La peau est une interface essentielle entre le corps humain et son environnement externe. Au-delà du rôle de couche protectrice contre les agressions externes (mécaniques, thermiques, chimiques…), elle dispose de multiples fonctions de régulation comme l’absorption, la thermorégulation ou la synthèse d’hormones. L’étude de cette interface cutanée est importante, non seulement pour les spécialistes cliniques, mais également pour les chercheurs travaillant dans la compréhension des mécanismes des processus de transfert transcutanés. Longtemps considéré comme une simple couche de cellules mortes, le stratum corneum (SC, couche de la peau la plus externe) était considéré alors comme un acteur secondaire dans ces processus. Des études récentes montrent au contraire que cette couche cutanée, d’une épaisseur pouvant aller de 10 à 40 µm, joue un rôle primordial et déterminant. Ces études révèlent une architecture complexe, qui peut être représentée schématiquement par un empilement de cellules protéiniques (les cornéocytes) situées dans une matrice extracellulaire riche en lipides. Cette couche compacte est loin d’être complètement imperméable aux substances chimiques directement appliquées sur la peau. Nous proposons ici une approche physico-chimique visant à mettre en évidence les mécanismes d’interactions acide-base agissant à l’extrême surface du SC (i.e. une dizaine d’Angströms). En utilisant : i) les réactions de transfert de protons comme “sonde” et ii) une démarche multi-échelles basée sur des titrations de surface par angles de contact et par forces chimiques, nous déterminons quantitativement le rôle de chacune des composantes du SC (i.e. cornéocytes et lipides) dans ce type d’interactions. / Stratum corneum (SC) is a heterogeneous tissue composed of lipid-depleted corneocytes embedded in a lipid-enriched extracellular matrix. It comes from the epidermal differentiation of the skin. The wetting properties of this upper layer are of major interest in the understanding of interfacial phenomena, such as adhesion of microorganisms or proliferation of resident flora. Until now, the wettability behaviour has been characterized through different parameters such as surface energy, critical surface tension, or hydrophilia, via macroscopic contact angle measurements. But this method does not allow to discriminate the effect of the corneocytes with the one of the extracellular matrix on the final surface properties, because of the size of the liquid drop. This work, performed in vitro on human skin explants provided by Pierre Fabre Dermo-Cosmetics, consists in understanding the wetting properties of the SC from macroscopic and nanoscopic points of view. Initially, it is compulsory to thoroughly describe at different scales the physical chemistry of our material, i.e. in vitro SC. Then, knowing that macroscopic contact angles are sensitive to the pH of the liquid probe, the first aim of this work is to determine the “macroscopic pKa values” of the SC, both in vitro and in vivo. Consequently, dynamic contact angles are measured between test-liquid drops (aqueous solutions ranging from pH 1 to pH 13) and the SC in order to obtain the contact angle titration curve of the SC. The same procedure is applied in vivo on SC suffering from skin dryness (xerosis), the results being compared to those obtained previously on safe skin. The second purpose of this study is to reach the pKa values of the different functional groups located on the complex-cornified envelope. This consists in measuring adhesion forces between an AFM (Atomic Force Microscopy) tip (functionalized with specific groups, such as amine, carboxylic acid, hydroxyl, methyl or amide groups) and single-isolated corneocytes through buffered liquid media (ranging from pH 1 to pH 13). As previously, such titration curves are realised on corneocytes coming from safe skin, but also from dry skin. The variations observed in the contact angle titration and chemical force titration curves will be discussed in terms of acid-base, electrostatic interactions and hydrogen bondings. The comprehension of the pH-dependent properties of the SC shall provide a better understanding of the role of individual corneocytes in the final surface properties of the SC.

Nanofibres are found in a broad variety of hierarchical biological systems as fundamental structural units, and nanofibrillar components are playing an increasing role in the development of advanced functional materials. Accurate determination of the mechanical properties of single nanofibres is thus of great interest, yet measurement of these properties is challenging due to the intricate specimen handling and the exceptional force and deformation resolution that is required. The atomic force microscope (AFM) has emerged as an effective, reliable tool in the investigation of nanofibrillar mechanics, with the three most popular approaches—AFM-based tensile testing, three-point deformation testing, and nanoindentation—proving preferable to conventional tensile testing in many (but not all) cases. Here, we review the capabilities and limitations of each of these methods and give a comprehensive overview of the recent advances in this field.

