Tesi sul tema "Nanoparticules d'oxyde de fer – Synthèse (chimie)"

Les nanomatériaux deviennent de plus en plus courant dans la vie quotidienne et dans des domaines différents comme l’environnement pour la dépollution des eaux et des sols, le stockage de l’énergie pour les batteries ou le stockage de l’information pour la spintronique. Parmi les nanomatériaux, ceux présentant un caractère magnétique sont particulièrement étudiés notamment pour des applications dans le domaine biomédical. Ainsi, les nanoparticules d’oxyde de fer suscitent un grand intérêt scientifique pour le domaine biomédical du fait de leur biocompatibilité, de la simplicité de leur synthèse ainsi que de son faible coût. Leurs propriétés superparamagnétiques (pas d’aimantation à température ambiante) permettent leur utilisation à des fins de diagnostic (agent de contraste en IRM), thérapie (hyperthermie, vectorisation) ou les deux. Au cours de ces travaux de thèse, la première étape a consisté à développer une nouvelle méthode de synthèse de nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques fonctionnalisées et stables dans une solution aqueuse : la synthèse micro-onde. Pour permettre un développement optimisé de cette synthèse, un plan d’expériences a été réalisé. Les synthèses ont ensuite été caractérisées par différentes techniques (MET, DLS, DRX, IRTF, spectroscopie Raman, spectroscopie Mössbauer, ATG, caractérisations magnétiques) pour déterminer au mieux leurs propriétés physico-chimiques : les nanoparticules obtenues d’un diamètre compris entre 2,5 et 4 nm sont stables dans des solutions aqueuses. Dans une deuxième étape le comportement biologique de ces nanoparticules (internalisation cellulaire, cytotoxicité, activité mitochondriale) a été étudié. Puis, une étude de la relaxivité des nanoparticules synthétisées a été menée afin de pouvoir comparer leur efficacité à celle des agents de contraste commerciaux comme l’Endorem®
Nanomaterials are becoming more and more common in everyday life and in different fields such as the environment for water and soil decontamination, energy storage for batteries or information storage for spintronics. Among the nanomaterials, those with a magnetic character are particularly studied for applications in the biomedical field. Thus, iron oxide nanoparticles are of great scientific interest in the biomedical field because of their biocompatibility, the simplicity of their synthesis and their low cost. Their superparamagnetic properties (no magnetisation at room temperature) allow them to be used for diagnosis (MRI contrast agent), therapy (hyperthermia, vectorisation) or both. During this thesis, the first step was to develop a new method for the synthesis of superparamagnetic functionalized iron oxide nanoparticles that are stable in an aqueous solution: microwave synthesis. To allow an optimised development of this synthesis, an experimental design was carried out. The syntheses were then characterised by different techniques (TEM, DLS, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, Mössbauer spectroscopy, TGA, magnetic measurements) to determine their physico-chemical properties as well as possible: the nanoparticles obtained with a diameter between 2.5 and 4 nm are stable in aqueous solutions. In a second step, the biological behaviour of these nanoparticles (cellular internalisation, cytotoxicity, mitochondrial activity) was studied. Then, a study of the relaxivity of the synthesised nanoparticles was carried out in order to be able to compare their effectiveness with that of commercial contrast agents such as Endorem®

Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans un projet collaboratif entre l'Université de Toulouse et l'Université de Rabat. Le sujet porte sur le développement de nanoparticules d'oxydes métalliques (gamma-Fe2O3 et ZnO) pour des applications biomédicales (IRM et imagerie optique). Il s'agit en particulier de développer des approches permettant de rendre hydrophiles des nanoparticules hydrophobes synthétisées par voie organométallique et d'en étudier les propriétés. Dans un premier temps, des méthodologies d'échange de solvant pour transférer des nanoparticules de ZnO hydrophobes dans l'eau en utilisant des surfactants de type gémini ont été développées. Nous avons montré que la formation d'une seconde couche de ligand, méthodologie réputée pour être universelle, peut s'avérer complexe. L'utilisation de PEG-amine rend directement les nanoparticules d'oxyde de fer hydrosolubles. Dans un second temps, les propriétés physiques (optiques ou magnétiques) de ces nanoparticules ont été étudiées aussi bien en milieu organique que dans l'eau. En particulier, nous avons montré que les propriétés optiques des nanoparticules de ZnO ne dépendaient pas du solvant mais dépendaient très fortement de leur état de surface. Le premier exemple de photocommutation des nanoparticules de ZnO en utilisant un photochrome de type diarylethene a été obtenu. Enfin, des nanoparticules stables en solution tampon ont été obtenues et les premières visualisations des nanoparticules de ZnO en microscopie de fluorescence ont été réalisées. Les nanoparticules d'oxyde de fer ont également été évaluées comme agent de contraste en IRM
This manuscript describes a collaborative work between the University of Toulouse and the University of Rabat. This work is devoted to the development of metal oxide nanoparticles (gamma-Fe2O3 and ZnO) for biological applications (MRI or optical imaging). It focuses in particular on the development of methodologies for transforming hydrophobic nanoparticles prepared following organometallic chemistry to hydrophilic ones, and to study their properties. Methodologies of solvent exchange to transfer ZnO hydrophobic nanoparticles into water using Gémini ligand have been first developed. The well known "double layer" strategy turned to be much more complicated as expected. The use of amino-PEG surfactants leads to the direct formation of water-dispersible iron oxide nanoparticles. In a second step, the physical properties (optical or magnetic properties) of such nanoparticles were studied either in organic media or in water. In particular, we demonstrated that the optical properties of the ZnO nanoparticles are independent of the solvent but strongly depend on the surface state of the nanoparticles. The first example of a photocommutation of ZnO nanoparticles by a diarylethene photochromic dye has been described. Finally, ZnO nanoparticles stables in buffered solutions have been obtained and the first observation with a fluorescence microscope performed. The iron oxide nanoparticles have been tested as MRI contrast agents

Les nanoparticules (NPs) d’oxyde de fer susceptibles de présenter un comportement superparamagnétique ont connu ces dernières années un intérêt considérable en vue de leur application en nanomédecine. Leurs propriétés magnétiques et biocompatibilités permettent notamment leur utilisation à des fins de diagnostic (IRM, imagerie optique et nucléaire…) et aussi de thérapie (hyperthermie, nano vectorisation…). L’objectif de cette thèse a été d’étudier l’influence des paramètres de synthèse sur les propriétés finales des NPs d’oxyde de fer magnétique dopé au zinc. Cette étude avait plus particulièrement pour but l’optimisation des méthodes de synthèse qui sont la coprécipitation et la décomposition thermique. A ce sujet, la caractérisation des NPs par diverses techniques a permis notamment d’étudier les liens entre la taille, la forme, la composition chimique d’une part, et les propriétés magnétiques des NPs d’autre part. Dans un deuxième temps, la fonctionnalisation des NPs qui est une étape indispensable pour assurer leurs biocompatibilités a été réalisée, elle était suivie par des mesures d’hyperthermie magnétique
The superparamagnetic iron oxide nanoparticles (NPs) are a class of nanomaterials with a high interest in the nanomedicine field. Their magnetic properties and biocompatibility recommend them as potential candidates for diagnostics purposes (MRI, optical or nuclear Imaging ...) and therapy (hyperthermia, nanovectorization...). The aim of this thesis was to study the influence of the synthesis parameters on the final properties of magnetic zinc doped iron oxide nanoparticles. Two synthesis methods were considered, the co-precipitation and the thermal decomposition. The characterization of the obtained nanoparticles by complementary techniques allowed us to propose a consistent relationship between the size, shape and chemical composition on the one hand, and the magnetic properties of the nanoparticles on the other hand. The functionalization of NPs, that is a crucial step for ensuring their biocompatibility and use in magnetic hyperthermia, was also realised and the hyperthermia properties were measured on some typical nanoparticles

