Rozprawy doktorskie na temat „Nanoparticels”

La producció creixent de Nanopartícules (NPs) conduirà inevitablement a un augment d’exposició humana i ambiental a aquests materials. En conseqüència, han sorgit preocupacions raonables sobre els seus possibles riscos per a la seguretat, donant lloc a la disciplina de nanotoxicologia/nanoseguretat. A causa de l’alta reactivitat, les NP exposades a diferents escenaris biològics i ambientals, solen arribar a un estat termodinàmic més estable mitjançant l’agregació, la interacció amb les molècules presents al medi, l’adsorció a matèria macro-orgànica, les transformacions químiques i la dissolució. Totes aquestes transformacions poden generar una nova identitat dels nanoobjectes o produir noves entitats químiques, canviant així el seu comportament i, per tant, el risc potencial associat. Així, els mateixos NP poden tenir un destí totalment diferent i, en conseqüència, un impacte totalment diferent sobre els organismes vius i el medi ambient depenent del microambient (per exemple, el medi d’exposició) on es trobin. A més, les característiques primigènies del nanomaterial influeixen molt en la seva destinació biològica i ambiental. Des d’aquesta perspectiva, és fonamental comprendre les característiques de l’objecte final que toparà amb els organismes vius i analitzar les seves propietats, per tal de correlacionar les característiques prèvies i finals de NP amb els efectes potencials sobre els organismes vius. En aquest context, aquesta tesi s’ha centrat en la transformació fisicoquímica dels NP model exposats a medis biològics i ambientals. Per a aquests estudis, es van triar NPs Au i Ag, ja que són models NP molt utilitzats i per les seves nombroses aplicacions. En primer lloc, l’estudi es va centrar en la influència de la composició de medis de cultiu cel·lular en el procés de formació de protein corona (PC), la composició final i l’estat d’agregació de NPs i els efectes consegüents sobre la captació de cèl·lules NP. També es va realitzar una caracterització fisicoquímica de la naturalesa de la bicapa CTAB - Au NP Au per estudiar l’impacte d’aquest recobriment de superfície NP àmpliament utilitzat en l’exposició de la partícula a fluids biològics, en la formació de la proteïna corona i en el disseny i interpretació de Proves de toxicitat NP. Finalment, es va explorar l’evolució del NP en aigua dolça natural mitjançant un estudi de la naturalesa d’interacció de les NP i de la matèria orgànica natural i de les característiques derivades del NP.
La creciente producción de nanopartículas (NP) conducirá inevitablemente a un aumento de la exposición humana y ambiental a estos materiales. En consecuencia, han surgido preocupaciones razonables con respecto a sus posibles riesgos de seguridad, dando lugar a la disciplina de nanotoxicología/nanoseguridad. Debido a la alta reactividad, los NP expuestos a diferentes escenarios biológicos y ambientales tienden a alcanzar un estado termodinámico más estable a través de la agregación, la interacción con las moléculas presentes en el medio ambiente, la adsorción a la materia macro-orgánica, las transformaciones químicas y la disolución. Todas estas transformaciones pueden generar una nueva identidad de los nanoobjetos o producir nuevas entidades químicas, cambiando así su comportamiento y, en consecuencia, su riesgo asociado potencial. Por lo tanto, los mismos NP pueden tener un destino totalmente diferente y, en consecuencia, un impacto totalmente diferente en los organismos vivos y el medio ambiente dependiendo del microambiente (por ejemplo, el medio de exposición) en el que se encuentran. Además, las características prístinas del nanomaterial influyen mucho en su destino biológico y medioambiental. Desde esta perspectiva, resulta fundamental comprender las características del objeto final que encontrará organismos vivos y analizar sus propiedades, a fin de correlacionar las características de NP prístinas y finales con los posibles efectos sobre los organismos vivos. En este contexto, el objetivo de esta tesis ha sido el estudio de la transformacion fisicoquímico de NP modelo expuestos a medios biológicos y ambientales. Para estos estudios, se eligieron NPs de Au y Ag, ya que son modelos de NP ampliamente utilizados y debido a sus numerosas aplicaciones. En primer lugar, el estudio se centró en la influencia de la composición de los medios de cultivo celular en el proceso de formación de protein corona, la composición final y el estado de agregación de NP y los efectos consiguientes en la absorción de células NP. También se realizó una caracterización fisicoquímica de la naturaleza de la bicapa CTAB - Au NP para estudiar el impacto de este recubrimiento de superficie NP ampliamente utilizado en la exposición de la partícula a los fluidos biológicos, en la formación de la corona de proteínas y en el diseño e interpretación de Pruebas de toxicidad NP. Finalmente, la evolución de NP en agua dulce natural se exploró mediante la realización de un estudio de la naturaleza de interacción de NP y materia orgánica natural y las características derivadas de NP.
The increasing production of engineered Nanoparticles (NPs) will inevitably lead to an increase of human and environmental exposition to these materials. Consequently reasonable concerns have arisen regarding their potential safety risks, giving rise to the nanotoxicology/nanosafety discipline. Because of the high reactivity, NPs exposed to different biological and environmental scenarios, tend to reach a more stable thermodynamic state via aggregation, interaction with the molecules present in the environment, adsorption to macro-organic matter, chemical transformations and dissolution. All these transformations can generate a new identity of the nano-objects or produce new chemical entities, thereby changing their behaviour and consequently their potential associated risk. Thus, the same NPs can have a totally different fate and consequently a totally different impact on living organisms and the environment depending on the microenvironment (e.g., the exposure medium) in which they are. Furthermore, the pristine features of nano-material highly influence their biological and environmental fate. From this perspective, it becomes fundamental to understand the characteristics of the final object that will encounter living organisms and analyze its properties, in order to correlate the pristine and final NP features with the potential effects on living organisms. In this context, the focus of this thesis has been on the physicochemical transformation of model NPs exposed to biological and environmental media. For these studies, Au and Ag NPs were chosen as they are widely used NP models and because of their numerous applications. Firstly, the study focused on the influence of the cell culture media composition on the protein corona (PC) formation process, final composition and NPs aggregation state and the consequent effects on NP cell uptake. A physicochemical characterization of the nature of the CTAB - Au NP bilayer was also carried out to study the impact of this widely used NP surface coating on the particle’s exposition to biological fluids, on the formation of the protein corona and on the design and interpretation of NP toxicity tests. Finally, the NP evolution in natural fresh water was explored by carrying out a study of the interaction nature of NPs and natural organic matter and the deriving NP features.

Dans le domaine des biocapteurs, une absorption efficace du champ électromagnétique dans un espace restreint est essentielle. L’utilisation de nanoparticules métalliques assimilables à des métamatériaux est le meilleur moyen à ce jour pour amplifier le champ. En effet, en plaçant un film diélectrique entre une plaque métallique et ces particules, on permet la propagation d’un gap-plasmon sous les particules. Cela localise le champ magnétique sous les particules et le champ électrique sur le bords de ces nanoparticules. Les résonances de ce système sont très sensible à l’environnement du gap-plasmon ce qui permet une analyse très précise. Bien que nous pouvons expliquer d’où proviennent ces résonances, l’efficacité à absorber de ces structures reste encore mal comprise. Le contrôle interférométrique est une réponse à cette efficacité. Dans ce rapport, je montre qu’une modélisation interférométrique de ce système peut parfaitement expliquer l’absorption. En effet, le contrôle interférométrique explique bien la présence de résonances à des longueurs d’ondes précises ou encore l’apparition de résonances lorsque l’angle d’incidence n’est plus normal. Cette étude est très importante pour comprendre et mieux maîtriser les biocapteurs. En outre, cette modélisation pourra expliquer l’amplification du champ dans ces structures et permettra de prévoir les résonances d’un système dans divers environnements
In the field of biosensors, efficient absorption of the electromagnetic field in a confined space is essential. The use of metallic nanoparticules comparable to metamaterials is the best way, to date, to amplify the field. In fact, by placing a dielectric film between a metal substrate and these particules, we allow the propagation of a gap-plasmon under these particules. This locates the magnetic field under these particules and the electric field on the edges of these nanoparticules. The resonances of this system are very sensitive to the environment of the gap-plasmon which allows very precise analysis. Although we can explain where these resonances come from, the efficiency to absorb of these structures remains poorly understood. The interferometric control is a response to this efficiency. In this report, I show that interferometric modeling of this system can fully explain the absorption. Indeed, the interferometric control well explains the presence of resonances at specific wavelenghts or the appearance of resonances when the angle of incidence is not normal. This study is very important to understand and master biosensors. In addition, this model can explain the amplification of the field in these structures and will allow us to provide the resonances of a system in various environments

La plataforma desenvolupada d’enginyeria de proteïnes auto-acoblables permet dissenyar nanopartícules únicament proteiques (NPs) capaces d’atacar i actuar selectivament sobre les cèl.lules canceroses mitjançant la interacció amb receptors que es sobreexpressen. Les estructures esfèriques estables de les NPs desenvolupades i la seva mida adequada, en combinació amb els pèptids d’orientació , milloren la seva especificitat. A més, la incorporació de segments de toxina i verí ha millorat els efectes terapèutics d’aquestes estructures que són totalment biocompatibles i que no tenen cap portador extern o material agregat, complint d’aquesta manera amb el nou concepte per a medicaments de precisió, que involucra un fàrmac recombinant lliure de vehicle, auto-acoblat, auto-dirigit i eficient. Una versió modificada de la cadena catalítica ricina A, amb la capacitat de disminuir els efectes secundaris no desitjats de la síndrome de vessament vascular però conservant la seva citotoxicitat natural, es va adaptar a la plataforma de proteïnes. El disseny es va desenvolupar amb el pèptid T22, que s’uneix a CXCR4, en l’extrem N-terminal, i una cua d’histidines a la terminal-C, en combinació amb un fragment del lloc escindible de furina per alliberar la proteïna intracel.lularment, i una seqüència KDEL per evitar la secreció del reticle endoplàsmic. Les NPs de cadena de ricina A solubles purificades dirigides a CXCR4 amb un diàmetre mitjà de 11 nm, van assolir un increment de 100 vegades en la seva citotoxicitat amb un IC50 de 13 ± 0,5 x 10 -9 M en cèl.lules HeLa. També es van produir per mètodes recombinants i es van purificar cossos d’inclusió insolubles de 400-600 nm, amb resultats citotòxics parcials. El mecanisme d’entrada dependent del receptor d’T22-MRTA-H6 es va verificar i avaluar en un model de ratolí amb leucèmia mieloide aguda (AML) mitjançant la injecció sistèmica a la vena de la cua on es va verificar un bloqueig important de les cèl.lules leucèmiques sense toxicitat sistèmica o histològica lateral en els òrgans sans. De manera similar, la clorotoxina (CTX) també es va incorporar a la plataforma de proteïnes per tal d’aprofitar la seva d’orientació i efecte terapèutic en glioblastoma (GBM), ambdues funcions en un sol pèptid. Es van dissenyar dues versions que s’uneixen a la proteïna anexina-2 i la metaloproteinasa de matriu MMP-2; CTX-GFP-H6 i CTX-KRKRK-GFP-H6. Les NPs solubles d’un diàmetre mitjà de 12 nm es van incubar en cèl·lules HeLa, sobreexpressant annexina-2, i en cèl.lules U87MG, sobreexpressant MMP2. Les dues versions eren completament fluorescents, però CTX-GFP-H6 va presentar efectes citotòxics lleus, mentre que CTX-KRKRK-GFP-H6 va mostrar ser més citotòxic en les cèl.lules U87MG que en les cèl.lules HeLa. L’afinitat selectiva de CTX es va confirmar mitjançant l’avaluació de la seva selectivitat utilitzant anticossos monoclonals i un sèrum policlonal contra la proteïna de la superfície cel.lular, actuant com un receptor de la CTX.
La plataforma desarrollada de ingeniería de proteínas autoensamblables permite diseñar nanopartículas únicamente proteicas (NPs) capaces de atacar y actuar selectivamente sobre las células cancerosas mediante la interacción con receptores que se sobreexpresan. Las estructuras esféricas estables de las NPs desarrolladas y su tamaño adecuado, en combinación con los péptidos de direccionamiento involucrados, mejoran su especificidad. Además, la novedosa incorporación de segmentos de toxina y veneno ha mejorado los efectos terapéuticos de estas estructuras que son totalmente biocompatibles y que no tienen ningún portador externo o material agregado, cumpliendo de esta manera con el concepto emergente para medicamentos de precisión que involucra un fármaco recombinante libre de vehículo, autoensamblado, auto-dirigido y eficiente. Una versión modificada de la cadena catalítica de ricina A, con la capacidad de disminuir los efectos secundarios no deseados del síndrome de derrame vascular, pero conservando su citotoxicidad natural, se adaptó a la plataforma de proteínas. El diseño se desarrolló con el péptido T22, que se une a CXCR4, en el extremo N-terminal, y una cola de histidinas en el extremo C-terminal, en combinación con un fragmento del sitio escindible de furina para liberar la proteína intracelularmente, y una secuencia KDEL para evitar secreción del retículo endoplásmico. Las NPs de cadena de ricina A solubles purificadas dirigidas a CXCR4, con un diámetro promedio de 11 nm, alcanzaron un incremento de 100 veces en su citotoxicidad con un IC50 de 13 ± 0,5 x 10 -9 M en células HeLa. Pero también se produjeron por métodos recombinantes y se purificaron cuerpos de inclusión insolubles de 400-600 nm, con resultados citotóxicos parciales. El mecanismo de entrada dependiente del receptor de T22-mRTA-H6 se verificó y evaluó en un modelo de ratón con leucemia mieloide aguda (AML) mediante la inyección sistémica en la vena de la cola, donde se verificó un bloqueo importante de las células leucémicas sin toxicidad sistémica o histológica lateral en los órganos sanos. De manera similar, la clorotoxina (CTX) también se incorporó a la plataforma de proteínas con el fin de aprovechar su direccionamiento y efecto terapéutico en glioblastoma (GBM), ambas funciones en un solo péptido. Se diseñaron dos versiones que se unen a la proteína anexina-2 y la metaloproteinasa de matriz MMP-2; CTX-GFP-H6 y CTX-KRKRK-GFP-H6. Lss NPs solubles, de un diámetro promedio de 12 nm, se incubaron en células HeLa sobreexpresando anexina-2, y en células U87MG, sobreexpresando MMP2. Ambas versiones eran completamente fluorescentes, pero CTX-GFP-H6 presentó efectos citotóxicos leves, mientras que CTX-KRKRK-GFP-H6 mostró ser más citotóxico en las células U87MG que en las células HeLa. La afinidad selectiva de CTX se confirmó mediante la evaluación de su direccionamiento utilizando anticuerpos monoclonales y un suero policlonal contra la proteína de la superficie celular, actuando como un receptor de la CTX.
The developed self-assembling platform allows the engineering of protein-only nanoparticles (NPs) capable to target and act selectively over cancer cells by means of the interaction with overexpressed receptors. The stability of the spherical NP structures and their adequate size, in combination with the involved targeting peptides, enhance their specificity. Also, the novel incorporation of toxin and venom segments have improved the therapeutic effects of these fully biocompatible materials, without the need of any external carrier or added material, thus fulfilling the newfangled concept for precision medicines that involve self-assembled, self-targeted and efficient vehicle-free recombinant drugs. A modified version of the catalytic ricin A chain, with the ability to diminish the undesired vascular leak syndrome side effects but retaining its natural cytotoxicity, was adapted to the protein platform. The design was developed with the peptide T22 in the N-terminal, which binds CXCR4, and a his-tag in the C-terminal. This was combined with a furin cleavable site fragment in order to release the protein intracellularly, and a KDEL sequence to avoid endoplasmic reticulum secretion. Purified soluble CXCR4-targeted ricin A chain NPs with an average diameter of 11 nm, reached a 100-fold cytotoxic improvement with an IC50 of 13 ± 0.5 x 10 -9 M in HeLa cells. Also, insoluble 400-600 nm inclusion bodies were produced by recombinant methods and purified, with partial cytotoxic results. The receptor-dependent mechanism of T22-mRTA-H6 was verified and evaluated in an acute myeloid leukemia (AML) mouse model by systemic administration through a vein tail injection where an important blockage of the leukemic cells was verified without side systemic or histological toxicity in healthy organs. In a similar way, chlorotoxin (CTX) was also incorporated to the protein platform in order to take advantage of its targeting and therapeutic effect in glioblastoma (GBM), both functions in one peptide. Two versions that target protein Annexin-2 and the matrix metalloproteinase MMP-2 were engineered, namely CTX-GFP-H6 and CTX-KRKRK-GFP-H6. The soluble NPs of an average dimeter of 12 nm were incubated with HeLa cells, overexpressing annexin-2, and in U87MG cells, overexpressing MMP2. Both versions were fully fluorescent but CTX-GFP-H6 presented mild cytotoxic effects, whereas CTX-KRKRK-GFP-H6 showed to be more cytotoxic in U87MG cells than in HeLa cells. The selective affinity of CTX was confirmed by means of evaluating its targeting using a monoclonal antibody and a polyclonal serum against the cell surface protein, acting as a CTX receptor.

Les films nanocomposites sont des revêtements composés de nanoparticules enrobées dans une matrice solide d’un matériau différent. L’intérêt de ces matériaux réside dans leur capacité à exploiter les caractéristiques inédites des nano-objets qu’ils contiennent tout en bénéficiant des propriétés de résistance mécanique et chimique de la matrice. Ces composites disposent de propriétés très prometteuses pour un grand nombre d’applications comme le photovoltaïque ou la photocatalyse. Plusieurs procédés de synthèse existants permettent de produire des matériaux nanocomposites par des méthodes physiques ou chimiques (co-pulvérisation, sol-gel,…). Cependant, aucun n’est assez flexible pour envisager la synthèse d’une large gamme de nanocomposites par le même procédé. Ceci est un frein au développement à l’échelle industrielle de ce type de matériaux. Le premier objectif de la thèse est de développer un procédé original de synthèse de films nanocomposites. Ce procédé présente un caractère universel en ce qu’il permet un choix a priori illimité dans la nature des nanoparticules et celle de la matrice. Le procédé développé combine un jet de nanoparticules sous vide formé par une lentille aérodynamique à un dispositif de pulvérisation magnétron qui permet de déposer la matrice. Le jet de nanoparticules permet de coupler toute source de nanoparticules à la pulvérisation. Les nanoparticules peuvent être soit synthétisées in situ en phase gazeuse, soit synthétisées préalablement en voie liquide. Une grande variété de nanoparticules peut donc être utilisée. La pulvérisation magnétron permet par ailleurs de disposer d’une très large gamme de matériaux pour la matrice (métaux, céramique, polymère). Dans le cadre de cette thèse, deux types de sources de nanoparticules ont été utilisés. Le premier est un réacteur de pyrolyse laser et le second un générateur d’aérosol. Le réacteur de pyrolyse laser permet une synthèse in-situ des nanoparticules en phase gazeuse alors que le générateur d’aérosol permet d’utiliser une suspension de nanoparticules préalablement synthétisées. Afin d’éprouver la robustesse du procédé de co-dépôt, deux types de matériaux nanocomposites ont été développés. Le premier matériau étudié est composé de nanoparticules d’or sphériques de 35 nm de diamètre, synthétisées préalablement par voix liquide, dans une matrice de silice. Le but ici est de bénéficier des propriétés optiques uniques des nanoparticules d’or dans un film résistant mécaniquement et chimiquement. Les caractérisations réalisées sur ces matériaux ont permis d’optimiser la concentration en nanoparticules d’or dans les films de manière à garder des propriétés mécaniques et chimiques compatibles avec les applications tout en gardant des propriétés optiques satisfaisantes. Le second type de matériaux étudiés est composé de nanoparticules semi-conductrices synthétisées in situ par pyrolyse laser et d’une matrice métallique. La synthèse de ce matériau permet de démontrer la flexibilité du procédé de co-dépôt à synthétiser une large gamme de films nanocomposites. Enfin, la robustesse du procédé ayant été démontrée, la conception d’un pilote industriel a été entreprise. Le but final étant de disposer d’une machine répondant aux exigences industrielles dans l’optique d’un transfert technologique
The nanocomposite films are coatings of nanoparticles embedded in a solid matrix of a different material. The advantage of these materials is their ability to exploit the unique properties of nano-objects while benefiting of the mechanical and chemical resistance properties of the matrix. These composites have very promising properties for many applications such as photovoltaics and photocatalysis. Several existing synthetic methods can produce nanocomposite materials by physical or chemical methods (co-sputtering, sol-gel, ...). However, none is flexible enough to consider the synthesis of a wide range of nanocomposites by the same method. This is an obstacle to the development on an industrial scale of this type of material. The first objective of the thesis is to develop an original synthesis process of nanocomposite films. This method is universal in which it presents no limit in the choice of nanoparticles and matrix. The developed method combines vacuum nanoparticle jets formed by an aerodynamic lens with a magnetron sputtering device for depositing the matrix. The nanoparticle jets can be coupled with any source of nanoparticles. Nanoparticles may be synthesized in situ in the gas phase or beforehand solution synthesis. A wide variety of nanoparticles can be used. Magnetron sputtering also enables to have a very wide range of materials for the matrix (metal, ceramic, polymer). During this thesis, two types of nanoparticles sources were used. The first one is a laser pyrolysis reactor and the second is an aerosol generator. The laser pyrolysis reactor enables in-situ gas phase synthesis of the nanoparticles while the aerosol generator use a suspension of previously synthesized nanoparticles. To test the robustness of the co-deposition process, two types of nanocomposite materials have been developed. The first material is composed of 35 nm spherical gold nanoparticles, chemically synthesized, in a silica matrix. The goal here is to benefit from the unique optical properties of gold nanoparticles in a film mechanically and chemically resistant. The characterizations carried out on these materials have optimized the gold nanoparticle concentration in the films to keep the mechanical and chemical properties compatible with applications while maintaining satisfactory optical properties. The second type of materials studied is composed of semiconductor nanoparticles in situ synthesized by laser pyrolysis and a metal matrix. The synthesis of this material demonstrates the flexibility of the co-deposition method to synthesize a wide variety of nanocomposite films. Finally, the design of an industrial pilot was undertaken. The final goal is to have a pilot-scale setup that meets industry requirements in the context of a technology transfer

