact with surfaces. These conclusions are reinforced by the work carried out to characterize the interactions between solutions of asphaltenes or sub-fractions and SiO2 nanoparticles from rice husks.; Para comprender plenamente el comportamiento termodinámico de los fluidos asfalténicos es necesario conocer con precisión las propiedades físicas y químicas de los asfaltenos, así como sus mecanismos de desestabilización y agregación. La caracterización experimental del comportamiento de fase de estos sistemas complejos es muy difícil, sin embargo, puede lograrse mediante mediciones indirectas, como el monitoreo de los cambios en la oscilación de los sensores de cristal de cuarzo (QCR).En este trabajo doctoral se hace uso de un sensor QCR como elemento principal para el estudio de la desestabilización de soluciones de asfaltenos y sus subfracciones en distintos solventes. Los resultados experimentales obtenidos ponen en manifiesto (i) la distinción precisa de los diferentes procesos implicados en la desestabilización de estos sistemas: floculación-agregación-precipitación, así como (ii) las diferencias específicas en la formación de depósitos sólidos.Las etapas de la desestabilización y las características de formación de depósitos pudieron ser interpretadas y correlacionadas con las características estructurales de las muestras y los agregados, a través del análisis mediante otras técnicas: espectrometría de masas de ultra alta resolución por resonancia ciclotrónica de iones con transformada de Fourier (FT-ICR MS), microscopía de fuerza atómica (AFM) y, cromatografía de permeación en gel con espectrometría de masas con plasma inductivamente acoplado (GPC-ICP MS).Los resultados obtenidos demuestran que existe una relación entre las familias de compuestos con estructuras moleculares más flexibles o tipo “archipiélago” con una mayor tendencia a formar depósitos e interaccionar con superficies. Este hecho reforzado además con los resultados obtenidos del estudio de la interacción entre soluciones de asfaltenos y sus subfracciones con nanopartículas de SiO2 biogénicas.; La pleine compréhension du comportement thermodynamique des fluides asphaltèniques nécessite une connaissance précise des propriétés physiques et chimiques des asphaltènes ainsi que des mécanismes de déstabilisation et d’agrégation de ceux-ci. La caractérisation expérimentale du comportement de phase de ces systèmes complexes se révèle très difficile mais peut être réalisée par des mesures indirectes, comme l’exploitation des réponses fréquentielles de capteurs piézoélectriques immergés.Dans ce travail de doctorat, un ensemble expérimental ayant pour élément principal un résonateur à cristal de quartz a été utilisé pour caractériser la déstabilisation de solutions d'asphaltènes et de leurs sous-fractions dans différents solvants. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence (i) les différents processus intervenant lors de la déstabilisation de ces systèmes : floculation-agrégation-précipitation, ainsi que (ii) les différences spécifiques dans la formation des dépôts solides. Les étapes de la déstabilisation et las caractéristiques de formation de dépôts ont pu être interprétées et corrélées aux propriétés structurelles des échantillons et des agrégats, par l’association de techniques complémentaires : Spectrométrie de masse à ultra-haute résolution par résonance cyclotronique d’ions à transformée de Fourier (FT-ICR MS), microscopie de force atomique (AFM) et chromatographie par perméation de gel avec spectrométrie de masse à plasma inductif (GPC-ICP MS). Les résultats obtenus démontrent que les familles de composés de structures moléculaires les plus flexibles, c’est-à-dire de type "Archipelago", présentent la plus grande tendance à former des dépôts et à interagir avec les surfaces. Ces conclusions sont renforcées par les travaux menés pour caractériser les interactions entre des solutions d'asphaltènes ou de sous-fractions et des nanoparticules de SiO2 issues de coques de riz.

The field of chiro-plasmonics has developed significantly in recent years. In order to better understand the interplay between the geometry of nanosystems and their intrinsic chirality, we have developed a new experimental set-up for polarization modulation spectroscopy. The developped set-up allows to study optical anisotropies (linear and circular dichroisms, linear birefringence, rotatory power) of individual nanostructures. This is illustrated through two studies of anisotropic nanoparticles. The first study allowed the characterization of the optical anisotropy of dimers of gold spheres. The correlation carried out with electron microscopy was able to demonstrate the efficiency of the new experimental set-up. In a second step, we performed a study of the optical anisotropy of 2D chiral nanosystems which showed the ability of the set-up to measure chiroptic effects at the scale of individual nanoparticles, Le domaine de la chiro-plasmonique s'est largement développé ces dernières années. Dans l'objectif de mieux comprendre les liens étroits entre la géométrie de nano-systèmes et leur chiralité intrinsèque, nous avons développé au cours de ce travail un nouveau dispositif expérimental de spectroscopie à modulation de polarisation. Ce dispositif permet aujourd'hui d'étudier l'anisotropie optique (dichroïsmes linéaires et circulaires, biréfringence linéaire, pouvoir rotatoire) de nanostructures individuelles et cela est illustré à travers deux études de nanoparticules anisotropes. La première étude a permis la caractérisation de l'anisotropie optique de dimères de sphères d'or. La corrélation réalisée avec de la microscopie électronique a pu démontrer l'efficacité du nouveau dispositif expérimental. Dans un second temps, nous avons réalisé une étude de l'anisotropie optique de nano-systèmes chiraux 2D qui a montré la capacité du dispositif à mesurer des effets chiroptiques à l'échelle de nanoparticules individuelles

In the age of miniaturization of ever more powerful electronic components, carbon nanotubes (CNTs) are one of the most promising materials. The realization of transistors based on SWCNTs has become a real scientific and economic challenge. Unfortunately, the single-wall CNTs, essential to this nanotechnology, can be either metallic or semiconductor depending on their atomic structure and we do not yet know how to select them sufficiently efficiently during their synthesis. Numerous research teams have been working for nearly 25 years for this purpose. The growth technique that has shown the greatest selectivity is CVD (chemical vapor deposition) assisted by nanoparticles acting as catalysts. Based on theoretical studies demonstrating the importance of carbon solubility within catalysts for selective growth, several groups have focused on the use of bimetallic nanoparticles (NPs) composed of carbon-solubilizing atoms (Co , Fe, Ni) allied to atoms which do not dissolve it (Ru, W etc.), in order to be able to play on the carbon concentration of these nanoreactors at the time of growth. The aim of this thesis is to develop a strategy for the synthesis of metallic nanoparticles, of size, shape and controlled chemical composition, common to several catalytic systems, in order to be able to play on the mechanisms governing the growth of CNTs in a perfectly controlled manner. We propose here a method of colloidal synthesis at controlled temperature, making it possible to obtain NPs in solid solution, homogeneous in volume, shapes, sizes and controlled chemical compositions. This method allows the synthesis of nano-alloys, whether they are bi-, tri-, tetra-, or even pentametallic. The study of these particles by transmission electron microscopy has also enabled us to highlight the presence of a force on the surface acting on the colloidal NPs and on their lattice parameter. Finally, we tested these new particles by exposing them to a carbon gas in an environmental microscope (NanoMAX - LPICM and IPCMS - Strasbourg), which validated the viability of our colloidal pathway for the synthesis of carbon nanotubes and have followed in situ their growth., Dans l'ère de la miniaturisation de composants électroniques toujours plus puissants, les nanotubes de carbone (CNTs) sont l'un des matériaux les plus prometteurs. La réalisation de transistors à base de SWCNTs est devenue un réel enjeu scientifique et économique. Malheureusement, les CNTs mono-paroi, essentiels à cette nanotechnologie, peuvent être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur structure atomique et nous ne savons pas encore les sélectionner de façon suffisamment efficace au cours de leur synthèse. De nombreuses équipes de recherche travaillent depuis près de 25 ans dans ce but. La technique de croissance ayant montré la plus grande sélectivité est la CVD (dépôt chimique en phase vapeur) assistée par des nanoparticules jouant le rôle de catalyseurs. En s’appuyant sur des études théoriques démontrant l’importance de la solubilité de carbone au sein des catalyseurs pour une croissance sélective, plusieurs groupes se sont focalisés sur l'utilisation de nanoparticules (NPs) bimétalliques composées d'atomes solubilisant le carbone (Co, Fe, Ni) alliés à des atomes ne le solubilisant pas (Ru, W etc.), pour pouvoir jouer sur la concentration en carbone de ces nano réacteurs au moment de la croissance. Le but de cette thèse est de développer une stratégie de synthèse de nanoparticules métalliques, de taille, de forme et de composition chimique contrôlée, commune à plusieurs systèmes catalytiques, pour pouvoir jouer sur les mécanismes régissant la croissance de CNTs de façon parfaitement maitrisée. Nous proposons ici une méthode de synthèse colloïdale à température contrôlée, permettant l'obtention de NPs en solution solide, homogènes en volume, de formes, de tailles et de compositions chimiques contrôlées. Cette méthode permet la synthèse de nano-alliages, qu’ils soient bi-, tri-, tétra-, ou même pentamétalliques. L’étude de ces particules par microscopie électronique en transmission nous a permis, de plus, de mettre en évidence la présence d'une force en surface agissant sur les NPs colloïdales et sur leur paramètre de maille. Enfin, nous avons testé ces nouvelles particules en les soumettant à un gaz carboné dans un microscope environnemental (NanoMAX – LPICM et IPCMS - Strasbourg), ce qui a permis de valider la viabilité de notre voie colloïdale pour la synthèse de nanotubes de carbone et avons suivi in situ leur croissance.

