Rozprawy doktorskie na temat „Nanoparticles”

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 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.

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.

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.

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.

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 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

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.

During the past two decades, increasing research attention has been devoted to nanomaterials (materials in the range of 10-100 nm) because of their unique optoelectronic properties. In particular, inorganic nanomaterials, such as quantum dots, metal-based nanoparticles and silica nanoparticles, have been investigated extensively. Instead, nanomaterials based on organic molecules are been subject of research only since very recent years. This thesis presents an extensive study of novel fluorescent organic nanoparticles and fluorescent organic binary and ternary nanoassemblies. In particular the attention is focused on the preparation and characterization of organic nanoparticles and new nanocomposites obtained from different types of small organic chromophores, their stabilization and the use of these materials for biological and optoelectronics applications.

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 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

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

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.
10000-01-01

L'hydrosilylation des alcènes est une méthode cruciale de formation de liaisons carbone-silicium. Elle est utilisée industriellement pour la production de fluides silicones fonctionnels et d'élastomères silicones. Les procédés actuels d'hydrosilylation des alcènes utilisent des complexes de platine comme catalyseurs. Bien que ces complexes soient extrêmement efficients, ils ne sont d'habitude pas récupérés en fin de réaction, ce qui rend leur utilisation coûteuse et peu durable, étant donnée la rareté du platine. Dans ce projet, nous avons synthétisé et testé plusieurs types de nanoparticules métalliques comme catalyseurs pour l'hydrosilylation des alcènes, dans un effort vers des catalyseurs durables. D'abord, nous avons synthétisé des nanoparticules de platine de 2 nm de diamètre et les avons comparées avec le complexe de Karstedt, le catalyseur de référence en hydrosilylation des alcènes. Nous avons montré que les nanoparticules de platine étaient aussi efficientes que le complexe de Karstedt dans des conditions proches des conditions industrielles, malgré leur dispersion métallique plus faible. Ces observations ont réactivé le débat sur la nature réellement homogène ou colloïdale du complexe de Karstedt pendant la catalyse. Ensuite, un catalyseur hétérogène à base de platine, résistant à la lixiviation, a été développé, basé sur l'encapsulation de nanoparticules de platine dans la matrice d'une silice mésostructurée, la SBA-15. Enfin, d'autres catalyseurs alternatifs ont été développés, basés sur d'autres métaux
Alkene hydrosilylation is a crucial method of forming carbon-silicon bonds. It is used industrially for the production of functional silicone fluids and silicone elastomers. The current industrial alkene hydrosilylation processes use platinum complexes as catalysts. Although these complexes are extremely efficient, they are usually not recovered at the end of the synthesis, making their use expensive and unsustainable, given the scarcity of platinum. In this work, we have synthesized and evaluated several kinds of metal nanoparticles as catalysts for alkene hydrosilylation, in a quest towards sustainable catalyts. First, we have synthesized platinum nanoparticles of 2 nm diameter and compared them with Karstedt's complex, the benchmark catatalyst in alkene hydrosilylation. It was shown that platinum nanoparticles were as efficient as Karstedt's complex in industrially relevant hydrosilylation conditions, despite their lower metal dispersion. These findings reactivated the debate on whether's Karstedt's complex was truly homogeneous or colloidal during catalysis. Then, a leaching-resistant heterogeneous platinum catalyst was developed, based on the embedding of platinum nanoparticles in the matrix of a mesostructured silica, SBA-15. Finally, other alternative catalytic systems were developed, based on other metals