Relatively little is known about the folding and stability of membrane proteins. Conventional thermal or chemical unfolding techniques probe the average behavior of large numbers of molecules and thus cannot resolve co-existing minor and major unfolding pathways and intermediates. Here, I applied single-molecule force measurements based on an atomic force microscope (AFM) to characterize the stability of the membrane protein bacteriorhodopsin (BR). In these mechanical unfolding experiments, an external pulling force played the role of the denaturant and lead to unfolding of the three-dimensional structure of individual proteins. It was found that single BRs unfold step-wise in a well-defined sequence of stable intermediates and in different unfolding pathways. Although single [alpha]-helices were sufficiently stable to unfold in individual steps they also exhibited certain probabilities to unfold in pairs. These observations support the "two-stage" and the "helical-hairpin" model of membrane protein folding. Dynamic force measurements showed that [alpha]-helices and helical hairpins are relatively rigid structures, which are stabilized by narrow energy barriers and have stabilities between 100-10?000 seconds. These forced unfolding experiments were complemented with the development of new force measurement techniques. It is demonstrated that hydrodynamic effects need to be considered to obtain more complete kinetic pictures of single molecules. In addition, two force spectroscopy approaches to measure the complex visco-elastic response of single molecules are presented and applied to BR. These experiments revealed that the unfolding patterns of single proteins are dominated by purely elastic polypeptide extension and determined the dissipative interactions associated with the unfolding of single [alpha]-helices. In addition, it was found that kinks result in a reduced unfolding cooperativity of [alpha]-helices.

Adhesion between different objects is happening everywhere. Without it, simple procedures like walking or holding something in a hand or attaching a postage stamp would be impossible. The life itself depends on adhesion on all levels, starting from the interactions between the living cells. Adhesion between two substrates is a complex phenomenon, which at present is still not well understood. There are several factors determining the strength of adhesion: (i) molecular interactions at interface, (ii) mechanical properties of adhesive, and (iii) area of contact between adhesive and probing surface. Two surfaces are tacky when they possess the right balance between these factors. Controlling the adhesion of materials is important in many fields ranging from industrial purposes to biomedical applications and everyday usage. There is a demand for “smart” materials with integrated functionalities that make them responsive, switchable, biocompatible, anti-bacterial, more energy efficient, or autonomous. In particular, materials for such cutting-edge applications like cell culture, drug delivery, tissue engineering, biosensors, anti/biofouling, microfluidics, climbing robots, sport equipment and many others require adjustable/tuneable adhesive properties. Many efforts were directed towards fabrication of materials with either weak or strong adhesion depending on the field of application. However, design of “smart” surfaces with reversibly switchable/controllable adhesion is still a highly challenging task. Therefore, the thesis aims on design of smart polymeric materials with responsive / adaptive adhesion properties. For this, fabrication and investigation of two types of switchable polymer layers based on stimuli-responsive polymer brushes will be performed. The first group is dealing with thermoresponsive polymer brushes: poly-(N-isopropylacrylamide) and two types of biocompatible polyethylene glycol-based systems. These polymer layers undergo phase transition below and above LCST between hydrophilic and hydrophobic states. The second part of the work is related to solvent-responsive comb-like and block copolymer brushes consisted of hydrophilic PEG and hydrophobic PDMS biocompatible and biodegradable polymers.

Conductive Atomic Force Microscope (c-AFM) was used to measure the conductivity of single horse spleen ferritin (HoSF) and azotobacter vinelandii bacterial ferritin (AvBF) molecules deposited on flat gold surfaces. A 500 micron diameter gold ball was also used as a contact probe to measure the conductivity of a thin film of ferritin molecules. The average current measured for holo HoSF was 13 and 5 times larger than that measured for apo HoSF as measured by c-AFM at 1V and gold ball at 2V and respectively, which indicates that the core of ferritin is more conductive than the protein shell and that conduction through the shell is likely the main factor limiting electron transfer. With 1 volt applied, the average electrical currents through single holo HoSF and single apo HoSF molecules were 2.6 pA and 0.19 pA respectively. Measurements on holo AvBF showed it was more than 10 times as conductive as holo HoSF, indicating that the protein shell of AvBF is more conductive than that of HoSF. The increased conductivity of AvBF is attributed to heme groups in the protein shell.