Durant les darreres dècades, les nanopartícules (NP) s’han utilitzat en diversos camps, especialment en aplicacions mèdiques com ara medicaments, agents d’imatge i d’alliberament de fàrmacs. No obstant això, també es van plantejar preocupacions sobre les possibles reaccions adverses sobre la salut humana. Així, s’han invertit esforços d’investigació a nivell global en la ciència dels materials i la biologia per determinar els mecanismes de la toxicitat de diferents NPs. En aquest treball de tesi, hem dedicat grans esforços a aplicar el (Caenorhabditis elegans) C. elegans com un organisme model robust i simple per a avaluacions de toxicitat de NPs. L’objectiu general d’aquesta tesi ha estat la interacció de l’alimentació dels cucs amb les NPs. En específic, les interaccions nano-bio entre nanopartícules d’òxid de ferro superparamagnètiques (SPION) o AuNPs de 10 nm en C. Elegans alimentats o no, així demostrar que aquest petit animal es pot utilitzar per estudiar els efectes alimentaris. En primer lloc, hem estudiat els efectes de la disponibilitat de menjar sobre les toxicitats induïdes per l’exposició de SPIONs després de 24 h (exposició aguda) o 72 h (exposició perllongada). Hem trobat que el menjar proporcionava certa protecció als C. elegans determinada per la supervivència i la reproducció. Els cucs en la condició d’exposició aguda van tenir una eficiència de captació de SPIONS més alta facilitada pel menjar en comparació amb la condició sense menjar. La utilització de la microspectroscòpia infraroig en el sincrotró (SR-μFTIR), ens va permetre demostrar que l’exposició llarga (24 h versus 4 h) i les altes concentracions d’SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) indueixen un estrès oxidatiu més sever determinat per l’augment dels nivells d’oxidació dels lípids. En segon lloc, vam investigar les conseqüències de la ingesta de menjar sobre els cucs després de 24 h d’exposició a AuNPs de 10 nm. El paper protector del menjar es va identificar en la reducció dels efectes tòxics, com la supervivència i la reproducció. Utilitzant SR-μFTIR, vam trobar que les AuNPs de mida petita (10 nm versus 150 nm) o la exposició perllongada (24 h versus 4 h) provocaven un augment del nivell d’oxidació dels lípids que es relacionava amb les respostes a l’estrès oxidatiu. D’altra banda, vam avaluar preliminarment la possibilitat de realitzar la teràpia fototèrmica en cucs que contenien AuNPs de 150 nm. Hem trobat danys degut a la fotoablació a les zones d’irradiació làser dels cucs, cosa que suggereix que és possible utilitzar els cucs, però cal optimitzar els diversos paràmetres experimentals. Al final de la tesi, també presentem col·laboracions on vam realitzar experiments amb diferents nanomaterials com luteïna i MOFs (metal·lo-organic framework) i els vam avaluar en els C. elegans. Vam estudiar les propietats antioxidants de la luteïna en C. elegans models de malaltia associades al síndrome de Leigh i vam demostrar la possibilitat d’aplicar la microscòpia d’infraroig (SR-μFTIR) en aquests estudis. Així, també vam realitzar l’avaluació preliminar de la toxicitat de MOFs, MIL-127 i CS-MIL-127 recoberts de quitosà (CS). A més, hem investigat els efectes del recobriment de quitosà (CS) sobre la captació i eficiència d’excreció en els C. elegans . En resum, la disponibilitat d’aliments podria disminuir els efectes adversos, parcialment associats a l’estrès oxidatiu, induïts per SPION o AuNPs a C. elegans. També suggerim que els C. elegans tenen un gran potencial d’utilitzar-se com a model d’administració oral per diversos materials. A més, combinat amb altres tècniques avançades, podríem tenir una comprensió més general del mecanisme de toxicitat i ampliar la gamma d’aplicacions de tècniques de ciència de materials per a la investigació biològica.
Durante las últimas décadas, las nanopartículas (NPs) se han utilizado ampliamente en distintos campos, especialmente en aplicaciones médicas como fármacos, agentes de formación de imágenes y como liberadores de fármacos. Sin embargo, también han planteado dudas respecto a las posibles reacciones adversas sobre la salud humana. Así, se han realizado grandes esfuerzos de investigación en el campo de las ciencias biológicas para elucidar los mecanismos de toxicidad de distintas NPs. En este trabajo de Tesis, hemos dedicado esfuerzos a aplicar el (Caenorhabditis elegans) C. elegans como un organismo modelo robusto y simple para las evaluaciones de toxicidad de NPs. El objetivo general de esta tesis ha sido estudiar la interacción de la comida de estos gusanos con las NPs. En particular, el estudio de las interacciones nano-bio entre nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas (SPIONs) o AuNPs de 10 nm en C. elegans alimentados o no; así demostrar que este pequeño animal puede utilizarse para estudiar efectos alimentarios. En primer lugar, estudiamos los efectos de la disponibilidad de alimento sobre las toxicidades inducidas por la exposición de SPIONs tras 24 h - exposición aguda - o 72 h - exposición prolongada. Descubrimos que la comida brinda cierta protección a los C. elegans, la cual se determinó midiendo la supervivencia y la reproducción. Los gusanos en la exposición aguda tuvieron una mayor eficiencia de absorción de SPIONs facilitada por la comida en comparación con la condición sin alimento. La utilización de la microespectroscopía infrarroja de Sincrotrón (SR-μFTIR) nos permitió demostrar que la exposición prolongada (24 h versus 4 h) y altas concentraciones de SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) inducen un estrés oxidativo más severo debido a el aumento de la oxidación de lípidos. En segundo lugar, investigamos las consecuencias de la ingesta de comida sobre los gusanos después de 24 h de exposición a AuNP de 10 nm. Se identificó el papel protector de los alimentos en la reducción de efectos tóxicos. Usando SR-μFTIR, encontramos que las AuNPs de pequeño tamaño (10 nm frente a 150 nm) o la exposición prolongada (24 h frente a 4 h) causaron un mayor nivel de oxidación de lípidos que se relacionó con las respuestas contra el estrés oxidativo. Por otro lado, evaluamos preliminarmente la posibilidad de realizar la terapia fototérmica en gusanos que contenian AuNP de 150 nm. Encontramos daños por fotoablación en los puntos de irradiación láser sobre los gusanos, sugiriendo que se podría usar este gusano para evaluar NPs, pero para ello es necesario optimizar la configuración experimental. En la parte final, presentamos algunas colaboraciones donde realizamos experimentos con diferentes nanomateriales como luteína y metal-organic frameworks (MOFs), evaluados empleando C. elegans. Estudiamos las propiedades antioxidantes de la luteína en C. elegans modificados para ser modelos de enfermedades asociadas con el síndrome de Leigh y demostramos la posibilidad de aplicar microscopia de infrarrojo (SR-μFTIR) en estos estudios. Por otro lado, realizamos la evaluación preliminar de toxicidad de MOF, MIL-127 y CS-MIL-127 recubierto de quitosano (CS). Además, investigamos los efectos del recubrimiento de CS en la absorción y excreción por los C. elegans. En resumen, hemos encontrado que la disponibilidad de comida puede disminuir los efectos adversos, parcialmente asociados con el estrés oxidativo, inducidos por SPIONs o AuNPs en C. elegans. Nuestros resultados también sugieren que los C. elegans tienen un gran potencial como modelo de administración oral ya que pueden emplearse para probar diferentes materiales. Además, en combinación con otras técnicas avanzadas, nos pueden ayudar a comprender de forma más general los mecanismos de toxicidad y ampliar el rango de aplicación de las técnicas de ciencia de materiales para la investigación biológica.
During the last decades, nanoparticles (NPs) have been widely used in various fields, especially in medical applications such as drugs, imaging agents, and drug-delivery carriers. However, they also raised public concerns regarding the potential adverse influences on human health. Collective efforts from worldwide researchers in materials and biological science have been invested in investigating the toxicity mechanisms of different NPs. In this thesis, we dedicated major efforts to apply (Caenorhabditis elegans) C. elegans as a robust and simple model organism for toxicity assessments of assorted NPs. The general objective of this thesis was to study effects of food availability on nano-bio interactions between superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) or 10 nm AuNPs and C. elegans, and prove that this small animal can be used to study alimentary effects. Firstly, we studied the effects of food availability on toxicities induced by exposure to SPIONs after 24 h (acute exposure) or 72 h (prolonged exposure). We found that food provided some protection to C. elegans determined by measuring multiple toxicity endpoints such as survival and reproduction. Worms in the acute exposure condition had a higher uptake efficiency of SPIONS facilitated by food compared with the condition without the addition of food. The utilization of synchrotron Fourier transform infrared microspectroscopy (SR-μFTIR), allowed us to demonstrate that long-exposure (24 h versus 4 h) and high concentrations of SPIONs (500 µg/mL versus 100 µg/mL) induce more severe oxidative stress determined by increased levels of lipid oxidation. Secondly, we investigated food’s influences on worms after 24 h exposure to 10 nm AuNPs. The protective role of food was identified in reducing toxic effects, such as survival and reproduction. Using SR-μFTIR, we found that small-sized AuNPs (10 nm versus 150 nm) or long-exposure (24 h versus 4 h) caused an increased level of lipid oxidation which was related to responses against oxidative stress. On the other hand, we preliminarily evaluated the possibility of performing the photothermal therapy in worms containing 150 nm AuNPs. We found photoablated damages on the laser irradiation spots of worms, suggesting that multiple experimental settings needed to be optimized. At the end of the thesis, also we presented some collaborations where we performed some experiments with different nanomaterials such as lutein and (metal-organic frameworks) MOFs and evaluated them on C. elegans. We studied antioxidative properties of lutein in C. elegans disease models associated with Leigh Syndrome and demonstrated the possibility to apply synchrotron Fourier transform infrared microspectroscopy (SR-μFTIR) on this topic. On the other hand, we performed the preliminary toxicity assessment of MOFs, MIL-127 and chitosan (CS) coated MIL-127 (CS-MIL-127). Additionally, we investigated about effects of the chitosan (CS) coating on C. elegans’ uptake and excretion efficiencies of MIL-127 and CS-MIL-127. We reported the potential of applying C. elegans as an oral administration model of studying metal-organic frameworks’ (MOFs’) in vivo toxicities. In summary, food availability could decrease adverse effects, partially associated with oxidative stress, induce by SPIONs or AuNPs on C. elegans. It also suggested that C. elegans has a great potential of being employed as an oral administration model of testing various materials. Furthermore, combined with other advanced techniques, we could have a more general understanding of the toxicity mechanism and broaden the application range of material science techniques for biological research.

Des microorganismes produisant des molécules tensioactives ont été isolés à partir d’échantillons de sols contaminés par des huiles, en provenance des provinces de Songkhla et Chiangmai (Thaïlande) et de Shianghai (Chine). Les différentes souches ont été sélectionnées de façon à obtenir les biosurfactants ayant les meilleures propriétés tensioactives et d’émulsification. Parmi 102 souches isolées, 6 microorganismes produisaient des biosurfactants. La souche SK80 a conduit aux meilleures propriétés tensioactives. Des observations morphologiques macroscopiques et microscopiques ont permis de caractériser la souche SK80. L’analyse de la séquence ARNr 28S indique que cette souche appartient à la famille Exophiala Dermatitidis. La composition du milieu de culture (source de carbone et d’azote) et les conditions de culture de ce microorganisme ont été adaptées de façon à obtenir des quantités importantes de biosurfactant. Des analyses spectroscopiques (RMN 1H, RMN 13C, COSY et de masse, APCI MS) ont révélé que ce biosurfactant était un monooléate de glycérol. La monomyristine a été choisie comme constituent synthétique modèle dans des études d’encapsulation. Deux méthodes de préparation, émulsion/évaporation de solvant, nanoprécipitation, ont été employées pour encapsuler la monomyristine dans des nanoparticules recouvertes de dextrane et dont le cœur était constitué de poly(acide lactique) ou de dextrane hydrophobisé. Les conditions d’encapsulation ont été variées afin de maximiser le rendement d’encapsulation et la stabilité colloïdale des particules
Biosurfactant producing microorganisms were isolated from oil contaminated soils collected from Songkhla and Chiangmai province, Thailand and Shianghai, China. Their culture broths were screened for obtaining biosurfactants with the highest surface activity and emulsification ability. Among 102 isolates, 6 microorganisms produced biosurfactants. The culture supernatant of SK80 strain exhibited the highest surface activity. SK80 was identified by macroscopic morphology, microscopic morphology and showed that it is a black mold. The 28S rRNA sequence homology analysis suggested that SK80 belongs to Exophiala dermatitidis. The composition of culture medium such as carbon source, nitrogen source, and culture condition of this microorganism was optimized to obtain high amounts of biosurfactant. 1H NMR, 13C NMR, COSY and Mass Spectrometer (APCI MS) results indicated that this biosurfactant was monoolein (oleoyl glycerol), a kind of monoacylglycerol. Monomyristin was chosen as a monoacylglycerol model to be synthesized and used as nanoparticle encapsulated drug. Two preparation methods, emulsion/solvent evaporation and nanoprecipitation, were used to encapsulate monomyristin in dextran-covered nanoparticles with poly(lactic acid) of hydrophobized dextran as the core material. Encapsulation conditions were optimized with regard to the yield encapsulation and the colloidal stability

L’auto-assemblage de nanoparticules dirigé par des biomolécules constitue une approche prometteuse pour la mise au point de nanomatériaux structurés présentant des propriétés optiques collectives originales. L’objet de cette thèse concerne l’auto-assemblage de nanoparticules métalliques et semi-conductrices dirigé par des protéines artificielles appelées α-Repeat. Dans cette optique, des nanocristaux semi-conducteurs (CdSe/ZnS ou CdSe/CdS) et des nanoparticules d’or sphériques ou anisotropes ont été préparés. Ces nanoparticules ont été fonctionnalisées avec des ligands peptidiques PEGylés, qui leur confère une stabilité colloïdale satisfaisante tout en conservant leurs propriétés optiques. Une stratégie de fonctionnalisation basée sur des étiquettes d’affinité poly-cystéine et poly-histidine a permis de greffer les protéines sur la surface des nanoparticules inorganiques. Les nanoparticules ainsi fonctionnalisées avec les protéines artificielles ont ensuite été utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules semi-conductrices et l’auto-assemblage hybride entre des nanoparticules semi-conductrices et des nanoparticules métalliques. L’étude structurale des ensembles obtenus a montré, dans certains cas, une interdistance bien définie et inférieure à 10 nm. Finalement, l’étude des propriétés optiques a révélé des transferts d’énergie non radiatifs entre nanoparticules semi-conductrices et nanoparticules métalliques, qui témoignent d’interactions exciton—plasmon très fortes induites par l’auto-assemblage
Nanoparticles self-assembly driven by biomolecules is a promising approach for developing nanostructured materials with new optical properties. The purpose of this work is the self-assembly of metal and semiconductor nanoparticles directed by artificial proteins called α-Repeat. For this purpose, semiconductor nanocrystals (CdSe/ZnS or CdSe/CdS) and spherical or anisotropic gold nanoparticles have been prepared. These nanoparticles have been functionalized with PEGylated peptide ligands providing them adequate colloidal stability while maintaining their optical properties. A functionalization strategy based on polycysteine and poly-histidine tags has allowed the proteins to be grafted onto the surface of inorganic nanoparticles. Nanoparticles functionalized with artificial proteins were then used for the self-assembly of semiconductor nanoparticles and hybrid self-assembly between semiconductor nanoparticles and metal nanoparticles. The structure study of self-assembled nanostructures has shown, in some cases, a very well defined sub-10 nm interparticle distance. Finally, the study of optical properties revealed very strong exciton-plasmon interactions induced by self-assembly. This self-assembling process strongly affected the emission properties of the semiconductor nanoparticles in hybrid ensembles

L'Héparane Sulfate (HS), un polysaccharide linéaire, module les activités biologiques de nombreuses protéines. Afin d'élucider les interactions entre l'HS et les protéines, la synthèse chimique d'HS est un outil précieux, mais elle peut être difficile. Notre équipe a montré que des mélanges combinatoires obtenus par auto-assemblage de différentes combinaisons de dérivés disaccharidiques (lactose et lactose persulfaté) sur surfaces planes d'or peuvent reconnaître spécifiquement certaines protéines se liant à l'HS, telles que les isoformes de la chimiokine CXCL12 ou IFNγ. Avec ces dérivés, nous avons réalisé un auto-assemblage sur des nanoparticules d'or. Mais à cause de la toxicité des nanoparticules d'or, nous avons aussi adapté cette méthode à des nanoparticules lipidiques. En utilisant les conditions qui ont déjà été améliorées pendant la synthèse des dérivés lactose et lactose persulfaté, nous avons préparé deux autres dérivés disaccharidiques plus proches de la structure réelle d'HS. Ces nouveaux dérivés sont utilisés pour réaliser des nanoparticules d'or et nanoparticules lipidiques afin de comparer les propriétés avec les lactose et lactose persulfaté. Les tests d'affinité avec différentes protéines sont en cours de réalisation
Héparan Sulfate (HS) is a linear polysaccharide that modulates the biological activities of numerous proteins. In order to elucidate the interaction between HS and proteins, the synthesis of HS is an invaluable tool, but the synthesis is sometimes difficult. Our group has demonstrated that the combinatorial mixtures obtained by self-assembly of different combinations of disaccharide derivatives (lactose and persulfated lactose) on gold plan surfaces could recognize specifically some HS binding proteins, such as the isoforms of the chemokine CXCL12 or IFNγ. Because of the toxicity of gold nanoparticles, we have also adapted this method to lipid nanoparticles. Using the conditions that have already improved during the synthesis of lactose and persulfated lactose derivatives, we have synthesized two other disaccharide derivatives, which were closer to the real structure of HS. These new derivatives were used to prepare the gold and lipid nanoparticles at the aim of comparing the properties with lactose and persulfated lactose. The tests of affinities with different proteins are in progress

Des bioconjugués squalénisés du semaxanib et du sunitinib , deux inhibiteurs puissants de l'angiogénèse et de tyrosine kinases, ont été synthétisés avec un bras espaceur pH sensible de type hémiaminal . Les prodrogues sont préparées selon une séquence en trois étapes impliquant : (i) la N- alkylation avec du chlorométhoxy - triisopropylsilane ; (ii) désilylation ; et (iii) acylation avec l'acide trisnorsqualenique . Ces prodrogues squalénisées ont la capacité de s'auto-assembler en nanoparticules en milieu aqueux sans nécessité de tensioactif . Les agrégats de taille nanométrique ont été caractérisés par diffraction dynamique de la lumière et microscopie électronique à transmission , et semblent être stables dans l'eau sur plusieurs jours. Les études biologiques in vitro ont montré que les nanoparticules de sunitinib sont cytotoxiques contre la lignée de cellules ombilicale veineuse endothéliale humaine ( HUVEC), qui est impliqué dans la formation de vaisseaux de la tumeur
Squalenoyl conjugates of semaxanib and sunitinib, two potent antiangiogenic (pyrrolyl)methylidenyl-substituted oxindole multitarget tyrosine kinase inhibitors, were synthesized with a hemiaminal-based pH-sensitive linker. The prodrugs were prepared according to a three-step sequence involving (i) N-alkylation with chloromethoxy-triisopropylsilane; (ii) desilylation; and (iii) acylation with trisnorsqualenic acid. These squalenoyl prodrugs were found to selfassemble into nanoassemblies in aqueous media without the need for any surfactant. The nanosized aggregates were characterized by dynamic light scattering and transmission electron microscopy, and appeared to be stable in water for several days, as determined by particle-size measurement. In vitro biological studies showed that squalenoyl sunitinib nanoassemblies are notably cytotoxic against the human umbilicalvein endothelial cell line (HUVEC), which is involved in the tumor vessel formation