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

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Reconocimiento de neurotransmisores basado en nanopartículas de oro y de sílice mesoporosa para aplicaciones de detección y liberación controlada" es una tesis realizada por compendio de artículos la cual se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos para la detección colorimétrica de neurotransmisores y sistemas de liberación controlada que responden a neurotransmisores basados en nanopartículas de oro y nanopartículas de sílice mesoporosa, equipadas con ligandos orgánicos, efectores enzimáticos, puertas moleculares y especies cromofluorogénicas o medicamentos. En el primer capítulo se introduce una visión general de lo que son los neurotransmisores, sus principales características y el importante papel que éstos desempeñan en el funcionamiento de nuestro organismo. Además, se presenta una descripción general de las propiedades y potenciales aplicaciones de las nanopartículas de oro funcionalizadas con ligandos orgánicos como sistemas de detección y las nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con puertas moleculares como sistemas de liberación controlada. A continuación, en el segundo capítulo se presentan los objetivos generales que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo, se presentan tres sistemas de detección colorimétrica de neurotransmisores basados en la agregación de nanopartículas de oro doblemente funcionalizadas con ligandos orgánicos. El primer sistema es un sensor capaz de detectar de forma selectiva el neurotransmisor serotonina, utilizando nanopartículas de oro funcionalizadas con ditio-bis(propionato de succinimidilo) y N-Acetil-L-Cisteína. El segundo sistema consiste en un sensor para la detección selectiva del neurotransmisor norepinefrina diseñado a partir de nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y ácido 4-mercato fenilborónico. El tercer sistema está compuesto por nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y N-Acetil-L-Cisteína, para la detección de normetanefrina, un importante biomarcador del tumor feocromocitoma. Todos estos sistemas se evalúan en medios competitivos como suero sanguíneo u orina. En el cuarto capítulo se muestran dos sistemas de liberación controlados enzimáticamente basados en la apertura de puertas moleculares. El primer sistema de liberación controlada responde a la presencia del neurotransmisor acetilcolina. En concreto, se utilizan nanopartículas de sílice mesoporosa funcionalizadas en su superficie con grupos de ácido fenilborónico y tapadas con la enzima acetilcolinesterasa mediante la formación de ésteres cíclicos de ácido fenilborónico entre las cadenas de oligosacáridos de la enzima y los grupos fenilborónicos de la superficie de las nanopartículas. En este caso la reacción enzimática produce ácido acético que da lugar a la hidrolisis de los ésteres borónicos, destapando los poros y liberando la carga contenida en el interior. Además, se evalúa la capacidad del dispositivo diseñado para liberar el citotóxico doxorubicina en células cancerosas en presencia de acetiltiocolina. El segundo sistema consiste en un nanodispositivo para la liberación controlada en respuesta al neurotransmisor L-glutamato. Para esto se utilizan nanopartículas tipo Janus de oro-sílice mesoporosa funcionalizadas con la enzima L-glutamato oxidasa en la parte del oro y con una puerta molecular autoinmolante de arilboronato en la superficie de la sílice. La liberación controlada se basa en el reconocimiento del L-glutamato por la enzima L-glutamato oxidasa y la posterior formación de peróxido de hidrogeno, que es la especie que induce la escisión de la puerta autoinmolante y la subsecuente apertura de los poros. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat.
[CA] La present tesi doctoral titulada "Reconeixement de neurotransmissors basat en nanopartícules d'or i de sílice mesoporosa per a aplicacions de detecció i alliberació controlada" és una tesi realitzada per compendi d'articles la qual se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius per a la detecció colorimètrica de neurotransmissors i sistemes d'alliberació controlada que responen a neurotransmissors basats en nanopartícules d'or i nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb lligands orgànics, efectors enzimàtics, portes moleculars i espècies cromofluorogénicos o medicaments. En el primer capítol s'introdueix una visió general del que són els neurotransmissors, les seves principals característiques i l'important paper que aquests tenen en el funcionament del nostre organisme. A més es presenta una descripció general de les propietats i potencials aplicacions de les nanopartícules d'or funcionalitzades amb lligands orgànics com a sistemes de detecció, i de les nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb portes moleculars com a sistemes d'alliberament controlat. A continuació, en el segon capítol es presenten els objectius generals que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol, es presenten tres sistemes de detecció colorimètrica de neurotransmissors basats en l'agregació de nanopartícules d'or doblement funcionalitzades amb lligands orgànics. El primer sistema és un sensor capaç de detectar de forma selectiva el neurotransmissor serotonina, utilitzant nanopartícules d'or funcionalitzades amb ditiobis (propionat de succinimidilo) i N acetil-L-cisteïna. El segon sistema consisteix en un sensor per a la detecció selectiva de neurotransmissor norepinefrina dissenyat a partir de nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i Àcid 4-mercatofenilborònic. El tercer sistema està compost per nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i N acetil-L-cisteïna, per a la detecció de normatanefrina un important biomarcador del tumor feocromocitoma. Tots aquests sistemes s'avaluen en mitjans competitius com sèrum sanguini u orina. En el quart capítol es mostren dos sistemes d'alliberament controlats enzimàticament basats en l'obertura de portes moleculars. El primer sistema d'alliberament controlat respon a la presència del neurotransmissor acetilcolina. En concret, s'utilitzen nanopartícules de sílice mesoporosa funcionalitzades en la seva superfície amb grups d'àcid fenilborònic i tapades amb l'enzim acetilcolina esterasa mitjançant la formació d'èsters cíclics d'àcid fenilborònic entre les cadenes d'oligosacàrids de l'enzim i els grups fenilborónicos de la superfície de les nanopartícules. En aquest cas, la reacció enzimàtica produeix àcid acètic que dóna lloc a la hidròlisi dels èsters borònics, destapant els porus i alliberant la càrrega continguda a l'interior. A més, s'avalua la capacitat del dispositiu dissenyat per alliberar el citotòxic doxorubicina en cèl·lules canceroses en presència d'acetiltiocolina. El segon sistema consisteix en un nanodispositiu per alliberació controlada en resposta al neurotransmissor L-glutamat, per al que s'utilitzen nanopartícules tipus Janus d'or-sílice mesoporosa funcionalitzades amb l'enzim L-glutamat oxidasa en la part de l'or i amb una porta molecular autoimmolant d'arilboronat a la superfície de la sílice. La alliberació controlada es basa en el reconeixement de L-glutamat per l'enzim L-glutamat oxidasa i la posterior formació de peròxid d'hidrogen, que és l'espècie que indueix l'escissió de la porta autoimmolant i la subseqüent obertura dels porus. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat.
[EN] This doctoral thesis entitled "Neurotransmitters recognition based on gold and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications" it is a thesis carried out by compendium of articles, which is focused on the design, preparation, characterization and evaluation of nanodevices for the colorimetric sensing of neurotransmitters and controlled delivery systems responsive to neurotransmitters, based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles equipped with organic ligands, enzymatic effectors, molecular gates and chromo-fluorogenic species or drugs. The first chapter introduces an overview about what neurotransmitters are, their main characteristics and the important role they play in the functioning of our body. In addition, a general description of the properties and potential applications of gold nanoparticles functionalized with organic ligands as detection systems and mesoporous silica nanoparticles functionalized with molecular gates as controlled delivery systems is presented. In the second chapter, the general objectives that are addressed in the following experimental chapters are presented. In the third chapter, three colorimetric detection systems of neurotransmitters based on the aggregation of gold nanoparticles doubly functionalized with organic ligands are presented. The first system is a sensor capable of selectively detecting the neurotransmitter serotonin, using gold nanoparticles functionalized with dithio-bis(succinimidyl propionate) and N acetyl-L-cysteine. The second system consists of a sensor for the selective detection of the neurotransmitter norepinephrine designed from gold nanoparticles functionalized with 4- (liponyloxy)benzaldehyde and 4-mercaptophenylboronic acid. The third system is composed of gold nanoparticles functionalized with 4-(liponyloxy)benzaldehyde and N-Acetyl-L-Cysteine, for the detection of normetanephrine, an important biomarker of the pheochromocytoma tumor. All these systems are evaluated in competitive media such as blood serum or urine. In the fourth chapter, two enzymatic controlled delivery systems based on the opening of molecular gates are developed. The first controlled delivery system responds to the presence of the neurotransmitter acetylcholine. Specifically, it consists of mesoporous silica nanoparticles functionalized on their surface with phenylboronic acid groups and capped with the enzyme acetylcholinesterase, via the formation of cyclic phenylboronic acid esters between the oligosaccharide chains of the enzyme and the phenylboronic groups on the nanoparticles surface. In this case, the enzymatic reaction produces acetic acid that induces the hydrolysis of the boronic esters, uncapping the pores and releasing the entrapped payload. In addition, the ability of the nanodevice to release the cytotoxic doxorubicin in cancer cells in the presence of acetylthiocholine is evaluated. The second delivery system consists of a nanodevice responsive to the neurotransmitter L-glutamate. It is based on Janus gold-silica mesoporous nanoparticles functionalized with the enzyme L-glutamate oxidase in the gold part and with a self-immolative arylboronate molecular gate on the surface of the silica. Controlled delivery is based on the recognition of L-glutamate by the enzyme L-glutamate oxidase and the subsequent formation of hydrogen peroxide, which results in the cleavage of the self-immolative gate and the uncapping of the pores. Finally, it is shown that the designed system is capable of releasing a cytotoxic drug in brain cancer cells after detecting the presence of L-glutamate.
The authors acknowledge financial support from the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1-R, MAT2015-64139-C4-4-R (MINECO/FEDER) and Project AGL2015-70235-C2-2-R) and the Generalitat Valenciana (Projects PROMETEOII/2014/047 and PROMETEO/2018/024). T. Godoy-Reyes is grateful to Generalitat Valenciana for her Santiago Grisolía fellowship. A. García-Fernández is grateful to the Spanish Government for her FPU fellowship. A. Llopis-Lorente thanks “La Caixa” Foundation for his PhD grant. SCSIE (Universitat de València) is gratefully acknowledged for all the equipment employed.
Godoy Reyes, TM. (2020). Neurotransmitters recognition based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158420
TESIS