Les aciers ODS (Oxide Dispersed Strengthened Steels), renforcés par des dispersions de nano-oxydes métalliques (à base d'éléments Y, Ti et O), sont des matériaux prometteurs pour les réacteurs nucléaires de génération IV. La compréhension fine des mécanismes mis en jeu lors de la précipitation de ces nano-oxydes permettrait d'améliorer la fabrication et les propriétés mécaniques de ces aciers ODS, avec un fort impact économique en vue de leur industrialisation. Pour étudier expérimentalement ces mécanismes, une approche analytique par implantation ionique est utilisée dans cette étude, permettant de contrôler différents paramètres de synthèse de ces précipités comme la température et leur concentration. Ce projet a permis de démontrer la faisabilité de cette méthode et d'étudier le comportement d'alliages modèles (à base d'oxyde d'aluminium) sous recuit thermique. Des alliages Fe-10Cr de haute pureté ont été implantés avec des ions Al et O à température ambiante. Les observations de microscopie électronique en transmission ont montré que des nano-oxydes apparaissent dans la matrice de Fe-10Cr dès l'implantation à température ambiante, sans recuit subséquent. Les défauts créés lors de l'implantation ionique sont à l'origine de la mobilité des éléments introduits, permettant la nucléation de ces nanoparticules, de quelques nm de diamètre. Ces nanoparticules sont composées d'aluminium et d'oxygène, et également de chrome. Les examens en haute résolution montrent que leur structure cristallographique correspond à celle d'un composé hors équilibre de l'oxyde d'aluminium (de type γ-Al₂O₃). Les traitements thermiques effectués après implantation induisent une croissance de la taille de ces nano-oxydes, et un changement de phase qui tend vers la structure d'équilibre (de type α-Al₂O₃). Ces résultats sur des alliages modèles s'appliquent entièrement aux matériaux industriels : en effet l'implantation ionique reproduit les conditions du broyage, et les traitements thermiques sont à des températures équivalentes à celles des traitements d'élaboration thermo-mécaniques. Un mécanisme de la précipitation de nano-oxydes dispersés dans des alliages ODS est proposé dans ce manuscrit
ODS (Oxide Dispersed Strengthened) steels, which are reinforced with metal dispersions of nano-oxides (based on Y, Ti and O elements), are promising materials for future nuclear reactors. The detailed understanding of the mechanisms involved in the precipitation of these nano-oxides would improve manufacturing and mechanical properties of these ODS steels, with a strong economic impact for their industrialization. To experimentally study these mechanisms, an analytical approach by ion implantation is used, to control various parameters of synthesis of these precipitates as the temperature and concentration. This study demonstrated the feasibility of this method and concerned the behaviour of alloys models (based on aluminium oxide) under thermal annealing. High purity Fe-10Cr alloys were implanted with Al and O ions at room temperature. Transmission electron microscopy observations showed that the nano-oxides appear in the Fe-10Cr matrix upon ion implantation at room temperature without subsequent annealing. The mobility of implanted elements is caused by the defects created during ion implantation, allowing the nucleation of these nanoparticles, of a few nm in diameter. These nanoparticles are composed of aluminium and oxygen, and also chromium. The high-resolution experiments show that their crystallographic structure is that of a non-equilibrium compound of aluminium oxide (cubic γ-Al₂O₃ type). The heat treatment performed after implantation induces the growth of the nano-sized oxides, and a phase change that tends to balance to the equilibrium structure (hexagonal α-Al₂O₃ type). These results on model alloys are fully applicable to industrial materials: indeed ion implantation reproduces the conditions of milling and heat treatments are at equivalent temperatures to those of thermo-mechanical treatments. A mechanism involving the precipitation of nano-oxide dispersed in ODS alloys is proposed in this manuscript based on the obtained experimental results, and the existing literature

Actuellement, on observe le développement de nouveaux matériaux, à savoir les matériaux actifs, au travers de divers processus et applications. Par exemple, l’utilisation de nanoparticules de fer (NanoFe) absorbantes d’O2 dans le cadre de l’emballage actif, implique la maîtrise de plusieurs paramètres pour une application en tant que matériau actif. En effet, il est indispensable d’avoir une très bonne compréhension des mécanismes d’oxydation et de consommation d’O2, de pouvoir quantifier les capacités d’absorption ainsi que la vitesse d’absorption d’O2. Bien que nécessaires, ces deux paramètres n’ont été jusqu’à présent que peu caractérisés et encore moins mis en relation avec les propriétés morphologiques (tailles, surface spécifique, etc) et physico-chimiques (tel que l’état du fer) des nanoparticules de fer mises en oeuvre.Dans le but de concevoir à façon un film d’emballage monocouche absorbeur d’O2, ce travail vise à combiner une barrière passive, liée au phénomène de tortuosité induit par la présence des lamelles d’argile dispersées dans une matrice polymérique et une barrière active, liée à l’absorption d’oxygène par les NanoFe synthétisées. Les Nano-Fe ont été synthétisées par réduction chimique au Borohydrure de sodium sur support d’argile Montmorillonite (MMT). La caractérisation MET a révélé la formation d'agrégats de nanoparticules de fer d'une taille moyenne de 57 ± 17 nm dispersées sur la surface des MMT. La cinétique Mössbauer sur la poudre MMT-Fe confirme que les différentes phases du fer (Fe0 et FeII) dans les nanoparticules de fer ne s'oxydent pas à la même vitesse. Cela a permis d’ajuster le modèle mathématique de prédiction des propriétés d’absorption de l’O2. L'étude de propriétés d'absorption d’O2 sur les poudres a montré que la constante de réaction (k), le coefficient de proportionnalité (n) et les capacités d'absorption d’O2 sont du même ordre de grandeur pour la poudre humide, séchée et stockée. Les films nanocomposites préparés à partir des poudres séchées de MMT-Fe synthétisées, incorporées dans un polymère de LLDPE ont montré une bonne capacité d’absorption, mais inférieure à celle de la poudre seule, lié à l’oxydation avancée du fer dans ces films, confirmée par la spectroscopie Mössbauer (les films sont oxydés à 60% contre 30% pour les poudres). Un modèle numérique utilisant la seconde loi de Fick couplée au système d’équations de cinétique chimique obtenue sur la poudre, a permis de prédire le phénomène de diffusion et réaction de l'oxygène dans des films réalisés. Ce modèle est comparé aux données expérimentales obtenues par oxydation de films. En parallèle, une étude de la cinétique d'absorption d’absorbeurs d’O2 commerciaux, couramment utilisés dans les emballages sous atmosphère modifiée, a été effectuée. Sur ces systèmes commerciaux, la cinétique d'absorption a été décrite aussi par une réaction de cinétique de second ordre avec un comportement de type Arrhenius pour l’effet de la température. Toutefois, la spectroscopie Mössbauer a révélé que, dans ce cas-là, seule l’espèce Fe0 était prépondérante pour décrire la cinétique (celle de FeII étant négligeable tant elle est rapide). Nous avons montré pour la première fois, que la spectroscopie de Mössbauer peut être couplée avec succès à la mesure de l'oxygène afin de caractériser in situ l’oxydation du fer, sa spéciation et la capacité d’absorption d’O2. Cette configuration associant spectroscopie de Mössbauer et mesure de l’oxygène ont fourni des informations précieuses sur les mécanismes réactionnels régissant les absorbeurs d’O2. Tous ces résultats auront des implications importantes pour la compréhension de l’absorption d’oxygène dans le système actif absorbeur d’O2
Currently, we are seeing the development of new materials, namely active materials, through various processes and applications. Among these active materials, the use of O2 scavenging iron nanoparticles (NanoFe) as required knowledge of several parameters for efficient application in the field of food packaging such as knowledge about oxidation mechanism and O2 consumption rate. These parameters are necessary to be able to quantify the absorption capacity and absorption rate of O2. Although necessary, these two parameters have so far been little characterized and even less related to the morphological (size, specific surface, etc.) and physico-chemical properties (such as the iron speciation) of iron nanoparticles implemented.In order to tailor nanocomposite film with O2 scavenging properties, this work aims to combine a passive barrier, related to the phenomenon of tortuosity induced by the presence of clay platelets dispersed in a polymeric matrix and an active barrier, related to oxygen uptake by synthesized NanoFe. Nano-Fe were synthesized by chemical reduction with sodium borohydride on Montmorillonite clay (MMT) support. The TEM characterization revealed the formation of iron nanoparticle aggregates with an average size of 57 ± 17 nm scattered on the MMT surface. The Mössbauer kinetics on the MMT-Fe powder confirms that the different iron phases (Fe0 and FeII) in the iron nanoparticles do not oxidize at the same speed. This allowed to adjust the mathematical model of O2 absorption properties prediction. The study of O2 absorption properties on powders has shown that the reaction constant (k), the proportionality coefficient (n) and the O2 absorption capacities are of the same order of magnitude for the wet, dried and stored powders. The nanocomposite films prepared from the synthesized MMT-Fe dried powders incorporated in a LLDPE polymer showed good absorption capacity, but lower than that of the fresh powder, related to the advanced oxidation of iron in these films, confirmed by Mössbauer spectroscopy (films are 60% oxidized versus 30% for powders). A numerical model using the second law of Fick coupled to the system of chemical kinetics equations obtained on the powder, made it possible to predict the phenomenon of diffusion and reaction of oxygen in films produced. This model was compared with experimental data obtained by measuring O2 absorption by films. In parallel, a study of the absorption kinetics of commercial O2 scavengers, commonly used in modified atmosphere packaging, was carried out. On these commercial systems, absorption kinetics has also been described by a second-order kinetic reaction with Arrhenius-like behavior for the effect of temperature. Mössbauer spectroscopy revealed that, in this case, only the Fe0 species were predominant to describe the kinetics (that of FeII being negligible as it was fast). We have shown for the first time that Mössbauer spectroscopy can be successfully coupled to the measurement of oxygen in order to characterize iron oxidation, speciation and O2 absorption capacity in situ. This configuration associating Mössbauer spectroscopy and oxygen measurement provided valuable information on the reaction mechanisms governing the O2 absorbers. All of these results will have important implications for understanding oxygen uptake in the active O2 absorber system