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Ce travail de thèse est dédié à l'étude de quelques phénomènes de surface impliquant des processus d'interactions à l'échelle nanométrique. Les expériences sont réalisées à l'aide un microscope à force atomique (AFM) à grande sensibilité, utilisant un interféromètre différentiel permettant d'atteindre une résolution de E-28m2/Hz dans la mesure de la déflexion de la sonde de force. Combiné à une approche originale d'analyse du bruit thermique, cet outil permet une caractérisation quantitative de la réponse mécanique de systèmes de taille micrométrique et nanométrique, tel que des micro-leviers ou des nanotubes de carbone, sur une large plage de fréquence.La première partie de mon travail porte sur la viscoélasticité du revêtement de leviers AFM. Mis en évidence par un bruit thermique en 1/f à basse fréquence, ce phénomène est présent lorsque le micro-levier est recouvert d'une couche nanométrique de métal (or, aluminium, platine, etc.) À l'aide du théorème fluctuation-dissipation et des relations de Kramers-Kronig, nous mesurons la dépendance en fréquence de cet amortissement viscoélastique dans une large gamme de fréquence (1Hz à 20 kHz. Nous observons une dépendance en fréquence générique sous la forme d'une loi de puissance pour ce processus de dissipation, avec un petit coefficient négatif qui dépend du matériau considéré. L'amplitude de cet effet est linéaire avec l'épaisseur du revêtement, démontrant ainsi que le mécanisme de dissipation est une propriété du volume de la couche métallique plutôt que de ses interfaces.La deuxième partie de mon travail se concentre sur de nouvelles expériences sur l'interaction de nanotubes de carbone avec des surfaces planes. En utilisant notre AFM, nous réalisons une mesure directe de la réponse mécanique (raideur, dissipation) du contact entre le nanotube et la surface, dans une géométrie de pelage (le nanotube est partiellement adsorbé sur la surface). Les résultats de ce protocole sont en accord avec la mesure de la raideur dynamique déduite de l'analyse du bruit thermique, démontrant une dépendance inattendue en loi de puissance de la raideur du contact en fonction de la fréquence. Nous proposons quelques origines physiques possibles pour expliquer ce comportement, tel qu'une couche de carbone amorphe autour du nanotube. / In this thesis, we test some interactions involving surfaces processes at the nanometer scale. The experiments are conducted with a highly sensitive interferometric Atomic Force Microscope (AFM), achieving a resolution down to E-28m2/Hz for the measurement of deflection. Combined with original thermal noise analysis, this tool allows quantitative characterization of the mechanical response of micrometer and nanometer sized systems, such as microcantilevers or carbon nanotubes, on a large frequency range.The first part of my work deals with the viscoelasticity of the coating of AFM cantilevers. Evidenced by a 1/f thermal noise at low frequency, this phenomenon is present when a cantilever is coated with a metallic layer (gold, aluminium, platinium, etc...). Using the fluctuation dissipation theorem and Kramers Kronig relations, we extract the frequency dependance of this viscoelastic damping on a wide range of frequency (1Hz to 20kHz). We find a generic power law dependence in frequency for this dissipation process, with a small negative coefficient that depends on materials. The amplitude of this phenomenon is shown to be linear in the coating thickness, demonstrating that the damping mechanism takes its roots in the bulk of the metallic layer.The second part of my work tackles new experiments on the interaction of carbon nanotubes with flat surfaces. Using our AFM, we perform a true mechanical response measurement of the rigidity and dissipation of the contact between the nanotube and the surface, in a peeling configuration (the nanotube is partially absorbed to the substrate). The results of this protocol are in line with the dynamic stiffness deduced from the thermal noise analysis, showing an unexpected power law dependence in frequency for the contact stiffness. We suggest some possible physical origins to explain this behavior, such as an amorphous carbon layer around the nanotube.