Cette thèse concerne le développement et l'évaluation des nanoparticules pour le traitement du cancer et plus particulièrement pour le cancer de la prostate.Le manuscrit comprend une revue de la littérature sur l'application de la nano médecine pour le traitement du cancer de la prostate. Dans la première partie expérimentale, des nanoparticules d'or fonctionnalisées ont été caractérisées et chargées avec le docétaxel par adsorption non covalente.Ces nanoparticules d'or ont montré un effet cytotoxique in vitro prolongé contre les cellules cancéreuses de la prostate. La deuxième partie expérimentale de cette thèse décrit une étude de synthèse et une nano-précipitation de polyesters pour la co-délivrance de deux médicaments chimio-thérapeutiques, le docétaxel (DOC) et la mitoxantrone (MIT). Les polycaprolactone, poly(acide lactique) et poly(lactide-co-glycolide) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle avec des poids moléculaires différents de polyéthylène glycol. Des nanoparticules monodisperses d’un diamètre d’environ 80 nm ont été obtenues et se sont avérées être efficaces contre les cellules cancéreuses de la prostate quand cela est chargé en MIT et DOC. De plus, un effet synergique a été observé en utilisant des combinaisons de ces nanoparticules. Par conséquent, ces nanoparticules, à base de polyester, ont de potentielles applications cliniques
This thesis concerns the development and evaluation of nanoparticles for cancer treatment, and in particular to prostate cancer. The manuscript includes a literature review on the application of nanomedicine to the treatment of prostate cancer. In the first experimental part, functionalized gold nanoparticles were characterized and loaded with docetaxel by non covalent adsorption. These gold nanoparticles showed a sustained cytotoxic effect in vitro against prostate cancer cells. The second experimental part of this thesis describes a study of synthesis and nanoprecipitation of polyesters for the co-delivery of two chemotherapeutic drugs, docetaxel (DOC) and mitoxantrone (MIT). Polycaprolactone, poly(lactic acid) and poly (lactide-co-glycolide) were synthesized by ring-opening polymerization with different molecular weights of polyethylene glycol. Monodisperse nanoparticles with diameters of less than 80 nm were produced and were shown to be effective against prostate cancer cells when loaded with MIT and DOC. Moreover, a synergistic effect was observed using combinations of these nanoparticles. Therefore, these polyester based nanoparticles have potential clinical applications

Nanocatalysis, catalysis using particles on the nanoscale, is an emerging field that has tremendous potential. Nanoparticles have different properties than bulk material and can be used in different roles. Macro sized precious metals, for example, are inert, but nanoparticles of them are becoming more widely used as catalysts. Understanding the manner in which these particles work is vital to improving their efficacy. This thesis focuses on two aspects of nanocatalysis. Chapter 1 begins with a brief introduction into nanotechnology and some of the areas in which nanoparticles are different than bulk particles. It then proceeds into an overview of catalysis and nanocatalysis more specifically. Focus is brought to the definitions of the different types of catalysis and how those definitions differ when applied to nanoparticles. Chapter 2 is in finding an inert support structure to more easily assist in recycling the nanoparticles. Polystyrene microspheres were studied and found to prevent platinum nanoparticles from aggregating in solution and possibly aid in recycling of the nanoparticles. These nanoparticles were used in catalysis, aiding in the reduction of 4-nitrophenol in the presence of sodium borohydride. While the rate decreased by a factor of ~ 7 when using the polystyrene, the activation energy of the reaction was unaltered, thus confirming the inactivity of the polystyrene in the reaction. In Chapter 3, nanocatalysis was studied by examining bimetallic hollow nanoparticles with specific attention to the effect of altering the ratios of the two metals. Ten different bimetallic nanocages were tested in an electron transfer reaction between hexacyanoferrate and thiosulfate. Five PtAg nanocages and five PdAg with varying metal ratios were prepared and studied. It was found that while silver cubes immediately precipitate out of solution when combined with thiosulfate, a small amount of either platinum or palladium allows the particles to remain in solution and function as a substantially more effective catalyst. However, as additional Pt was added the activation energy increased. To obtain a better understanding of the catalysis using bimetallic cages, the evolution of these cages was studied as the 2nd metal was added. Initially the particle edge length increased and then slowly decreased back to the size of the template cubes. The increase in edge length suggests of addition of material to the nanoparticles. This indicated the 2nd metal is on the outside of the cage, which was confirmed using UV-Vis spectroscopy and EDS mapping. By understanding how these bimetallic particles evolve, we may be able to manipulate these synthetic methods to more precisely design nanoparticles for catalysis.

Au cours des vingt dernières années, les nanomatériaux (caractérisés par des dimensions de l’ordre de 10 à 100 nm) ont attiré une attention croissante de par leurs propriétés optoélectroniques uniques. C’est tout particulièrement vrai pour les nanomatériaux inorganiques, tels que les quantum dots, les nanoparticules métalliques ou encore les nanoparticules à base de silice. Par contre, l’étude des nanomatériaux obtenus à partir de molécules organiques est un domaine d’intérêt beaucoup plus récent. Cette thèse présente une étude détaillée de nanoparticules organiques fluorescentes originales et des nanostructures organiques préparées à partir de deux ou trois types de chromophores distincts (nanocomposites binaires et ternaires). En particulier, l'attention est focalisée sur la préparation, la caractérisation et la stabilisation de ces nouveaux nanomatériaux, ainsi que leurs applications dans le domaine biologique et de l’opto-electronique
During the past two decades, increasing research attention has been devoted to nanomaterials (materials in the range of 10-100 nm) because of their unique optoelectronic properties. In particular, inorganic nanomaterials, such as quantum dots, metal-based nanoparticles and silica nanoparticles, have been investigated extensively. Instead, nanomaterials based on organic molecules are been subject of research only since very recent years. This thesis presents an extensive study of novel fluorescent organic nanoparticles and fluorescent organic binary and ternary nanoassemblies. In particular the attention is focused on the preparation and characterization of organic nanoparticles and new nanocomposites obtained from different types of small organic chromophores, their stabilization and the use of these materials for biological and optoelectronics applications

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

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

The thermally responsive hydroxypropyl cellulose (HPC) hydrogel nanoparticles have been synthesized and characterized. The HPC particles were obtained by chemically crosslinking collapsed HPC polymer chains in water-surfactant (dodecyltrimethylammonium bromide) dispersion above the lower critical solution temperature (LCST) of the HPC. The size distributions of microgel particles, measured by dynamic light scattering, have been correlated with synthesis conditions including surfactant concentration, polymer concentration, and reaction temperature. The swelling and phase transition properties of resultant HPC microgels have been analyzed using both static and dynamic light scattering techniques. By first making gel nanoparticles and then covalently bonding them together, we have engineered a new class of gels with two levels of structural hierarchy: the primary network is crosslinked polymer chains in each individual particle, while the secondary network is a system of crosslinked nanoparticles. The covalent bonding contributes to the structural stability of the nanostructured gels, while self-assembly provides them with crystal structures that diffract light, resulting in colors. By using N-isopropylacrylamide copolymer hydrogel nanoparticles, we have synthesized nanoparticle networks that display a striking iridescence like precious opal but are soft and flexible like gelatin. This is in contrast to previous colored hydrogels, which were created either by adding dyes or fluorescent, or by organic solvent or by embedding a colloidal crystal array of polymer solid spheres . Creating such periodic 3D structures in materials allows us to obtain useful functionality not only from the constituent building blocks but also from the long-range ordering that characterizes these structures. Hydroxypropyl cellulose (HPC) and poly (acrylic acid ) (PAA) complexes were studied using turbidity measurement and laser light scattering. The phase transition temperature of the complexes is found to depend on pH and molecular weights of PAA and HPC. The driving force for this phenomenon is due to the hydrogen bonding and hydrophobic interaction of the macromolecules. Based on the principle of the PAA/HPC complexes, the PAA nanoparticles were synthesized in 0.1wt % HPC aqueous solution at room temperature.