Le domaine des matériaux fonctionnels est en constante recherche de matériaux aux propriétés novatrices. Selon les fonctions visées, il est avantageux de combiner des propriétés de la matière, normalement présentes dans des matériaux différents. Afin de combiner à la fois les propriétés optiques et d’exaltation de la fluorescence des plasmons localisés des particules de métaux nobles et les propriétés magnétiques des particules d’oxyde de fer, des essais de synthèses de particules à structure cœur-coquille sont réalisés. Les objectifs du projet sont la synthèse de cœurs de magnétite d’une taille d’environ 20 nm et le recouvrement de ces cœurs par une coquille d’or uniforme. Les résultats démontrent que le contrôle de la taille des particules magnétiques par coprécipitation est difficile et, en modifiant certains paramètres, entraîne la formation de particules octaédriques de 20 à 200 nanomètres. De plus, la croissance directe d’une coquille d’or en milieu aqueux semble grandement défavorisée.

Dans une première partie, la synthèse, par co-précipitation suivi d’un traitement hydrothermal, de nanoparticules de magnétite avec des tailles et des distributions de taille contrôlées a été mise en point en faisant varier divers paramètres tels que le pH, la nature de la base et le rapport Base/Fe. Des nanoparticules de 12 (± 2) nm mais surtout de 39 (± 5) nm avec une composition moyenne Fe2,95O4 et constituées d’un coeur de magnétite stoechiométrique et d’une couche extérieure oxydée ont été obtenues. Dans une deuxième partie, une méthodologie a été mise en place pour greffer à la surface des nanoparticules des molécules organiques fonctionnelles avec une liaison forte et directe. Nous avons testé différents agents de couplage : le groupement carboxylate généralement le plus utilisé et des groupements phosphate et phosphonate. Nous avons montré que ces derniers permettaient un ancrage plus fort à la surface de la nanoparticule et un taux de greffage plus élevé que l’agent de couplage carboxylate. Le greffage se fait principalement par interaction avec les ions Fe3+ des sites Oh des plans (111) les plus denses. Les propriétés magnétiques ne sont pas modifiées avec le phosphonate et le phosphate, alors que le carboxylate induit un «canting» de spin dans la couche oxydée diminuant l’aimantation. L'optimisation des conditions de greffage a conduit à des suspensions très stables dans l’eau et le THF
In the first part, magnetite nanoparticles with controlled size have been synthesized by co-precipitation followed by hydrothermal treatment. By varying different parameters like the pH, the nature of the bases and the Base/Fe ratio, we were able to obtain, nanoparticles with an average size of 12 (± 2) nm but especially of 39 (± 5) nm with global composition: Fe2. 95O4 which can be described by a core-shell system with stoechiometric magnetite as core and oxidized layer as shell. In the second part, we report, our results on the direct and strong bonding of functional organic molecules onto the surface of this nanoparticles using either phosphate, phosphonate or carboxylate groups as coupling agents. These studies have shown that the nanoparticles functionalised by a phosphate or phosphonate groups allowed stronger bonding on the surface of the nanoparticles, higher grafting rate than the carboxylate groups and especially the conservation of the magnetic properties. The grafting occurs mainly by interaction with the Fe3+ in octahedral sites present in the (111) denser plane. The magnetic properties are not modified with phosphonate and phosphate, whereas the carboxylate induce a canting of spin in the oxidized layer decreasing magnetization. Optimisation of grafting conditions has conducted to very stable suspensions in water and THF

Du fait de leurs nombreuses applications, notamment dans le domaine biomédical, beaucoup d'études actuelles visent à la compréhension et à l'amélioration des propriétés magnétiques de nanoparticules d'oxyde de fer de structure spinelle. En effet, le fort rapport surface/volume, inhérent à la réduction en taille dans le domaine du nanomètre, et la présence de défauts cristallins ont une influence déterminante sur les propriétés magnétiques des particules. Ceci s'explique notamment par la présence de spins en situation de couplage faible, désalignés, qui sont responsables d'une réduction de l'aimantation à saturation. Lors de cette thèse, une stratégie de " recuit protégé " de nanoparticules de maghémite et de ferrite de cobalt a été mise en œuvre afin d'améliorer leur cristallinité et/ou de changer leur composition locale et ce sans grossissement ni agglomération des grains. Une matrice de silice produite par voie sol-gel a été retenue car elle est diamagnétique mais également réfractaire et inerte. Le recuit à haute température des composites a tout d'abord permis d'étudier l'impact de différents défauts structuraux sur les propriétés magnétiques. Il a ainsi été montré que pour des nanoparticules de maghémite, la mise en ordre des lacunes de fer et les changements d'état de surface liés à la déshydroxylation des particules avaient des effets antagonistes. Le premier effet, prédominant pour des particules de 14 nm, tend à augmenter la valeur de l'aimantation, alors que le second, prépondérant pour les particules de 7 nm, induit une propagation de la couche de spins désalignés de surface et donc une diminution de l'aimantation. Dans le cas du ferrite de cobalt, un autre paramètre, la répartition cationique pourrait avoir un impact sur le désalignement des spins. Un recuit à 800°C n'a cependant pas permis une forte augmentation du taux d'inversion, probablement du fait du caractère réfractaire de CoFe2O4. Cette même stratégie de recuit protégé a également permis de moduler les propriétés magnétiques de particules de maghémite par dopage avec des ions Co2+. Une augmentation progressive de la constante d'anisotropie, jusqu'à un facteur 3,5, a ainsi été observée du fait de la diffusion des ions Co2+ dans la structure spinelle
Because of their promising applications, particularly in the field of biomedicine, many research activities are currently focused in understanding and improving the magnetic properties of iron oxide nanoparticles. The large surface/volume ratio, inherent to the size reduction at the nanometer scale, and crystalline defects have a significant influence on the magnetic properties of these particles, because they give rise to weakly coupled and misaligned spins, which are responsible for low saturation magnetization values. In the course of this PhD project, a strategy of protected annealing was investigated to improve the crystallinity and/or to change the local composition of maghemite and cobalt ferrite nanoparticles, without agglomeration or grain growth. A diamagnetic, refractory and inert sol-gel silica matrix was selected. The high-temperature annealing of the composite samples was first used to study the impact of various structural defects on the magnetic properties. We showed that for maghemite nanoparticles, ordering of Fe vacancies and changes in the surface state, as a result of dehydration, had opposite effects. Vacancy ordering predominates for particles of 14 nm and tends to increase magnetization values, while the removal of surface hydroxyl groups, predominant for particles of 7 nm, induces the propagation of the outer shell made of misaligned spins toward the center of the particles, thus decreasing magnetization values. In the case of cobalt ferrite, the Co-Fe ions distribution may also have an impact on spin misalignment. However, an 800°C annealing did not induced a large increase in inversion degree, probably because of the refractory nature of CoFe2O4. This strategy of protected annealing also allowed modulating the magnetic properties of maghemite particles upon cobalt doping. A progressive increase of the anisotropy constant, up to 3. 5 times, was observed as a result of the diffusion of Co2+ ions into the spinel structure