International audience; L'action des rayonnements ionisants sur les électrolytes des batteries Li-ion permet d'étudier de façon accélérée leurs phénomènes de dégradation. La radiolyse peut aussi modifier la surface des matériaux d'électrodes. En effet, lors du fonctionnement d'une batterie, les électrolytes se décomposent pour former une couche de passivation à la surface des électrodes. Cette couche est appelée « interphase entre l'électrolyte et la surface » : SEI, en anglais. Une SEI bien formée est cruciale pour garantir les performances et la sécurité de la batterie tout au long de son utilisation. L'action des rayonnements ionisants sur des suspensions de nanoparticules dans l'électrolyte a permis de mettre en évidence la formation d'une SEI à la surface des particules. Elle a aussi montré que la présence d'un additif dans l'électrolyte peut modifier fortement la couverture, totale ou non, du matériau actif par cette SEI. Dans le cas de nanoparticules de carbone servant à modéliser le matériau de l'anode, les caractérisations électrochimiques ont montré que la SEI produite par la radiolyse améliore significativement l'efficacité du premier cycle charge/décharge de la batterie. Ainsi, il apparaît intéressant d'utiliser l'irradiation comme un outil favorisant la formation artificielle d'une SEI contrôlée et pour produire des matériaux d'anode aux performances améliorées.

International audience; La radiolyse est une puissante méthode de synthèse des nanoparticules métalliques en solution ou dans des milieux hétérogènes permettant un contrôle de la taille et de la forme. La présence de ligands, polymères ou supports utilisés pour stabiliser les nanoparticules joue un rôle important pour les applications potentielles en biologie, médecine, catalyse, photocatalyse, énergie…

The filtration of air by fibrous media with high efficiency particulate air (HEPA) is a key point for the safety of sensitive installations. However, filters have a major drawback linked to the increase in their aeraulic resistance during their clogging, which can lead to unbalance the ventilation networks, or even in extreme cases to the rupture of filters and therefore to a loss of containment. In case of fire the filters may be subjected to a large supply of particles or to very clogging particles, causing a rapid increase in their pressure drop. In current pressure drop models used for risk assessment, porosity is a key parameter. Many authors, via simulations, have proposed porosity values for deposits of nanoparticles formed by filtration and have shown, for a given aerosol, a dependence of the porosity as a function of the Peclet number (ratio of the transport mechanisms by convection and diffusion. A specific experimental methodology has been developed in order to study the influence of the porosity of the deposits of the size and morphology of the particles, the physico-chemical characteristics of the particles and the carrier gas (nature, density, viscosity) and operating conditions (filtration rate, pressure). For this study, an experimental bench and a laser measurement device have been developed. This device measures the change in the thickness of the deposit coupled with its deposited mass over time in order to determine the porosity of the deposit. Studies on the deposits of spherical nanoparticles and formed by aggregates have made it possible to define the Stokes number (ratio between the kinetic energy of the particle and the energy dissipated by friction with the fluid) as the most relevant parameter to account for the evolution of the porosity of the deposit. This study led to various correlations allowing the estimation of the porosity of a deposit of pseudo-spherical nanoparticles or nanostructured particles.; La filtration de l’air par des médias fibreux à très haute efficacité (THE) constitue un élément important pour la sécurité des installations sensibles. Pourtant, les filtres présentent un inconvénient majeur lié à l’augmentation de leur résistance aéraulique au cours de leur colmatage ce qui peut conduire in fine au déséquilibrage du réseau de ventilation, voire dans des cas extrêmes à la rupture du filtre et par conséquent à une perte de confinement. Dans certaines situations accidentelles, telles qu’un incendie, les filtres peuvent être soumis à un apport important de particules ou à des particules très colmatantes, occasionnant une élévation rapide de leur perte de charge. Dans les modèles de perte de charge existants utilisés pour l’évaluation des risques, la porosité est une donnée d’entrée clef. De nombreux auteurs, via des simulations, ont proposé des valeurs de porosité pour des dépôts de nanoparticules formés par filtration et ont montré, pour un aérosol donné, une dépendance de la porosité en fonction du nombre de Péclet (rapport des mécanismes de transport par convection et diffusion). Une méthodologie expérimentale spécifique a été développé afin d’étudier notamment l’influence, sur la porosité des dépôts, de la taille et la morphologie des particules, des caractéristiques physico-chimiques des particules et du gaz vecteur (nature, masse volumique, viscosité) et des conditions opératoires (vitesse de filtration, pression). Pour cette étude, un banc expérimental ainsi qu’un dispositif de mesure laser spécifiques ont été développés. Ce dernier mesure l’évolution de l’épaisseur du dépôt couplée à sa masse déposée au cours du temps afin de déterminer sa porosité. Les études sur les dépôts de nanoparticules sphériques et formées par des agrégats ont permis de définir le nombre de Stokes (rapport entre l’énergie cinétique de la particule et l’énergie dissipée par frottement avec le fluide) comme le paramètre le plus pertinent pour rendre compte de l’évolution de la porosité du dépôt. Cette étude a débouché sur différentes corrélations permettant l’estimation de la porosité d’un dépôt de nanoparticules pseudo-sphériques ou de particules nanostructurées.