Cette thèse s’articule autour de systèmes innovants de délivrance d’anticancéreux pour répondre aux limitations actuelles des systèmes de type nanoparticules. Celles-ci permettent l’encapsulation d’anticancéreux pour prolonger leur temps de circulation dans le sang et diminuer leurs effets secondaires. Néanmoins les produits disponibles en cliniques ne permettent pas un contrôle précis de la libération de la substance active, ni un ciblage de la tumeur.Pour répondre à ces deux limitations, nous avons synthétisé un copolymère thermosensible ayant une température critique haute de solubilité (upper critical solution temperature, UCST) pour formuler des nanoparticules encapsulant physiquement la doxorubicine. Celles-ci permettent la libération contrôlée de la substance active par hyperthermie modérée à 43 °C. Nous avons étudié notre système d’un point de vue physico-chimique et évalué sa cytotoxicité in vitro sur des cellules de cancer de l’ovaire.Nous avons également opté pour une approche via couplage chimique entre une substance active, le paclitaxel, et le polymère afin de permettre l’administration par la voie sous-cutanée d’anticancéreux. En effet, cette voie d’administration est peu utilisée pour les anticancéreux car certains d’entre eux induisent une toxicité locale au site d’injection de type irritation / nécrose de la peau. Nous avons évalué si d’une part, l’approche prodrogue polymère hydrophile permet d’empêcher cette toxicité locale et si d’autre part, l’approche prodrogue polymère UCST permet d’obtenir des nanoparticules stables à température ambiante en vue d’une administration par la voie sous-cutanée. Une fois administrées, les nanoparticules deviennent hydrophiles par le changement de température, 34 °C dans le tissu sous-cutané, et peuvent donc diffuser librement jusqu’à atteindre la circulation sanguine. Nos travaux ont permis d’évaluer l’approche prodrogue polymère hydrophile in vivo chez la souris nude, ainsi que de décrire pour la première fois la synthèse de prodrogues polymères UCST
This thesis focuses on innovative drug delivery systems of anticancer drugs to tackle the current limitations of formulations based on nanoparticles. These allow encapsulation of anticancer drugs to prolong their circulation time in the blood stream and to decrease side effects. Yet, nanoparticle formulations available in the clinic do not allow a precise control on the drug release nor targeting of the tumor.To overcome these hurdles, we have synthesized a thermoresponsive copolymer exhibiting an upper critical solution temperature (UCST) to formulate nanoparticles physically encapsulating doxorubicin. These allow controlled release of the anticancer drug by mild hyperthermia at 43 °C. We have studied our system from a physico-chemical point of view and evaluated its cytotoxicity in vitro on ovarian cancer cells.We have also tried a chemical coupling approach between the polymer and the anticancer drug, paclitaxel, to allow innocuous subcutaneous administration. In did, this route of administration is seldom used for anticancer drugs as some of them induce local toxicity at the site of injection in the form of skin irritation / necrosis. We assessed if a hydrophilic polymer prodrug approach allows innocuous subcutaneous administration of an irritant drug; and if a UCST polymer prodrug approach enables formation of stable nanoparticles at room temperature for subcutaneous administration. Once in the subcutaneous tissue at 34 °C, they would solubilize and become hydrophilic thus could freely diffuse to reach the blood circulation. We have managed to evaluate the hydrophilic polymer prodrug approach in vivo on nude mice and we are the first to describe the synthesis of UCST polymer prodrug

Nous avons développé des nanocapsules théranostiques combinant à la fois une fonction diagnostic d’amélioration de la détection tumorale et une fonction thérapeutique pour les traiter. Ces nanocapsules sont composées d'une enveloppe de polymère de PLGA-PEG et d'un noyau de bromure de perfluorooctyle, un liquide perfluoré, permettant la détection par IRM-19F. Nous avons encapsulé à l’intérieur de ces nanocapsules du paclitaxel, un anticancéreux de la classe des taxanes. L’encapsulation permet de s’affranchir de l’utilisation de Cremophor®, un tensioactif utilisé dans la formulation commerciale de Taxol® qui peut entrainer des effets indésirables graves pouvant aller jusqu’au choc anaphylactique. L’encapsulation a été optimisée en faisant varier les paramètres de formulation pour empêcher la recristallisation du paclitaxel et l'agrégation des nanocapsules. La formulation optimisée a été testée in vitro sur des cellules de cancer du côlon CT-26 et a montré une cytotoxicité équivalente à celle du Taxol®. La pharmacocinétique et la biodistribution ont été évaluées chez des souris nudes porteuse de tumeurs CT-26 en comparaison au Taxol®. Pour les nanocapsules, les paramètres pharmacocinétiques sont améliorés : on observe une circulation prolongée et une meilleure accumulation au niveau des tumeurs, telles que confirmées par IRM-19F. L’efficacité antitumorale des nanocapsules est améliorée par rapport au PBS et Taxol®. L’influence d’ultrasons a aussi été étudié et a permis d’améliorer le ciblage et de ralentir la croissance tumorale. Des études in vitro ont montré que ce ralentissement est lié à l'hyperthermie modérée induite qui favorise la perfusion tumorale et l’extravasation vasculaire et améliore l’accumulation du principe actif à l'intérieur de la tumeur
We have developed theranostic nanocapsules combining a diagnostic moiety to improve tumor detection and a therapeutic moiety to treat them. These nanocapsules are composed of a polymer shell of PLGA-PEG and a core of a perfluorocarbon, namely perfluorooctyl bromide, detectable by 19F-MRI. Paclitaxel, a cytotoxic drug, was encapsulated in an attempt to reduce side-effects associated with excipients such as Cremophor® used in the commercial formulation (Taxol®). We optimized encapsulation of paclitaxel into nanocapsules by varying formulation parameters to prevent or limit paclitaxel recrystallization and nanocapsule aggregation. The optimized formulation was tested in vitro on CT-26 colon cancer cells and showed similar cytotoxicity as compared with Taxol®. Paclitaxel pharmacokinetics and biodistribution were evaluated in nude mice bearing CT-26 tumors comparing nanocapsules with Taxol®. For nanocapsules, pharmacokinetic parameters are improved leading to a longer circulation and resulting in an enhanced accumulation in tumors, as confirmed by 19F-MRI. In terms of efficacy, this enhanced passive targeting allows a slower tumor growth in animals treated with paclitaxel-loaded nanocapsules compared to PBS and Taxol®. Ultrasound were also used to further improve tumor targeting. We showed that when applying a safe ultrasound sequence, tumor growth was slower on our tumor model. In vitro studies showed that this decreased growth is due to mild hyperthermia favoring tumor perfusion and vascular extravasation leading in an enhance accumulation of drugs inside the tumor

Les nanoparticules d'argent sont de plus en plus utilisées dans les objets de consommation courante ainsi que dans les dispositifs médicaux pour leur activité biocide, qui est due au relargage d'ions Ag(I) au cours du temps. Le recul sur ces nano-objets et en particulier sur leur innocuité n'est toujours pas suffisant et les études sur leur transformation et leur impact in vivo sont sujets à d’intenses recherches. En effet, le devenir dans l’organisme des macro- et micro-matériaux étudiés classiquement n’est pas le même que celles des nanomatériaux. Les nanoparticules d’argent illustrent bien cette problématique : l’argent soluble injecté par voie intraveineuse est éliminé plus rapidement que la même quantité d’argent injectée sous forme nanoparticulaire. De plus, la concentration en argent retrouvée dans le sang et les organes est dix fois supérieure lorsque les nanoparticules d’argent sont injectées plutôt qu’ingérées. C'est pourquoi le développement de produits implantatoires qui se retrouvent donc en contact direct avec l’organisme, et qui contiennent des nanoparticules d’argent doit prendre en compte les risques associés, ce qui peut se faire par une approche Safer-by-design.Une des composantes principales du développement Safer-by-design concerne la fonctionnalisation des nano-objets. L’affinité des thiolates pour l’ion Ag(I) étant très forte, des ligands thiolés pourraient donc constituer une piste pour la fonctionnalisation des nanoparticules d’argent. Néanmoins, il est connu que les molécules thiolées conduisent à différents comportements allant de la dissolution de la nanoparticule d’argent en ions Ag(I) à la simple passivation de la surface de la nanoparticule ce qui peut entrainer la perte de son activité biocide.Ainsi, l’Ecoconception de Nouveaux Agents Biocides à base de Nanoparticules d’Argent à Enrobage Bio-inspiré avait pour objectif principal de poser les bases conceptuelles du développement d’un agent biocide Safer-by-design constitué de nanoparticules d’argent et de molécules thiolées en se positionnant à l’interface de plusieurs disciplines.Le développement de ce projet a nécessité d’étudier la réactivité de diverses molécules biologiques ou bio-inspirées thiolées avec les nanoparticules d’argent. Ainsi, nous avons mis en évidence l’importance de la pré-organisation architecturale des biomolécules dans la cinétique de dissolution, ainsi que le nombre de thiols libres dans la molécule. Dans le cas de composés induisant la dissolution des nanoparticules, sa cinétique augmente avec le nombre de thiols libres présents sur la molécule, et avec la pré-organisation du site de liaison du métal. Le projet principal de cette thèse a ensuite mené à la preuve de concept recherchée, avec le développement d’un nouvel agent biocide composé de nanoparticules d’argents pontées entre elles par un ligand thiolé tripode symétrique qui est le mime chimique d’un site de liaison d’une métallothionéine. Ces assemblages de nanoparticules se sont montrés actifs contre les bactéries (E. coli) et moins toxiques sur les cellules eucaryotes (HepG2), malgré une entrée dans les cellules similaire. Enfin, un criblage a également été réalisé avec des polyéthylèneglycols possédant un à huit thiols et des longueurs de polymères variables dans le but d’essayer de rationaliser les différences de comportement des nanoparticules d’argent en présence des molécules thiolées. Ce travail, a conduit à l’observation des comportements très variés qui vont permettre d’explorer de nouvelles voies de développements de biocides à base d’assemblages de nanoparticules médiés par des liaisons thiol – Ag(I).L’ensemble de ce travail de thèse a donc permis à la fois un travail très fondamental sur la réactivité des thiols vis-à-vis des atomes d’argent à la surface des nanoparticules et au développement de produits à potentiel applicatif, les assemblages de nanoparticules d’argent qui sont des biocides Safer-by-design
Silver nanoparticles are increasingly used in everyday consumer goods as well as in medical devices for their biocidal activity, which is due to the release of Ag(I) ions over time. The hindsight on these nano-objects and, in particular, on their safety is still not sufficient and studies on their transformation and their impact in vivo is currently an intense research field. Indeed, the fate in the body of macro- and micro-materials studied classically is not the same as for nanomaterials. The case of the silver nanoparticles illustrates this problem: the soluble silver injected intravenously is eliminated faster than the same amount of silver injected in nanoparticular form. Moreover, the concentration of silver found in the bloodstream and organs is ten times higher when silver nanoparticles are injected rather than ingested. The development of silver nanoparticle-containing implanted devices, that get in direct contact with the body, must thus take into account the related risks. A Safer-by-design approach could be a way to solve this issue.One of the main components of Safer-by-design development is the functionalization of nano-objects. The affinity of the thiolates for Ag(I) ions is very high, which would make thiolated ligands a good tool for silver nanoparticle functionalization. However, it is known that the thiolated molecules lead to different behaviors, ranging from the dissolution of silver nanoparticles into Ag(I) ions to the simple passivation of the surface of the nanoparticles, which leads to the loss of their biocidal activity.The Ecodesign of New Biocidal Agents based on Silver Nanoparticles and Bio-inspired Coating is therefore at the interface of several research areas and its main objective was to lay the conceptual foundations for the development of a Safer-by-design biocidal agent based on the interaction between silver nanoparticles and thiolated molecules.The development of this project required to study the reactivity of various biological or bio-inspired thiolated molecules with silver nanoparticles. First of all, we have highlighted the importance of the architectural pre-organization of biomolecules in the dissolution kinetics, as well as the role of the number of free thiols in the molecule. In the case of molecules inducing the dissolution of the nanoparticles, its kinetics increases with the number of free thiols present on the molecule and with the pre-organization of the metal binding site. In a second time, the main project of this thesis was the development of a proof of concept of a new biocidal agent composed of silver nanoparticles bridged together via a thiolated ligand, which is the chemical mimic of one binding site of a metallothionein. These nanoparticle assemblies were active against bacteria (E. coli) and less toxic than silver nanoparticles on eukaryote cells (HepG2), despite a similar cellular entry. Finally, a screening was performed with polyethylene glycols having two to eight thiols and varying polymer lengths in an attempt to rationalize the differences in the behavior of silver nanoparticles in the presence of the thiolated molecules. This ongoing work leads to various behaviors that will enable to explore novel ways for the development of biocidal based on nanoparticles assemblies mediated by thiol – Ag(I) bonds.Therefore, this overall PhD work allows performing both very fundamental researches concerning the reactivity of thiols with surface silver atoms of the nanoparticles and the development of products with application potential, silver nanoparticle assemblies that are Safer-by-design biocide

Les nanoparticules plasmoniquespossèdent des propriétés intéressantes grâce àla résonance de plasmon de surface localisé. Enplus de leur grande efficacité de conversionphotothermique due au plasmon, leconfinement de l’échauffement peut êtremodulé par le type de source lumineuseutilisée (impulsionnelle ou continue). Cespropriétés font des nanoparticulesplasmoniques une solution potentielle pour lathérapie contre le cancer par hyperthermie.Afin de développer une telle applicationbiomédicale, il est nécessaire d'optimiserl'absorption de l'énergie lumineuse et le ciblagedes nanoparticules sur la tumeur considérée.Dans cette thèse, l'influence des électronschauds photo-générés sur l'absorptiond’impulsions laser ultracourtes par lesnanoparticules est d'abord étudiée. Ensuite, untravail effectué avec des chimistes, biologisteset médecins pour l'application desnanoparticules d’or irradiées par impulsionslaser ultracourtes à la thérapie contre le cancerest présenté. Enfin, nous présentons une étudepréliminaire sur la photoluminescence denanoparticules plasmoniques, dont l'origine estencore controversée, en appliquant un modèleprenant en compte la nature non thermale dela distribution d’électrons chauds
Plasmonic nanoparticles possessinteresting properties thanks to the localizedsurface plasmon resonance. In addition totheir high photothermal conversion efficiency,the heat release confinement can bemodulated by the type of light source used(pulsed or continuous laser). These propertiesmake the plasmonic nanoparticles a potentialsolution for cancer therapy by hyperthermia.In order to develop such a biomedicalapplication, it is necessary to optimize theabsorption of light energy and the targeting ofnanoparticles on the tumor considered.In this thesis, the influence of the photogeneratedhot electrons on the absorption ofultrashort laser pulses by nanoparticles is firststudied. Then, a work carried out withchemists, biologists and physicians for theapplication of gold nanoparticles irradiated byultrashort laser pulses to cancer therapy isdescribed. Finally, we present a preliminarystudy on the photoluminescence of plasmonicnanoparticles, the origin of which is stillcontroversial, by applying a model accountingfor the non-thermal nature of the hot electrondistribution

Since a few years, nanomaterials are more and more used in industrial process. In order to protect the population and the environment from the consequences of an accidental release into the atmosphere, the risk assessment allowed to identify the accidental scenario in transport, manipulation and storage of those products. The accidental leakage of the conveying pipe may lead to a massive release of nanoparticles. In order to evaluate the consequences of this type of accident, our study focuses on the prediction of particles properties dispersed into the air, for example the particle number concentration and the particle diameter distribution. The first step of the study consists in the analyse of physical phenomena related to nanoparticles in order to choose the most predominant physical phenomena to model. The relevant physical phenomena in the present configuration are the agglomerate complex shape, the drag force on agglomerates, the agglomerate breakage by gas, the agglomerate collision and the agglomeration. After that, the modelling of physical phenomena chosen is developed in CFD tool Code\_Saturne. For each physical phenomenon, a simulation test case is realized in order to verify the development in CFD tool. A good agreement between CFD tool Code\_Saturne and 0D tool from Scilab and model in the literature is obtained. Also in the present study, new model for the collision probability of agglomerates is proposed. This new model is validated with the numerical experiment. After that, the numerical tool developed is applied in a simulation of an accidental pipe leakage. The field near the leakage is simulated by Code\_Saturne. The results from Code\_Saturne is used as the input data for ADMS tool, a simulation tool for the particle dispersion in large scale. The results show that the particles are dispersed more than 1 km from the release source, which is in agreement with the distance observed. In perspective, the influences of different parameters as the wind field and the particle properties, on the agglomerate size and number distribution can be tested. An experiment of the microparticle jet is realized at INERIS in order to be able to assess the nanoparticle jet experiment in the laboratory scale.

Les nanoparticules et nano alliages métalliques (dont la taille est inferieure à 10 nm) revêtent un grand intérêt dans de nombreuses applications, pour lesquelles un contrôle précis de la taille, de la composition et de la morphologie de ces objets sont requis. En effet, la diversité des compositions et des structures (taille, morphologie et arrangement atomique) offre une gamme presque illimitée de possibilités. Ce travail de thèse étend une approche développée au Laboratoire, qui consiste à former des nanoparticules métalliques de taille contrôlée (inférieure à 5 nm) par décomposition de précurseurs organométalliques dans des liquides ioniques. Une première avancée a consisté à utiliser cette voie de synthèse pour former des nanoparticules de métaux oxophiles, plus difficiles à obtenir, telles que des nanoparticules de tantale. Par ailleurs, il avait été démontré que le mélange de deux précurseurs organométalliques conduit à la formation de nanoparticules bimétalliques dont la taille, la structure et la composition sont bien définies, comme c'est le cas pour Ru@Cu. Dans cette thèse, le mécanisme de formation de ces nano alliages a été étudié et identifié. L'élucidation de ce mécanisme ouvre ainsi une voie vers la synthèse à façon pour des applications spécifiques de nano alliages tels que RuNi, RuTa, CuNi, etc
Small size (below 10 nm) metallic nanoparticles and metallic nanoalloys have attracted much interest in a range of applications, which require precise control of size, composition, and morphology, in chemically significant quantities. Hence, the variety of compositions and structures (size, morphology, atomic arrangement) bring a vast range of possibilities. This PhD was aimed at expanding the knowledge already obtained in this laboratory on monometallic nanoparticles. Indeed, it has been demonstrated that the decomposition of organometallic precursors in selected ionic liquids can lead to the formation of stable suspensions of metallic nanoparticles below 5 nm. In this context, a first achievement in this work has been to push this route towards more oxophilic, less approachable metals, such as tantalum. Besides, this route has been shown to generate bimetallic nanoparticles upon decomposition of mixtures of precursors, with size, structure and composition controlled, such as Ru@Cu. This PhD work has dentified the mechanism of formation of these nanoalloys, developing a versatile route that could be used to design nanoalloys to fulfill specific applications, e.g., RuNi, RuTa, CuNi, etc

Les spectroscopies de diffusion inélastique de la lumière (Raman/Brillouin) sont un outil versatile qui permet d'étudier les phonons thermiques de la matière à différentes échelles. Dans les milieux nano-granulaires, l'étude des phonons acoustiques dont la longueur d'onde est grande devant le diamètre D des grains (?/D >> 1) permet de caractériser l'élasticité macroscopique gouvernée par la loi du contact de Hertz. La validité de la loi de contact est étudiée pour des poudres d'oxyde constituées de nanoparticules sphériques d'une taille de quelques nanomètres. Lorsque la demi-longueur d'onde des phonons acoustiques devient égale à la dimension du confinement (diamètre D pour les sphères, épaisseur e pour une plaquette), la propagation n'est plus possible et un phénomène de résonance mécanique apparaît. La spectroscopie Raman basse fréquence a été utilisée pour caractériser les modes de vibration acoustique de nanoplaquettes semiconductrices habillées d'un « manteau » organique. Lorsque l'épaisseur est suffisamment faible (e ~1 nm) une forte déviation de la fréquence de résonance est observée par rapport au modèle de la plaquette libre, attribuée à la présence des molécules organiques et est interprétée par un effet nano-balance. Lorsque l'objet confinant est un nano-dimère métallique, une hybridation plasmonique et acoustique des nanoparticules ont lieu conjointement. L'excitation résonante du plasmon dimèrique permet d'observer à l'échelle d'un dimère unique la diffusion par les modes de vibration dipolaire hybridé l=1 ainsi que les modes non hybridés de moment angulaire l >2, interdits par les règles de sélection précédemment établies pour ce régime de taille
Inelastic light scattering spectroscopies (Raman/Brillouin) are a versatile tool to study thermal phonons at various scales. In nano-granular media, the study of acoustic phonons with a wavelength much greater than the grain diameter D (?/D >> 1) allows one to characterize the macroscopic elasticity governed by Hertz law of the contact. The validity of Hertz law is studied for powders made of oxide nanoparticles a few nanometers in diameter. When the phonon half-wavelength reaches the confinement dimension (diameter D for spheres, thickness e for plates) propagation is forbidden and mechanical resonances occur. Low frequency Raman spectroscopy has been used to characterize the acoustic resonances of semiconducting nanoplatelets “dressed” with an organic surfactant layer. When the thickness becomes thin enough (e ~ 1 nm), the resonance frequency is significantly downshifted compared to a free platelet, attributed to a mass load effect due to the organic molecules. When the confining object is a metallic nano-dimer, both plasmonic and acoustic hybridization occur at the same time. The resonant excitation of the dimeric plasmon allows one to observe down to single nano-object scale the inelastic scattering by dimer hybridized dipolar vibration modes l=1 as well as non-hybridized modes with higher angular momentum l >2, known to be Raman inactive in this size range according to previously established selection rules. Possibilities for a new plasmon-vibration coupling mechanism are discussed