Du fait de leurs nombreuses applications, notamment dans le domaine biomédical, beaucoup d'études actuelles visent à la compréhension et à l'amélioration des propriétés magnétiques de nanoparticules d'oxyde de fer de structure spinelle. En effet, le fort rapport surface/volume, inhérent à la réduction en taille dans le domaine du nanomètre, et la présence de défauts cristallins ont une influence déterminante sur les propriétés magnétiques des particules. Ceci s'explique notamment par la présence de spins en situation de couplage faible, désalignés, qui sont responsables d'une réduction de l'aimantation à saturation. Lors de cette thèse, une stratégie de " recuit protégé " de nanoparticules de maghémite et de ferrite de cobalt a été mise en œuvre afin d'améliorer leur cristallinité et/ou de changer leur composition locale et ce sans grossissement ni agglomération des grains. Une matrice de silice produite par voie sol-gel a été retenue car elle est diamagnétique mais également réfractaire et inerte. Le recuit à haute température des composites a tout d'abord permis d'étudier l'impact de différents défauts structuraux sur les propriétés magnétiques. Il a ainsi été montré que pour des nanoparticules de maghémite, la mise en ordre des lacunes de fer et les changements d'état de surface liés à la déshydroxylation des particules avaient des effets antagonistes. Le premier effet, prédominant pour des particules de 14 nm, tend à augmenter la valeur de l'aimantation, alors que le second, prépondérant pour les particules de 7 nm, induit une propagation de la couche de spins désalignés de surface et donc une diminution de l'aimantation. Dans le cas du ferrite de cobalt, un autre paramètre, la répartition cationique pourrait avoir un impact sur le désalignement des spins. Un recuit à 800°C n'a cependant pas permis une forte augmentation du taux d'inversion, probablement du fait du caractère réfractaire de CoFe2O4. Cette même stratégie de recuit protégé a également permis de moduler les propriétés magnétiques de particules de maghémite par dopage avec des ions Co2+. Une augmentation progressive de la constante d'anisotropie, jusqu'à un facteur 3,5, a ainsi été observée du fait de la diffusion des ions Co2+ dans la structure spinelle.

Nous avons étudié la stabilisation de microbulles d'air par les tensioactifs semi-fluorés CF3(CF2)n-1(CH2)mOP(O)(OH)2 (FnHmPhos, où n = 8, 10, m = 2) et des nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer et de ferrite de cobalt. Ces nouveaux objets combinant propriétés acoustiques et magnétiques pourraient servir d'agent de contraste à la fois en échographie et en imagerie IRM. Nous avons étudié des propriétés physico-chimiques des tensioactifs en solution et à l'interface aireau. Nous avons montré par tensiométrie dynamique et par des études de films de Langmuir que les tensioactifs F8H2Phos et F10H2Phos forment des monocouches dont le module élastique est très élevé, ce qui favorise la stabilisation de bulles de petite taille ainsi que de bulles non-sphériques. Nous avons proposé une approche de dégonflement/gonflement contrôlé en faisant varier la pression dans la bulle par la température et nous avons étudié le froissement de la paroi des bulles pendant le dégonflement. Des microbulles portant des nanoparticules ont été obtenues dans une suspension des nanoparticules d'oxyde de fer ou de ferrite de cobalt en présence de F8H2Phos ou F10H2Phos, en déstabilisant la suspension par NaCl, ce qui permet de diminuer la barrière électrostatique entre les nanoparticules et la surface des bulles et de favoriser l'adsorption. Les microbulles obtenues sont stables pendant plus d'une semaine grâce à la paroi rigide des nanoparticules.

Nous avons développé de nouvelles voies de synthèses simples, rapides et « vertes » de nouveaux matériaux nanohybrides, constitués de nanoparticules métalliques supportées sur matrice inorganique d’hydroxyde de fer. Leur synthèse en suspension consiste à former d’abord la matrice solide inorganique contenant du FeII réactif, puis à la faire réagir par oxydoréduction avec une solution de sel métallique, dans le même réacteur. Trois matrices inorganiques (rouilles vertes carbonatée RVc et sulfatée RVs, et chukanovite Chu) et trois métaux (Au, Ag et Pt) ont été étudiés. Les nanohybrides, notés métal-exMatrice, ont été caractérisés par DRX, FTIR, MEB, MET et voltamétrie. La matrice joue le rôle de réducteur, fournissant des électrons par son oxydation à l’état solide, et également celui de support, lieu de précipitation des nanoparticules métalliques formées. Deux mécanismes réactionnels avec un transfert d’électrons intra- ou inter-particules, sont proposés. Les tailles de nanoparticules sont comprises entre 20 et 200 nm. La première application présentée concerne la fabrication de capteurs ampérométriques de H2O2. Des électrodes d’encre de carbone incorporant les nanohybrides à base d’argent, notamment Ag-exRVs, ou à base de platine, Pt-exChu, apportent des propriétés de catalyse électrochimique, permettant de quantifier le peroxyde par sa réponse électrochimique, en réduction ou en oxydation. Pour la deuxième application, la réaction-modèle de réduction du 4-nitrophénol par le borohydride, nous avons montré que nos nanohybrides étaient des catalyseurs plus efficaces que les meilleurs matériaux actuels, à température et masse de nanoparticules métalliques égales
We developed simple, fast and "green" synthesis of new nanohybrids, composed of metal nanoparticles supported on inorganic matrix of iron hydroxide. Their synthesis in suspension involves first, the formation of the FeII-bearing inorganic solid matrix, then the reaction with metal salt solution, in the same reactor. Three inorganic matrices (carbonated or sulfated green rusts (GRc or GRs) and chukanovite Chu) and three metals (Au, Ag and Pt) were studied. The nanohybrids, noted metal-exMatrix, were characterized by XRD, FTIR, SEM, TEM and voltammetry. The matrix acts as a reducing agent supplying electrons by solid state oxidation, and also as the support of metal nanoparticles. Two reaction mechanisms with intra- or inter-particle electron transfer are proposed. Nanoparticles sizes vary between 20 and 200 nm. The first application involves the building of amperometric H2O2 sensors. Carbon ink electrodes incorporating silver-based nanohybrids, particularly Ag-exRVs, ​​or platinum, Pt-exChu, provide electrochemical catalytic properties, enabling us to quantify the peroxide by its electrochemical response in reduction or oxidation. For the second application, the reduction reaction of 4-nitrophenol by borohydride, we showed that our nanohybrids were more efficient catalysts than the best current materials, with similar metal load and temperature