Depuis 2020, le monde connaît une situation de pandémie de COVID-19 qui a bouleversé le quotidien de tout un chacun. Par son ampleur et sa gravité, cette maladie a suscité une mobilisation internationale sans précédent pour contrôler la propagation du SARS-CoV-2. Cette cohésion historique mêlée à une aide financière colossale ont permis le lancement d’une campagne de vaccination contre la COVID-19 à l’échelle mondiale dans le but d’enrayer la pandémie. Les vaccins ayant obtenu une autorisation conditionnelle de mise sur le marché sont basés sur des vaccins à ADN/ARN encapsulés dans des vecteurs viraux ou dans des nanoparticules. La littérature scientifique nous délivre des informations précieuses sur les données d’efficacité, d’immunogénicité et d’innocuité de ces vaccins. Toutefois, la diffusion de fausses informations combinées à la rapidité des essais cliniques et l’utilisation de nouvelles technologies vaccinales ont éveillé une hésitation vaccinale chez certains qui constitue une menace pour la santé mondiale. Pour obtenir une couverture vaccinale élevée, qui est un élément clé dans le contrôle des maladies infectieuses, il est nécessaire d’avoir une adhésion globale de la population à la vaccination. Une question nous taraude « quelle est la place du pharmacien d’officine dans la vaccination contre la COVID-19 en situation de pandémie ? ». Ce travail tend à exposer le rôle primordial d’information et de sensibilisation qu’ont les pharmaciens d’officine du fait de leur proximité avec les patients. La question complexe de la vaccinologie, notamment lors d'une urgence mondiale, doit être prise en compte comme une mission pédagogique fondamentale pour la santé publique.

The use of high-Z nanoparticles to enhance radiotherapy effects has gained momentum over the last decade. Historically, as nanoparticles increase tumor density, they were thought to improve radiation dose by locally increasing the probability of interactions with ionizing radiations. Local dose enhancement is then associated with increased oxidative stress and DNA damage. Therefore, radiosensitization with nanoparticles could impair radioresistance as well as improve therapeutic index. Radiotherapy is a cornerstone of breast cancer treatment. However, mammary tumors are heterogeneous and comprise distinct populations of cancer cells that respond differently to treatments. Cancer stem cells (CSC) and epithelial to mesenchymal transition (EMT) are major factors contributing to cancer cells plasticity, tumor heterogeneity, and escape from programmed cell death (apoptosis). In breast cancer, both CSC and cells undergoing EMT are characterized by the expression of two surface markers CD24 and CD44 (CD24-/low, CD44 high). This work aims to evaluate the efficiency of high-Z nanoparticles of different nature (gold, platinum), different size (from 5 to 35 nm) and different surface charge (positive and negative) as potent radiosensitizer on several breast cancer models of different epithelial or mesenchymal state. As no significant change could initially be observed in vitro following the combination of nanoparticles with radiation compared to radiation alone, I gain insight on the influence of physical, chemical and biological parameters required for characterizing radio-enhancement. Among them, I focused on improving the diffusion of nanoparticles and their internalization in tumor cells. I showed that nanoparticles uptake by breast cancer cells was depending on their mesenchymal state: nanoparticle internalization by cancer cells is dramatically increased in mesenchymal-like cancer cells compared to epithelial-like cells across a panel of several breast cancer cell lines. Importantly this discrepancy was not affected by the charge, size or surface chemistry of the nanoparticles themselves. This strongly suggests a cell-dependent mechanism, in opposition to the current paradigm that nanoparticles uptake is mainly governed by their inherent physical/chemical properties. This study emphasized the importance of membrane and extracellular structures in nanoparticle recognition and preferential interaction with cells. Our results are of peculiar interests as the identification of genes or mechanisms facilitating nanoparticles accumulation into radioresistant cancer cells could further conception of promising therapeutic nanoparticles.; L’utilisation de nanoparticules de haut numéro atomique pour potentialiser les effets de la radiothérapie fait l’objet de nombreux travaux de recherches. Historiquement, l’intérêt porté à ces nanoparticules repose sur un principe d’action physique : en densifiant la matière, les nanoparticules localisées dans une tumeur augmentent localement la probabilité d’interaction des rayonnements ionisants avec celle-ci. L’augmentation de la dose délivrée localement serait alors associée à un stress oxydatif et à une augmentation des lésions de l’ADN. Ainsi la radio-sensibilisation liée aux nanoparticules permettrait d’une part de lutter contre la radio-résistance et d’autre part d’améliorer l’index thérapeutique. La radiothérapie constitue l’un des piliers du traitement du cancer du sein. Néanmoins, les tumeurs mammaires sont hétérogènes et plusieurs sous populations coexistent avec des sensibilités différentes aux traitements. Les cellules souches cancéreuses (CSC) et le processus de transition épithélio-mésenchymateuses (TEM) contribuent principalement à cette hétérogénéité et confèrent aux cellules tumorales des propriétés de plasticité, de tumorogénicité et de résistance à la mort cellulaire. Dans le cas particulier du cancer du sein, les cellules issues de la TEM et les cellules souches cancéreuses partagent un même phénotype surfacique caractérisé par la perte d’expression de la protéine membranaire CD24 et la surexpression de CD44. Ce travail de thèse vise à évaluer l’efficacité de nanoparticules métalliques de nature (or, platine), de taille (5 à 35 nm) et de charges (positives, négatives) différentes comme agents potentialisateurs des effets de l’irradiation sur des modèles de tumeurs mammaires aux statuts épithélio-mésenchymateux différents. Face à la difficulté à mettre en évidence un effet biologique significatif du double traitement in vitro, j’ai cherché à comprendre quels paramètres physiques, chimiques et biologiques sont nécessaires pour observer l’effet radiosensibilisant. L’un des principaux enjeux a été de parvenir à une bonne diffusion des nanoparticules au sein des tumeurs. Pour comprendre les mécanismes, nous avons comparé la réponse transcriptomique de cellules cancéreuses mammaires, au fond génétique commun mais de phénotype épithélial ou mésenchymateux (triées selon leur niveau d’expression CD24/CD44), exposées à un groupe de nanoparticules de composition physico-chimique différente de manière à s’affranchir d’un l’effet qui serait spécifique à une nanoparticule. L’analyse du transcriptome souligne l’importance des structures membranaires et extracellulaires dans la reconnaissance et l’interaction préférentielle des nanoparticules avec les cellules mésenchymateuses. Ces résultats sont d’autant plus importants que l’identification de gènes et de mécanismes clés favorisant l’accumulation de nanoparticules dans les cellules cancéreuses les plus résistantes aux traitements devrait permettre d’améliorer la conception de nouvelles nanoparticules à haut potentiel thérapeutique.