Ces dernières années ont vu un intérêt croissant pour l'application de nanoparticules de chalcogénure (IP) (par exemple Se, Te) dans divers secteurs industriels, y compris l'énergie, les aciers, le verre et le raffinage du pétrole. Le chalcogénure métallique fluorescent (par exemple CdSe, CdTe) NPs sont utilisés dans les cellules solaires, les capteurs optoélectroniques et aussi dans le domaine de la biologie et de la médecine pour l'imagerie ou de détection comprenant biolabelling. En outre, en raison de la forte toxicité des oxyanions chalcogènes (à savoir, sélénite, séléniate, tellurites et tellurate), leur libération dans l'environnement est très préoccupante. Ainsi, mettre l'accent a été donné dans cette thèse sur le développement d'un nouveau procédé de synthèse microbienne des NPs chalcogénures en combinant le traitement biologique des eaux usées Se / Te contenant avec biorecovery de Se / Te sous la forme de Se / Te chalcogénures NPs.Une attention particulière a été accordée pour étudier l'effet des métaux lourds (par exemple Cd, Zn et Pd) co-contaminants sur bioréduction sélénite par anaérobie granulaire boues. boue anaérobie granulaire capable de réduire sélénite de séléniure de, en présence de Cd a été enrichie pour la synthèse microbienne de CdSe IP. Il était évident que lorsque Cd est présent avec sélénite, soit il forme un complexe de Se-Cd par adsorption sur biogène Se (0) des nanoparticules après EME-oxyanion ou bioréduction il réagit avec le séléniure aqueux (HSe-) pour former CdSe. Les spectres d'absorption et de fluorescence de la phase aqueuse à confirmer la présence de CdSe IP dans la phase aqueuse. spectroscopie Raman et X-ray spectroscopie de photoélectrons (XPS) analyse l'appui de cette constatation. La formation d 'une couche alliée de CdSxSe1-x à l'interface entre le noyau et CdS CdSe shell dans la boue a également été observée. Des études détaillées sur les substances polymères extracellulaires (EPS) révèlent que la teneur en protéines et en polysaccharides comme augmenté dans les EPS extraites de boues enrichi tandis que les substances humiques comme diminué. chromatographie d'exclusion de taille (SEC) des EPS révèle en outre une empreinte distincte pour les protéines et les substances humiques-like, avec une augmentation de haute teneur en protéines comme poids moléculaire et l'apparition de nouveaux pics pour les substances humiques comme dans les EPS après l'enrichissement.Anaérobie des boues lit granulaire (UASB) à courant ascendant a été utilisé pour la première fois pour le retrait continu de tellurite des eaux usées synthétique et la récupération du Te comme biogénique Te (0). La spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (EDS), diffraction des rayons X (XRD) et analyse spectroscopique Raman de la biomasse a confirmé le dépôt de Te (0) dans la biomasse. Il était évident que la majorité du Te (0) a été piégé principalement dans l'EPS entourant la biomasse, qui peut être facilement séparé par centrifugation
Recent years have seen a growing interest in the application of chalcogenide nanoparticles (NPs) (e.g. Se, Te) in various industrial sectors including energy, steels, glass and petroleum refining. The fluorescent metal chalcogenide (e.g. CdSe, CdTe) NPs are used in solar cells, optoelectronic sensors and also in the field of biology and medicine for imaging or sensing including biolabelling. Moreover, due to the high toxicity of chalcogen oxyanions (i.e., selenite, selenate, tellurite and tellurate), their release in the environment is of great concern. Thus, emphasize was given in this thesis on the development of a novel microbial synthesis process of chalcogenide NPs by combining biological treatment of Se/Te-containing wastewaters with biorecovery of Se/Te in the form of Se/Te chalcogenides NPs.A special focus was given to study the effect of heavy metal (e.g. Cd, Zn and Pd) co-contaminants on selenite bioreduction by anaerobic granular sludge. Anaerobic granular sludge capable of reducing selenite to selenide in the presence of Cd was enriched for the microbial synthesis of CdSe NPs. It was evident that when Cd is present along with selenite, it either forms a Se-Cd complex by adsorption onto biogenic Se(0) nanoparticles after Se-oxyanion bioreduction or it reacts with aqueous selenide (HSe-) to form CdSe. The absorption and fluorescence spectra of the aqueous phase confirm the presence of CdSe NPs in the aqueous phase. Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis support this finding. The formation of an alloyed layer of CdSxSe1-x at the interface between the CdSe core and CdS shell in the sludge was also observed. Detailed studies on the extracellular polymeric substances (EPS) reveal that the protein and polysaccharide-like content increased in the EPS extracted from enriched sludge while humic-like substances decreased. Size exclusion chromatography (SEC) of EPS further reveals a distinct fingerprint for proteins and humic-like substances, with increase in high molecular weight protein-like and the appearance of new peaks for humic-like substances in the EPS after the enrichment.An upflow anaerobic granular sludge bed (UASB) reactor was used for the first time for continuous removal of tellurite from synthetic wastewater and the recovery of Te as biogenic Te(0). Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopic analysis of biomass confirmed the deposition of Te(0) in the biomass. It was evident that the majority of the Te(0) was trapped predominantly in the EPS surrounding the biomass, which can be easily separated by centrifugation

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

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.

Nanoparticle system research and characterization is the focal point of this research and dissertation. In the research presented here, magnetite, cobalt, and ferrite nanoparticle systems have been explored in regard to their magnetocaloric effect (MCE) properties, as well as for use in polymer composites. Both areas of study have potential applications across a wide variety of interdisciplinary fields. Magnetite nanoparticles have been successfully dispersed in a polymer. The surface chemistry of the magnetic nanoparticle proves critical to obtaining a homogenous and well separated high density dispersion in PMMA. Theoretical studies found in the literature have indicated that surface interface energy is a critical component in dispersion. Oleic acid is used to alter the surface of magnetite nanoparticles and successfully achieve good dispersion in a PMMA thin film. Polypyrrole is then coated onto the PMMA composite layer. The bilayer is characterized using cross-sectional TEM, cross-sectional SEM, magnetic characterization, and low frequency conductivity. The results show that the superparmagnetic properties of the as synthesized particles are maintained in the composite. With further study of the properties of these nanoparticles for real and functional uses, MCE is studied on a variety of magnetic nanoparticle systems. Magnetite, manganese zinc ferrite, and cobalt ferrite systems show significant broadening of the MCE and the ability to tune the peak temperature of MCE by varying the size of the nanoparticles. Four distinct systems are studied including cobalt, cobalt core silver shell nanoparticles, nickel ferrite, and ball milled zinc ferrite. The results demonstrate the importance of surface characteristics on MCE. Surface spin disorder appears to have a large influence on the low temperature magnetic and magnetocalorie characteristics of these nanoparticle systems.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Materials Science and Engineering, 2008.
Includes bibliographical references.
Metal nanoparticles hold promise for many scientific and technological applications, such as chemical and biological sensors, vehicles for drug delivery, and subdiffraction limit waveguides. To fabricate such devices, a method to position particles in specific locations relative to each other is necessary. Nanoparticles tend to spontaneously aggregate into ordered two- and three-dimensional assemblies, but achieving one-dimensional structures is less straightforward. Because of their symmetry, nanoparticles lack the ability to bond along specific directions. Thus, the technological potential of nanoparticles would be greatly enhanced by the introduction of a method to break the interaction symmetry of nanoparticles, thus inducing valency and directional interparticle interactions. When a nanoparticle is coated with a mixture of two different ligands, the ligands have been shown to phase-separate into ordered domains encircling or spiraling around the core. Topological constraints inherent in assembling two-dimensional vectors (e.g., ligands) onto a sphere (the core of the nanoparticle) dictate the necessary formation of two diametrically opposed defect points within the ligand shell. The molecules at these points are not optimally stabilized by intermolecular interactions and thus these sites are highly reactive. By functionalizing the polar singularities with a third type of molecule, we generate divalent nanoparticles with "chemical handles" that can be used to direct the assembly of the particles into chains. For example, taking inspiration from the wellknown interfacial polymerization synthesis of nylon, we place carboxylic acid terminated molecules at the polar defect points and join the newly bifunctional nanoparticles into chains by reacting them with 1,6-diaminohexane through an interfacial reaction.
(cont.) Furthermore, we perform a full kinetic and thermodynamic characterization of the molecularly defined polar defect points. We demonstrate that the rate of place-exchange at these points is significantly faster than it is elsewhere in the ligand shell. We also determine the equilibrium constant and standard free energy of the place-exchange reaction at the polar defect sites and demonstrate that the reaction is strongly affected by the molecular environment, i.e. the composition of the ligand shell.
by Gretchen Anne DeVries.
Ph.D.