La synthèse contrôlée de nano-alliages de germaniure de fer a connu un regain d'intérêt grâce à la récente découverte de nouvelles applications dans le domaine du stockage d'informations. Toutefois, la chimie du couple fer-germanium est une chimie complexe qui reste peu étudiée. Ces travaux de thèse associent chimie moléculaire et chimie des nano-objets pour explorer les potentialités de précurseurs mono-sources pour la synthèse en solution et en conditions douces de NPs de germaniure de fer. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la formation de nouveaux complexes présentant une architecture de type amidinatogermylène offrant un équilibre entre la stabilisation des complexes et leurs températures de décomposition, par exemple les complexes mono-germylène fer {[iPrNC(tBu)NiPr]GeCl}Fe(CO)4 et {[iPrNC(tBu)NiPr]GeHMDS}Fe(CO)4 ou le complexe bis-germylène fer {[iPrNC(tBu)NiPr]GeCl}2Fe(CO)3. Dans un second temps, nous montrons que cette méthode constitue une voie de choix permettant la formation de nano-alliages de germaniure de fer et que l'architecture des précurseurs mono-sources permet d'obtenir un contrôle sur les nanoparticules finales. En particulier, la décomposition à 200°C du complexe {[iPrNC(tBu)NiPr]GeHMDS}Fe(CO)4 conduit à la formation de nanoparticules sphériques de phase Fe3,2Ge2, de 6,5 ± 0,8 nm, présentant un comportement ferromagnétique
Controlled synthesis of nano-alloys of iron germanide has gained a renewed interest thanks to the recent discovery of new applications in the field of information storage. However, the chemistry of the iron-germanium pair is a complex chemistry that remains little studied. The work presented in this thesis combines molecular chemistry and nano-object chemistry to explore the potential of single-source precursors for solution synthesis, in soft conditions, of iron germanium NPs. First, we focused on the formation of new complexes with an amidinatogermylene-type architecture offering a balance between the stabilization of complexes and their decomposition temperatures, for example mono-germylene iron complexes {[iPrNC(tBu)NiPr]GeCl}Fe(CO)4 and {[iPrNC(tBu)NiPr]GeHMDS}Fe(CO)4 or the bis-germylene iron complex {[iPrNC(tBu)NiPr]GeCl}2Fe(CO)3. In a second step, we show that this method represents a path of choice to reach the formation of nano-alloys of iron germanide and that the architecture of the mono-source precursors allows to control the final nanoparticles. In particular, the decomposition at 200°C. of the {[iPrNC(tBu)NiPr]GeHMDS}Fe(CO)4 complex leads to the formation of Fe3,2Ge2 spherical nanoparticles, with a mean diameter of 6.5 ± 0.8 nm, exhibiting a ferromagnetic behavior

Ces travaux portent sur le développement de méthodes de modifications chimiques de surface de nanoparticules (NPs) injectables à visées diagnostiques ou thérapeutiques. Des NPs hybrides, constituées d’un cœur inorganique et d’une couronne macromoléculaire de polyéthylène glycol (PEG) présentant des caractéristiques physico-chimiques de surface bien établies (densités de greffage, charge de surface, épaisseur de la couronne) ont été synthétisées comme dans le cadre d’une étude de leurs performances pharmacocinétiques (PK). Les résultats ont notamment montré qu’il était possible de moduler les temps de circulation ainsi que les niveaux d’accumulation tumorale de ces NPs selon leurs propriétés physico-chimiques de surface. L’ajout de biomolécules en surface a été étudié pour observer le rôle d’un ciblage actif sur la pharmacocinétique et sur l’accumulation tumorale. Cette méthode de modification chimique covalente a été appliquée par la suite à des NPs magnétiques d’oxyde de fer de façon à développer de nouveaux agents de contraste négatifs (T2) et positifs (T1) en IRM. La chimie de surface de NPs d’oxyde de fer a été étudiée de sorte à améliorer leur pouvoir thermogène et leur efficacité en hyperthermie magnétique. L’effet direct de la température dissipée sous induction magnétique des NPs a pu être étudié in vivo (thermo-ablation ou thermo-stimulation du micro environnement) tout en s’affranchissant des effets toxiques dus à la présence des NPs. Le développement d’un ferrofluide huileux biocompatible à base de NPs d’oxyde de fer modifiées par chimisorption de phospholipides en leur surface a permis de décupler leur pouvoir thermogène. L’efficacité de ces huiles sous champ magnétique alternatif a été évaluée in vivo dans le cadre de leur application
This work focuses on the development of methods for the chemical modification of the surface of injectable nanoparticles (NPs) for diagnostic or therapeutic purposes. Hybrid NPs,consisting of an inorganic core and a macromolecular polyethylene glycol (PEG) corona with well established physico-chemical surface characteristics (grafting densities, surface charge, corona thickness) have been synthesized as part of a study of their pharmacokinetic (PK) performance. The results showed in particular that it was possible to modulate the circulation times as well as the tumor accumulation levels of these NPs according to their surface physico-chemical properties. The addition of surface biomolecules was studied to observe the role of active targeting on pharmacokinetics and tumor accumulation. This method of covalent chemical modification was subsequently applied to magnetic iron oxide nanoparticles in order to develop new negative (T2) and positive (T1) contrast agents in MRI. The surface chemistry of iron oxide NPs was studied to improve their thermogenicityand efficiency in magnetic hyperthermia. The direct effect of the temperature dissipated under magnetic induction of NPs could be studied in vivo (thermo-ablation or thermo-stimulation of the microenvironment) while avoiding the toxic effects due to the presence of NPs. The development of a biocompatible oily ferrofluid based on iron oxide NPs modified by chemisorption of phospholipids on their surface allowed to increase tenfold their thermogenic power. The efficiency of these oils under an alternating magnetic field was evaluated in vivo in the context of their application

L’oxyde nitrique (NO) est un messager gazeux jouant de nombreux rôles physiologiques, en particulier au niveau du système cardiovasculaire. Sa biodisponibilité est limitée par sa demi-vie très courte et sa combinaison avec les thiols le stabilise et en assure le stockage et le transport. La diminution de la production endogène de NO observée dans les maladies cardiovasculaires place les médicaments donneurs de NO au centre de nouvelles stratégies thérapeutiques. Cette étude a été dédiée au développement de nouveaux matériaux réservoirs de NO. Tout d’abord, la serumalbumine (SA) a été nitrosée selon trois processus afin d’obtenir un composé mono-S-nitrosé biocompatible. Ensuite, en vue d’obtenir un réservoir à forte capacité de charge en NO, des nanoparticules d’or recouvertes par l’acide dihydrolipoïque, AuNP@DHLA ont été greffées par un nombre élevé de molécules de glutathion réduit (GSH). Il en résulte un fort pouvoir anti-oxydant des nanoparticules synthétisées (AuNP@DHLA-(GSH)n) qui devrait éviter de perturber l’état redox in vivo. De plus, ce nano-objet s’avère poly-S-nitrosable, en s’appuyant sur l’expérience acquise avec la macromolécule SA-SNO. Enfin, des nanoparticules stabilisées par les ions citrate (AuNP-citrate) très instables en condition physiologique ont été incorporées à des films multicouches de polyélectrolytes, obtenus par assemblage couche-par-couche. Il en résulte une stabilisation des AuNP et le film les contenant présente une excellente cyto/hémocompatibilité. Ces travaux ouvrent la voie à l’incorporation des nanoparticules AuNP@DHLA-(GSH)n dans un film multicouches, à leur nitrosation et au dépôt du matériau final en tant que réservoir de NO sur des dispositifs médicaux pour le traitement de maladies cardiovasculaires
Nitric oxide (NO) is a gaseous messenger playing numerous physiological roles, especially in the cardiovascular system. However, its bioavailability is limited due to a short half-life. The combination to thiols increases its stability and facilitates its storage and transport. Thus NO donor drugs represent a promising therapeutic approach in such diseases. The present study aimed at developing NO reservoirs. Firstly, serum albumin (SA) was S-nitrosated through three chemical pathways to prepare SA-SNO. Then, potential NO reservoirs with high loading capacity were developed by anchoring reduced glutathione (GSH) to dihydrolipoic acid capped gold nanoparticles, AuNP@DHLA. The obtained AuNP@DHLA-(GSH)n showed stronger antioxidant power and they will be able not to disturb the cell homeostasis. Its further poly-S-nitrosation will benefit from the S-nitrosation of SA as both macromolecular possess free thiols. In parallel, citrate ions stabilized AuNP were entrapped in multilayer polyelectrolyte films using layer-by-layer (LbL) assemblies, providing proof-of-concept of multilayer films as a useful tool to protect AuNP from degradation and increase the cyto/hemocompatibility toward biological elements. The present work opens the window to S-nitrosate AuNP@DHLA-(GSH)n either as a colloidal solution or immobilized in the multilayer system, which is expected to be applied into developing of NO eluting stent for the treatment of cardiovascular diseases