Transport électronique dans l'ADN Ce travail se situe dans le cadre des recherches en électronique moléculaire. La problématique de la conduction électrique dans l'ADN a été posée en 1962 par Eley et Spivey peu de temps après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953. A l'heure actuelle, il n'y a pas de consensus sur les propriétés de conduction à travers l'ADN. Le transfert de charges sur des distances de quelques nanomètres a été étudié en solution et est assez bien compris. En revanche, les mesures directes sur des électrodes donnent des comportements allant de la supraconductivité induite à l'isolant, en passant par semi-conducteur. Notre travail a été motivé par cette controverse. Nous avons étudié les propriétés électroniques de l'ADN déposé sur différentes couches moléculaires auto-assemblées sur des substrats de silicium. La préparation des surfaces et le dépôt d'ADN constituent la première partie de notre étude. La conductivité de l'ADN a ensuite été mesurée entre des électrodes fabriquées sur un support isolant ou par le biais d'un AFM conducteur. Dans ce dernier cas, la pointe de l'AFM permet tout à la fois d'imager la surface et de servir de seconde électrode pendant la mesure électrique. Deux types de résultats ont été obtenus : les comportements vont de l'isolant au conducteur, les résistances s'étalent sur au moins 6 ordres de grandeur, de 109 W à 1015 W, avec toutefois une plus faible fréquence de mesure des conductivités élevées. Deux points permettent d'expliquer cette grande disparité : d'une part, l'obtention d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN et, d'autre part, la méthode de dépôt de l'ADN sur la surface. La formation d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN nécessite des traitements en général destructifs pour la molécule. Ce contact peut être amélioré en utilisant un paquet de molécules d'ADN comme intermédiaire entre l'électrode évaporée et la corde d'ADN que l'on étudie. Cependant, cette méthode ajoute une résistance série importante. Des mesures systématiques ont été réalisées en fonction de la distance de la pointe AFM au paquet d'ADN et du nombre estimé de brins d'ADN dans la corde. Le dépôt de l'ADN étant un facteur primordial, nous concentrons nos efforts sur ce point pour comprendre plus avant le lien entre la structure de l'ADN et ses propriétés de conduction. Mots-clés : Electronique moléculaire, nanobiotechnologie, ADN, dépôt d'ADN, Microscopie à Force Atomique, AFM conducteur, monocouche auto-assemblée

Le microscope à force atomique (AFM) est un outil privilégié pour sonder la matière à l'échelle nanométrique. Dans cette thèse, nous l'utilisons comme instrument de mesure de force. Nous montrons que la mesure des fluctuations thermiques des ressorts permet de déterminer précisément leur raideur à condition d'utiliser un modèle qui prend en compte la forme des modes et la méthode de détection. A l'aide de nouvelle méthodes d'analyse des courbes de rétraction, nous étudions la conformation de polymères et de copolymères adsorbés, ainsi que l'interaction spécifique entre un complexe du nickel (Ni-NTA) et l'acide aminé histidine. Nous mettons en évidence des comportements inattendus en présence de liens multiples et nous en proposons une interprétation basée sur un équilibre entre formations et ruptures des liaisons. Nous présentons des premiers résultats expérimentaux concernant la transition conformationnelle de la polylysine sous étirement.

Depuis son invention en 1986, les microscopes à force atomique (AFM) ont été des puissants outils pour la caractérisation des matériaux et des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cette thèse est entièrement dédiée à la mesure de l'interaction entre une sonde AFM et une surface avec une nouvelle technique AFM appelée Force Feedback Microscopy (FFM). La technique a été développée et utilisée pour l'étude d'échantillons biologiques. Le principe central de la technologie FFM est que la force totale moyenne appliquée à la pointe est égal à zéro. En conséquence, en présence d'une interaction pointe-échantillon, une force égale et contraire doit être appliquée à la pointe par une boucle de rétroaction. La force de réaction est ici appliquée à la pointe à travers le déplacement d'un petit élément piézoélectrique positionné à la base du levier AFM. La boucle de rétroaction permet d'éviter instabilités mécaniques tels que le saut au contact, permettant la mesure complète de la courbe d'interaction. En plus, il donne la possibilité de mesurer simultanément les parties élastique et inélastique de l'interaction. La technique a été appliquée à l'étude des interactions à l'interface solide/gaz, avec un intérêt particulier pour l'observation de la formation et de la rupture des ponts capillaires entre pointe et échantillon. Ensuite, on a focalisé notre attention aux interfaces solide/liquide. Dans ce contexte, courbes complètes de type DLVO sont caractérisées d'un point de vue élastique et dissipatif. Nous avons développé des nouveaux modes d'imagerie AFM pour l'étude des biomolécules. Images de phospholipides et de l'ADN à force constante ont été réalisées et certaines propriétés mécaniques comme le module de Young des échantillons ont été évaluées. En plus, nous avons réalisé une étude spectroscopique de l'élasticité et du coeffcient d'amortissement de l'interaction entre des cellules vivantes de type PC12 et une pointe AFM en nitrure de silicium. L'étude montre que le FFM est un instrument capable de mesurer l'interaction à des fréquences qui ne sont pas nécessairement liées aux résonances caractéristiques du levier. L'étude spectroscopique pourrait avoir dans le futur des applications importantes pour l'étude des biomolécules et des polymères.