The development and use of nanotechnology towards theranostics (all-in-one disease diagnostics and therapeutic delivery) have been increasing in popularity in recent years, in particular the use of high capacity of nanomaterials to transport both imaging and therapeutic agents into pathological tissues or abnormal cells. In this work, biocompatible mesoporous silica nanoparticles (MSNs) that can be reliably endocytosed by cells are employed in the investigation of novel cancer treatment and magnetic resonance imaging (MRI). One of the principal aims is to develop T₁ contrast nanoparticles not only with extraordinarily high MRI contrast characteristics, but also tunability through surface chemistry and functional protein conjugation. In coupling paramagnetic Gd³⁺-centres to MSNs, one can effectively marry the advantages afforded by increased molecular bulk with those engendered by confined water environment inside the porous network. Specifically, through exclusively biasing paramagnetic Gd³⁺-centres in the internal spaces of nanoparticles, their mobility and interaction with water protons can be altered, significantly, with beneficial changes in molecular tumbling (τ_R), proton exchange (τ_M) and water diffusion (τ_D) within relaxation dynamics. These MRI nanoparticles with internalised Gd³⁺-centres are additionally used in the development of tunable/responsive contrast agents through vectoring protein conjugation. The relaxivity of MSNs can be tailored depending on the separation distances between proteins and nanoparticles; significantly, the simultaneous retention of both high MRI contrast and protein vectoring is achieved by the insertion of long polyethylene glycol (PEG) chain. The image contrast can also be reversibly gated through the competitive displacement of surface proteins by their partner proteins. Specifically, these responsive nanoparticles possess a low contrast resulting from restricted water accessibility when protein moieties are conjugated on the particles, whereas the removal of proteins causes a transition of contrast from a low to high state. The MSNs synthesised in this work are used not only in diagnostic imaging but also in the delivery of therapeutic agents for cancer therapy. The agents can be either physically encapsulated inside the pores or chemically conjugated on the nanoparticles. For the former, their loading and release efficiencies are tunable by the electrostatic interactions with particle surface functional groups; while in the latter case, their retention on nanoparticles, as opposed to being released, plays an important role in the effectiveness of cancer treatment that is achieved by trigging programmed cell death (apoptosis) in this work. This nanoparticle conjugation secures the proteins’ activity by facilitating their bypass of proteolytic degradation. Significantly, specially designed nanoparticles that demonstrate endo/lysosomal escape capability can reliably deliver therapeutic cytochrome c to cell cytosols for the initiation of a caspase cascade within apoptosis with high efficacy.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2019
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages [121]-140).
Gold nanoparticles with amphiphilic surface functionalization have been shown to spontaneously fuse with lipid bilayers through a non-endocytic mechanism that generates minimal membrane perturbation. The membrane translocation capability of these nanoparticles makes them attractive candidates for engineering clinical applications that operate on a single-cell resolution. In particular, the physiochemical similarity between these nanoparticles and membrane-bound and free-circulating proteins suggests a possibility for designing nanostructures that can function as synthetic alternatives to proteins. In this thesis, we demonstrate how molecular simulation techniques have allowed us to tackle this engineering challenge and develop nanoparticles that can modulate fusion between lipid membranes, transport hydrophobic small molecules to lipid-bound compartments, and modify the permeability of lipid membranes. These are concrete realizations of nanoparticles functioning as protein mimics, and unlock new avenues of research on how nanomaterials can be designed from first principles to perform targeted functions in biological systems.
by Mukarram Ahmad Tahir.
Ph. D.
Ph.D. Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering

Les travaux de recherche de cette thèse concernent sur la préparation et l’étude des propriétés physiques de nanocristaux commutables basés sur des matériaux de type transition de spin et photomagnétiques potentiellement candidats en tant que nanocapteurs. Les nanocristaux à transition de spin appartiennent à la famille des réseaux de coordination basés sur les chlatrates de Hoffman [Fe(pyrazine)] [Pt(CN)4]. L’étude se concentre sur le contrôle de la taille des nano-bâtonnets et sur l’étude de leur bistabilité thermique en relation avec leur environnement et de leur interaction avec les molécules invitées. Nous montrons que la croissance des nanocristaux en forme de bâtonnets est obtenue en présence de nanoparticules préformées de 2 à 3 nm de l’analogue du bleu de Prusse CsNiCr(CN)6, censées diriger la croissance anisotrope des objets. Les nano-bâtonnets formés sont stables pendant une longue période en solution en raison de leurs charges négatives. Ils possèdent une hystérèse thermique assez large centrée sur la température ambiante. La largeur et la position en température de l’hystérèse thermique dépendent de la nature de l'environnement des nanocristaux. Avec des sels d'ammonium à longue chaîne (tels que le bromure de dodécyltrimentylammonium ou le bromure de dexhyl triméthyl ammonium), l’hystérèse thermique se rétrécit et se décale vers les basses températures. Avec des chaînes alkyles plus courtes, le décalage de l’hystérèse est plus petit sans que sa largeur ne change beaucoup. Lorsque les tiges sont noyées dans une matrice de silice rigide, la transition est déplacée à très basse température et l'hystérésis thermique disparaît. L'insertion de molécules de I2 conduit à une hystérèse thermique plus large centrée sur une température plus élevée que la température ambiante. Les nanoparticules photomagnétiques appartiennent à la famille des réseaux bimétalliques d’analogues du bleu de Prusse (PBA) basés sur le CoFe. Ce type de matériaux peut subir une transition thermique de l'état paramagnétique CoIIFeIII à l'état diamagnétique CoIIIFeII. L'état de haute température peut ensuite être rétabli par un éclairage lumineux à basse température. Nous nous sommes concentrés sur trois types de nanoparticules de CoFe contenant les ions alcalins CsI (11 nm) et RbI avec deux tailles différentes : 30 et 80 nm pour ces dernières. La taille des objets était contrôlée par différents paramètres tels que la nature de l'ion alcalin, la concentration des précurseurs et leur stœchiométrie. La combinaison de différentes techniques, telles que les spectroscopies électronique et infrarouge, associée à la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique et à la diffraction des rayons X sur poudre permet de suivre l’évolution de la composition des nanoparticules avec le temps en solution à la température ambiante. L’étude de l’évolution conduit à la conclusion générale que le phénomène de transfert d’électrons de CoII à FeIII se produit en solution pendant plusieurs jours avant que les objets n’atteignent leur état thermodynamique stable qui dépendait de la nature de l’ion alcalin et de la taille des objets. Le comportement (photo)magnétique a ensuite été étudié à l’état solide pour différents temps d’évolution des trois types de particules, ce qui a permis de proposer un mécanisme qualitatif de leur formation en solution
The research work in this thesis is focused on the preparation and the study of the physical properties of switchable nanocrystals based on spin crossover and photomagnetic materials that are potential candidates as nanosensors. The spin crossover nanocrystals belong to the coordination network family based on the Fe(II) Hoffman chlatrates [Fe(pyrazine)][Pt(CN)4]. The study is focused on controlling the size of self-standing nanorods and on the investigation of their thermal bistability in relation with their environment and their interaction with guest molecules. We show that the growth of the rod-shaped nanocrystals is obtained in the presence of preformed 2-3 nm nanoparticles of the Prussian Blue Analogue CsNiCr(CN)¬6 that is thought to direct to anisotropic growth of the objects. The formed rods can be stable for a long time due to their negative charge. They possess a rather wide thermal hysteresis centered around room temperature. The width and position in temperature of the thermal hysteresis depends on the nature of the environment of the nanocrystals. With very long ammonium salt (such as dodecyl trimetylammonium bromide or dexhyl trimethyl ammonium bromide), the thermal hysteresis becomes narrower and shifts to low temperature. While with shorter alkyl chains, the shift of the hysteresis is smaller without much change in its width. When the rods are embedded in a rigid silica matrix, the transition is shifted to very low temperature and the thermal hysteresis vanishes. The insertion of I2 molecules leads to a wider thermal hysteresis centered at a higher temperature.The photomagnetic nanoparticles belong to the bimetallic Prussian Blue Analogues (PBAs) family based on CoFe. This type of materials may undergo a thermal transition from the paramagnetic CoIIFeIII state to the diamagnetic CoIIIFeII one. The high temperature state can then be restored at low temperature by light illumination. We focused on three types of CoFe PBAs nanoparticles containing the CsI (11 nm) and the RbI alkali ions with two different sizes 30 and 80 nm for the latter. The size of the objects was controlled by different parameters such as the nature of the alkali ion, the concentration of the precursors and their stoichiometry. The combination of different techniques such as electronic and infra spectroscopies together with Electron Spin Resonance Spectroscopy and X-ray powder diffraction allows following the evolution of the nanoparticles’ composition with time in solution at room temperature. The evolution study leads to the general conclusion that the electron transfer phenomenon from CoII to FeIII occurs in solution during several days before the objects reach their thermodynamic stable state that was found to depend on the nature of the alkali ion and on the size of the objects. The (photo)magnetic behavior was then investigated in the solid state for different evolution time of the three types of particles, which allowed proposing a qualitative mechanism of their formation in solution

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.

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

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

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 maladies infectieuses ont de tout temps constitué une menace pour l'humanité. La preuve en a encore été faite récemment par la pandémie de COVID-19 (COronaVIrus Disease 2019). Cependant, cette dernière a également mis en avant le potentiel des nanotechnologies pour le développement de thérapies innovantes, grâce aux vaccins contenant des nanoparticules (NPs) pour la protection et la vectorisation d'ARN messager. Ce travail explore le potentiel de NPs de PLGA (acide poly(lactique-co-glycolique)) pour le traitement de deux maladies pulmonaires : la tuberculose, un mal vieux de plusieurs millénaires ainsi que la maladie infectieuse la plus meurtrière actuellement, et le COVID-19, la deuxième pandémie de ce siècle.Pour commencer, un travail de recherche bibliographique s'intéresse à la physiopathologie et au traitement de Mycobacterium tuberculosis (Mtb), mais surtout à l'évolution des NPs depuis trente ans pour l'optimisation de la thérapie antituberculeuse. Cette revue, publiée dans Pharmaceutics en 2023, met en exergue les NPs et antibiotiques les plus étudiés pour y parvenir, et donne des pistes sur l'avenir des traitements personnalisés.Pour l'étude des NPs de PLGA préparées, une technique de caractérisation, la NTA (nanoparticle tracking analysis), est détournée de son usage originel pour l'exploration des interactions cellules-NPs. En effet, les NPs sont incubées avec des cultures cellulaires avant que les surnageants ne soient analysés par NTA, permettant ainsi de quantifier leur internalisation au cours du temps. Un tel usage, détaillé dans un article paru dans l'International Journal of Pharmaceutics en 2021, n'avait jamais été décrit dans la littérature auparavant.Le potentiel des NPs pour le ciblage de Mtb est ensuite exploré. In vitro, il s'avère que les NPs sont préférentiellement internalisées par les cellules infectées par rapport aux cellules non-infectées. En outre, il existe une corrélation positive entre le nombre de bactéries intracellulaires et le nombre de NPs capturées. In vivo, chez la souris, une seule injection de NPs en intranasal permet de cibler l'organe d'intérêt (les poumons), le type cellulaire d'intérêt (les macrophages alvéolaires, siège de l'infection par Mtb), ainsi que les cellules infectées par rapport aux cellules non-infectées, les premières capturant trois fois plus de NPs en moyenne que les secondes. Ces résultats ont fait l'objet d'un article actuellement en cours de révision.Enfin, une étude est menée pour encapsuler et solubiliser une molécule active au sein des NPs pour le traitement du COVID-19. Un travail d'optimisation permet d'obtenir un taux d'encapsulation de 98,3%, une charge de 24,9%, et une concentration dans l'eau de 5 mg/mL pour cette molécule hydrophobe. Son mécanisme de libération est également étudié. Chez la souris et chez le hamster, il apparaît que quelques injections en intranasal seulement permettent de réduire la charge virale pulmonaire de 1,4 log10/mL, avec une toxicité très limitée. Par ailleurs, il est démontré chez la souris que la molécule encapsulée empêche l'inflammation pulmonaire habituellement associée au COVID-19. Cette étude, qui sera prochainement soumise pour publication, pose les bases d'une thérapie post-infection pour les sujets les plus vulnérables face au virus. D'autres résultats non-inclus dans l'article, par ailleurs, s'intéressent à différentes formulations de NPs pour influer sur la libération de la molécule et prolonger son activité antivirale et anti-inflammatoire in vivo. L'ensemble de cette étude a fait l'objet d'un dépôt de brevet en 2023.En conclusion, ce travail démontre le potentiel des NPs de PLGA pour le traitement de deux des maladies infectieuses pulmonaires les plus meurtrières actuellement, et offre des perspectives pour des études futures
Infectious diseases have always been a threat to mankind, as reminded by the recent COVID-19 (COronaVIrus Disease 2019) pandemic. However, the latter has also highlighted the potential of nanotechnologies for the development of innovative therapies, thanks to vaccines containing nanoparticles (NPs) for messenger RNA protection and vectorization. This work explores the potential of PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) NPs for the treatment of two lung diseases: tuberculosis (TB), a millennia-old ailment as well as the deadliest infectious disease worldwide, and COVID-19, the second pandemic of this century.To begin with, we take interest in the physiopathology and treatment of Mycobacterium tuberculosis (Mtb), but most of all, in the evolution of NPs over the last thirty years for the optimization of TB therapy. This literature review, published in Pharmaceutics in 2023, highlights the most studied NPs and antibiotics to this end, and offers perspectives for the future of advanced and tailored treatments.For the study of the prepared PLGA NPs, a characterization technique, NTA (nanoparticle tracking analysis), is diverted from its original use to explore cell-NP interactions. NPs are incubated with cell cultures before the supernatants are analyzed by NTA, thus enabling to quantify NP internalization over time. Such a use, detailed in an article published in the International Journal of Pharmaceutics in 2021, had never been described in the literature before.The NP potential for the targeting of Mtb is then explored. In vitro, it appears that NPs are preferentially internalized by infected cells as compared to non-infected ones. Furthermore, there is a positive correlation between the number of intracellular bacteria and the number of captured NPs. In vivo, in a mouse model, a single intranasal NP injection allows for the targeting of the organ of interest (the lungs), the cell type of interest (alveolar macrophages, the site of Mtb infection), and infected cells rather than non-infected ones, the former capturing three times more NPs on average than the latter. These results are the subject of an article currently being reviewed.Finally, a study takes interest in the encapsulation and solubilization of an active molecule for the treatment of COVID-19. Optimization studies resulted in drug encapsulation of 98.3%, drug loading of 24.9%, and a concentration in water of 5 mg/mL for this hydrophobic molecule. Its release mechanism was also unraveled. In a mouse and in a hamster model, it appears that a few intranasal injections reduce the lung viral load by 1.4 log10/mL, with very limited toxicity. In a mouse model, the encapsulated molecule is shown to prevent lung inflammation usually associated with COVID-19. This study, which will be submitted for publication shortly, lays the foundations for a post-infection therapy for the most vulnerable patients. Other results, non-included in the article, explore different NP formulations to influence and prolong drug release in vivo. A patent has been filed for this study in 2023.In conclusion, this work demonstrates the potential of PLGA NPs for the treatment of two of the deadliest infectious lung diseases currently, and offers prospects for future studies