Dans le cadre de cette thèse, des nanoparticules intelligentes superparamagnétiques (SPIONs) ont été développées en vue d’être utilisées comme une plateforme médicamenteuse pour la thérapie cancéreuse. Ces nanoparticules du type cœur/coquille sont obtenues à partir de la fonctionnalisation d’un cœur à la base des Fe3-δO4 par un copolymère obtenu à l’aide de la polymérisation initiée à partir de la surface d’un mélange x MEO2MA et y OEGMA (x+y=1). Une fois que leurs structures et leur comportement colloïdal dans l’eau et in-vitro sont parfaitement caractérisés ainsi que la mise en évidence de leurs propriétés thermo-répondantes, des études d’encapsulation et du relargage d’un médicament anticancer, la doxorubicine (DOX) à des températures physiologiques ont été réalisées. Des études in-vitro ont montré la non-cytotoxicité des nanoparticules seules mais lorsque les cellules cancéreuses étaient en contact avec ces mêmes systèmes chargés en DOX, la cytotoxicité était accrue. En vue du ciblage du cancer de l’ovaire et d’internalisation des nanoparticules dans les cellules, nous avons vectorisé les précédentes avec l’acide folique, ces dernières cellules sur-exprimant des récepteurs qui fixent le α du folate (FR-α). La combinaison de différentes techniques de la caractérisation à des échelles macroscopiques et nanométriques nous ont permis de conclure que nos systèmes sont capables d’encapsuler la DOX, de la relarguer d’une manière spécifique et à une température contrôlée. Par ailleurs, elles présentent des propriétés d’hyperthermie prometteuses. Dans la cadre de cette thèse, nous avons donc développé de nouveaux vecteurs de quatrième génération pour la thérapie cancéreuse
In the frame of this PhD project, smart superparamagnetic nanoparticles (SPIONs) have been developed for a further use as a drug platform for cancer therapy. These nanoparticles of core / shell type are obtained from the functionalization of a core based on Fe3-δO4 by a co- polymer obtained from the surface-initiated polymerization of a mixture xMEO2MA and yOEGMA (x + y = 1). Once their structures and their colloidal behavior in water and in-vitro perfectly characterized as well as the demonstration of their thermo-responsive properties, studies of encapsulation and release of an anti-cancer drug, the doxorubicin (DOX) at physiological temperatures were successfully obtained. In-vitro studies showed the non- cytotoxicity of the nanoparticles, but when the cancer cells were in contact the DOX-loaded NPs, the cytotoxicity was increased. To induce the targeting of ovarian cancer (SKOV3 cells) and the enhancement of the internalization of nanoparticles in cells, we have functionalized the previous nanoparticles with folic acid as these last cells over-express receptors that bind folate α (FR-α ). The combination of different macroscopic and nanometric scale characterization techniques allowed us to conclude that our systems are capable of encapsulating DOX, releasing it in a specific manner and at a controlled rate and that they exhibit hyperthermia properties. We have then contributed to successfully develop new third generation vectors for cancer therapy

Le but de ce travail de thèse a été de synthétiser de nouveaux nano-objets pour le diagnostic et le traitement du cancer. Ainsi, nous avons développé des nanoparticules hybrides constituées d'un noyau inorganique recouvert d'une couche organique de sérum albumine humaine (HSA). Le noyau inorganique est un composite constitué d'un cœur d'oxyde de fer (IO) et d'une coquille de silice mésoporeuse (MS). L’IO permet, grâce à ses propriétés magnétiques, le diagnostic par imagerie par résonance magnétique (IRM) et la thérapie par hyperthermie magnétique (HM), tandis que les porosités de la MS permettent l’encapsulation de médicaments pour la chimiothérapie. La taille des pores de la coquille MS a été modulée afin d’augmenter le taux d’encapsulation en médicament et la taille du cœur d’IO a été ajustée pour améliorer les propriétés d’HM et d'IRM. L'utilisation d’un revêtement final d’HSA en tant que gatekeeper pour la délivrance de médicaments contrôlée par action enzymatique a également été étudiée. En parallèle, des nanocapsules d’HSA chargées en médicament ont été synthétisées. Enfin, les activités biologiques de ces nanoparticules ont été testées sur différentes lignées cellulaires cancéreuses
The aim of this PhD work was to synthesize and test new nano-objects for the diagnosis and treatment of cancer. For this purpose, we developed hybrid nanoparticles made of an inorganic core surrounded by a human serum albumin (HSA) organic coating. The inorganic core is a composite by itself as it is made of an iron oxide core (IO) surrounded by a mesoporous silica (MS) shell. The IO core ensures, through its magnetic properties, diagnosis by magnetic resonance imaging (MRI) and therapy by magnetic hyperthermia, whereas the MS shell allows the loading of anticancer drugs for chemotherapy within its porosities. The pore sizes of the silica shell were modulated to enhance the drug loading content and the IO core size was also tuned to improve magnetic hyperthermia as well as T2 MRI imaging properties of the final core-shell system. The use of a thick shell of HSA as gatekeeper for controlled drug delivery triggered by its degradation with proteases was also studied. In parallel the synthesis of drug loaded HSA nanocapsules using MS as sacrificial template was performed. Finally, the biological activities of these nanoparticles were tested on various cancer cell lines

La nanotechnologie ouvre la voie au développement de nouvelles générations de matériaux cimentaires grâce à l’ajout de nanomatériaux (nanofibres, nanotubes et nanoparticules) leur conférant une haute performance et des fonctionnalités nouvelles, permettant ainsi la synthèse de matériaux de construction intelligents et durables. L'hybridation des phases de ciment hydraté par incorporation des nanomatériaux dans une approche ascendante permet la manipulation des caractéristiques structurales du ciment à l'échelle nanométrique affectant ultimement la performance et les propriétés de durabilité à l'échelle macro. En particulier, il a été démontré que l'ajout de nanoparticules Fe2O3 confère aux matériaux cimentaires des propriétés intrinsèques d' « auto-détection » des déformations et des contraintes mécaniques. Dans ce contexte, cette thèse présente une étude à l'échelle atomique du Silicate-Calcium-Hydraté (C-S-H), le principal agent liant du béton, nano-modifié par insertion des nanoparticules Fe2O3. Afin de comprendre le comportement des phases principales du ciment Portland (alite et belite) qui réagissent avec l'eau pour former le C-S-H, on s’est basé sur des méthodes du primer principe (ab intio) pour déterminer les propriétés structurales, mécaniques et électroniques ainsi que les sites réactifs de l'alite et la belite. Ensuite, la structure du C-S-H a fait l’objet d’une analyse approfondie à l'échelle atomique en utilisant les techniques de la dynamique moléculaire avant de procéder à l’insertion des nanoparticules Fe2O3. Différents modes d'insertion de nanoparticules ont été considérés afin d'élucider l’impact de la distribution des nanoparticules sur la réponse mécanique du composite hybride Fe2O3 / C-S-H. La structure avec des nanoparticules «bien dispersées» présente une performance mécanique exceptionnelle dans les régimes élastique et plastique. En effet, les propriétés mécaniques ont été améliorées avec une augmentation de plus de 24% par rapport au C-S-H pur. En outre, l '«effet de groupe» des nanoparticules insérées donne lieu à une ductilité remarquable et une grande résistance à la propagation des fissures en réponse aux efforts de traction. Le phénomène de rétrécissement et du durcissement structurel ont été observés en réponse aux chargements, indiquant un mode de rupture ductile du C-S-H renforcé par les nano- Fe2O3. Enfin, ce travail révèle l’immense potentiel des nanoparticules Fe2O3 à développer des matériaux cimentaires à haute performance avec des propriétés mécaniques supérieures et des capacités de détection autonome des déformations/fissurations
Nano-engineering of cement through adding nanosized particles such as nanofibers, nanotubes and nanoparticles offers a great potential for developing new generations of cement based materials with ultra-high performance, superior strength and novel functionalities for smart and durable structural materials. The hybridization of hydrated cement phases by incorporating nano-structured materials in a bottom-up approach allows the manipulation of structural features of cement at the nano-scale that ultimately affect the performance and durability properties at the macro-scale. In particular, the addition of Fe2O3 nanoparticles have been shown to provide cement based materials with intrinsic self-sensing properties. The thesis presents an atomic scale study of nano-modified Calcium-Silicate-Hydrate (C-S-H), the primary binding material in cement based materials, by embedding Fe2O3 nanoparticles. In order to get more insights into the Portland cement main phases (alite and belite) that react with water to form C-S-H, ab initio calculations were performed to investigate the structural, mechanical and electronic properties along with the reactive sites of alite and belite. After examining the C-S-H structure at the atomic scale using molecular dynamics methods, Fe2O3 nanoparticles were inserted and the resulting hybrid material was studied. Different insertion modes of nanoparticles inside the C-S-H matrix were considered in order to elucidate how nanoparticles distribution affects the mechanical response of the hybrid composite Fe2O3/C-S-H. The structure with “well-dispersed” nanoparticles exhibits enhanced mechanical performance in both elastic and plastic regimes. Mechanical properties were enhanced with at least 24% increase compared to pure C-S-H. In addition, the “group effect” of inserted nanoparticles gives rise to a remarkable ductility and great resistance to the crack propagation in response to tensile loading. The necking phenomenon and structural hardening were both observed in response to tensile loading, indicating a ductile failure mode of Fe2O3-reinforced C-S-H. Ultimately, this work reveals the striking potential of Fe2O3 nanoparticles for developing high performance cement based materials with superior mechanical properties and self-sensing abilities