Depuis quelques années, notre laboratoire développe des nanoparticules lipidiques bicompartimentées originales produites par homogénéisation haute pression, un procédé transposable à grande échelle, à partir d’excipients pharmaceutiques validés par différentes pharmacopées (Eur., USP, JP). Ces particules appartiennent ainsi à la famille des nano-objets Janus puisqu’elles sont organisées en deux sous-structures juxtaposées : une moitié est constituée d’une gouttelette huileuse alors que l’autre moitié est composée d’une structure vésiculaire et renferme un cœur aqueux délimité par une bicouche phospholipidique. En plus de la biocompatibilité intrinsèque des lipides constituants, un tel système représente un outil potentiellement très intéressant et valorisable du point de vue pharmaceutique et biomédical capable d’incorporer séparément et de co-véhiculer des substances hydrophiles et lipophiles aux activités distinctes, par exemple un agent d’imagerie médical et un principe actif pour coupler diagnostique et thérapie. Ici, nous nous sommes intéressés à charger les nanoparticules Janus avec un fluide magnétique composé de nanocristaux d’oxyde de fer (ferrofluide, FF), actif en tant qu’agent de contraste efficace en IRM, étant magnétiquement contrôlable et permettant d’envisager un traitement par hyperthermie. Tour à tour, des FF hydrophiles ou lipophiles compatibles avec le procédé de production ont été développés en étudiant différentes voies de stabilisation des nanocristaux en fonction du compartiment d’encapsulation
In recent years, our team has developed original compartmented lipid nanometer-sized particles produced by high pressure homogenization, a scalable process, with pharmaceutically approved excipients. The particles actually belong to the family of Janus nano-objects as they are organized in two juxtaposed substructures : one half is a droplet of liquid-state lipids while the other half is vesicle-like and encloses an aqueous core delimited by a phospholipid-containing bilayer shell. Added to the intrinsic biocompatibility of the constituting lipids, such a system provides a potentially very valuable tool in pharmaceutical and biomedical fields, able to separately incorporate and co-convey hydrophilic and lipophilic substances with distinct activities, for example, a medical imaging agent and a drug for coupling diagnosis and therapy. Here, we are interested in loading Janus nanoparticles with a magnetic fluid composed of superparamagnetic iron oxide nanocrystals (ferrofluid, FF), indeed as efficient contrast agent for MRI, being magnetically targetable and providing ability for hyperthermia treatment. Alternately, hydrophilic or lipophilic FF compatible with the production process have been developed by investigating different stabilization pathways of the nanocrystals depending on the encapsulation compartment

Cette étude traite de la question de l’interaction des NPs avec les constituants de l’environnement, et comment celles-ci peuvent affecter le devenir et l’impact des NPs sur le biota. Les interactions de NPs de charge et taille variable (TiO2 NPs, analogues de celles typiquement relarguées des crèmes solaires, et Au NPs modèles) avec un polysaccharide pure YAS34 analogue de gel bactérien été étudié.Le relargage de NPs de TiO2 d’une crème solaire typique pendant sont altération en milieu aqueux a d’abord été étudié. Puis les interactions entre les NPs et le polysaccharide bactérien été étudié (1) en condition de suspension diluée, (2) par déposition sur la surface du gel en comparaison avec une surface de collecteur minérale de SiO2, et (3) en mesurant le transfert des nanoparticules à travers le gel. Des conditions favorables ou défavorables pour l’attachement des NPs au polysaccharide ont été préparées en sélectionnant un pH et un coating de NP.Sous conditions favorables, les NPs tendent à s’hétéroagréger avec le polysaccharide en suspension, et la déposition des NPs est influencée par les conditions physicochimiques. Elle est dépendante des interactions électrostatiques avec le collecteur, est aussi des interactions entre les NPs voisines.De manière surprenante, en conditions défavorables, des faibles interactions attractives sont encore mises en évidence en suspension et sur le collecteur, que nous avons attribuées comme étant dues au coating organique des NP qui entre en compétition avec le polysaccharide.Enfin, le transfert des NPs à travers le gel était favorisé en conditions de répulsions électrostatiques et affecté par la taille des NPs et le pH de la solution
The mobility and fate of manufactured nanoparticles (NPs) in the environment drive the exposure behaviour. This study deals with the question on how NPs interact with environmental components, and how this interaction may alter the NPs fate and impact on the biota. We investigated the interaction of variably charged and sized NPs (TiO2 NPs, as analogues of those typically released from sunscreen, and Au NPs as models) with pure polysaccharide YAS34 as analogue of bacterial gels. The release of TiO2 NPs from a typical sunscreen under aqueous aging was first studied. The interaction between NPs and the bacterial polysaccharide was studied (1) in diluted suspension conditions, (2) by deposition on the gel surface as compared to a bare SiO2 mineral collector, and (3) by measuring the NPs transfer through the gel. Favorable and unfavorable conditions for NPs attachment to the polysaccharide were prepared by selecting appropriate pH and NPs coating.Under favorable conditions, the NPs tended to heteroaggregate with the EPS in suspension, leading to their partial sedimentation. On the EPS substrate, the NPs deposition was influenced by the physicochemical conditions. The NPs deposition is driven by electrostatic interactions with the collector and is also affected by the interactions between the neighbouring NPs. Surprisingly, under unfavourable conditions, some weak attractive interactions were again evidenced both in suspension and deposition experiments that we attributed to be dependent on the NP organic coating competing with the EPS.The NPs transfer through the gel was favored under repulsive electrostatic interaction, and affected by the NPs size and by the solution pH

Les nanoparticules (NPs) concentrent beaucoup d’espoir en nanomédecine, en particulier les nanoparticules magnétiques de silice mésoporeuse (M-MSN) qui pourraient permettre des avancées en théranostic. Néanmoins l’innocuité de ces NPs recouvertes de décorations leur conférant des propriétés spécifiques, doit être démontrée afin d’éviter des effets néfastes sur les tissus sains, notamment sur le foie, l’organe de transformation des xénobiotiques. L’objectif de cette thèse était donc d’évaluer la toxicité potentielle de M-MSN soit natives, soit recouvertes de polyéthylène glycol (PEG), soit entourées d’une bicouche lipidique de 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC). Pour ce faire un modèle de cellules humaines hépatiques (HepaRG) a été choisi pour effectuer des tests de toxicité in vitro et pour élucider le mode d’action intracellulaire de ces différentes NPs.Les caractéristiques physico-chimiques des M-MSNs natives et décorées ont été mesurées par différentes techniques comme la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la microscopie électronique à transmission (TEM) et la microscopie à force atomique (AFM). La toxicité des NPs a été évaluée tout d’abord par des tests de viabilité et par impédance cellulaire en temps réel (xCELLigence).L’étude des profils d’expression génique sur des oligo microarrays à très haute densité (8x60k sondes, Agilent) a ensuite permis d’évaluer, de façon dose- et temps-dépendante, la toxicité de ces NPs. De plus l’utilisation d’une méthodologie originale d’analyse comparative de données massives nous a permis de mettre en évidence les mécanismes moléculaires déclenchés par les NPs dans les hépatocytes. Nous avons déterminé des doses n’induisant aucune toxicité ou une légère toxicité transitoire après 24h, soit une valeur seuil de biocompatibilité avec les cellules HepaRG. Nous avons également montré par TEM le ralentissement de l’internalisation des NPs lorsqu’elles sont PEGylées ainsi que leurs effets transcriptomiques différés par rapport aux NPs natives et lipidiques. Néanmoins, une dose de 80 µg/cm² de M-MSNs, natives ou décorées, déclenche l’enchaînement des évènements de l’AOP (Adverse Outcome Pathway) de la cholestase hépatique. Ce résultat démontre que cette méthodologie est adaptée à la toxicologie prédictive par analyse des réponses biologiques cellulaires après exposition à des substances exogènes.Par ailleurs, les NPs ont tendance à se recouvrir de protéines (corona) en présence de sérum humain. L’analyse par impédance cellulaire montre que des M-MSNs entourées d’une corona de protéines sériques humaines ou bovines ne provoquent pas la même toxicité sur des cellules humaines. Ce résultat pose la problématique d'une potentielle surestimation de la toxicité des nanoparticules lors d’essais in vitro, utilisant classiquement du sérum de veau dans les milieux de cultures.Nous avons entrepris l’étude de la dynamique de la corona (entre 30s et 7 jours) par spectrométrie de masse en tandem. Cette analyse a mis en lumière trois types de comportements protéiques. Le premier cluster contient des protéines abondantes qui se désorbent au cours du temps, le second cluster est composé de protéines qui s’enrichissent progressivement et issues de mêmes familles protéiques comme les apolipoprotéines, et le troisième cluster contient des protéines à enrichissement tardif dans la corona, attirées par leur affinité pour des protéines déjà présentes. Un réseau dynamique d’interactions protéines-protéines, ou intéractome, a pu être cartographié au sein de la corona. Ces travaux posent les bases d’un possible contrôle des protéines de la corona afin de conférer aux nanovecteurs des propriétés de furtivité leur permettant d’atteindre des organes cibles sans être opsonisés. Les techniques utilisées au cours de ce travail, basées sur les analyses de quantités massives de données biologiques, pourraient faire partie de futurs standards d’évaluation de la nanosécurité
Nanoparticles (NPs) capable of transporting and releasing therapeutic agents to target tissues constitute one of the most exciting areas in nanomedicine, especially magnetic mesoporous silica nanoparticles (M-MSN). M-MSNs may be addressed to tumors thanks to their magnetism and can act as drug carriers thanks to their high specific surface area. Nevertheless, the safety of these NPs with decorations, conferring them specific properties, must be assessed in order to avoid harmful effects on healthy tissues, in particular on the liver, the organ of xenobiotics metabolism.The goal of this thesis was therefore to evaluate the potential toxicity of M-MSN either pristine, or coated with polyethylene glycol (PEG), or surrounded by a lipid bilayer of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3- Phosphocholine (DMPC). To this end, the human hepatic cell model HepaRG was chosen to realize in vitro toxicity testing and to elucidate the intracellular mode of action of these various NPs.The physico-chemical properties of pristine and covered M-MSNs were measured using different techniques such as dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). NPs toxicity was first evaluated by viability testing and real-time cell impedance analysis (xCELLigence).Gene expression profiles were then performed through very high density oligo microarrays (8x60k, Agilent) to evaluate, in a dose- and time-dependent manner, the toxicity of these NPs. In addition, the use of an original methodology for comparative analysis of large biological data allowed us to demonstrate the molecular mechanisms triggered by the NPs in the hepatocytes. We were able to determine the dose not triggering any toxicity as well as the dose inducing a slight transient toxicity after 24h. We thus defined this latter value as a threshold of biocompatibility with HepaRG cells. We also showed by TEM a slower uptake of PEGylated NPs by cells as well as their delayed effects on the transcriptome compared to the pristine and DMPC NPs. Nevertheless, a dose of 80 μg/cm² of pristine or covered M-MSNs triggers the chain of events of the hepatic cholestasis AOP (Adverse Outcome Pathway). This result demonstrates that this methodology is suitable for predictive toxicology by analysis of cellular biological responses after exposure to exogenous substances.Furthermore, NPs tend to be covered with proteins in the presence of serum (corona). Cell impedance analysis shows that M-MSNs surrounded by human or bovine serum proteins coronas do not trigger the same toxicity on human cells. This result raises the problem of a potential overestimation of NPs toxicity to human cells in in vitro testing by using fetal bovine serum in culture media.We undertook a dynamic analysis (between 30 s and 7 days) of the corona formation by tandem mass spectrometry has highlighted three groups of protein with distinct behaviors. The first cluster contains some abundant proteins that desorb over time, the second cluster comprises some protein families such as apolipoproteins, and the third cluster contains late enrichment proteins attracted by other proteins already present in the corona. A dynamic network of protein-protein interactions inside the corona, namely the interactome, was built from the data. This work opens the way to a possible control of the corona in order to provide the nanocarriers with stealth properties allowing them to reach target organs without being opsonized.These techniques used during this thesis and based on analyses of biological big data might be part of the future standards on nanosafety evaluation

Ligand-stabilized metal nanoparticles (LSNPs) have garnered significant attention for use in applications including sensing, catalysis, and thin film fabrication. Many uses rely on the size-dependent properties of the metal nanoparticle core. Therefore, preservation of nanoparticle core size is of paramount importance. In other uses, the low processing temperatures afforded by metal LSNPs make them attractive as precursors for conductive thin films. In these distinctly different applications, understanding nanoparticle thermal stability is crucial. A key finding of this research is that nanoparticle sintering is dependent upon both core size and ligand functionality. Multi-technique analysis of four types of gold nanoparticles (AuNPs) with different ligand compositions and core sizes illustrates that more volatile ligands reduce the onset temperature for sintering. Also, AuNPs of larger core size with the same ligand composition exhibit lower sintering onset temperatures. Correlation between measurements reveals that only a small amount of ligand loss is necessary to trigger rapid sintering and that ligands are excluded to the surface of the porous gold films. AuNPs with ligand shells composed of two alkanethiols of different chain length and volatility indicate that the onset temperature of sintering can be tuned further through incorporation of a small amount of more volatile alkanethiol into a ligand shell of lower volatility. Mixed LSNPs further reveal that AuNP thermal stability depends upon the ligand shell composition and its intermolecular interactions, which can result in markedly different sintering behavior for different ligand compositions. Long-chain alkanethiol AuNPs sinter after only a small amount of ligand loss, whereas short-chain alkanethiol AuNPs sinter following complete ligand loss and the formation of metastable bare AuNPs. Heated AuNP films prepared with mixed-ligand AuNPs exhibit ligand-dependent differences in film morphology. To probe AuNP thermal stability in 2D-assemblies, self-assembly using larger ‘marker’ nanoparticles enables the study of small 1.5 nm AuNP arrays with successive TEM monitoring throughout ex situ heating. Monitoring images of the same area shows short-range (1-2 nm) nanoparticle migration/coalescence. In contrast to 3D assemblies, AuNP growth occurs at temperatures as low as 60 °C. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material.
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L’étude et la compréhension des interactions existantes entre semi-conducteur et nanoparticules métalliques sous irradiation est primordiale pour l’amélioration de leurs performances. Dans cette étude, trois composites oxydes semi-conducteur-métal ont été synthétisés : TiO2-Ag, Fe2O3-Ag et WO3-Ag. La synthèse des films mésoporeux de TiO2, Fe2O3 et WO3 a été effectuée par voie sol gel à l’aide de copolymères à bloc, avec la méthode d’auto-assemblage induit par évaporation (EISA). Les nanoparticules d’argent sont formées dans un deuxième temps par réduction chimique de sels dans la porosité des films. L’étude photo-électrochimique de ces composites a permis de mettre en évidence différents phénomènes : le potentiel d’électroréduction des ions Ag+ dans une matrice de TiO2 mésoporeuse peut être modulé par l’effet de la lumière. Ce phénomène semble résulter d’un effet de passivation des NP Ag par TiO2 qui dépend des conditions d’insolation. Des effets de rechargement de l’électrode poreuse en espèce Ag+ ont aussi été observés, sous l’action simultanée de la chrono-ampérométrie et de l’irradiation
The study and understanding of existing interactions between semiconductor and metal nanoparticles under irradiation is essential for improving their performance. In this study, three semiconductor-metal oxide composites were synthesized: TiO2-Ag, Fe2O3-Ag and WO3-Ag. The synthesis of the mesoporous films of TiO2, Fe2O3 and WO3 was carried out by gel sol method using block copolymers, with the method of self-assembly induced by evaporation (EISA). The silver nanoparticles are formed in a second time by chemical reduction of silver salts in the porosity of the films. The photo-electrochemical study of these composites made it possible to highlight various phenomena: the electroreduction potential of Ag+ ions in a mesoporous TiO2 matrix can be modulated by the effect of light. This phenomenon seems to result from a passivation effect of the NP Ag by TiO2, which depends on the insolation conditions. Charging effects of the porous electrode in Ag+ species have also been observed, under the simultaneous action of chrono-amperometry and irradiation

L’administration de vaccins par voie muqueuse (orale et nasale) est une alternative efficace aux injections classiques. En effet, au-delà d’une plus grande compliance pour les patients et les soignants, ces voies ont l’avantage de déclencher une immunité dite muqueuse, grâce à la présence d’un système immunitaire propre (aussi appelé MALT pour Mucosal Associated Lymphoid Tissue). Ce MALT est situé à la surface des épithélia de revêtement. Il est différencié en îlots distinguables, les Follicular Associated Epithelium (FAE), et est constitué de cellules épithéliales spécialisées dans la surveillance et le prélèvement de pathogènes, les cellules M. Celles-ci surplombent une zone riche en cellules présentatrices d’antigènes (CPA) et lymphocytes, les Interfollicular Regions (IFR). Ainsi lors d’une infection, les cellules M sont capables de prélever et transloquer des fragments antigéniques vers les CPA, qui initieront la réponse immunitaire auprès des lymphocytes. Cette réponse se traduira par une immunité humorale et cellulaire au niveau de l’épithélium infecté, au niveau des muqueuses plus distantes, mais aussi au niveau systémique. Comme la majorité des infections se produisent au niveau des muqueuses, cette stratégie d’immunisation est de plus en plus étudiée.Si les antigènes sous-unitaires sont moins toxiques que les vaccins vivants, ils sont aussi moins immunogènes, et leur administration nécessite la présence d’un adjuvant pour stimuler efficacement les CPA et initier une réponse immunitaire forte. Or, par la voie des muqueuses, les molécules immunomostimulantes classiquement utilisées pour les voies injectables (par exemple les toxines bactériennes, le LPS ou encore certaines émulsions) sont souvent reportées comme étant toxiques. L’utilisation de systèmes de délivrance pour vectoriser les antigènes jusque dans les CPA semble donc être une alternative séduisante.On distingue deux types de vecteurs d’antigènes : les particules immunomodulatrices, et les systèmes de délivrance purs. Les premiers délivrent les antigènes dans les CPA, et en parallèle, stimulent fortement les voies pro-inflammatoires, pour orienter la balance immunitaire Th1/Th2. Parmi ces vecteurs, les plus utilisés en tests cliniques sont les virus-like particles (VLP), les émulsions à base de saponines (ISCOMs) ou les liposomes contenant des éléments bactériens (MPL, CpG…). En revanche, leur utilisation par voie muqueuse, et notamment nasale, est confrontée aux mêmes risques de toxicité que les adjuvants classiques. Les systèmes de délivrance purs, quant à eux, n’améliorent l’immunogénicité des antigènes qu’en les délivrant dans les cellules, mimant ainsi une infection naturelle. Et bien qu’ils soient mieux tolérés par les muqueuses, leur efficacité doit s’orienter vers une pénétration du mucus, ainsi qu’une association, protection et délivrance des antigènes dans les CPA bien plus performantes.Durant cette thèse, nous avons ainsi étudié les mécanismes permettant à des nanoparticules (NPs) de maltodextrine cationiques et lipidées (NPL) de délivrer des antigènes par voie nasale.Nous avons tout d’abord évalué la capacité des NPL à franchir le mucus des voies respiratoires, en comparaison avec des nanoparticules mucopénétrantes (des PLGA recouvertes de PEG, ou PLGA-PEG) et des nanoparticules mucoadhérentes (des PLGA recouvertes de chitosan, ou PLGA-CS). En mesurant le déplacement des différentes NPs dans du mucus respiratoire reconstitué, nous avons observé que, grâce à la présence du coeur de phospholipides anioniques, la NPL était capable de se déplacer dans le mucus, contrairement aux PLGA-CS qui restaient immobiles [...]
The mucosal routes of immunization present several advantages compared to classical injection routes. Indeed, besides a better compliance towards patients, these routes possess their own immune system, also known as the Mucosal Associated Lymphoid Tissue (MALT), able to trigger a local mucosal response after immunization. This tissue is mainly located in the nasal and intestinal mucosa, where it is spread in small extents called Follicular Associated Epithelium (FAE). On their apical surface, the FAE contain specialized epithelial microfold cells (or M cells), whose role is to survey potential infections by sampling pathogenic fragments, and which overlay a lymphocyte and antigen presenting cells (APC) zone. Then, when an infection occurs, M cells sample and translocate antigenic fragments to CPA, which could therefore trigger lymphocyte maturation and the initiation of the subsequent immune response. This activation will lead to both humoral and cellular immunity in the infected epithelium and could also spread to distant mucosa. As many pathogens infect the body through mucosa, this way of immunization is often considered.Adjuvants are frequently added to subunit vaccines to enhance their immunogenicity toward APC. Indeed, despite their lower toxicity, they are also less immunogenic than live-attenuated vaccines. However, the administration of classical adjuvanting molecules, such as toxins or immunostimulating emulsions, via mucosal routes, has often led to serious adverse effects. Therefore, the alternative use of delivery systems to deliver antigen in APC after mucosal administration is more and more studied.Antigen delivery systems include immunomodulating particles, and inert delivery systems. The first ones can enhance the mucosal antigen bioavailability by vectorizing antigens to APC, and at the same time trigger intracellular pro-inflammatory pathways, to drive the Th1/Th2 immune balance. Among them, virus-like particles (VLP), saponin-based emulsions (ISCOMs) or MPL-containing liposomes are the most represented in clinical trials. However, their mucosal administration can lead to the same adverse effects than classical immunostimulating molecules. In parallel, true delivery systems can enhance the antigens immunogenicity by increasing their intracellular delivery, thus mimicking a natural infection. They are therefore far less toxic for the mucosa than immunomodulating particles but need to be more efficient in the mucus penetration, in the antigen association and in the APC intracellular delivery.During this thesis, we deciphered the mechanisms allowing cationic and lipidated maltodextrine nanoparticles (NPL) to deliver antigens after nasal administration.We first evaluated the ability of NPL to cross the airway mucus barrier, compared to mucopenetrant particles (PEG-coated PLGA or PLGA-PEG) and mucoadherent particles (chitosan-coated PLGA or PLGA-CS), by measuring their displacement in reconstituted mucus. We observed that in presence of the phospholipid core, the NPL were able to move in the mucus, while PLGA-CS NPs remained stuck in the gel. Moreover, we observed that the NPL uptake and the protein delivery in airway epithelial cells were not impaired by the presence of mucins, contrary to PLGA-CS that were hindered by the mucins, and to PLGA-PEG which were not taken up by the cells, due to their neutral surface charge. We finally demonstrated that the NPL mucopenetration was allowed thanks to steric and repulsive electrostatic forces between the anionic phospholipid core and the mucins.In parallel, we studied the mechanisms allowing the NPL to enhance the immunogenicity of subunit antigens after nasal administration, with a highlight on the importance of the NP’s density [...]