Les propriétés remarquables associées à la résonance plasmon localisée (LSPR) dans les nanoparticules (NP) de métaux nobles font de la plasmonique un sujet aux applications multiples. Lorsque les NP sont éclairées par des impulsions laser ultracourtes, une dynamique rapide d'échanges d'énergie conduit à la variation ultrarapide de leurs propriétés optiques, accompagnée d’autres effets comme la photoluminescence, l’échauffement hyperlocalisé, la photoémission électronique, la production de radicaux libres, la nano-cavitation. La conception de nanostructures hybrides complexes permet d'adapter les propriétés plasmoniques pour optimiser les applications. Nous avons étudié certaines nanostructures hybrides par spectroscopie d'absorption pompe-sonde large bande et une modélisation dédiée : fibres de silice décorées de NP d’or, NP cœurs-coquilles Au-Ag. Leurs réponses optiques stationnaire et transitoire sont analysées en fonction de la morphologie des NP.Dans les développements évoqués ci-dessus, l’exaltation de champ proche autour des NP plasmoniques joue un rôle clé. Cependant, l’étude de la modulation transitoire du champ proche est limitée par l'incapacité des outils numériques usuels à saisir de faibles variations de la permittivité des NP. Nous mettons en œuvre une méthode FDTD basée sur les paires pole-résidu complexes-conjugués pour pouvoir simuler l’évolution temporelle de la topographie du champ proche plasmonique. Au-delà, le mode LSPR peut être couplé à un mode photonique dans une cavité hybride pour concevoir des fonctionnalités photoniques optiquement contrôlées. Le couplage d'un réseau 2D de nanobâtonnets d'or parallèles avec le mode de défaut d'une cavité d’un cristal photonique 1D est étudié théoriquement. L'anisotropie optique permet de jouer avec plusieurs degrés de liberté comme la polarisation du champ. La modulation ultrarapide de la réponse optique prédite dans de telles nanostructures hybrides ouvre la possibilité de leur optimisation future pour la conception de capteurs résolus en temps
The remarkable properties associated with the localized plasmon resonance (LSPR) in noble metal nanoparticles (NPs) make plasmonics an important topic with multiple applications. When NPs are illuminated by ultrashort laser pulses they undergo a rapid dynamics of energy exchanges which leads to the ultrafast variation of their optical properties, associated with other effects such as broadband photoluminescence, hyperlocalized heat release, electron photoemission, production of reactive oxygen species and nano-cavitation. The design of complex hybrid nanostructures can enable us to tailor the plasmonic properties as to optimize the applications. We have studied some hybrid nanostructures by broadband pump-probe absorption spectroscopy and a dedicated modeling: AuNP-decorated silica fibers and core-shell Au-Ag NPs. Their stationary and transient optical responses are analyzed depending on the NP morphology.In the developments evoked above the enhanced near field around plasmonic NPs plays a key role. However, the study of the ultrafast transient modulation of the near field is limited by the inability of the conventional numerical tools to catch the small variations of the NP permittivity. Here, a complex-conjugate pole-residue pair based FDTD method is successfully implemented to simulate the time-dependence of the plasmonic near-field topography. Beyond, the LSPR mode can be resonantly coupled with a photonic mode in a hybrid microcavity for conceiving optically-controlled photonic functionalities. The coupling of a 2D array of parallel gold nanorods with the defect mode of a 1D photonic crystal cavity is investigated theoretically. The optical anisotropy enables us to play with several degrees of freedom like field polarization. The ultrafast modulation of the optical response that is predicted in such hybrid nanostructures opens the possibility of their future optimization for designing time-resolved sensors

Plasmonic nanoparticles, specifically gold and silver nanoparticles, exhibit unique optical, physical, and chemical properties that are exploited in many biomedical applications. Due to their nanometer size, facile surface functionalization and enhanced optical performance, gold and silver nanoparticles can be used to investigate cellular biology. The work herein highlights a new methodology that has exploited these remarkable properties in order to probe various aspect of cancer cell biology, such as cell cycle progression, drug delivery, and cell death. Cell death mechanisms due to localized gold and silver nanoparticle exposure were also elucidated in this work. Chapter 1 introduces the reader to the synthesis and functionalization of gold and silver nanoparticles as well as reviews their implementation in biodiagnostic and therapeutic applications to provide a foundation for Chapters 3 and 4, where their use in spectroscopic and cytotoxic studies are presented. Chapter 2 provides the reader with detailed explanations of experimental protocols for nanoparticle synthesis and functionalization, in vitro cellular biology experiments, and live-cell Raman spectroscopy experiments that were utilized throughout Chapters 3 and 4. Chapter 3 presents the use of nuclear-targeted gold nanoparticles in conjunction with a Raman microscope modified to contain a live-cell imaging chamber to probe cancer cell cycle progression (Chapter 3.1), examine drug efficacy (Chapter 3.2), monitor drug delivery (Chapter 3.3), and detect apoptotic molecular events in real-time (Chapter 3.4). In Chapter 4, the intracellular effects of gold and silver nanoparticles are explored through live-cell Rayleigh imaging, cell cycle analysis and DNA damage (Chapter 4.1), as well as through the elucidation of cytotoxic cell death mechanisms after nanoparticle exposure (Chapter 4.2) and live cell imaging of silver nanoparticle treated cancer cell communities (Chapter 4.3).