Improving the water quality standards is a challenginggoal that has attracted the interest of a wide scientific communitydeveloping innovative classes of materials and new physicochemicalprocesses. Photocatalysis appears to be one of therelevant mechanisms leading to the degradation of organicpollutants. The development of photoactive materials by exploitingtheir nano-structuration and the engineering of their electronicstructure is a major contribution to enhance the photocatalyticefficiency. Titanium dioxide (TiO2) remains one of the key materialsfor the photocatalysis and forms the basis of a variant ofarchitectures with defined organization, composition and physicalfeatures are modulated by the functionalization, doping or the builtof heterostructures. Indeed, TiO2 is active only in the ultravioletrange, which represents 4-5% of the solar radiation spectrum andthe developed approaches currently focus on extending itsphotocatalytic activity in the visible range. In this context, thepresent thesis is devoted to the development of mesoporoustitanium dioxide nanoparticles doped with different metals (Pd, Ag,Cu and Ni) with the aim to ensure the formation fo efficientphotocatalysts in the visible range of solar radiation. Thus, a newsynthesis method has been developed using latex copolymers todesign mesoporous nanoparticles of doped titania with controlledmorphologies. The obtained nanopowders were systematicallycharacterized by different structural methods (DRX, Raman, FTIR),the morphology and texture (MET, MEB, BET), optical and electronicproperties (UV-Visible Spectroscopy, EPR). In order to improve thecombined adsorption-photocatalytic performance, a methodology ofexperiment design was implemented to optimize the synthesisparameters with stabilized the crystalline anatase polymorph with theparticle size in the range from 5 to 20 nm and a specific surface areaof 97 m2/g. The second part of the thesis work was devoted to thesynthesis of mesoporous TiO2 nanoparticles with metallic doping byusing Pd, Ag, Cu, and Ni. Different doping ratios up to 10% and thecalcination temperature (500 – 800°C) have been used to modulatethe structural, morphological, optical and electronic characteristics ofdoped mesoporous structures. Photocatalytic studies were conductedand compared based on the effect of doping elements, themorphological and structural characteristics on the electronic andoptical properties of mesoporous TiO2 doped structures., Le renforcement des normes de la qualité de l'eauest un objectif ambitieux qui a attiré de nombreux chercheurs pourdévelopper de nouveaux procédés physico-chimiques. Laphotocatalyse apparaît comme l'un des mécanismes réactionnelsle moins onéreux à mettre en place pour conduire à ladégradation de polluants organiques. Le développement dematériaux photoactifs en exploitant leur nano-structuration etl’ingénierie de leurs structures électroniques constitue unecontribution majeure pour améliorer l’efficacité photocatalytique.Le dioxyde de titane (TiO2) demeure un des matériaux clés pourla photocatalyse et constitue la base d’une varianted’architectures dont l’organisation et la composition sontmodulées par des opérations de fonctionnalisation, de dopage oude formations d’hétérostructures. En effet, TiO2 étant actifuniquement dans le domaine de l’ultraviolet qui représente 4-5%du rayonnement solaire, un enjeu majeur des travauxactuellement porte sur l’extension de sa réactivitéphotocatalytique dans le domaine du visible. Dans ce contexte, leprésent travail a porté sur l’élaboration de nanoparticulesmésoporeuses de dioxyde de titane dopées avec différentsmétaux (Pd, Ag, Cu et Ni) dans le but d’assurer une absorptiondans le visible tout en restant actif sous rayonnement ultraviolet.Pour réaliser cet objectif, une nouvelle méthode de synthèse aété développée en utilisant le copolymère latex afin d’obtenir desnanoparticules de dioxyde de titane mésoporeuse dopées et demorphologies contrôlées. Les nanopoudres obtenues ont étécaractérisées systématiquement par différentes techniquesstructurales (DRX, Raman, IR-TF), morphologiques et texturales(MET, MEB, BET), optiques et électroniques (Spectroscopie UVVisible,RPE). Afin d’améliorer les performances adsorptionphotocatalytiques,une méthodologie du plan d'expérience a étémise en oeuvre pour optimiser les paramètres de synthèse desnanoparticules mésoporeuses avec en particulier, la stabilisationdu polymorphe anatase, avec une taille moyenne s’échelonnantde 5 à 20 nm et une surface spécifique maximale de 97m2/g. Ladeuxième partie de ce travail a porté sur la réalisation denanoparticules de TiO2 sous la forme mésoporeuse dopées avecdes métaux (Pd, Ag, Cu, et Ni). Différentes teneurs du dopantjusqu’à 10% et des températures de calcination (500 - 800 °C) ontété utilisées et contribuent à moduler les caractéristiquesstructurelles, morphologiques, optiques et électroniques desstructures mésoporeuses dopées. Les études photocatalytiquesont été effectuées et comparées en fonction de l’effet deséléments dopants et des caractéristiques physiques etmorphologiques des structures mésoporeuses à base de TiO2dopées.

Beta-lactam (BL) allergy is the most common drug allergy constituting a real public health problem. The objective of this work was to assess the impact of the environment on the onset of BL hypersensitivity. We were particularly interested in two aspects of this environment: environmental exposure and the environment at the cellular level. First, we studied the impact of environmental exposure to amorphous silica nanoparticles (aSNP), a widely used food additive. We showed that aSNP act as a danger signal with an increase in the activation of human dendritic cells (DCs) characterized by an augmentation in the expression of the activation molecules (CD83, CD86 and CXCR4) and an increased secretion of pro-inflammatory cytokines and chemokines (CXCL-8 and CXCL-12). Our results also showed that these phenotypic modifications had a significant impact on the T-cell response characterized by an increase in lymphocyte proliferation as well as an increase in IL-5 secretion by BP specific T-cell lines, suggesting an orientation towards a pro-allergic Th2 response. Secondly, we studied the cellular environment and its impact on drug-specific T-cells responses. Our work showed that BP could enter in its free form in DCs and bind with human albumin in DCs. This intracellular haptenation triggered CD8+ T-cell activation. In resume, this work allows a better understanding of the impact of the environment on allergic responses both at the environmental and cellular level., L’allergie aux bêta-lactamines (BL) est l’allergie médicamenteuse la plus fréquente constituant ainsi un véritable problème de santé publique. L’objectif de ce travail de thèse a été d’évaluer l’impact de l’environnement sur le déclenchement des hypersensibilités aux BL. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à deux aspects de cet environnement : l’exposition environnementale et l’environnement à l’échelle cellulaire. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact de l’exposition environnementale aux nanoparticules de silice amorphe (aSNP), un additif alimentaire largement utilisé. Nos résultats ont permis de montrer que ces nanoparticules agissaient comme un signal de danger avec une augmentation de l’activation des cellules dendritiques (DCs) humaines caractérisée par une modulation de l’expression des molécules d’activation (CD83, CD86 et CXCR4) et la sécrétion de cytokines et de chimiokines pro-inflammatoires (CXCL-8 et CXCL-12). Ces modifications phénotypiques observées sur la DC ont un impact significatif sur la réponse lymphocytaire caractérisée par une augmentation de la prolifération des lymphocytes T (LT) ainsi qu’une augmentation de la sécrétion d’IL-5 par les lignées de LT reconnaissant la benzylpénicilline (BP) suggérant une orientation vers une réponse pro-allergique Th2. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’environnement cellulaire et à son impact sur l’orientation de la réponse lymphocytaire dirigée contre le médicament. Nos travaux ont permis de démontrer que la BP pouvait entrer sous sa forme libre dans les DCs et se conjuguer avec l’albumine humaine à l’intérieur des cellules. Cette hapténisation intracellulaire déclenchait l’activation d’un répertoire de LT CD8+ naïfs reconnaissant la BP. In fine, ce travail permet une meilleure compréhension de l’impact de l’environnement sur les réponses allergiques tant au niveau environnemental qu’au niveau cellulaire.