EXPOSITION PENDANT LA GESTATION A DES NANOPARTICULES MANUFACTUREES : IMPACT SUR LE DEVELOPPEMENT PULMONAIRE DE LA DESCENDANCELe développement de l’utilisation des nanoparticules (NP) comme les NP d’argent (Ag), de dioxyde de titane (TiO2) et de dioxyde cérium (CeO2) conduit à s’intéresser à leurs potentiels effets toxiques. Des travaux ont montré que l’exposition de souris par voie pulmonaire aux NP peut induire une réponse inflammatoire et la fibrose pulmonaire. En revanche, il existe très peu de données concernant l’impact de l’exposition à des NP sur la descendance. Le but de cette étude est d’évaluer les conséquences d’une exposition de souris à des NP par voie respiratoire sur le développement pulmonaire de la descendance, ainsi que de déterminer le mécanisme d’action induisant les altérations du développement pulmonaire. Pour cela, trois NP de même taille et forme ont été utilisées : TiO2, Ag, et CeO2, afin d’évaluer l’impact des propriétés physico-chimiques des NP sur le développement pulmonaire. Des souris femelles gestantes ont été exposées aux NP par voie pulmonaire une fois par semaine. Des analyses pulmonaires de la descendance ont été réalisées à différentes étapes du développement pulmonaire, avant (17,5 jours post-coït) et après la naissance (14,5 et 49,5 jours post-délivrance). Les résultats montrent qu’après exposition pulmonaire pendant la gestation, les NP induisent une altération de développement pulmonaire de la descendance quelle que soit la nature de la NP utilisée. Ces résultats étaient accompagnés d’une diminution de l’efficacité placentaire associée à la présence des NP dans le placenta et à la diminution de l’expression de VEGF-alpha et MMP-9 à l’âge foetal, et FGF-18 au stage de l’alvéolisation pulmonaire. Compte tenu de l’utilisation croissante de NP, ces résultats suscitent des inquiétudes quant à la santé de l’Homme en particulier en cas d’exposition des femmes enceintes, dont le foetus en développement est susceptible d’avoir un retentissement pulmonaire de l’exposition à ces NP.Mots-clés : nanoparticules, gestation, développement pulmonaire
EXPOSURE TO MANUFACTURED NANOPARTICLES DURING GESTATION: IMPACT ON THE RESPIRATORY TRACT OF THE OFFSPRINGDue to several commercial applications of nanoparticles (NPs), such as silver (Ag), titanium dioxide (TiO2) and cerium dioxide (CeO2), knowledge of the toxicity of those NPs is of great importance. It has been shown that exposure to NPs may lead to an inflammatory response and pulmonary fibrosis. However less is known on the effect of exposure to NPs on the offspring. Therefore the aim of this study is to assess the impact of exposure by the respiratory route to various NPs during pregnancy on lung development of the offspring, and to determine the key parameters involved in lung alterations. We used three NPs: TiO2, Ag, and CeO2, to assess the impact of NPs physico-chemical properties on the potential effects on lung development. Pregnant mice were exposed weekly to 100 μg NPs or saline by nonsurgical intratracheal instillation. Analysis of the lungs of the offspring was performed at different times of lung development, before (17.5 gestational day) and after birth (14.5 and 49.5 post-delivery day). Results showed that after pulmonary exposure during pregnancy, all nanoparticles induced a long-lasting impairment of lung development of the offspring. This was accompanied by a decreased placental efficiency which was associated with the presence of NP in placenta and a decreased pulmonary expression of VEGF-alpha and MMP-9 at the fetal stage, and FGF-18 at the alveolization stage. In view of the growing use of these nanoparticles, this result raise concerns for public health and pregnant women and their developing fetus particularly for those at high risk of occupational or domestic exposure.Keywords: nanoparticles, pregnancy, lung development

La modification des propriétés du graphène, notamment l’ouverture d’une bande interdite par la nanostructuration, est un véritable enjeu pour la physique et pour les applications du graphène. La nanostructuration peut se faire suivant l’approche « top-down » ou « bottom-up ». Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à la seconde approche. L’approche « bottom-up » permet de contrôler à l’atome près la structure des matériaux. L’objectif de cette thèse est de fabriquer par synthèse chimique des boites quantiques de graphène et des motifs graphéniques contenant un réseau périodique de trous (nanomesh) et d’en étudier les propriétés physiques. Dans une première partie, une « famille » de nanoparticules de graphène a été préparée par synthèse organique via des réactions de Diels-Alder et de Scholl et les propriétés optiques ont été étudiées sur des solutions et à l’échelle de la molécule unique. Dans une deuxième partie, un nouveau type de structures graphéniques intermédiaires entre les boites quantiques et les nanorubans, des nano-bâtonnets de graphène (nanorods) ont été synthétisés. Enfin, plusieurs précurseurs ont été synthétisés pour la réalisation de nanomeshs de graphène. Ces précurseurs permettront d’obtenir, en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur dans la chambre d’un microscope à effet tunnel, des nanomesh de graphène présentant des structures différentes
The manipulation of the electronic properties of graphene, and in particular the bandgap opening by nano-patterning, is a crucial issue for both physics and applications. The nanostructuration can be done either through the top-down approach or the bottom-up approach. This bottom-up approach allows controlling at the atomic level the structure of the materials. The aim of this thesis is to prepare graphene quantum dots and graphene nanomeshes (regular arrays of holes in a graphene sheet) by chemical synthesis, and to study their physical properties. In the first part, a “family” of graphene quantum dots was prepared with organic chemistry via Diels-Alder and Scholl reactions and the optical properties were studied both in solution and at the single molecule scale. In the second part, a new type of graphenic structures intermediate between quantum dots and nanoribbons were synthesized and we named them “graphene nanorods”. These objects are one dimensional but have a controlled length compared to nanoribbons prepared via polymerization. Finally, various precursors were synthesized to create graphene nanomeshes. These precursors will allow the formation, using chemical vapor deposition in a scanning tunneling microscope chamber, of nanomeshes exhibiting different structures and morphology

Dans ce travail de thèse, nous avons formulé des émulsions de Pickering stables, biodégradables et biocompatibles stabilisées par des nanoparticules (NPs) de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA). De telles émulsions sont une alternative, potentiellement moins toxique et irritante, aux émulsions conventionnelles stabilisées par des tensioactifs synthétiques. Dans un premier temps, une étude physico-chimique approfondie de ces systèmes a permis de clarifier leurs structures (macroscopique, microscopique et interfaciale) ainsi que leurs mécanismes et leurs cinétiques de stabilisation. Des études de la contribution du polymère stabilisant les NPs et des caractéristiques du polymère de PLGA utilisé sur les propriétés des émulsions ont également été réalisées. Cela a permis de mieux identifier les paramètres physico-chimiques clés nécessaires à une bonne stabilisation. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au potentiel pharmaceutique de ces émulsions pour une application topique. Des substances actives (SA), utilisées pour le traitement du psoriasis, ont été encapsulées avec succès dans les NPs (ciclosporine A et tacrolimus) et les gouttelettes de l’émulsion (calcitriol). Cette étude est un premier pas vers l’utilisation de ces émulsions pour la co-encapsulation de deux SA dans la même formulation : une première dans les NPs et une seconde dans les gouttelettes d’huile. La co-encapsulation devrait permettre d’améliorer l’observance du patient et pourrait conduire à un effet synergique entre les deux SA
In this thesis work, we formulated stable, biodegradable and biocompatible Pickering emulsions stabilized with nanoparticles (NPs) of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). Such emulsions are an alternative, potentially less toxic and irritating, to conventional emulsions stabilized with surfactants. Firstly, a thorough physico-chemical study of these systems was conducted in order to clarify their structures (macroscopic, microscopic and interfacial) as well as their mechanisms and kinetics of stabilization. Studies of the contribution of the polymer stabilizing the NPs and of the characteristics of the PLGA polymer on the properties of the emulsions were also carried out. This enabled a better identification of the physico-chemical key parameters responsible for a good stabilization. Secondly, we focused on the pharmaceutical potential of these emulsions for a topical application. Pharmaceutical active ingredients (API), used for the treatment of psoriasis, were successfully encapsulated in the NPs (cyclosporine A and tacrolimus) and the emulsion droplets (calcitriol). This study is a first step towards the use of these emulsions for the co-encapsulation of two API: one in the NPs and a second in the oil droplets. The co-encapsulation should improve patient compliance and could lead to a synergistic effect between the two API

Je présente une étude du transport électronique dans des réseaux de nanoparticules d’or, formés par la méthode de Langmuir-Blodgett. Dans les réseaux faiblement couplés, le transport électronique est dû à la diffusion tunnel séquentielle régit par des lois activées. En augmentant le couplage entre les nanoparticules, un régime de diffusion contrôlé par le cotunneling est atteint, où le transport électronique est régit par la loi de Efros-Shklovskii. Les nanoparticules, qui présentent des propriétés électroniques diverses, nous permettent également d’envisager des études du spectre électronique dans le régime de confinement quantique. Afin d’étudier le spectre tunnel de nanoparticules individuelles, nous avons développé un dispositif de projection sous vide des nanoparticules qui permet de réaliser efficacement des circuits à une seule nanoparticule. Ce dispositif a été testé par l’observation du phénomène de blocage de Coulomb dans des nanoparticules d’or. Ce dispositif a ensuite été appliqué à la fabrication de dispositifs à partir de nanoparticules de magnétite. Ces circuits nous ont permis d’établir le diagramme de phase hors-équilibre de la transition de Verwey en fonction de la température et du champ électrique. Nous avons également étudié l’évolution du courant tunnel dans le régime d’émission de champ au travers des films minces de PMMA déposés sur des électrodes séparées d’une dizaine de nanomètres. Nous avons pu observer que la scission des chaines polymères conduit à un bruit électronique supplémentaire mesurable
I present a study of electron transport in arrays of gold nanoparticles formed by the Langmuir –Blodgett method. In weakly coupled arrays, electronic transport is due to sequential tunnel diffusion described by activated laws. By increasing the coupling between the nanoparticles, a diffusion regime controlled by cotunneling is reached, where electronic transport is described by the Efros-Shklovskii law. The nanoparticles, which present various electronic properties, allow considering the study of their electronic spectrum in the regime of strong quantum confinement. To study the electronic spectrum of individual nanoparticles, we developed a setup for vacuum projection of nanoparticles which allows fabricating efficiently single nanoparticle devices. This setup has been tested with the observation of Coulomb blockade in gold nanoparticles. Then, this setup has been applied to the fabrication of single nanoparticle devices with magnetite nanoparticles. These circuits allowed establishing the out-of-equilibrium phase diagram of the Verwey transition as function of temperature and electric field. We have also studied the evolution of the tunneling current in the field emission regime through thin films of PMMA deposited on two electrodes separated by a distance of the order of ten nanometers. We observed that the scission of polymer chains leads to a measurable additional electronic noise

Les plasma poudreux sont des plasmas qui contiennent des particules solides dont les tailles vont quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. La présence de ces particules solides, dans les plasmas, a été découverte dans les procédés de l'industrie de microélectronique. Les particules dans le plasma étaint considérées comme la source principale de la contamination de ces procédés. Les premiers travaux de recherche était focalisées sur les méthodes et moyens de les éliminer et d'empêcher leur formation. Suite à l'identification des différentes phase de formation et la découverte de la structure cristalline des nanoparticules qui se forment dans la première phase des applications très prometteuses ont commencé à se développer dans différents domaines tels que le photovoltaïque, la nanoélectronique etc., Ceci a donné une nouvelle impulsion aux activités de recherches sur les propriétés du plasma poudreux ont attiré l'attention de plus en plus de chercheurs à travers le monde.Les plasmas poudreux sont des plasmas qui contiennent des particules solides dont les tailles vont de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. La présence de ces particules solides, dans les plasmas, a été découverte dans les procédés de l'industrie de microélectronique. Les particules dans le plasma étaient considérées comme la source principale de la contamination de ces procédés. Les premiers travaux de recherche étaient focalisées sur les méthodes et moyens deles éliminer et d’empêcher leur formation. Suite à l’identification des différentes phases de formation et la découverte de la structure cristalline des nanoparticules qui se forment dans la première phase des applications très prometteuses ont commencé à se développer dans différents domaines tels que le photovoltaïque la nanoélectronique etc…, Ceci a donné une nouvelle impulsion aux activités de recherches sur les propriétés du plasma poudreux et ont attiré l’attention de plus en plus de chercheurs à travers le monde.Les travaux de recherche, entrant dans le cadre de cette thèse, sur les plasmas poudreux, ont été focalisés essentiellement sur le contrôle de la formation des particules solides et leur transport dans le plasma. Par conséquent, cette thèse est composée par deux parties, la première concerne la formation des particules en phase gazeuse dans le plasma et la deuxième traitera du comportement et du transport du nuage dense de particules dans le plasma. Ces travaux ont été effectués au sein du laboratoire GRMI (Université d’Orléans, France) et du Département d’électronique du Kyoto Institute of technology (Japon), respectivement, dans le cadre d’une co-tutelle.Les travaux sur la formation des particules a été réalisée dans un plasma RF généré dans un mélange gazeux composé d’Argon (Ar, 98%) et d’Acétylène (C2H2, 2%). Le processus de formation des particules s’effectue en trois étapes: la nucléation (phase chimique), l'agglomération, et la croissance par dépôt radicalaire sur la surface des particules. Nous sommes intéressés à l'étape de nucléation. L'influence de la puissance, la pression et la température des gaz sur le temps de nucléation est étudiée. L'évolution temporelle de la tension d'auto polarisation de la décharge est utilisée comme un indice pour détecter la fin de l'étape de nucléation. Les résultats montrent que le temps de nucléation augment avec l'augmentation de la température mais diminue avec celle de la puissance et de la pression. Cela dit, plus la température est basse, la puissance et la pression sont élevées, plus la phase de nucléation est rapide. La dépendance de la nucléation de la température est expliquée par le mécanisme de la relaxation de l’excitation translationnelle-vibrationnelle des molécules du gaz précurseur. En effet l’énergie d’excitation vibrationnelle joue le rôle d’énergie d’activation pour les réactions chimiques ayant lieu lors de cette phase. Par contre, celles sur la puissance et la pression, elles sont expliqué
This thesis studies the dust particles in plasmas. It consists of two parts. The first part is the formation of dust particles, that is to study how the dust particles are generated from the reactive gas in the plasmas. The second part is the transport behaviour of dust particles, that is to study how the dust particles act in the plasmas.In the part of the formation of dust particles, carbon dust particles are generated in the plasmas. It is known that the formation process of dust particles in plasmas can be determined by 3 steps: nucleation, agglomeration and surface grow. The nucleation step is focused. The results of experiments show that the nucleation process occurs faster in higher power, higher pressure and lower temperature. The dependency of the nucleation time on the temperature is explained by the vibration-transition energy relaxation mechanism, and that on the RF power and pressure is explained by the ratio of the charge and diffusion time of the small dust particles.In the part of the transport behaviours of dust particles, industrially fabricated particles with determined size are injected into Ar plasmas. The particles in the plasmas are observed by laser scattering with a CCD camera. The diagnostics of plasma are performed by a double langmuir probe. Pulse-time modulation to the Ar RF plasmas is studied to be a factor to influence and to control the transport of dust particles. Particles of mono-dispersed size are firstly studied in the plasmas. It is shown that the levitating positions and falling down processes can be controlled by the RF power and pulse-time modulation. Secondly, two sizes particles are injected into the plasma at same time. The different transport behaviours, as like the segmentation of levitation and different timing of falling down basis on their size, are observed. Particles of mixture sizes can be separated one size particles from other sizes. The mechanisms of transport behaviours of the dust particles are investigated by the combination of the diagnostic of plasma parameters (electron temperature and ion density in principle) by the double langmuir probe and calculation of the forces acting on the dust particles. Calculation methods adjusting to the specific experiment setup are established. The calculation results have a good agreement with that of the experiments