The objective of this study was to assess the utility of electron microscopy for the purpose of distinguishing engineered nanoparticles from "incidental" nanoparticles. Methods included the use of transmission electron microscopy (TEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS) to analyze samples of known ratios of titanium dioxide (TiO2) to Arizona road dust (ARD) or incense particles. TEM collection methods were analyzed for two different samplers: a Marple impactor and an electro-static precipitator (ESP). TEM grids were placed on the four lowest stages of the impactor. Results for impactor stages of a 10:1 ratio of TiO2/ARD mixture displayed the following percentages TiO2: 44%, 44%, 83%, and 90%. TiO2/incense samples had very high (79%-90%) TiO2 proportions, which was not expected since the ratio was 1:1. These combustion particles did not collect with the same efficiency as TiO2 or ARD. In conclusion, incense particles were entirely carbon based and were not identifiable using TEM/EDS. The TiO2/ARD mixture demonstrated that the impactor would remove most of the larger particles so that grids on the filter stage could be used to analyze and image TiO2 mostly alone. Sampling criteria for desired particle loading had to be established in order to obtain usable TEM grids. TiO2 was distinguishable from all other particles, but accurate particle identity and proportion in samples was not obtainable for combustion particles using these methods.

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

Les normes environnementales toujours plus sévères associées à une constante augmentation de la demande énergétique rendent nécessaires les actions à entreprendre en vue d’améliorer l’efficacité énergétique. Dans le domaine du transport, responsable à lui seul de plus de la moitié de la consommation des ressources pétrolières, les actions visant à optimiser la consommation énergétique se traduisent par la mise en place de nouvelles technologies hybrides, par un travail sur l’aérodynamisme des véhicules, la conception de pneumatiques plus performants ou bien encore la réduction de la taille des moteurs et des boites de vitesse afin de réduire le poids des véhicules. Cependant, selon le VTT (Centre de recherche technique finlandais), dans les voitures particulières, les pertes par frottement représentent un tiers de la consommation totale de carburant. Plusieurs millions de litres de carburant sont ainsi utilisés dans le monde chaque année pour vaincre les forces de frottement. Pour cette raison la recherche en tribologie dans le domaine de l’automobile s’est plus particulièrement focalisée ces dernières années sur le développement de matériaux à faible coefficient de frottement ainsi que lubrifiants plus performants. Ce travail de thèse a pour objectif d’étudier le potentiel des nanoparticules de dichalcogénures métalliques en tant qu’additifs de lubrification pour applications automobiles dans le but de développer de nouveaux lubrifiants hautement performants. Ces nanoparticules, synthétisées pour la première fois dans les années 90, ont déjà montré des propriétés tribologiques intéressantes lors de tests effectués en laboratoire, en régime de lubrification limite. Toutefois, leur utilisation dans des systèmes mécaniques réels nécessite une meilleure compréhension de leurs performances dans des conditions plus proches de la réalité, à savoir en présence de surfaces rugueuses ainsi qu’en présence d’additifs couramment utilisés dans les lubrifiants industriels. Au cours de ce travail, nous nous sommes focalisés sur des nanoparticules de bisulfures de tungstène produites industriellement. Le contexte industriel de ce travail de thèse ainsi que les bases de la tribologie seront exposés dans un premier chapitre consacré à l’état de l’art. Dans ce même chapitre, une revue bibliographique des propriétés lubrifiantes des nanoparticules de bisulfures métalliques (MoS2, WS2) observées lors d’essais tribologiques effectués en laboratoire sera également présentée. L’influence de certains paramètres tels que les conditions d’essais, l’effet de la température, de la concentration, de la cristallinité sera également présentée dans ce premier chapitre.Les résultats de mon travail de thèse seront présentés à travers deux grandes parties. Dans une première, les caractéristiques morphologiques et chimiques des nanoparticules étudiées seront présentées. Leurs propriétés tribologiques dans l’huile de base en présence de surfaces en acier de différentes rugosités seront discutées. Enfin, leurs performances en présence d’additifs couramment utilisés dans les applications industrielles ont également été étudiées. Tous ces essais ont été réalisés en régime de lubrification limite et à 100°C. Dans une seconde partie, le potentiel des nanoparticules pour une application boîte de vitesses a été exploré. Des essais tribologiques ont été réalisés à la fois dans une huile de base ainsi qu’en présence d’un cocktail d’additifs, tout d’abord à l’échelle du laboratoire puis lors de tests réels effectués avec des boites de vitesses utilisées dans l’automobile. Les résultats montrent que les nanoparticules peuvent être utilisées pour augmenter la durée de vie des engrenages
The growing environmental concerns, along with the continuous increase of energy demand, have encouraged research to improve energy efficiency in every technological field. In the transport industry, responsible of more than half of the world’s oil consumption, manufacturers have bet on hybrid fuel technologies, more aerodynamic car profiles, innovative tires and even downsizing of engines and gearboxes to reduce the weight of the vehicles to face the problem. However, according to VTT Technical Research Centre of Finland, in passenger cars one third of fuel consumption is due to friction loss. This means that several millions of liters of fuel are used every year to overcome friction around the world. As a consequence, reduction on the friction losses would have a direct impact in oil consumption. For this reason, research in the tribology field has specially focused in the development of low friction materials and more efficient lubricants. This work investigates the potential of metal dichalcogenide nanoparticles as lubricant additives for automobile applications with the aim of formulating more efficient lubricants. These nanoparticles which were synthetized for the first time in the 90’s have shown interesting tribological properties when added to base oil under specific laboratory test conditions. However, their future use in real-life mechanical systems needs a better comprehension of their behavior on rough surfaces and in the presence of additives commonly used in industrial lubricants.Industrially produced tungsten disulfide nanoparticles were used in this work. First of all, the industrial context of this work and the basis of tribology science in general and of tribology in the automotive industry in particular are exposed in the state of the art part. In this section, a literature review of the lubricating properties of laboratory scale produced metal dichalcogenides nanoparticles of tungsten and molybdenum disulfide is exposed. The effect of different conditions (temperature, concentration in oil, contact pressure, among others) is also presented in this first section. The research work done for this thesis is divided in two main parts. In the first one, the nanoparticles were first morphologically and chemically characterized and their tribological potential in base oil was investigated on smooth and rough surfaces under different test conditions. Then, their tribological behavior in the presence of additives that are commonly used in industrial applications, in the boundary lubrication regime and at 100°C was studied.In the second part, the use of nanoparticles for a gearbox application was explored. The potential of the nanoparticles in base oil and in the presence of a commercial package of additives for this application was studied, first at the laboratory scale, and then in scaled-up tests with gearboxes used in cars. The results suggest that nanoparticles can be used to increase life span of the mechanical parts of gears

Thesis (Ph.D)--Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, 2010.
Committee Chair: El-Sayed, Mostafa; Committee Member: Perry, Joseph; Committee Member: Wang, Zhong; Committee Member: Whetten, Robert; Committee Member: Zhang, John. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

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