Metal-Organic Frameworks (MOFs) consists of metallic ions or clusters interconnected by organic ligands forming porous crystalline structures. Their porous nature translates into a large internal surface area available for chemical reactions, especially interesting for catalysis and gas adsorption. Among MOFs, mesoporous frameworks, with their pore size between 2 and 50 nm, provide a wide range of opportunities as the confinement of molecules and metallic nanoparticles (NPs) giving rise to a novel composite functional material. However, the large extent of voids in the MOFs structure makes these systems prone to mechanical instabilities when submitted to an external stress. Knowing the key factors that most influence the mechanical properties of these materials is of fundamental importance but could also promote their use for technological applications in which compression treatments (pellet formation, extrusion, ball milling) are usually performed.In this thesis, the mechanical stability of two widely employed mesoporous MOFs, MIL-100(Cr) and MIL-101(Cr), and of two composites based on MIL-101(Cr) with embedded Pd NPs with different metal loadings (20 and 35 wt.%) has been investigated. In order to obtain a complete picture of the high-pressure behavior of MOFs, two complementary techniques based on synchrotron radiation have been used: X-ray diffraction to probe the crystal structure and infrared spectroscopy to assess vibrational dynamics and guest-host interactions. Our measurements, mostly performed at the synchrotron SOLEIL, have shown that the mechanical stability of pristine frameworks is limited by a pressure-induced amorphization occurring below 1 GPa, which is accompanied by local distortions of both the node and the linker. The transition pressure is found to be dependent on two entangled structural parameters, the linker connectivity and the total pore volume. We then proved that the insertion of guests with very different chemical and structural nature, such as large polymers and metallic Pd nanoparticles, enhances the mechanical stability of order of magnitudes. This effect is mainly driven by a purely steric filling mechanism with no further chemical interactions between the host and the guest. Therefore, the functionalization of MOFs not only results into new composite materials with additional properties but also provides higher mechanical stability., Les structures organométalliques (MOFs) sont constituées des ions métalliques ou des agrégats métalliques interconnectés par des ligands organiques de manière à former des structures cristallines poreuses. Leur nature poreuse se traduit par une grande surface interne disponible pour les réactions chimiques, particulièrement intéressante pour la catalyse et l'adsorption de gaz. Parmi les MOFs, les structures mésoporeuses, avec leur taille de pores comprise entre 2 et 50 nm, offrent un large éventail de possibilités, comme le confinement de molécules et de nanoparticules métalliques (NPs) permettant la création de nouveaux matériaux composites. Cependant, le grand volume des pores dans la structure des MOFs rend ces systèmes sujets à des instabilités mécaniques lorsqu'ils sont soumis à une pression externe. Connaître les facteurs clés qui influencent le plus les propriétés mécaniques de ces matériaux est d'une importance fondamentale et maîtriser ces facteurs pourrait aussi favoriser leur utilisation pour des applications technologiques dans lesquelles des traitements de compression (formation de pastilles, extrusion, broyage à billes) sont habituellement appliqués.Dans cette thèse, la stabilité mécanique de deux structures mésoporeuses largement utilisées, MIL-100(Cr) et MIL-101(Cr), et de deux composites de MIL-101(Cr) avec de NPs de Pd avec différentes charges métalliques (20 et 35 % en poids) a été étudiée. Afin d'obtenir une image complète du comportement à haute pression des MOFs, deux techniques complémentaires basées sur le rayonnement synchrotron ont été utilisées : la diffraction des rayons X pour sonder la structure cristalline et la spectroscopie infrarouge pour évaluer la dynamique vibrationnelle et les interactions entre l’hôte et la structure. Nos mesures, réalisées pour la plupart au synchrotron SOLEIL, ont montré que la stabilité mécanique des structures des MIL-101(Cr) et MIL-100(Cr) est limitée par une amorphisation induite par la pression qui se produit en dessous de 1 GPa et qui s'accompagne de distorsions locales du nœud et du ligand. La pression de transition dépend de deux paramètres structurels interdépendants : la connectivité du ligand et le volume total des pores. Nous avons ensuite prouvé que l'insertion d’hôtes de nature chimique et structurelle très différente, tels que de grands polymères et des nanoparticules métalliques de Pd, améliore la stabilité mécanique d'un ordre de grandeur. Cet effet est principalement dû à un mécanisme de remplissage purement stérique, sans autres interactions chimiques entre l'hôte et la structure. Par conséquent, la fonctionnalisation des MOFs permet non seulement de créer de nouveaux matériaux composites aux propriétés supplémentaires, mais aussi d'obtenir une meilleure stabilité mécanique.

Developing a standard 3D in vitro model for screening nanotherapeutics remains challenging. Several 3D tumor culture models have been developed, multicellular tumor spheroids among them are gaining popularity due to their ability to mimic some of the characteristics of natural tumors. Spheroids can be made in a variety of ways, but traditional methods have several drawbacks. In this study, agarose-based microwells were used for generation of uniform multicellular tumor spheroids of a colorectal cancer line (HCT-116). According to the findings of this project, the penetration of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles within spheroids is time and concentration dependent. While nanoparticles were observed in both extracellular and intracellular space of spheroids, the dominant intracellular localization of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles was in lysosomes; early endosomes and mitochondria, on the other hand, showed some colocalization with AGuIX®. When the localization of AGuIX®- Cy5.5 nanoparticles in spheroids and 2D cell culture was compared, the difference in nanoparticle localization in 2D and 3D highlighted the advantages of using this 3D in vitro model for nanotherapeutics screening because of its ability to recapitulate tumor features influencing nanoparticle internalization and intracellular fate. The developed 3D in vitro model has been shown to be beneficial in therapy assessment associated with radiotherapy, as cells in spheroids (3D) showed higher radioresistance than monolayer cells(2D), indicating that this 3D in vitro model can be used to assess therapeutic efficacy of nanotherapeutics in a more realistic set up. Growth monitoring of irradiated HCT-116 spheroids revealed their ability to grow for all doses, 6 days after irradiation, in contrast to the classical clonogenic survival assay, which revealed they were unable to form colonies at higher doses greater. The best radiosensitizing effect of AGuIX® was observed at 2 Gy irradiation, according to single cell proliferation analysis in spheroids., Le développement d'un modèle 3D in vitro standard pour le criblage des nanothérapies reste un défi. Plusieurs modèles de culture de tumeurs en 3D ont été développés, dont les sphéroïdes multicellulaires de tumeurs qui gagnent en popularité en raison de leur capacité à imiter certaines des caractéristiques des tumeurs naturelles. Les sphéroïdes peuvent être fabriqués de différentes manières, mais les méthodes traditionnelles présentent plusieurs inconvénients. Dans cette étude, des micropuits à base d'agarose ont été utilisés pour la génération de sphéroïdes tumoraux multicellulaires uniformes d'une lignée de cancer colorectal (HCT-116). Selon les résultats de ce projet, la pénétration des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 dans les sphéroïdes dépend du temps et de la concentration. Alors que les nanoparticules ont été observées dans l'espace extracellulaire et intracellulaire des sphéroïdes, la localisation intracellulaire dominante des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 était dans les lysosomes ; les endosomes précoces et les mitochondries, par contre, ont montré une certaine colocalisation avec AGuIX®. Lorsque la localisation des nanoparticules AGuIX®- Cy5.5 dans les sphéroïdes et la culture cellulaire 2D a été comparée, la différence dans la localisation des nanoparticules en 2D et en 3D a mis en évidence les avantages de l'utilisation de ce modèle in vitro 3D pour le criblage des nanothérapies en raison de sa capacité à récapituler les caractéristiques tumorales influençant l'internalisation des nanoparticules et leur destin intracellulaire. Le modèle in vitro 3D mis au point s'est avéré bénéfique pour l'évaluation de la thérapie associée à la radiothérapie, car les cellules en sphéroïdes (3D) ont montré une radiorésistance plus élevée que les cellules monocouches (2D), ce qui indique que ce modèle in vitro 3D peut être utilisé pour évaluer l'efficacité thérapeutique des nanothérapies dans une configuration plus réaliste. Le suivi de la croissance des sphéroïdes HCT-116 irradiés a révélé leur capacité à croître pour toutes les doses 6 jours après l'irradiation, contrairement au test classique de survie clonogénique, qui a révélé qu'ils étaient incapables de former des colonies aux doses plus élevées. Le meilleur effet radiosensibilisant d'AGuIX® a été observé à une irradiation de 2 Gy, selon l'analyse de la prolifération de cellules uniques dans les sphéroïdes.