L'augmentation du nombre de cancers de faible taille dans le monde a incité le développement de nouveaux nanomatériaux multifonctionnels appliqués à de nouvelles thérapies non invasives. Ces nouvelles thérapies peuvent éliminer sélectivement la tumeur en réduisant ou en supprimant les effets secondaires induits dans les tissus sains par les traitements actuels, tels que la chimiothérapie ou la radiothérapie, qui présentent une efficacité élevée mais une faible sélectivité. Ce travail décrit l'élaboration de nanomatériaux pour le diagnostic et le traitement des cancers de faible taille grâce à une nouvelle thérapie: la thérapie photodynamique (PDT). Cette nouvelle technique, implique l'activation d'une molécule photosensibilisatrice (PS) grâce à des longueurs d'onde spécifiques. Cette activation conduit à des cascades de transfert d'énergie qui produisent des espèces oxygénées réactives cytotoxiques provoquant la mort cellulaire.Dans un premier temps, l'élaboration de nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN) contenant un agent photosensibilisant de type porphyrine est présentée pour le traitement in vitro du cancer de la prostate et du rétinoblastome grâce à la thérapie photodynamique à un photon. Des nanoparticules fonctionnalisées avec de nouveaux ligands ont été essayées pour cibler les nanoparticules vers les cellules cancéreuses de la prostate. La diminution de la taille des nanoparticules à 20 nm a été élaborée pour traverser la barrière hémato-rétinienne et traiter les rétinoblastomes.D'autre part, deux nouveaux types de nanomatériaux ont été conçus pour le traitement à deux photons qui conduit à une pénétration plus profonde dans les tissus. Des nanoparticules polysilsesquioxane pontés (BS) et des nanoparticules d’organosilice mésoporeuses (PMO) ont été conçues à partir de différents types de molécules photosensibilisatrices tétra-silylées ou octa-silylées et de bis-organo-alcoxysilanes comme l'éthane, l'éthylène ou le disulfide. L’efficacité des BS en imagerie à deux photons en thérapie photodynamique a été démontrée in vitro. Des nanoparticules de BS à base de disulfides ont été conçues comme nouveaux nanomatériaux biodégradables.Enfin, en plus de l'imagerie et la thérapie, les PMO ont été testés in vitro pour la délivrance de médicaments en raison de leur mésoporosité. La gemcitabine et doxorubicine ont été encapsulées dans les pores obtenant des charges élevées en médicaments. Outre les photosensibilisateurs classiques, des PMO cœur-coquille contenant des nanodiamants ont été testés en tant que PS. Pour finir, des PMO à base de porphyrines sont présentés pour la délivrance de gènes in vitro et in vivo utilisant le poisson-zèbre comme modèle
Nowadays, the increase of the number of low-size cancers in the world has prompted the development of novel multifunctional nanomaterials applied to new non-invasive therapies. These new therapies are expected to selectively eradicate the tumor, decreasing or suppressing the side effects induced in healthy tissues by current treatments. This study describes the elaboration of nanomaterials for the diagnostic and the therapy of low size cancers through a novel therapy: photodynamic therapy (PDT). This new technique involves the activation of a photosensitizer molecule (PS) with specific wavelengths of light giving rise to energy transfer cascades that yield cytotoxic reactive oxygen species leading to apoptotic and necrotic cell death.First, the elaboration of mesoporous silica nanoparticles (MSN) containing a porphyrin photosensitizer are presented for the treatment in vitro of prostate cancer and retinoblastoma through one-photon therapy. Functionalized nanoparticles with new ligands were synthesized to target the nanoparticles to prostate cancer cells. The decrease of the nanoparticle size to 20 nm was elaborated to cross the blood-retinal barrier and treat retinoblastomas.On the other hand, two new types of nanomaterials were designed for two-photon nanomedicine which leads to a deeper penetration in tissues. Bridged silsesquioxane (BS) and periodic mesoporous organosilica (PMOs) nanoparticles were designed from different types of tetra or octasilylated-photosensitizers and bis-organoalkoxysilanes such as ethane, ethylene or disulphide. Pure PS bridged silsesquioxane nanoparticles lead to efficient two-photon imaging and photodynamic therapy which were demonstrated in vitro. Disulfide-based BS nanoparticles were designed as biodegradable nanomaterials.Finally, in addition to the imaging and therapy, PMOs nanoparticles were tested in vitro as nanocarriers for drug delivery due to their mesoporosity. Gemcitabine or doxorubicin were encapsulated into the pores leading to high drug loadings. Beside the classical photosensitizers, nanodiamonds core-shells PMOs were tested as PDT agent. In addition, pure porphyrin nanoPMOs are presented for gene delivery in vitro and in vivo in a zebrafish model

Au cours de ce projet de thèse, l'imagerie optique a été utilisé pour étudier la biodistribution de différents types de nanoparticules pour un ciblage passif de tumeur et plusieurs aptamères sélectionnées par SELEX in vivo pour un ciblage actif, dans des modèles murins de cancer. Pour la partie ciblage passif, l'effet de l’enrobage zwitterionique sur la biodistribution de micelles a été étudié. L'imagerie planaire a montré qu’il y avait un ciblage tumoral passif à partir de 24 h post-injection. Apres 24h, les micelles ne sont pas retenues, par opposition aux micelles PEGylés. Concernant la biodistribution des nanogels, l’imagerie planaire a montré un ciblage tumoral passif à 24 h. Un ciblage passif de la tumeur a été également observé pour l'un des polymères, tandis que l'autre n'a pas été retenu. Pour la partie ciblage actif, seulement quelques séquences ont montrés un potentiel un ciblage des tumeurs. Cependant, des investigations plus approfondies sur les séquences prometteuses sont nécessaires afin de valider leur captation par le tissue tumoral.En outre, une corrélation linéaire a été observée entre l’imagerie planaire in vivo et ex vivo, illustrant l'utilité de l'imagerie optique pour fournir des informations de base sur la biodistribution et d'élimination des nanoparticules et les aptamères.En conclusion, le travail effectué au cours de cette thèse devrait permettre d'ouvrir de nouvelles perspectives pour le développement de nano-objets multimodales qui peuvent être utilisés pour des applications dans le diagnostic et même pour l'administration spécifique de médicaments à des sites de la maladie
During this PhD project, optical imaging was used to study the biodistribution of different types of nanoparticles for passive tumor targeting and several candidate aptamers selected by in vivo SELEX for active tumor targeting, in animal models of cancer. For the part of passive tumor targeting, the effect of zwitterionic coating on the biodistribution of polydiacetylenic micelles was investigated. Planar fluorescence imaging demonstrated passive tumor targeting during 24 h but the micelles were not retained over time as opposed to PEGylated micelles. The biodistribution of two new types of nanogels and their constituent polymers was also evaluated. Planar imaging showed passive tumor targeting 24 h for the two nanogels. Surprisingly, tumor targeting was also observed for one of the polymers, while the other was not retained.For the part of active tumor targeting, only few sequences displayed potentials for active tumor targeting. However, further investigation of these promising sequences is needed in order to validate their favorable tumor uptake.Moreover, linear correlation was observed between in vivo and ex vivo planar imaging, demonstrating the utility of optical imaging to provide basic preclinical information regarding biodistribution of nanoparticles and aptamers.In conclusion, the work done during this thesis should help open new perspectives to the development of multimodal nano-objects that can be used for applications for tumor diagnosis and even drug delivery to sites of disease

En ingénierie tissulaire, la survie in vivo de cellules souches implantées au sein d’un biomatériau est limitée par les conditions d’un environnement ischémique qui se caractérise par un déficit en oxygène et en nutriments. Récemment, dans le cadre d’un projet de recherche dédié au développement d’un hydrogel composite à base de fibrine, biomatériau conçu pour améliorer la survie de cellules souches post-implantation, il a été mis en évidence la nécessité de contrôler dans le temps et l’espace la disponibilité du glucose au sein de ce matériau. Cet apport in situ de glucose est réalisé par dégradation contrôlée de l’amidon, un polymère de glucose. Cette production est assurée par action enzymatique d’un catalyseur spécifique de l’hydrolyse de l’amidon, l’amyloglucosidase (AMG).Toutefois, il convient de maitriser différents paramètres tels que la fuite de l’AMG en dehors de l’hydrogel ou encore sa perte d’activité au cours du temps. Dans ce contexte, l’encapsulation de l’AMG dans des nanoparticules d’un polymère biodégradable et biocompatible, ici l’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA), devrait permettre le contrôle des paramètres susmentionnés.Des nanoparticules de type core-shell contenant l’AMG (NPe) ont été synthétisés par l’adaptation d’un protocole de double émulsion (water-oil-water). Différentes méthodes ont été développées pour déterminer les propriétés physico-chimiques et biochimiques des nanoparticules produites. Le protocole de synthèse a été optimisé afin de produire des nanoparticules reproductibles et stériles utilisables dans des hydrogels implantables in vivo.Le cahier des charges de l’hydrogel enrichi en amidon et en NPe impose un apport continu du glucose pendant 1 mois. La stabilité des nanoparticules a été étudiée en solution et dans les hydrogels. La production de glucose grâce à ces NPe a été investiguée en solution et en hydrogel mettant en avant l’intérêt de ces nanoparticules au sein du dispositif
In tissue engineering, the in vivo survival of stem cells located within a biomaterial is limited by an ischemic environment characterized by a low supply of oxygen and nutrients. Recent studies on fibrin based hydrogels (designed to improve stem cells survival after implantation) have highlighted the need to control the spatiotemporal availability of glucose within a biomaterial scaffold. Glucose release occurs through the degradation of starch, a glucose polymer, at a rate controlled by the action of the enzyme amyloglucosidase (AMG), a specific catalyst for the hydrolysis of starch.In order to eventually be of clinical impact, critical parameters must be tuned, such as the AMG leakage outside the hydrogel and its loss of activity over time. In this context, AMG encapsulation within nanoparticles of a biodegradable and biocompatible polymer, here poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), is a promising means toward controlling the above parameters.The AMG-containing core-shell type nanoparticles (NPe) were synthesized by an adaptation of the double emulsion technique (water-oil-water). Different methods have been developed to determine the physicochemical and biochemical properties of the resulting nanoparticles. The synthesis was optimized to produce sterile and reproducible nanoparticles appropriate for in vivo implantable hydrogels.Nanoparticle stability and glucose release were investigated in solution and in hydrogels. A key specification of the hydrogel system, enriched in starch and NPe, is the continuous supply of glucose over 1 month. Glucose production was observed to meet this specification, highlighting the potential advantages of this approach

Les nanoparticules (NPs) métalliques possèdent des propriétés physiques inhabituelles et suscitent un grand intérêt pour divers domaines d’application. En particulier, les NPs de métaux magnétiques offrent de nombreux avantages dans une grande variété d’applications technologiques, médicales et en catalyse. Généralement, ces applications nécessitent de fabriquer des NPs de taille et de composition contrôlées. Cette thèse vise à démontrer que de telles NPs peuvent être obtenues par décomposition de précurseurs organométalliques (OM) dans des solvants d’un genre particulier, les liquides ioniques (LIs). Ce sont des sels possédant un très bas point de fusion (inférieur à 100°C) et qui possèdent des propriétés uniques, dont celle de stabiliser des nano-objets. Pour y parvenir, des précurseurs OM des métaux d’intérêt (Co et Fe) ont été identifiés. Des Co-NPs ont pu être synthétisées de manière contrôlée : elles possèdent une structure cristalline du e-Co et les propriétés superparamagnétiques attendues pour le Co(0). Dans le cas du Fe, une oxydation partielle des NPs n’a pu être évitée. La seconde partie du travail s’est donc concentrée sur l’obtention de NPs bimétalliques CoM, avec M=Ru ou Pt. Dans le cas de Ru, toutes les synthèses ont conduit à des NPs bimétalliques, tandis que seule une décomposition simultanée des deux précurseurs de Co et Pt a permis de former des CoPt-NPs. Ces NPs pourraient permettre de fabriquer des dispositifs de stockage de données plus performants ou des catalyseurs moins onéreux
Metallic nanoparticles (NPs) exhibit unique physical and chemical properties. However, their use is conditioned by the ability to control their size and structure. The decomposition of organometallic (OM) precursors under H2 is efficient to generate metallic NPs in organic solvents, but also in ionic liquids (ILs). We have shown that in the latter media, the size can be finely tuned without adding stabilizing agents. Moreover, the resulting “naked” metallic NPs are suitable for catalysis or further reaction with a second OM precursor to form bimetallic NPs.In this work, we applied this knowledge to the synthesis of mono- and bimetallic NPs in imidazolium-based ILs C1CaImNTf2. CoNPs with a diameter of ca. 4 nm were successfully synthesized by decomposition of [Co(?3-C8H13)(?4-C8H12)] under H2. Structural analysis and magnetic characterizations demonstrated that these NPs are metallic and, as expected for this size, superparamagnetic. This approach was extended to the synthesis of bimetallic CoPt and CoRu NPs. It turned out that the best strategy is probably to simultaneously decompose the Co and Pt (or Ru) precursors. This reaction provides monodisperse suspensions of NPs, a good indication that they are bimetallic. Further structural characterizations, in particular using anomalous SAXS, are also considered to elucidate their structure

Cette thèse concerne l’élaboration par réaction “click” CuAAC denouveaux nanomatériaux présentant diverses applications, en particulier en catalyse.Ces macromolécules (dendrimères, dendrimères supportés sur oxide et polymères)comprenant des cycles 1,2,3-triazoles ont été utilisés pour stabiliser desnanoparticules essentiellement de palladium actives en catalyse de couplage C-C,réduction du 4-nitrophenol et oxydation des alcools dans des solvants aqueux.L’utilisation de ces nanoparticules à l’échelle du ppm traduit leur efficacité et l’aspectécologique visé avec ce projet. L’intégration d’unités triazolylbiferrocéniques au seinde ces polymères a permis d’étendre la gamme d’applications de ces matériaux auxsondes électrochimiques, réduction d’ions métalliques en nanoparticules, composéspoly-électrolytes, poly-électrochromes, à valence mixte. L’imprégnation denanoparticules de palladium stabilisées par des dendrimères sur support magnétiquea permis d’augmenter la robustesse des catalyseurs ainsi que leur recyclablité paraimantation
This thesis concerns the synthesis by “click” CuAAC reactions of newnanomaterials that have various applications, in particular in catalysis. Thesemacromolecules are dendrimers, supported dendrimers and polymers that contain1,2,3-triazole rings and were used in the stabilization of essentially palladiumnanoparticles (PdNPs). These PdNPs are extremely active in the catalysis in greensolvents of C-C coupling, reduction of 4-nitrophenol and selective oxidation ofalcohols. The use of these nanoparticle catalysts at the ppm level shows theirefficiency and their ecological aspect. The integration of biferrocene units in thepolymers allowed expanding their applications to electrochemical sensors, reductantsof metallic ions to nanoparticles, polyelectrolytes, polyelectrochromic, and mixedvalentcomplexes. The impregnation of PdNPs stabilized by dendrimers on magneticsupport led to the increase of the catalyst robustness and recyclability using amagnet

L’arrivée des nanobiotechnologies en cancérologie apporte un nouveau souffle dans le traitement des cancers. Les travaux réalisés par Olivier Tillement et ses collaborateurs ont permis de montrer que les nanoparticules de gadolinium (GdBN) sont capables d’augmenter d’une part la qualité d’imagerie par résonance magnétique (IRM) mais également d’augmenter les effets des rayonnements ionisants (IR) sur les tumeurs. Des études précliniques sur des tumeurs de glioblastome greffées sur des souris C57BL/6 ont permis de révéler la capacité de la combinaison GdBN+IR à favoriser une régression tumorale. Néanmoins, les processus de morts cellulaires impliqués sont partiellement connus. Nos résultats ont permis de démontrer que ce traitement produit un stress oxydatif généré par une NADPH oxydase. Ce stress oxydatif déclenche un arrêt de la prolifération des cellules qui dépend de la protéine p21 et qui déclenche un processus de sénescence cellulaire et le cannibalisme des cellules irradiées. Le cannibalisme cellulaire ainsi déclenché aboutit à l’élimination de cellules internalisées. Ainsi, l’ensemble de ces résultats nous a permis de révéler que la combinaison des GdBN et de l’irradiation contribue à l’élimination de cellules cancéreuses en déclenchant la sénescence des cellules irradiées ainsi qu’un mécanisme original de mort cellulaire, le cannibalisme cellulaire
The nanotechnology aims to help in the cancer treatment. Olivier Tillement and his colleagues have demonstrated that the Gadolinium-Based Nanoparticle (GdBN) can improve Magnetic Resonance Imaging (MRI) and increase radiotherapy effects. Pre-clinical studies show that the combination of GdBN with ionizing radiation is associated with tumor regression. However, the molecular and cellular processes involved this biological effect remain to be elucidated. Our results show that the combination of GdBN with IR generates oxidative stress through NADPH oxidase-dependent mechanisms, leads to cellular senescence and induces the cannibalistic activity of irradiated cells. Altogether, these results reveal that the combination of GdBN with IR promotes the killing of irradiated cells through the induction of cellular senescence and cellular cannibalism

Many nonferrous industries such as mining and surface treatment plants produce co-products that are high in heavy metals and therefore toxic to the environment. A less obvious producer of heavy metal containing co-products is the whisky industry. Current methods of copper removal from such co-products include electrolysis and membrane filtration which are impractical and costly. When copper is found as a salt, current methods of removal include settlement, filtration and precipitation. Alternatives such as biological copper ion removal from effluents has also been shown to be effective. This study aimed to develop a biological method for the synthesis of stable copper nanoparticles. Morganella psychrotolerans was used to reduce Cu2+ to insoluble Cu0 nanoparticles. The nanoparticles were purified and characterised using X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM). Whisky distillery co-products were tested as a growth medium for M. psychrotolerans with concomitant copper nanoparticle synthesis. The copper nanoparticles were also studied for their application in electronics in order to make conductive circuits. Genomics studies combined with proteomics, helped develop possible models for copper nanoparticle synthesis by M. psychrotolerans, as well as identify proteins and genes not previously thought to be related to this pathway. The genome sequence of M. psychrotolerans obtained in this work allowed for a far more detailed study on the mechanism of copper nanoparticle synthesis than previously possible. This thesis also focused on understanding this mechanism better through proteomics and qRT-PCR. In order to study the identified copper ion reduction pathway in the future, a genetic modification toolkit was developed for M. psychrotolerans.

In this study, crystalline poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (PNIPAm-co-AAc) nanoparticle network in organic solvents was obtained by self assembling precursor particles in acetone/epichlorohydrin mixture at room temperature followed by inter-sphere crosslinking at ~98 °C. The crystals thus formed can endure solvent exchanges or large distortions under a temporary compressing force with the reoccurrence of crystalline structures. In acetone, the crystals were stable, independent of temperature, while in water crystals could change their colors upon heating or changing pH values. By passing a focused white light beam through the crystals, different colors were displayed at different observation angles, indicating typical Bragg diffraction. Shear moduli of the gel nanoparticle crystals were measured in the linear stress-yield ranges for the same gel crystals in both acetone and water. Syntheses of particles of different sizes and the relationship between particle size and the color of the gel nanoparticle networks at a constant solid content were also presented. Temperature- and pH- sensitive crystalline PNIPAm-co-AAc hydrogel was prepared using osmosis crosslinking method. Not only the typical Bragg diffraction phenomenon was observed for the hydrogel but also apparent temperature- and pH- sensitive properties were performed. The phase behavior of PNIPAm nanoparticles dispersed in water was also investigated using a thermodynamic perturbation theory combined with lightscattering and spectrometer measurements. It was shown how the volume transition of PNIPAM particles affected the interaction potential and determined a novel phase diagram that had not been observed in conventional colloids. Because both particle size and attractive potential depended on temperature, PNIPAM aqueous dispersion exhibited phase transitions at a fixed particle number density by either increasing or decreasing temperature. The phase transition of PNIPAm-co-AAc colloids was also studied. The results from the comparison between pure PNIPAm and charged PNIPAm colloids showed that the introducing of carboxyl (-COOH) group not only contributed to the synthesis of three-dimensional nanoparticle network but also effectively increased the crystallization temperature and concentration range. The phase transitions at both low and high temperatures were observed from the turbidity change by using UV-Vis spectrometer. Centrifugal vibration method was used to make crystalline PNIPAm-co-AAc dispersion at high concentration (8%). The turbidity test proved the formation of iridescent pattern.

Les nanoparticules de polymère (NP) sont une technologie prometteuse pour la libération contrôlée d’actifs . Elles permettent de protéger les drogues et de les délivrer de façon continue. Toutefois pour que cette technologie devienne mature, il est nécessaire de mieux contrôler la synthèse de ces objets. Afin d'atteindre cet objectif, cette thèse propose deux nouvelles méthodes de synthèse basée sur les technologies microfluidiques. Ces méthodes permettent d’encapsuler des drogues hydrophiles et hydrophobes et permettent d’atteindre des taux d’encapsulation supérieurs à ceux mesurés dans la littérature (80% avec une masse de 20% de drogue). Ces approches ont été appliquées à l'encapsulation de l'oxyde de fer
Polymeric nanoparticle (NP) drug carriers present a promising technology for controlled releasesince they are capable of improving the encapsulation efficiency and stability of the drugs inside theNPs and also able to provide effective drug levels over a longer period of time, compared totraditional therapy. However, before the NP drug delivery technology becomes a reality, importantparameters of NPs like size, drug loading ability and sustained release kinetics must be wellinvestigated and optimized in order to minimize the adverse effects of chemotherapeutic compoundsand prolong the drug releasing profile in a controlled manner.In order to accomplish this objective, this thesis proposed two novel methods for synthesis of NPs asdrug delivery carriers, with assistance from bulk and microfluidic technologies, for hydrophobic andhydrophilic drugs, individually.Encapsulation efficiency as high as 80% is reached with a mass loading of 20%. We extend ourapproaches to the encapsulation of iron oxide

Les nanoparticules magnétiques de structure spinelle MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) ont été largement étudiées pour leurs applications variées allant du stockage de l'information aux applications biomédicales. Parmi ces applications, les plus récentes basées sur les propriétés magnétiques dynamiques des nanoparticules sont en pleine expansion et nécessitent des particules magnétiques avec une énergie d'anisotropie contrôlée. L'objectif de cette thèse était de synthétiser des nanoparticules magnétiques avec une énergie d'anisotropie modulable, en associant des matériaux présentant des propriétés magnétiques intrinsèques différentes. Nous avons choisis la synthèse par décomposition thermique à haute température, qui présente l'avantage de former des nanoparticules monodisperses avec une morphologie contrôlée. Afin de développer des propriétés magnétiques originales et moduler l'énergie d'anisotropie des particules, nous avons synthétisé des nanoparticules multicoquilles magnétiques constituées d'un coeur doux (Fe3O4, MnFe2O4, NiFe2O4), d'une coquille dure (CoFe2O4) et d'une deuxième coquille douce pour les particules trimagnétiques. Nous avons montré que le champ coercitif augmente lorsqu'un cœur d'un matériau doux est recouvert avec une coquille d'un matériau dur. Pour les particules MnFe2O4@CoFe2O4@NiFe2O4, l'ajout d'une seconde coquille douce diminue le champ coercitif. La constante d'anisotropie évolue dans le même sens. Deux autres systèmes ont également été synthétisés et comparés à ces multicoquilles. Les ferrites mixtes Co1?xMnxFe2O4, avec x compris entre 0 et 1, et les ferrofluides binaires composés d'un mélange de ferrites MFe2O4 (M = Mn ou Ni) et CoFe2O4
Magnetic nanoparticles with spinel structure MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) have been extensively studied for their various applications ranging from magnetic recording to biomeical applications(...)