Les matériaux à transition de spin (TS) à base de Fe(II) et de ligands triazolepeuvent changer d’état de spin sous l’effet d’une perturbation extérieure telle que latempérature, la pression ou l’irradiation lumineuse. Si ces aspects sont bien connus, ce n’estque depuis quelques années que le design des particules à TS connait un véritable essor avecpour objectif principal de créer de larges gammes de tailles et de formes de nanoparticules.C’est dans ce contexte que nous avons rationnalisé, grâce à un examen scrupuleux de tousles paramètres expérimentaux, la synthèse par micelles inverses afin d’élaborer des particulesà TS de tailles et de morphologies contrôlées. Par exemple, dans des conditionsexpérimentales bien définies, nous pouvons désormais offrir un panel de tailles de particulesen forme de bâtonnet allant de 30 à 1000 nm pour le composé [Fe(Htrz)2(trz)](BF4). Enparallèle nous avons conduit la toute première exploration, pour les matériaux à TS, de lasynthèse par spray-drying. Des particules sphériques de tailles micrométriques présentant despropriétés différentes de celles observées habituellement ont alors été obtenues. L’un deschallenges actuels du design des particules à TS concerne le greffage de particules d’or. Al’encontre des résultats actuels de la littérature, nous proposons ici une méthode de greffagedirect de nanoparticules d’or sur celles à TS conduisant à des particules hybrides de typeTS@Au. Ce greffage apparaît plus efficace que ce qui était connu jusqu’à présent et, desurcroît, se révèle pertinent pour une large gamme de taille des particules d’or
The spin-crossover (SCO) materials based on iron (II) and triazole ligands canchange their spin state under an external perturbation like temperature, pressure or lightirradiation. If these aspects are well known, it is only in the recent years that the SCO-particledesign has attracted attention of the scientific community with increasing interests notablyfocusing on the access to wide ranges of sizes and shapes of nanoparticles. In this context,we rationalized the reverse micellar synthesis, thanks to a scrupulous study of all experimentalparameters, to produce SCO particles with controlled size and shape. For example, underwell-defined experimental conditions, we can now offer rod-shaped particles with sizes rangingfrom 30 to 1000 nm for [Fe(Htrz)2(trz)](BF4). In parallel, we drove the first exploration byspray-drying for SCO materials. Spherical-micrometric particles with different properties, fromthose observed usually, were obtained. Within the design of SCO particles, one of the currentchallenges concerns the grafting of gold particles. In contrast to existing literature results, wepropose a method to graft directly gold nanoparticles on SCO particles leading to hybridparticles denoted SCO@Au. This grafting seems to be more effective than previous resultsand shows itself relevant for a wide range of size of gold particles

Le sujet de cette thèse concerne l'élaboration depolymères hydrophiles biocompatibles et fonctionnelspour la stabilisation et la bio-fonctionnalisation denanoparticules d'oxyde de fer en vue d'une utilisation entant qu'agents de contraste en imagerie par résonancemagnétique et/ou en tant que vecteurs de principesactifs ou de thérapie génique. Pour ce travail de thèse,l'objectif a été de fonctionnaliser des poly(oxyded'éthylène)s (POE) commerciaux, connus pour leurspropriétés d'hydrophilie, de biocompatibilité et defurtivité par un groupement acide phosphonique, pourchélater les nanoparticules d'oxyde de fer, et par ungroupement furane, susceptible de réagir avec desbiomolécules à fonctionnalité maléimide, facilementaccessibles, selon une réaction de Diels-Alderthermoréversible.Des POEs à extrémité acide phosphonique et àfonctionnalité furane ont été synthétisés selon deuxstratégies originales combinant des réactionsd'Atherton-Todd ou de Kabachnik-Fields et lacycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen, réaction dechimie " click " très efficace, orthogonale, spécifique etréalisée dans des conditions douces.Les POEs obtenus ont ensuite été greffés à la surfacede nanoparticules d'oxyde de fer selon la stratégie'grafting onto'. L'efficacité des POEs à stabiliser lesnanoparticules d'oxyde de fer a été mise en évidence.De plus, les tests de cytotoxicité ont montré que cessystèmes sont biocompatibles. De plus, lesnanoparticules d'oxyde de fer, une fois greffées, ontconservé leurs propriétés de relaxivité autorisant leurutilisation en imagerie médicale. Enfin, l'aptitude de cesnanoparticules fonctionnalisées par des groupementsfurane à immobiliser des molécules à fonctionnalitémaléimide a été mise en évidence ainsi que lapossibilité ultérieure à libérer ces molécules sous effetd'un stimulus thermique. Ce comportement réversibleouvre des perspectives tout à fait intéressantes dans ledomaine de la vectorisation de principes actifs.