Polyoxometalates (POMs), which are anionic molecular oxides containing metals in high oxidation state, exhibit numerous biomedical properties (anticancer, antibacterial, ...). However, POMs are often unstable in biological media and encounter difficulties penetrating cells. It is therefore necessary associating them with other entities such as gold nanoparticles (AuNPs), which are biocompatible and easily functionalized and allow vectorizing POMs while improving their stability. The objective of this PhD work is to develop synthesis pathways of AuNPs functionalized by hybrid POMs containing bisphosphonate ligands, and the evaluation of their antibacterial and anticancer properties. Firstly, a newreduced polyoxovanadate incorporating VIV ions and alendronate ligands was used to obtain AuNPs in one step, the POMs acting as reducing and stabilizing agents. The antibiofilm properties of the obtained composites were demonstrated. This study was then extended to silver nanoparticles. Then, nano-composites combining AuNPs and a polyoxomolybdate functionalized with zoledronate ligands, which present anticancer properties, were synthesized. Under photothermal (PTT) conditions, these assemblies were shown to be highly active on a prostate cancer cell line (PC3). Finally, a reduced hybrid polyoxomolybdate bearing alendronate ligands allowed the microwave synthesis of spherical AuNPs and for the first time POM functionalized gold nanostars., Les polyoxométallates (POMs) sont des oxydes moléculaires anioniques constitués de métaux à hauts degrés d’oxydation et qui possèdent de nombreuses propriétés biomédicales (anticancéreuses, antibactériennes, …). Cependant, les POMs sont souvent instables en milieu biologique et pénètrent difficilement les cellules. Il est donc nécessaire de les combiner à d’autres entités comme les nanoparticules d’or (AuNPs), qui sont biocompatibles, facilement fonctionnalisables et qui permettent de vectoriser les complexes POMs tout en améliorant leur stabilité. Ces travaux de thèse concernent la mise au point de voies de synthèses d’AuNPs fonctionnalisées par des POMs hybrides comportant des ligands bisphosphonates ainsi que l’évaluation de leurs propriétés antibactériennes et anticancéreuses. Tout d’abord, un nouveau polyoxovanadate réduit possédant descentres VIV et des ligands alendronate a permis l’obtention en une étape d’AuNPs fonctionnalisées, le POM jouant le rôle de réducteur et d’agent stabilisant. Les propriétés antibiofilm de ces assemblages ont été mises en évidence. Cette étude a ensuite été étendue aux nanoparticules d’argent. Dans un second temps, des nano-composites associant des AuNPs et un polyoxomolybdate fonctionnalisé par un ligand zoledronate aux propriétés anticancéreuses ont été synthétisés. En conditions photothermiques (PTT), ces assemblages se sont révélés efficaces sur une ligne cellulaire du cancer de la prostate (PC3). Enfin, un polyoxomolybdate réduit et fonctionnalisé par un ligand alendronate a permis la synthèse par micro-onde d’AuNPs sphériques mais aussi pour la première fois de forme branchées.

Since the 2000s, nanomaterials (NMs) have become part of our daily routine and are increasingly present on the worldwide market. These NMs are used in various sectors of activity such as construction, food, health, automotive and many others. Normative definitions and regulations have been established to control the NMs traceability throughout their life cycle. In Europe, regulatory requirements (labelling obligation if nano ingredients are used as additives for food, cosmetics or biocides) impose to the additives users to know if the substances should be considered as "nano" or not. A reliable metrology is therefore necessary for the nano-objects identification and characterization. However, this metrological characterization remains a challenge due to the numerous parameters to be considered in order to fully describe these nano-objects (size, size distribution, agglomeration/aggregation state, shape, specific surface area, chemical composition, surface chemistry and surface charge), which are listed in the ISO/TC 229 (PDTR 13014) standard. The thesis general context is the NMs characterization and more specifically dimensional characterization at the nanometric scale. The study focus on the Titanium dioxide (TiO2) (nano) particles which are ranked among the 5 most produced nanoparticulate substances (based on tonnage) in the world and used in many applications.The objective is to evaluate and compare measurands of several dimensional characterization techniques for nanoparticles and thus determine their constituent particle size. In this way, ensemble and integral techniques such as SAXS (small angle X-ray scattering), DLS (dynamic light scattering) and BET (Brunauer-Emmett-Teller) have been compared to the direct measurement technique, SEM (scanning electron microscopy).Emphasis is placed on the influence evaluation of several factors, namely, the size, the shape as well as the particles crystallinity and the complex matrix (set of elements in coexistence with the particles of interest), on the realized measurements. The selection of a large materials variety (reference, synthetic, raw material or finished products) enables the NMs characterization difficulties identification according to their sources.After a literature review to place the thesis in its context, a first part is devoted to the elaboration of a sample preparation protocol for SEM in order to improve the image processing step to comply with the regulations and to determine isolated particles size and/or constituents particles from agglomerates. Following the size of particles/agglomerates by DLS, the sonication step impact on the dispersion and dissociation of agglomerated (nano) objects present in suspension was highlighted.In a second part, a multi-technique approach is implemented to compare two measurands from different instruments (an equivalent diameter to a projected surface area for SEM and a specific surface area for SAXS and BET), in order to access the dimensions of the studied (nano)-objects. The influence of different parameters such as the size distribution (or polydispersity), the purity of the samples (and thus the NMs extraction step from their matrix), the interaction between the particles and the particles anisotropy, are discussed. Interaction between particles and shape anisotropy are the most influential factors on specific surface area measurements, or SAXS/BET equivalent diameters. The achieved results illustrate the (nano)-objects characterization difficulties but they confirm the complementarity of the techniques used in this study (SEM, SAXS and BET)., Depuis les années 2000, les nanomatériaux (NMs) font partie de notre vie quotidienne et sont de plus en plus présents sur le marché mondial. Ces NMs sont utilisés dans divers secteurs d’activité tels que le bâtiment, l’alimentation, la santé, l’automobile et bien d’autres. Des définitions normatives et des règlementations ont été mises en place pour encadrer la traçabilité des NMs le long de leur cycle de vie. Ainsi en Europe, des exigences réglementaires (obligation d’étiquetage si ingrédient nano dans produits alimentaires, cosmétiques ou biocides) imposent aujourd’hui aux utilisateurs d’additifs de savoir si la substance qu’ils utilisent doit être considérée comme « nano » ou pas. Une métrologie fiable permettant l’identification et la caractérisation des nano-objets est donc nécessaire. Cependant, cette caractérisation métrologique des NMs reste un défi compte-tenu du nombre de paramètres à prendre en compte pour les décrire complètement (taille, distribution en taille, état d’agglomération/agrégation, forme, surface spécifique, composition chimique, chimie de surface et charge en surface), listés dans la norme ISO/TC 229 (PDTR 13014). Le sujet de thèse se place dans ce cadre de caractérisation des NMs et plus particulièrement de la caractérisation dimensionnelle à l’échelle nanométrique. L’étude concerne essentiellement les (nano) objets de dioxyde de titane (TiO2) qui sont classées parmi les 5 substances sous forme de nanoparticules les plus produites (en tonnage) dans le monde et utilisées dans de nombreuses applications.L’objectif est d’évaluer et de comparer les mesurandes de plusieurs techniques de caractérisation dimensionnelle de nanoparticules pour accéder à la taille des particules constitutives. Ainsi, des techniques d’ensemble et intégrales comme le SAXS (diffusion des rayons-X aux petits angles), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) et la BET (Brunauer–Emmett–Teller) ont été comparées à la technique de mesure directe par MEB (microscopie électronique à balayage). L'accent est mis sur l'évaluation de l'influence de plusieurs facteurs, à savoir, la taille, la forme ainsi que la cristallinité des particules et la matrice complexe (ensemble d’éléments en coexistence avec les particules d’intérêt), sur les mesures réalisées. Le choix d’une large famille de composés (de références, de synthèse, matière première ou produits finis) permet d’identifier les difficultés de caractérisation des NMs en fonction de leur provenance.Après une revue de la littérature sur l’état de l’art pour positionner le sujet dans son contexte une première partie est consacrée à l’élaboration d’un protocole de préparation d’échantillon pour le MEB. L’objectif est de faciliter l’étape de traitement d’images dans le but de répondre à la réglementation et caractériser les particules isolées et/ou constitutives des agglomérats. Par le contrôle de la taille des agglomérats par DLS, l’impact de l’étape de sonication sur la dispersion et la dissociation des (nano) objets agglomérés présents en suspension a été mis en évidence.Dans une deuxième partie, une approche multi-technique est mise en œuvre pour comparer deux mesurandes issues de différents instruments (un diamètre équivalent à une surface projetée pour le MEB et une surface spécifique pour le SAXS et la BET), afin d’accéder aux dimensions des (nano)-objets étudiées. L'influence de différents paramètres tels que la distribution en taille (ou polydispersité) la pureté des échantillons (et donc l’étape d’extraction des NMs de leur matrice), l'interaction entre les particules et l’anisotropie des particules sont discutées. Ces dernières ont un impact important sur les mesures de surface spécifique, ou des diamètres équivalents issus du SAXS. Les résultats obtenus illustrent les difficultés de la caractérisation des (nano)-objets mais confirment que les techniques utilisées dans cette étude (le MEB, le SAXS et la BET) sont complémentaires.