Cette thèse a pour thème l'incorporation de nanoparticules d'oxyde de terre rares (Erbium et Praséodyme) dans un polymère commercial, PVC, sous forme filamentaire. Ces fils sont élaborés à l'aide d'un pilote réalisé au laboratoire permettant un filage en solvant voie humide. Les nanoparticules incorporées sont d'abord commerciales (Er203) mais elles montrent des inconvénients, ce qui entraîne l'étude sur la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'Erbium et de Praséodyme. Une fois ces particules obtenues, elles sont dispersées dans une solution de PVC/solvant. Cette solution "chargée" est pressée à travers une filière et plongée dans un bain de coagulation afin de retirer le solvant et ainsi obtenir des filaments (mono ou multi) de PVC contenant des nanoparticules d'oxyde d'Erbium/Praséodyme. Un second thème est également étudié dans cette thèse. Il s'agit de réaliser des fibres d'oxycarbure de bore et de silicium (SiBCO). Cette étude porte sur la synthèse du poly(borosiloxane) via dissolution de l'acide borique dans le dimetyldiethoxysilane (DMDES) et du méthyltriethoxysilane (MTES). Une fois le sol de borosiloxane obtenu, il est semi-hydrolysé jusqu'à obtention d'un gel filable par extrusion à froid. Ces filaments sont enroulés sur des bobines graphite. Les bobines sont laissées à l'étuve à 60°C pour terminer l'hydrolyse avant de les pyrolysées sous argon à haute température pour afin de les transformer en fibres céramiques SiBCO
This thesis focuses on the main theme of the incorporation of nanoparticles of rare earth oxide (Erbium and Praseodymium) in a commercial polymer, PVC, shaped as filaments. These fibers are made using a apparatus developped in the laboratory. The spinning method used is a wet solvent spinning process. Embedded nanoparticles are first commercial particles (Er203) but they show disadvantages, which leads to a study of synthesis of oxide nanoparticles Erbium and Praseodymium in the laboratory. This study bings to a production a laboratory pilot (KiloLab) in order to obtain 3Kg of nanoparticles composed with 60 wt% of Erbium oxide and 40 wt% of Praseodymium xide. Once these particles obtained, it have been dispersed in a solution of PVC/solvent. This "loaded" solution of nanoparticles is presses through a spinneret for the shaping. The filaments are spun in a coagulation bath in order to remove the solvent from the solution and obtain the PVC filaments (mono or multi) containing the nanoparticles of Erbium or Praseodymium oxide.A second theme is also studied in this thesis, the realization of oxicarbide boron and silicon fibers (SiBOC). This study focuses on the synthesis and conditions to obtain a poly(borosiloxane) polymer. This polymer is obtained by the synthesis of the dimetyldiethoxysilane (DMDES), méthyltriethoxysilane (MTES) and the boric acid which bring the hetero atom of boron in the final ceramic. Once the sol of borosiloxane obtained, it is semi-hydrolysed until obtention af a gel that can be spun by extrusion at ambiant temperature. The filament are wrapped around a graphite bobbin. The shaped polymer is then leaved in a stove at 60°C for a week allowing to complete the hydrolysis.Once the hydrolysis complete and the polymer fully hydrolyses, the fibers are pyrolysed under argon at high temperature to transform the fiber into ceramic fibers of SiBOC

Les nanoparticules métalliques (NPs) présentent des propriétés optiques (PO) uniques provenant de l’oscillation collective de leurs électrons. Cet effet se traduit par l'émergence d'une bande plasmon dont les caractéristiques peuvent être modulées par la taille, la forme, la nature des NPs et le milieu hôte. Il existe de nombreuses méthodes pour la préparation de ces NPs, l'une d'entre elles est l'ablation laser en milieu liquide (ALML). Cette technique offre certains avantages comme la simplicité, l’adaptabilité et des NPs dépourvues de contamination. Ses principaux inconvénients sont la productivité et le contrôle de la taille et de la forme des NPs. Ce travail est consacré à l'élaboration de NPs d’Ag par l’ALML et à l'étude théorique de leurs PO. Nous donnons dans ce manuscrit, les résultats de l'optimisation des paramètres d'élaboration conduisant à l'obtention de distributions en NPs reproductibles et contrôlées. Les PO de ces NPs sont mesurées et comparées à des modèles physiques spécifiques basés sur la théorie des milieux effectifs (EMT). L'EMT, telle que le modèle de Maxwell-Garnett, permet de décrire les PO de NPs monodisperses. Cependant, les voies de préparation classiques conduisent inévitablement vers des NPs montrant une distribution de forme et de taille qui induit des changements drastiques sur leurs PO. Le modèle SDEMT est proposée pour le calcul de la fonction diélectrique effective et du coefficient d'absorption de solutions colloïdales de NPs métalliques. Contrairement à Maxwell-Garnett, ce modèle donne une meilleure description des spectres d'absorption et d’ellipsométrie mesurés sur des échantillons contenant des NPs d’Ag et d’Au
Metal nanoparticles (NPs) exhibit unique optical properties (OP) coming from the collective oscillations of their electrons. This effect is translated by the emergence of a band of plasmon, the characteristics which can be modulated by the size, the shape and the nature of the NPs as well as by the environment of the host. There are many methods for the preparation of NPs, and one of them is the pulsed-laser ablation in liquid (PLAL). This technique offers some advantages such as simplicity, versatility and surface NP without contamination (reducing agent residues and/or stabilizers). Its main drawbacks are the lacks of productivity and control of the NP size and shape. This work is devoted to elaboration of Ag NPs by PLAL and theoretical investigation of their OP. We give here the results about the optimization of elaboration parameters leading to obtaining reproducible and controlled distributions of Ag NPs. The OP of these NPs are measured and compared to specific physical models based on the effective medium theory (EMT). Classical EMT such as Maxwell Garnett approximation allows describing the OP of monodisperse NPs. However, conventional preparation routes unavoidably conduct to NPs showing a shape and a size distribution which induces drastic changes in the OP. A SDEMT model which considers the shape dispersion is proposed for the calculation of the effective dielectric function and absorption coefficient of colloidal solution of metal NPs in water. Contrary to the conventional theory, this model gives a better description of the measured absorption and ellispometry spectra of sample containing Ag and Au NPs

The increasing production and usage of engineered nanoparticles has raised concerns about potential ecological and human exposures and the risks these novel materials may pose. Nanoparticles are often manufactured with an organic macromolecular coating, and they will attain further coatings of adsorbed natural organic matter (NOM) in the environment. The overall objective of this thesis is to improve our ability to quantify the effects of adsorbed coatings on nanoparticle fate in the environment. The physicochemical properties of the coating or the adsorbing macromolecule are expected to strongly mediate the surface interactions, and hence the environmental fate, of coated nanoparticles. To this end, this research focuses on assessing a coating characterization method and applying extensive characterization of NOM coatings to enable the development of correlations to predict nanoparticle deposition onto model environmental surfaces and aggregation. The first objective is to assess the applicability of a soft particle electrokinetic modeling approach to characterize adsorbed layer thickness, which contributes to repulsive steric forces that will affect nanoparticle deposition. A statistical analysis determined that high uncertainty in fitted layer thicknesses will limit this approach to thin, low-charged coatings (for which it may be advantageous to typical sizing methods such as dynamic light scattering). Application of this method in experimental studies further confirmed the model limitations in estimating layer thicknesses and the inability of this measurement (and other commonly measured properties) to fully explain nanoparticle deposition behavior. These results demonstrated the need for improved detail and accuracy in coating characterization. The second objective is to correlate the properties of NOM to its effects on gold nanoparticle aggregation, with particular focus on the role of heterogeneity or polydispersity of the NOM molecular weight. Multiple types of NOM collected from representative water bodies and soils were used, both in whole and separated into molecular weight (MW) fractions, and characterized for chemical composition and MW distribution. While average MW of the NOM provided good correlation with aggregation rate, the highest MW components were found to contribute disproportionately in stabilizing nanoparticles against aggregation, highlighting the importance of measuring and accounting for high MW components to explain nanoparticle aggregation. However, an outlier from the MW trend was identified, emphasizing the need for additional characterization (e.g. of reduced sulfur content or the conformation of the adsorbed NOM) to fully explain the effects of NOM on nanoparticle aggregation. Altogether, this research provides novel knowledge that will guide future application of characterization methods to predict attachment processes for coated nanoparticles in the environment.

Les nanoparticules sont de plus en plus présentes dans notre quotidien et leur présence dans les organismes vivants est aujourd’hui avérée. Aussi, dans un milieu biologique, des protéines recouvrent spontanément la surface des nanoparticules pour former une couronne de protéines. Suivant la composition de cette couronne, une nanoparticule acquiert une "identité biologique" spécifique qui peut conditionner sa biodistribution ainsi que son éventuelle toxicité.De nombreuses zones d’ombre persistent quant à la connaissance des mécanismes d’adsorption des protéines sur les nanoparticules. Deux caractéristiques physico-chimiques, peu abordées jusqu’à maintenant, ont été étudiées ici : la taille des protéines et la présence de modification post-traductionnelles. Aussi, du fait de leur forte utilisation, nous nous sommes concentrés sur les nanoparticules de silice (SiNPs).L’adsorption d’hémoprotéines, de nature similaire mais de tailles différentes, sur des SiNPs, elles-mêmes de tailles différentes, a été étudiée. Les isothermes d’adsorption et les titrations calorimétriques ont notamment montré qu’il existe une relation entre la taille des protéines et leur affinité pour une surface de silice. Des différences plus fines ont aussi pu être observées selon la taille des nanoparticules. Une analyse structurale des protéines adsorbées a également été effectuée par dichroïsme circulaire et diffusion de neutrons aux petits angles. Les hémoprotéines apparaissent comme des protéines très structurées qui sont peu affectées par l’adsorption. Cependant, bien que la structure quaternaire soit conservée, des modifications structurales sont observables.Des études faites en présence de mélanges de protéines (extraits de protéines de levure) ainsi que de peptides de synthèse ont également montré le rôle important de la diméthylation asymétrique de l’arginine sur l’interaction protéines/SiNPs. L’utilisation d’un panel de techniques expérimentales et de simulations a permis de comprendre le mécanisme responsable de la forte affinité de peptides contenant cette méthylation particulière. De façon plus générale, nos travaux suggèrent que les modifications post-traductionnelles peuvent influencer notablement les interactions de biomolécules avec des surfaces minérales
Nanoparticles are ubiquitous in our environment and their presence inside our bodies is now established. Besides, in a biological medium, nanoparticles are spontaneously covered by proteins that form the so-called protein corona. Depending on the corona composition, a nanoparticle will possess a specific "biological identity" conditioning its biodistribution as well as its potential toxicity.Despite being highly studied, many aspects of the protein adsorption mechanisms remain unknown. Here we particularly focused on the influence of two physicochemical characteristics, which had rarely been addressed: protein size and post-translational modifications. Also, because of their intensive use, we worked on silica nanoparticles (SiNPs).We studied the adsorption of hemoproteins on SiNPs, both of them having different sizes. Adsorption isotherms and calorimetry studies showed a relationship between the protein size and its affinity towards silica surfaces. Finer differences could also be observed by varying the SiNPs size. Additionally, structural analyses of adsorbed proteins were performed using circular dichroism and small-angle neutron scattering. The adsorption of hemoproteins, which are well-structured proteins, seems to have little effects on their structure. However, even though the quaternary structure is maintained, structural modifications can be seen.Using yeast protein extracts and synthetic peptides, the major role of arginine asymmetric dimethylation on proteins/SiNPs interaction could be established. The use of experimental and simulation techniques allowed us to understand the mechanism responsible for the high affinity of peptides having this peculiar methylation. As a whole, this work suggests that post-translational modifications can influence considerably the interactions between biomolecules and mineral surfaces

Le projet de cette thèse s’inscrit dans la démarche de développement de méthodes alternatives aux cultures cellulaires conventionnelles dites bi-dimensionnelles (2D), limitées en termes de représentativité du comportement cellulaire natif, et aux modèles animaux qui se heurtent à des questions socio-scientifiques poussant à réduire leurs recours. Les présents travaux portent sur une série d’études impliquant l’application d’une nouvelle matrice à base d’hydrogels supramoléculaires pour la culture cellulaire dite tri-dimensionnelle (3D).Le consortium de chercheurs impliqués dans ce projet s’intéresse aux gélifiants supramoléculaires basés sur la chimie des acides nucléiques. Dans un premier temps, certaines molécules candidates ont donc été étudiées sur le plan fondamental afin d’approfondir notre compréhension des mécanismes thermodynamiques et cinétiques sous-jacents du processus de gélification supramoléculaire.Les matrices candidates ont ensuite été caractérisées dans l’objectif d’aboutir à un support biocompatible aux propriétés physico-chimiques optimales, répondant notamment aux spécificités de la culture 3D des cellules du glioblastome. En parallèle de cette étude, le modèle cellulaire a été affiné dans le but d’améliorer la reproductibilité des résultats par le développement d’une méthode de tri cellulaire, permettant de sélectionner une sous-population homogène de cellules souches parmi la population totale de cellules cancéreuses étudiée.Une fois validée, cette nouvelle méthode de culture cellulaire 3D a été mise à contribution pour l’étude des effets de nanoparticules manufacturées d’argent. Dans cette optique, il est nécessaire de pouvoir relier les caractéristiques des nanoparticules à leur impact sur le sphéroïde tumoral. La stratégie pour appréhender cette question se divise en plusieurs étapes : 1) la détermination de l’état des nanoparticules dans le milieu de culture ; 2) l’étude de la diffusion des nanoparticules au sein de la matrice de culture ; 3) la mise en place des méthodes de suivi de l’évolution du système biologique en présence des nanoparticules.Ces travaux pluridisciplinaires dans les domaines de la chimie supramoléculaire, de la culture cellulaire et de la chimie analytique ont été réalisés au sein d’un consortium de partenaires des universités de Bordeaux, Limoges et Pau. Ils ouvrent la voie à des études ultérieures plus poussées sur l’effet de ces nanoparticules par le biais d’un nouveau bio-indicateur
The project of this thesis involves the development of alternative methods to conventional cell cultures called two-dimensional (2D), which are limited in terms of representativeness of the native cell behavior, and to animal models which are facing socio-scientific issues leading to reduce their use. The present work focuses on a series of studies implying the application of a new matrix based on supramolecular hydrogels for three-dimensional (3D) cell cultures. The consortium of researchers involved in this project is interested in supramolecular gelling agents based on nucleic acid chemistry. In a first step, some potential molecules have been studied at the fundamental level in order to deepen our understanding of the thermodynamic and kinetic mechanisms underlying the supramolecular gelation process.The candidate matrices were then characterized in order to obtain a biocompatible support with optimal physico-chemical properties, particularly in response to the specificities of the 3D culture of glioblastoma cells. In parallel to this study, the cell model was refined in order to improve the reproducibility of the results by developing a cell sorting method, allowing the selection of a homogeneous subpopulation of stem cells among the total population of cancer cells studied.Once validated, this new 3D cell culture method was used to study the effects of manufactured silver nanoparticles. In this perspective, it is necessary to be able to link the characteristics of the nanoparticles to their impact on the tumor spheroid. The strategy to address this issue is divided into several steps: 1) determination of the state of the nanoparticles in the culture medium; 2) study of the diffusion of the nanoparticles within the culture matrix; 3) implementation of methods to monitor the evolution of the biological system in the presence of nanoparticles.This multidisciplinary work in the fields of supramolecular chemistry, cell culture and analytical chemistry was carried out within a consortium of partners from the universities of Bordeaux, Limoges and Pau. They open the way to further studies on the effect of these nanoparticles through a new bio-indicator

From catalytic studies in surface science, it has been shown that the catalytic activity is dependent on the type of metal facet used. Nanocrystals of different shapes have different facets. This raises the possibility that the use of metal nanoparticles of different shapes could catalyze different reactions with different efficiencies. The catalytic activity is found to correlate with the fraction of surface atoms located on the corners and edges of the tetrahedral, cubic, and spherical platinum nanoparticles. It is observed that for nanoparticles of comparable size, the tetrahedral nanoparticles have the highest fraction of surface atoms located on the corners and edges and also have the lowest activation energy, making them the most catalytically active. Nanoparticles have a high surface-to-volume ratio, which makes them attractive to use compared to bulk catalytic materials. However, their surface atoms are also very active due to their high surface energy. As a result, it is possible that the surface atoms are so active that their size and shape could change during the course of their catalytic function. It is found that dissolution of corner and edge atoms occurs for both the tetrahedral and cubic platinum nanoparticles during the full course of the mild electron transfer reaction and that there is a corresponding change in the activation energy in which both kinds of nanoparticles strive to behave like spherical nanoparticles. When spherical palladium nanoparticles are used as catalysts for the Suzuki reaction, it is found that the nanoparticles grow larger after the first cycle of the reaction due to the Ostwald ripening process since it is a relatively harsh reaction due to the need to reflux the reaction mixture for 12 hours at 100 oC. When the tetrahedral Pt nanoparticles are used to catalyze this reaction, the tetrahedral nanoparticles transform to spherical ones, which grow larger during the second cycle. In addition, studies on the effect of the individual reactant have also provided clues to the surface catalytic process that is taking place. In the case of the electron transfer reaction, the surface catalytic process involves the thiosulfate ions binding to the nanoparticle surface and reacting with the hexacyanoferrate (III) ions in solution. In the case of the Suzuki reaction, the surface catalytic mechanism of the Suzuki reaction involves the phenylboronic acid binding to the nanoparticle surface and reacting with iodobenzene via collisional processes.