Dans le cadre de ce travail de thèse, la polymérisation de type RAFT a été exploitée pour synthétiser des particules de latex magnétiques décorées de polymères stimulables. Cinq (co)polymères hydrophiles ont tout d'abord été préparés via la (co)polymérisation RAFT en solution d'acide acrylique (AA) et de méthacrylate de 2-diméthylaminoéthyle (MADAME). Les agents macromoléculaires obtenus (macroRAFT) : des homopolymères de PAA ou PMADAME ainsi que des copolymères P(AA-co-MADAME), présentent une sensibilité au pH et à la température. Ces macroRAFT hydrophiles ont ensuite été utilisés dans des réactions d’extension de chaîne avec du styrène conduisant à la formation de copolymères à blocs amphiphiles bien définis. Puis, des dispersions aqueuses d’agrégats (clusters) de nanoparticules d’oxyde de fer (OF) ont ensuite été préparées via un procédé de mini-émulsification/évaporation de solvant, en utilisant les copolymères à blocs comme stabilisants. Après optimisation des conditions expérimentales (sonication, concentration de macroRAFT, pH), des agrégats de taille contrôlée (45 à 300 nm) ont pu être obtenus. Ces clusters ont ensuite été utilisés comme semence lors de la polymérisation en émulsion du styrène, conduite en présence d’un agent de réticulation. Les clusters d'OF ont été individuellement encapsulés par une couche de polymère, formant des particules magnétiques stabilisées par le segment hydrophile des copolymères à blocs. Enfin, les particules magnétiques décorées de copolymères de P(AA-co-MADAME) ont été utilisées avec succès pour la capture et le relargage de bactéries grâce à la modulation de leurs propriétés de surface en fonction du pH
In this work reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was exploited to synthesize magnetic latex particles decorated with stimuli-responsive polymer brushes. First, five hydrophilic (co)polymers with various compositions were successfully prepared by RAFT solution (co)polymerization of acrylic acid (AA) and 2-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) for different AA to DMAEMA molar ratios. The obtained macromolecular RAFT agents (macroRAFTs), PAA or PDMAEMA homopolymers and P(AA-co-DMAEMA) copolymers, displayed interesting pH- and thermo-responsive properties. These hydrophilic macroRAFTs were then chain extended with styrene leading to the formation of well-defined amphiphilic block copolymers. An aqueous dispersion of iron oxide clusters was next prepared using a strategy based on emulsification/solvent evaporation in which the block copolymers were used as stabilizers. By varying the experimental conditions (sonication power, macroRAFT concentration and pH of the medium), the cluster size could be controlled from 45 up to 300 nm. These clusters were then used as seeds in styrene emulsion polymerization in the presence of a crosslinker. The iron oxide clusters were individually encapsulated into a polymer shell generating latex particles, stabilized by the hydrophilic segment of the block copolymers, and displaying interesting magnetic properties. At last, these magnetic beads were evaluated as carriers in the magnetic separation of bacteria. The magnetic latex particles decorated with P(AA-co-DMAEMA) copolymers were successfully employed for the capture and trigger release of bacteria, allowing their concentration in a biological sample

Ce manuscrit présente la synthèse et la caractérisation de deux nouvelles familles de complexes mononucléaires, [Fe(L)2(NCS)2] et [Fe(L)(H2B(pz)2)2], montrant des propriétés bistables. L'étude des structures cristallographiques a permis de discuter l'influence de l'élongation des ligands L sur le réseau cristallin et sur les contacts intermoléculaires ainsi que l'existence de corrélations structures / propriétés. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à l'élaboration de façon contrôlée d'objets à transition de spin à l'échelle nanométrique, sous la forme de films déposés par sublimation et de nanoclusters synthétisés en milieu confiné.

La synthèse de nanoparticules de fer zéro-valent, par le couplage des procédés d'ultrasonication et d'électrodéposition, est étudiée selon deux approches. La première partie de l'étude s'intéresse à l'influence du substrat, utilisé pour l'électrodéposition, sur la croissance des dépôts de fer et sur leur dispersion par ultrasonication. L'énergie interfaciale ainsi que l'énergie d'adhésion du dépôt sur le substrat (Y_(Fe/substrat) et W_(Fe/substrat) respectivement) étant reliées à l'énergie de surface et à la rugosité du substrat, un intérêt particulier a été porté à ces deux propriétés. Ainsi, deux matériaux présentant des énergies de surface différentes, l'or (Au) et le carbone vitreux (VC), ainsi que des rugosités différentes ont été testés. Un développement théorique basé sur les interactions de Van der Waals a permis de démontrer que Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) ce qui suggère une meilleure affinité du dépôt de fer avec l'or qu'avec le VC. Cette différence influence la morphologie (croissance 2D sur or et 3D sur le VC) mais aussi l'adhésion des dépôts. En effet, les expériences réalisées pour étudier l'effet des ultrasons sur le dépôt de fer révèlent une dispersion du dépôt progressive et complète pour le cas du VC alors qu'aucun détachement du dépôt n'est obtenu en utilisant l'or. La seconde partie de l'étude est consacrée à la synthèse de nanoparticules de fer par une nouvelle approche : l'électrodéposition de dépôts de fer ramifiés est étudiée dans une cellule de Hele-Shaw intégrant un élément vibrant (diaphragme piézoélectrique) permettant à la fois la formation de dépôts de fer et leur fragmentation. Les expériences menées révèlent que les bulles d'hydrogène, formées lors de la co-réduction des protons libres durant l'électrodéposition du fer, influencent fortement le processus de fragmentation. En utilisant des hautes fréquences et amplitudes de vibration du PZT, les bulles d'hydrogène oscillent avec des déformations de surface. Celles-ci génèrent des vitesses d'interface suffisamment hautes (˜ 4 m/s) pour permettre aux bulles de fragmenter des dépôts ramifiés en particules de fer, de tailles comprises entre 1 µm et 100 nm, et présentant une grande surface spécifique due à leur morphologie dendritique. Cette deuxième partie de l'étude permet d'ouvrir la voie à une nouvelle technologie de fabrication des nanoparticules
This study concerns the coupling of the ultrasounds with the electrodeposition process for the synthesis of zero-valent iron nanoparticles; it is structured in two sections. The first focuses on the electrode substrate used for the iron electrodeposition and aims to determine its influence on both the deposit growth and its dispersion by ultrasonication. The interfacial and the adhesion energies of the deposit on the substrate (Y_(Fe/substrate) and W_(Fe/substrate) respectively) being related to the surface energy and the roughness of the substrate, a particular focus is put on the influence of these two properties. Thus, two materials of different surface energies, gold (Au) and vitreous carbon (VC), as well as various roughnesses, are tested. Considering only the Van der Waals interactions, a theoretical development has enabled to determine that Y_(Fe/VC)>Y_(Fe/Au) which suggests a better affinity of the iron deposit with the gold than with the VC substrate. This difference impacts the deposit morphology (2D growth on the gold and 3D growth on the VC substrate) but also the deposit adhesion. Indeed, experiments performed to study the effect of ultrasounds on the iron electrodeposit reveal its progressive and complete dispersion for the vitreous carbon case while no dispersion (no removal of the deposit from the electrode) is obtained with the gold substrate. The second section of the present study deals with the synthesis of iron nanoparticles; to this end, the electrodeposition of branched deposits has been investigated in a Hele-Shaw cell integrating a vibrating element (piezoelectric diaphragm), expected to allow both the deposit formation and its fragmentation. Experiments reveal that the hydrogen bubbles, formed by the co-reduction of free protons during the iron electrodeposition, strongly influence the fragmentation process. Using high vibration frequencies and high amplitudes, the bubbles oscillate with surface deformations, inducing interface velocity sufficiently high (˜ 4 m/s) to allow the fragmentation of the deposit into particles of sizes ranging between 1 µm and 100 nm and showing a high specific surface due to their dendritic morphology. Thus this work opens the way for a new particles manufacturing technology

Ce manuscrit de thèse présente la synthèse de nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques couramment appelées SPIONs servant d’agents de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la génération de chaleur pour la thérapie cellulaire par hyperthermie induite par champ magnétique radiofréquence (HMRF). Le contrôle des tailles et de la distribution en tailles des SPIONs et donc de leurs propriétés magnétiques a été obtenu en utilisant un copolymère arborescent G1 (substrat de polystyrène branché en peigne noté G0, greffé avec des groupements pendants poly(2-vinyle pyridine) ) comme milieu « gabarit », tandis que la stabilité colloïdale et la biocompatibilité des SPIONs ont été apportées par un procédé de poly-complexation ionique grâce à un copolymère double-hydrophile acide polyacrylique-bloc-poly(acrylate de 2-hydroxyéthyle) PAA-b-PHEA
This Ph.D. dissertation describes the synthesis of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) designed to serve as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents and for heat generation in cellular radiofrequency magnetic field hyperthermia (MFH) treatment. Control over the size and size distribution of the iron oxide nanoparticles (NPs), and thus over their magnetic properties, was achieved using a G1 arborescent copolymer (comb-branched (G0) polystyrene substrate grafted with poly(2-vinylpyridine) side chains, or G0PS-g-P2VP) as a template. Good colloidal stability and biocompatibility of the SPIONs were achieved via the formation of polyion complex (PIC) micelles with a poly(acrylic acid)-block-poly(2-hydroxyethyl acrylate) (PAA-b-PHEA) double-hydrophilic block copolymer