Due to the increasing use of nanoparticles, a better understanding of their properties, their environmental fate, and their impact on the human health becomes mandatory. To this end, reliable methods for the characterization of nanomaterials’ properties need to be developed. Among the different properties of nanoparticles, the size is particularly important as it influences several other properties (e.g. the reactivity, the toxicity or their behavior in the environment). The asymmetrical flow field flow (AF4) is a technique that fractionates the different populations inside the sample as a function of their hydrodynamic diameter. In the 1960s, a model (thereafter called classical model) relying the retention time of a nanoparticle with its hydrodynamic diameter has been developed. However, the model validity is based on work hypothesizes which are not always respected depending on the experimental conditions.The work of this PhD thesis has consisted firstly in the study of the mechanisms governing the nanoparticles retention inside the AF4 channel. Notably it has been shown that interactions between the nanoparticles and the accumulation wall of the AF4 biased the results predicted by the classical model. Another model (thereafter called p-w model), which takes electrostatic and Van de Walls interactions into account, has been developed. Tests realized with particle standards for size showed that the p-w model give results with a better trueness than the classical model and that it can be applied for a larger range of experimental conditions. A validation of this model has been conducted and an uncertainty budget has been developed by following the Monte Carlo method. The metrological traceability of the measurement results has also been demonstrated., L’augmentation de l’utilisation des nanoparticules au fil des années rend nécessaire une meilleure compréhension de leurs propriétés, leur devenir dans l’environnement ainsi que leur impact sur la santé. A cette fin, de meilleures techniques de caractérisation nécessitent d’être développées. Parmi les différentes propriétés des nanoparticules, la taille est particulièrement importante car elle influence de nombreuses propriétés (comme, par exemple : la réactivité, la toxicité ou leur capacité de migration dans l’environnement). Parmi les nombreuses techniques de caractérisation en taille existantes, le fractionnement par couplage flux force asymétrique (AF4) est une technique qui permet de séparer les différentes populations de nanoparticules présentes dans l’échantillon en fonction de leur diamètre hydrodynamique avant de les envoyer à un détecteur en taille. Ce fractionnement permet de simplifier le travail du détecteur.Dans les années 1960, un modèle (appelé dans la thèse modèle classique) reliant le temps de rétention des nanoparticules au sein de l’AF4 à leur diamètre hydrodynamique a été développé. Cependant la validité du modèle repose sur des hypothèses de travail qui ne sont pas toujours respectées dans certaines conditions expérimentales.Ces travaux ont consisté, dans un premier temps, à étudier les mécanismes gouvernant la rétention au sein de l’AF4. Il a été montré que des interactions entre les nanoparticules et la paroi du canal biaisent les résultats prédits par le modèle classique. Un autre modèle (appelé dans la thèse modèle p-w) prenant en compte les interactions électrostatiques et de van der Waals a été étudié. Le modèle p-w s’est montré plus robuste que le modèle classique. Une validation de ce modèle a été conduite et un bilan d’incertitude a été développé en utilisant la méthode de Monte- Carlo. La traçabilité métrologique des résultats de mesure a également été démontrée.Ces travaux ont consisté, dans un premier temps, à étudier les mécanismes gouvernant la rétention au sein de l’AF4. Il a été montré que des interactions entre les nanoparticules et la paroi du canal biaisent les résultats prédits par le modèle classique. Un autre modèle (appelé au cours de la thèse modèle p-w) prenant en compte les interactions électrostatiques et de van der Waal a été étudié. Le modèle p-w s’est montré plus robuste que le modèle classique. Une validation de ce modèle a été conduite et un bilan d’incertitude a été développé en utilisant la méthode de Monte- Carlo. La traçabilité métrologique des résultats de mesure a été démontrée.