Des nanoparticules d’or fonctionnelles ont été synthétisées avec pour objectifs l’élaboration de nanomatériaux pour applications biomédicales et propriétés physiques originales. L’étude de la fonctionnalisation a conduit à utiliser le chimie “click” entre des nanoparticules d’or portant des ligands thiolates azoturés et des alcynes terminaux en utilisant un catalyseur au cuivre (I) renforcé par un ligand polyazoté, ce qui a permis d’introduire des fonctions très variées. En particulier le récepteur folate a été greffé de cette façon pour la synthèse de nouveaux vecteurs du docétaxel, un puissant agent anti-cancéreux dont l’étude est menée en collaboration. Des nanoparticules d’or fonctionnelles ont aussi servi de support pour le greffage de complexes du fer (II) à transition de spin, ce qui a permis de réaliser l’étude en 2D par différentes techniques physiques en collaboration. Enfin un nouveau ligand azoté a été mis au point pour la synthèse de nanoparticules d’or originales
The thesis concerns functionalizations and applications of gold nanoparticles (AuNPs). In the aspects of functionalization of AuNPs, we concentrated on efficiently functionalized AuNPs by “Click” chemistry. In the aspects of applications, the PEG capped AuNPs was prepared to encapsulate vitamins, which has a potential use in hydrophobic part of human body; the folate functionalized AuNPs was used for docetaxel delivery for cancer therapy; the novel synthesis of triazole stabilized AuNPs used for biosensors; and the citrate capped AuNPs introduced into the silica thin films to check the SERS effect and spin crossover of iron complexes

De plus en plus d’études soulignent l’importance de la localisation intracellulaire des voies de signalisation. Nous avons développé des méthodes permettant de perturber cette localisation à l’aide de nanoparticules magnétiques. Ces dernières sont fonctionnalisées avec les protéines d’intérêts et deviennent ainsi un vecteur permettant de contrôler la localisation de la signalisation. Nous avons tout d’abord appliqué cette méthode dans un système modèle, des gouttes d’extrait cellulaire de Xénope, dans lesquelles nous avons créé artificiellement un gradient de protéines de signalisation à l’aide de nanoparticules magnétiques. Nous avons mis en évidence l’influence d’une asymétrie biochimique sur la localisation d’asters de microtubules. Dans un deuxième temps nous avons examiné la possibilité d’appliquer cette méthode dans des cellules HeLa adhérentes, pour perturber la localisation d’endosomes de signalisation rendus magnétiques. Nous avons cherché à optimiser les conditions expérimentales nécessaires pour contrôler la position d’endosomes de signalisation magnétiques Enfin, un troisième projet dont les résultats préliminaires sont présentés dans cette thèse, a consisté à utiliser un actuateur, non plus magnétique, mais biologique pour confiner une cascade de signalisation. Plus précisément la contraction d’un réseau d’actine confiné dans des gouttes d’extrait cellulaire est utilisée pour localiser des protéines de signalisation. Ces résultats démontrent l’intérêt de nanoparticules magnétiques pour induire et étudier des phénomènes de brisures de symétries dans des environnements biologiques
An increasing number of studies highlight the importance of signaling localization. We developed methods to perturb this localization using magnetic nanoparticles. Proteins of interest are grafted on magnetic nanoparticles, allowing to magnetically localize them. We first propose a new method to engineer directly a spatial gradient of signaling protein concentration within in cell extract droplets using super-paramagnetic nanoparticles. We observed a link between a spatial asymmetry in biochemical cues and microtubules aster positional information. Our assay provides a bottom-up approach to examine the minimum ingredients generating polarization and symmetry breaking within cells. We then examined the possibility to magnetically perturb endosomes position in HeLa cell. We found the experimental conditions to achieve this goal. Finally, we used directly cytoskeleton elements as actin filament to trigger asymmetrically confined signaling proteins and trigger microtubule assembly, in cell extract droplets. More generally, these results show how symmetry breaking within cells can be induced and studied using magnetic nanoparticles and biophysical tools

L’intérêt grandissant envers les nanomatériaux a base des métaux de transition 3d comme le cobalt, le nickel et le fer trouve son origine dans les propriétés intrinsèques de ces éléments (forte aimantation du fer et constante magnétocristalline élevée du cobalt) combinées aux propriétés particulières offertes par la taille nanométrique et l’anisotropie de ces alliages. Parmi les nombreuses voies de synthèse dites de chimie douce, le procède polyol permet l’élaboration de plusieurs classes de matériaux inorganiques a l’état finement divises (oxydes, hydroxydes et métaux) grâce aux réactions de réduction et d’hydrolyse qui peuvent être conduites et contrôlées dans les milieux polyols. Le premier axe de ce travail a consisté à tirer profit de l’état finement divise des oxydes et hydroxydes élabores en milieu polyol pour l’obtention de métaux et alliages correspondants, au moyen d’une réduction ménagée a l’état solide sous flux d’hydrogène. Il a alors été possible d’aboutir a des particules de CoFe2, CoFe, NiFe, Ni3Fe et Fe ferromagnétiques avec une température de blocage supérieure a 300 K. Le deuxième axe de travail a trait a l’élaboration d’objets anisotropes. Pour ce faire, une nouvelle approche est proposée : la synthèse en milieu polyol assistée par l’application d’un champ magnétique. Ce type de synthèse mené a des nanofils d’akaganeite β-FeOOH et a des nanoparticules d’oxydes spinelles. Une réduction relativement douce (300 °C) des nanofils d’akaganeite permet de l’obtention de phases spinelles de même morphologie et avec des propriétés magnétiques en accord avec la composition chimique et le caractère nanométrique des particules (comportement superparamagnétique avec une température de blocage proche de 300 K, Ms élevée et Hc dépendant de la nature de l’élément M se trouvant dans le spinelle MFe2O4 : élevé dans le cas du cobalt et faible dans le cas du fer et du nickel)
The growing interest in nanomaterials based on 3d transition metals such as cobalt, iron and nickel finds its origin in the intrinsic properties of these elements (high magnetization of iron and high magnetocristalline constant of cobalt) combined with particular property due to nanometric size and anisotropy of these alloys. Among the numerous synthetic routes, the polyol method which belongs to the chimie douce routes allows the elaboration of several finely divided inorganic materials (oxides, hydroxides, metals) by means of reduction or forced hydrolysis reactions conducted in polyol medium. The main first contribution of this work was to take advantage of these finely divided oxides and hydroxides elaborated in polyol medium to obtain metals and alloys, through a controlled reduction in solid form under hydrogen flow. Ferromagnetic particles of CoFe2, CoFe, NiFe, Ni3Fe and Fe with a blocking temperature above 300 K were obtained. The second main contribution of this work relates elaboration of anisotropic objects. Further, a new approach is proposed: forced hydrolysis in polyol medium assisted by applying a magnetic field. This type of synthesis leads to akaganeite β7&eOOH nanowires and spinel oxides nanoparticles. A relative mild reduction (300 °C) of akaganeite nanowires allows to obtain spinels phase with same morphology and magnetic properties in agreement with the chemical composition and the particles nanoscale (superparamagnetic behavior with blocking temperaturenear 300 K, high Ms and Hc dependent on the nature of the M element in the spinel MFe2O4, high in the case of cobalt and low for nickel and iron)

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est largement utilisée dans le milieu médical pour l'imagerie des tissus mous. Afin d'obtenir des images de meilleures qualité, les hôpitaux s'équipent d'IRM avec des champs de plus en plus intenses. Les agents de contraste à base de nanoparticules de fer sont très prometteurs pour l'imagerie à haut champ. En effet, au contraire des agents de contraste à base de gadolinium, ils ne perdent pas leur efficacité à haut champ. Plusieurs paramètres sont à prendre en compte afin d'obtenir des agents de contrastes plus efficaces en IRM : tout d'abord, les propriétés magnétiques des nanoparticules d'oxydes de fer. Celles-ci doivent avoir des aimantations importantes. Ensuite, les nanoparticules agrégées sont plus efficaces que les nanoparticules individuelles. Pour finir, la présence d'une couche plus ou moins imperméable à l'eau ainsi que son épaisseur vont influencer l'efficacité de l'agent de contraste. Ce mémoire de thèse présente la conception de nouveaux agents de contraste à base de nanoparticules d'oxyde de fer, depuis l'optimisation de la synthèse afin d'obtenir les nanoparticules ayant les propriétés magnétiques les plus intéressantes pour l'IRM, jusqu'à l'assemblage de ces nanoparticules afin d'améliorer leur efficacité en IRM. La première partie de ce travail est donc consacrée à la synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer. Une approche organométallique a été choisit car elle permet d'obtenir des nanoparticules de taille contrôlée. Nous montrons dans cette partie que les conditions de synthèse ont une grande influence sur la structure cristalline des nanoparticules synthétisées ainsi que sur leurs propriétés magnétiques. La deuxième partie de ce travail est consacrée à la réalisation d'agrégats de nanoparticules de taille contrôlée. L'agrégation des nanoparticules est réalisée par effet solvophobe en ajoutant de l'eau sur une solution de nanoparticules hydrophobes dans le THF. Nous montrons dans cette partie que la cinétique d'agrégation dépend de la quantité d'eau ajoutée. Les agrégats sont ensuite stabilisés par l'ajout d'un polymère et nous montrons que la morphologie et la taille des agrégats après leur transfert dans l'eau dépendent de la masse molaire et de la nature du polymère utilisé. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'évaluation de l'efficacité des agrégats de nanoparticules en tant qu'agent de contraste. Les agrégats testés se sont révélés prometteurs, et des efficacités supérieures à celles d'agents de contraste commerciaux ont été obtenues
The magnetic resonance imaging (MRI) is widely used in the medical field for soft tissue imaging. In order to obtain images of better quality, hospitals equip themselves with MRI of higher fields. Iron-based nanoparticle contrast agents are very promising for imaging at high field. Indeed, unlike the gadolinium contrast agents, they do not lose their effeciency at high field. Several parameters must be taken into account to achieve more effective contrast agents in MRI: first, the magnetic properties of iron oxide nanoparticles. They must have significant magnetization. Then, aggregated nanoparticles are more effective than individual nanoparticles. Finally, the presence of a more or less hydrophylic layer and its thickness will influence the effeciencys of the contrast agent.This thesis presents the design of new contrast agents based on iron oxide nanoparticles assembly, since the optimization of the synthesis to obtain nanoparticles with the most interesting magnetic properties for MRI up assembly of nanoparticles to improve their effectiveness in MRI.The first part of this work is devoted to the synthesis of iron oxide nanoparticles. An organometallic approach was chosen because it allows to obtain nanoparticles of controlled size. We show in this part of the synthesis conditions have a great influence on the crystal structure of the synthesized nanoparticles and their magnetic properties.The second part of this work is dedicated to the production of controlled size aggregates of nanoparticles. The aggregation of nanoparticles is performed by solvophobic effect by adding water to a solution of hydrophobic nanoparticles in THF. We show in this section that the kinetics of aggregation depends on the amount of water added. The aggregates are then stabilized by the addition of a polymer and show that the morphology and size of the aggregates after transfer into the water depend on the molecular weight and nature of the polymer used.The third part of this work is devoted to the evaluation of the efficiency of nanoparticle aggregates as a contrast agent. The aggregates tested have shown promise, and efficiencies higher than commercial contrast agents were obtained

Dans le cadre de cette thèse intitulée “Synthèse et caractérisation de nanoparticules à base de silicium pour des applications de diagnostique”, nous avons conçu des nanosondes basées sur des systèmes de petites nanoparticules à base de silicium (<5 nm) (NPs) portant différentes molécules fonctionnelles sur leur surface. Les NPs de Si ont été synthétisées, caractérisées et fonctionnalisées pour une utilisation dans les applications d'imagerie in vivo et d'électrochimiluminescence (ECL). Pour l’imagerie, une sonde active de tomographie par émission de positrons (TEP) et un colorant émissif ont été utilisés pour montrer les capacités d’imagerie et l’élimination rapide des NP de Si des corps des souris. La fixation d'un sucre sur les NPs de Si a été utilisée pour étudier le passage à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE). Enfin, la fixation de complexes de ruthénium et d'iridium a montré que les NP de Si possédaient une bonne efficacité en tant que sondes dans les applications ECL
Within the work of this thesis, entitled “Synthesis and characterisation of silicon based nanoparticles for diagnostic applications”, we have designed nanobrobes based on systems of small (< 5 nm) silicon-based nanoparticles (Si NPs) bearing different functional molecules on the surface. Si NPs were synthesised, thoroughlycharacterised and functionalised for use in in vivo imaging and electrochemiluminescence (ECL) applications. For imaging, a positron emission tomography (PET) active probe and an emissive dye have been used to show the effective imaging capabilities and fast clearance of the Si NPs from the bodies of mice.Attachment of a sugar to the Si NPs has been used to study passage through the blood-brain-barrier (BBB). Finally, attachment of ruthenium and iridium complexes has shown that the Si NPs possess some good efficiency as probes in ECL applications

Après administration intraveineuse, un nanovecteur va interagir avec de nombreuses molécules endogènes, notamment celles présentes dans la circulation sanguine. En fonction de la composition chimique du nanovecteur, ces molécules vont conférer à celui-ci une signature spécifique qui va orienter sa biodistribution et sa reconnaissance par certaines cellules de l’organisme. Plusieurs études sur l'identification des protéines adsorbées à la surface des nanovecteurs ont été menées alors que moins d'attention a été consacrée à l'interaction avec les lipoprotéines (LPs). Or, un nombre élevé de récepteurs aux LPs a été observé dans les cellules à croissance rapide et des études ont démontré que certaines cellules cancéreuses surexpriment ces récepteurs. De ce fait, l’utilisation des LPs comme vecteurs de médicaments anticancéreux a été proposée afin de favoriser le ciblage des cellules tumorales. Ce projet de thèse repose sur l’utilisation d’un bioconjugué (SQGem) issu du couplage chimique de la gemcitabine (Gem), une molécule anticancéreuse, au squalène (SQ) (un lipide naturel et précurseur de la biosynthèse du cholestérol), dont l’auto-organisation sous forme de nanoparticules à préalablement été décrite au laboratoire. Nous avons pu mettre en évidence la capture et le transport spontané de la SQGem par les LPs plasmatiques. Les résultats in vitro et in vivo que nous avons obtenus démontrent parfaitement que l’association préférentielle de la SQGem aux LPs corrèle fortement avec la quantité de cholestérol présente dans ces derniers. De plus, les simulations in silico effectuées ont révélé l’incorporation de SQGem dans le noyau hydrophobe des LPs. Par la suite, cette interaction spontanée a été mise à contribution pour effectuer le ciblage indirect des cellules cancéreuses ayant une expression élevée de récepteurs aux LPs, ce qui a été confirmé in vitro sur cellules ainsi qu’in vivo sur un modèle de tumeur expérimentale chez la souris. L’ensemble de ces résultats suggère l’originalité de notre approche, basée sur le ciblage des tumeurs de manière indirecte via les LPs qui constituent ainsi des « vecteurs » endogènes de SQGem. La « squalénisation » évite ainsi la préparation fastidieuse de vecteurs à base de LPs reconstitués et représente, par l’utilisation des LPs endogènes, une stratégie innovante et potentiellement révolutionnaire dans le traitement expérimental du cancer
The in vivo fate of intravenously injected nanoparticles is strongly affected by their interactions with the blood components. Several studies have focused on the identification of proteins adsorbed at the surface of nanoparticles whereas less attention has been devoted to the interaction with lipoproteins (LPs). Interestingly, LPs have been previously described as excellent carriers for delivery of anticancer drugs due to their particularly high receptor-mediated uptake on several cancer cell lines. In this PhD project, we focused on a bioconjugate obtained by covalent linkage of the anticancer drug gemcitabine (Gem) to squalene (SQ) (a natural lipid and precursor of the cholesterol’s biosynthesis) whose ability to spontaneously self-assemble in the form of nanoparticles has been previously described in our laboratory. We have demonstrated that this conjugation enables the spontaneous capture and transport of the SQGem by circulating lipoproteins. In vitro and in vivo experiments revealed a preeminent affinity of SQGem towards cholesterol-rich LP particles and in silico simulations further displayed their incorporation into the hydrophobic core of LPs. Such spontaneous interaction allowed for indirect targeting of cancer cells with high expression of LP receptors, which was confirmed both in vitro and in vivo in an experimental tumor model in mice. To the best of our knowledge, the use of squalene to induce drug insertion into LPs for indirect cancer cell targeting is a novel concept in drug delivery. It represents a flexible, highly versatile platform that would enable efficient drug delivery by simply exploiting endogenous lipoproteins without the need for complex nanoparticles surface functionalization or artificial lipoproteins production

Ce projet vise à proposer des nouveaux candidats médicaments pour lutter contre les infections parasitaires cutanéo-muqueuses qui représentent un problème de santé majeur. C’est notamment le cas de la Trichomonose urogénitale et la leishmaniose cutanée.Malheureusement, l’administration systémique de première intention par le métronidazole (MTZ) pour traiter la trichomonose urogéntitale occasionne des problèmes de résistances et des effets secondaires indésirables. Ainsi, nous avons développé de nouvelles stratégies thérapeutiques en ciblant à la fois les mécanismes pharmacologiques et physiques de l’infection par Trichomonas vaginalis. Après avoir réussi à augmenter la solubilité apparente du MTZ dans l’eau en utilisant une beta-cyclodextrine méthylée, nous l’avons formulé dans un hydrogel thermosensible et mucoadhésif composé de pluronic® F127 et d’un biopolymère cationique et mucoadhésif, le chitosane. Cette formulation est spécifiquement adaptée à une application topique tout en offrant un contrôle de la libération du MTZ et une réduction de son passage systémique à travers la muqueuse vaginale. La viscosité élevée de l’hydrogel à température corporelle nous a conduit à étudier son effet sur la mobilité du protozoaire Trichomonas vaginalis. Il s’agit d’une stratégie physique d’immobilisation du parasite en parallèle à la chimiothérapie par le MTZ. Le suivi des trajectoires des parasites par vidéo-microscopie a montré la capacité de l’hydrogel seul ou en association avec le chitosane à immobiliser complètement T. vaginalis et à inhiber son attachement à la muqueuse. Ces évaluations ont été réalisées chez la souris. Cependant, le chitosane seul n’a pas permis d’immobilier les parasites et n’a pas montré une activité anti-T. vaginalis propre. Dans ce contexte, nous nous sommes inspirés des travaux antérieurs menés par notre équipe sur le développement de formulations à base de chitosane, et plus particulièrement des nanoparticules (NPs) composées de poly(isobutylcyanoacrylates) recouvertes de chitosane. Ces NPs ont une activité trichomonacide propre, même sans rajouter des substances actives, alors que des NPs sans chitosane étaient inactives. Nous avons étudié le mécanisme d’action et nous avons montré une meilleure internalisation des NPs lorsqu’elles étaient recouvertes de chitosane. Ces NPs ont provoqué des altérations morphologiques drastiques de la membrane du parasite. Cette activité pourrait être due en partie à l’interaction électrostatique entre la surface de T. vaginalis chargée négativement et les NPs recouvertes de chitosane cationique.Dans le but d’élargir le champ des applications de ces NPs à d’autres parasites, nous nous sommes intéressés à l’évaluation de leur effet anti-leishmanien vis-à-vis de Leishmania major. En effet, le chitosane connu pour ces propriétés cicatrisantes nous a paru particulièrement adapté pour cette pathologie. Nous avons ainsi montré in vitro et in vivo que les NPs recouvertes de chitosane avaient une activité anti-L. major propre, sans ajouter de substances actives. Dans un deuxième temps, nous avons décidé de nous orienter vers des particules de formes allongées et d’évaluer leur activité anti-leishmanienne. Ces particules appelées « plaquettes » sont constituées d’assemblages de chitosane hydrophobisé avec l’acide oléique et l’alpha-cyclodextrine dans l’eau. Cette stratégie nous a paru intéressante pour améliorer l’interaction des plaquettes avec la membrane de L. major, vue que ces parasites sont également de morphologie non-sphérique. Les résultats histologiques et immunohistochimiques des lésions cutanées ont montré une diminution significative du granulome inflammatoire et une réduction de la charge parasitaire par rapport à l'amphotéricine B seule utilisée comme référence.En conclusion, au cours de cette thèse, plusieurs formulations ont été développées et ont montré des efficacités biologiques en agissant sur des mécanismes pharmacologiques et/ou physiques des parasites
This project aims at developing new therapeutic strategies against parasitic muco-cutaneous infections such as urogenital trichomonosis and cutaneous leishmaniasis which still represents a major health problem worldwide.Unfortunately, metronidazole (MTZ) is a first-line systemic treatment for urogenital trichomoniasis that causes resistance and side effects. We have thus developed new strategies by acting on both the pharmacological and the physical mechanisms of Trichomonas vaginalis infection. After a successfull increase of the apparent solubility of MTZ in water using a methylated -cyclodextrin, we formulated it in a thermosensitive and mucoadhesive hydrogel composed of pluronic® F127 and a cationic and mucoadhesive biopolymer, chitosan. This formulation is specifically adapted for topical application providing a control of MTZ release and reduction of its systemic passage through the vaginal mucosa.Then, the ability of the high viscosity hydrogel to immobilize T. vaginalis was investigated by video-microscopy. Monitoring the trajectories of each parasite by multiple particle tracking showed the ability of the hydrogel alone or in combination with chitosan to completely immobilize T. vaginalis and to inhibit parasite attachment to the mucosa. These evaluations were performed on mice experimental model. However, chitosan alone did not allow parasite immobilization and did not show any anti-T. vaginalis activity. In this context, we were inspired by previous works conducted by our team on the development of formulations based on chitosan, and more particularly nanoparticles (NPs) composed of poly(isobutylcyanoacrylates) coated with chitosan. These NPs have their own trichomonacidal activity, even without adding active substances, while NPs without chitosan were inactive. Investigated of the mechanism of the activity showed better internalization of NPs when coated with chitosan. These NPs caused drastic morphological alterations on the parasite membrane. This activity could be due to the electrostatic interaction between negatively charged T. vaginalis surface and cationic chitosan coated NPs.In order to broaden the applications of these NPs to other parasites, we were interested in evaluating the anti-L. major activity of NPs coated or not with chitosan. Indeed, chitosan known for its healing properties could be particularly adapted for this pathology. We thus showed in vitro and in vivo that NPs coated with chitosan had intrinsic anti-L. major activity without adding any drug. In a second step, we decided to design chitosan elongated particles and to evaluate their anti-leishmanial activity. These particles called "platelets" are composed of chitosan hydrophobically-modified with oleic acid and cyclodextrin in water. This strategy could be interesting to improve the interaction of platelets with the L. major membrane, as these parasites had also non-spherical morphology. The histological and immunohistochemical results of skin lesions showed a significant decrease in inflammatory granuloma and a reduction in parasitic load compared with amphotericin B alone, used as a reference.In conclusion, during this thesis, several formulations were developed and showed biological activities by acting on pharmacological and/or physical mechanisms of the parasites