The combination of optical microscopy and molecular genetics, optogenetics, is revolutionizing the field of neurosciences. Genetically-encoded fluorescent indicators and opsins now allow optical monitoring and control of neuron activities with minimal invasiveness. While 2-photon stimulation can now address individually hundreds of neurons, deep in brain, the associated increase in laser power leads to photo-induced thermal effects which require a careful evaluation as they can potentially alter neural functions. In this manuscript, we describe the development of a luminescence-based thermometric probe, providing in vivo temperature measurements at the end of a single optical fibre during 2-photon optogenetic stimulation. The method provides 0.05 K temperature sensitivity, 2 ms temporal resolution, and single-neuron-size-range spatial resolution (~15μm). This allowed us to precisely evaluate the temperature rise induced by various optogenetic illumination conditions, deep in tissues. To evaluate the alteration of neural activity induced by such thermal variations, we developped a platform that provides precise spatial control of temperature at the microscale. Fast, accurate and reconfigurable temperature patterns are demonstrated over arbitrarily shaped regions by tailoring an optical pattern projected on a homogeneous array of absorbing plasmonic nanoparticles. Finally, we utilized this concept of microscale temperature control to develop wavefront-shaping devices based on tailored resistors inducing thermo-optical effects. We demonstrated that tunable electro-thermo-optical micro-lenses arrays allow the simultaneous Ca2+ imaging of neuron activities at different depth., La combinaison de la microscopie optique et de la génétique moléculaire, l'optogénétique, a bouleversé le domaine des neurosciences. L’opsines et d’indicateurs fluorescents codés génétiquement permet de contrôler et suivre optiquement l’activité neuronale de manière peu invasive. La stimulation à 2 photons permet d’adresser individuellement centaines de neurones en profondeur du cerveau, mais la puissance laser nécessaire entraîne des effets thermiques photo-induits qu’il est nécessaire d’évaluer précisément, puisqu’ils sont susceptibles d’altérer certaines fonctions neuronales. Dans ce manuscrit, nous décrivons le développement d'une sonde thermométrique basée sur la luminescence, permettant de mesurer in vivo la température à l'extrémité d'une fibre optique lors d’une stimulation optogénétique à 2 photons. Cette sonde offre la sensibilité thermique de 0,05 K, la résolution temporelle de 2 ms et spatiale comparable à la taille neuronale (~15μm). Elle permet d’estimer l’élévation thermique induite par diverses conditions d’illumination optogénétique. Pour évaluer l'altération de l'activité neuronale lors de telles variations, nous avons développé une plateforme qui contrôle la température à l'échelle du micron. Nous générons des formes thermiques arbitraires et rapidement reconfigurables en projetant un motif d’illumination sur un ensemble homogène de nanoparticules plasmoniques absorbantes. Enfin, nous avons utilisé ce concept de contrôle thermique pour développer des dispositifs de contrôle du front d'onde basés sur des résistances induisant des effets thermo-optiques. Une matrices de micro-lentilles permettent l'imagerie calcique à différentes profondeurs simultanément.

Progress in regenerative medicine is closely related to the elaboration of new biomaterial tailored to suit certain specifications. Biomaterials are expected to maintain and/or restore the healthy tissu's function and be easily implanted into patients. In this context, thermosensitive nanoparticles-based biomaterials are promising as they can be injected and, in response to a stimulus such as body temperature, they undergo in-situ self-assembly. We proposed an innovative strategy aiming at the design of a biomaterial by colloidal self-assembly based on the surface modification of hydrogel-based nanoparticles with a thermoresponsive copolymer. This work objective is to answer the following question: does surface modification of nanoparticles with a thermoresponsive copolymer induce to the particles thermosensitive properties? First, pH- and thermoresponsive copolymer PVAm-b-PNIPAM was synthetized and characterized to study its physico-chemical properties in aqueous medium, including its critical temperature and self-assembly properties. Hydrogel-based core/shell particles with diameter of around 500 nm were obtained by the layer-by-layer assembly of two natural polyelectrolytes, chitosan and alginate, coated onto silica core. Surface modification was characterized, 1H NMR and XPS confirmed the copolymer's presence onto the particles surface and a quantification was carried out by spectrofluorimetry. Finally, thermosensitive properties of the modified nanoparticles suspension was investigated and showed that a rise of temperature above the copolymer's critical temperature induced the destabilization of the suspension. This result answered positively to the problematic and confirmed the interest of such system for biomedical applications., Les progrès réalisés dans le domaine de la médecine régénérative sont intimement liés à la conception de nouveaux biomatériaux répondant à des cahiers des charges spécifiques. Les biomatériaux doivent maintenir l'intégrité du tissu sain environnant et être facilement implantés ou injectés chez les patients. Dans ce contexte, les biomatériaux à base de particules colloïdales thermosensibles sont très prometteurs car ils peuvent être injectés et, en réponse à un stimulus comme la température du corps, s'auto-assembler au niveau du site d'injection pour une application localisée. Nous proposons une stratégie innovante de mise en forme d'un biomatériau par auto-assemblage colloïdal : une modification de surface de nanoparticules à base d'hydrogel par un copolymère thermosensible qui permettrait un auto-assemblage thermo-induit. L'objectif de la thèse est de répondre à la problématique suivante : est-ce que la modification de surface des particules par un copolymère thermosensible leur apporte des propriétés d'auto-assemblage thermo-induit ? Dans un premier temps, le copolymère pH- et thermosensible PVAm-b-PNIPAM a été synthétisé et caractérisé dans le but de mettre en évidence l'influence du caractère pH-sensible du copolymère sur sa thermosensibilité et les conséquences sur l'auto-assemblage du copolymère en solution. Cette étude a permis de mettre au point des conditions de greffage du copolymère à la surface de nanoparticules composites cœur-couronne SiNP@CS/ALG, composées d'un cœur de silice recouvert d'un assemblage multicouche d'hydrogel de polyélectrolytes naturels, le chitosane et l'alginate et de diamètre hydrodynamique d'environ 500 nm. La modification de surface des nanoparticules a été caractérisée, la présence du copolymère thermosensible a été mise en évidence par RMN 1H et par XPS et quantifiée par spectrofluorimétrie. Enfin, l'évaluation des propriétés thermosensibles des nanoparticules modifiées en suspension a permis de montrer une déstabilisation de la suspension lorsque la température est élevée au-delà de la température critique du copolymère thermosensible. Ce résultat confirme l'intérêt d'un tel système thermosensible pour des applications biomédicales.

The morphology and adhesion energy of nanosized metal particles supported on dielectrics are a puzzling issue since, due to the increasing contribution of surfaces and interfaces in their energetics, their equilibrium shape escapes the rules established for large objects. The evolution of wetting during Volmer–Weber growth of nanoparticles is herein studied by in situ ultraviolet/visible surface differential reflectivity spectroscopy (SDRS). The integrated s-polarized SDR signal is shown to be proportional to the oscillator strength of the optically excited plasmon resonances parallel to the surface. Dielectric modelings show that this quantity, which is marginally affected by the size and density of the objects, depends mainly on the aspect ratio of the particles from which adhesion energy can be derived. Applied to noble (Ag, Au) or transition metals (Cr, Ni) and Zn on weakly interacting dielectric (Al2O3, SiO2, KBr) and semiconducting (TiO2, ZnO) substrates, this plasmonic approach evidences a robust U-shaped variation of the aspect ratio with film thickness and therefore size. In line with the thorough study of the Ag/Al2O3(0001) growth and linear elasticity predictions of the equilibrium shape of strained epitaxial particles, the first branch of the “U” is assigned to a size-dependent equilibrium shape related to surface/interface stress effects. A significant decrease in adhesion energy parallels a rounding of the particles. The second branch partly stems from flattening due to incomplete coalescence. The common behavior of poorly wetting supported metal nanoparticles that is revealed herein, with strong changes in shape and adhesion as a function of particle size, had not been evidenced so far. Both the proposed optical methodology and the final findings about adhesion at the nanoscale are of interest in the wide field of application of supported metal nanoparticles that involves heterogeneous catalysis and thin film growth. We thank all reviewers for their very constructive comments. R.C., E.C., and Q.H. thank ANRT (Agence Nationale de la Recherche et de la Technologie), Arcelor-Mittal Maizières Research, and Saint-Gobain Recherche for the CIFRE funding of their thesis (grants 2013/0521 and 2016/0650). M.M. and E.M. acknowledge the support of the French state fund managed by the ANR (Agence Nationale de la Recherche) within the Investissements d’Avenir program under reference ANR-11-IDEX-0004-02 and more specifically within the framework of the Cluster of Excellence MATISSE. R.L., I.G., and Q.H. acknowledge the support of ANR (Industrial chair FRAXOS, reference ANR-15-CHIN-0003). The SDRS setup was designed by S. Chenot (INSP, Paris).