Les SRPs (Small Rigid Platforms) sont des nanoparticules de taille inférieure à 5 nm, constituées d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. Les SRPs ont été développées pour des applications en imagerie multimodale, notamment en imagerie par résonance magnétique, en scintigraphie et en imagerie par fluorescence, ainsi que pour des applications en théranostic, et plus particulièrement, en radiosensibilisation. L'objectif de la thèse consiste à fonctionnaliser les SRPs par des entités de ciblage, capables d'identifier et de se lier à des récepteurs surexprimés par les tumeurs ou par l'endothélium qui leur est associé. Plus précisément, trois molécules ciblantes ont été retenues : (i) le c(RGDfK) – un pentapeptide cyclique contenant le motif Arg-Gly-Asp ciblant spécifiquement l'intégrine αuß3, récepteur de cellule endothéliale pour les protéines de la matrice extracellulaire et surexprimée par de nombreuses cellules cancéreuses, (ii) une molécule dérivée de la quinoxaline – ciblant la mélanine, sur-exprimée par de nombreux types de mélanomes (cancers de la peau), et (iii) un pyridinium – ciblant les protéoglycanes, sur-exprimés par le chondrosarcome (cancer du cartilage). Les différentes molécules ciblantes ont alors été greffées en surface des SRPs afin d'optimiser leur accumulation et leur rétention au sein des tumeurs, et par conséquent, d'augmenter le potentiel de ces SRPs en tant qu'agents théranostiques. Le couplage covalent des différents vecteurs aux SRPs et leur quantification ont été mis en évidence par diverses techniques de caractérisation physicochimiques et complémentaires. Enfin, le ciblage des nanoparticules vectorisées a été démontré par plusieurs tests in vitro et/ou in vivo lors de nombreuses collaborations pour les trois différents vecteurs / SRPs (Small Rigid Platforms) are sub-5 nanometre nanoparticles, composed of a polysiloxane network surrounded by gadolinium chelates. SRPs have previously demonstrated their efficiency for multimodal imaging and theranostic applications, especially magnetic resonance imaging, scintigraphy, fluorescence imaging, and radiosensitization. The purpose of this thesis deals with the functionalization of these SRPs by targeting entities able to recognize and to bind to receptors that are over-expressed by tumours or by the matching endothelium. More specifically, three targeting molecules drew our attention: (i) c(RGDfK) – a cyclic pentapeptide containing the Arg-Gly-Asp motif, able to target the αuß3 integrin, an endothelial cell receptor for the proteins of the extracellular matrix and frequently expressed by tumour cells, (ii) a quinoxaline derivative – targeting melanin, which is over-expressed by melanomas (skin cancers) and (iii) a pyridinium moiety – targeting proteoglycans, which are over-expressed in chondrosarcoma (cartilage cancer). The different targeting molecules were then grafted to the SRPs in order to maximize their accumulation and retention in tumours with the aim to enhance the SRP efficiency as theranostic agents. The covalent coupling of the different targeting molecules to the SRPs and their quantification were performed by various physicochemical characterization techniques. Finally, the targeting of the functionalized SRPs was highlighted by several in vitro and/or in vivo assays thanks to numerous successful collaborations

Depuis sa découverte, le graphène a attiré beaucoup d’intérêt et ses propriétés remarquables font de lui un matériau très étudié par la communauté scientifique. Ce travail de thèse porte non pas sur ces propriétés intrinsèques, mais sur les possibilités de dopage et de fonctionnalisation du graphène pour d’éventuelles applications futures. Le choix du graphène épitaxié sur SiC comme matériau de base nous a permis d’avoir des échantillons adaptés aux études spectroscopiques (XPS, ARPES, NEXAFS) effectuées au synchrotron SOLEIL. Ces études sont indispensables pour la caractérisation macroscopique du graphène dopé et fonctionnalisé. La croissance epitaxiale permet à la fois le dopage in-situ et ex-situ. Dans un premier temps nous avons étudié l’influence de l’azote, élément voisin du carbone. Nous avons opté pour une technique de dopage in-situ, ce qui nous a permis d’avoir du graphène dopé dans un seul et même processus de fabrication. De plus nous avons pu déterminer les conditions de croissance pour obtenir une couche de nitrure de silicium (Si3N4) entre le graphène et le substrat. D’autre part nous avons utilisé l’oxygène pour fonctionnaliser le graphène. En exposant le graphène vierge à l’oxygène atomique et moléculaire, on a pu étudier l’évolution des états vide du graphène en présence d’oxygène. Les bords des grains de graphène sont particulièrement adaptés pour la fonctionnalisation à cause de leur activité chimique. Nous avons ainsi synthétisé du graphène avec des grains de petites dimension (~100 nm) pour avoir une forte densité de bords dans l’échantillon. De cette manière nous avons pu détecter, par absorption des rayons X, la signature de ces états de bord. / Since its discovery, graphene has attracted tremendous interest and its remarkable properties make it a material intensively studied by the scientific community. This thesis is not directly concerned with its intrinsic properties, but the possibilities of doping and functionalization of graphene for future possible applications and devices. The choice of epitaxial graphene on SiC as basic material allowed us to have samples well adapted for spectroscopic studies (XPS, ARPES and NEXAFS) carried out on a synchrotron facility (SOLEIL). These studies are essential for the macroscopic characterization of doped graphene and its functionalization. Epitaxial growth provides us the possibility to dope graphene both in-situ and ex-situ. We first opted for an in-situ doping technique studying the influence of nitrogen as a chemical dopant on the growth process. This allowed us to fabricate doped graphene in a one-step process. By tuning the parameters for epitaxial growth the creation of a silicon nitride layer was also observed. We also used atomic and molecular oxygen for the functionalization of graphene. By exposing pristine graphene to oxygen in an ex-situ process, we were able to study the evolution of empty states of graphene and the consequences on the electronic structure. The edges of graphene crystallites are particularly adapted for functionalization because of their chemical activity. The epitaxial growth on a 3C-SiC substrate allowed us to synthesize graphene with a reduced lateral size (~100 nm) and to have a higher density of edges in our sample. In this way we were able to detect the signature of these edge states using non-local spectroscopic methods.

Depuis plusieurs années, les nanotubes de carbones (NTCs) présentent un important potentiel dans le secteur des applications biomédicales (imagerie médicale, vectorisation de médicaments, etc.). Toutes ces applications impliquent des modifications au niveau de la paroi des NTCs par le biais de fonctionnalisations chimiques afin de pouvoir y greffer des molécules d’intérêt. Il existe deux principales voies de fonctionnalisation impliquant différents types d’interactions et des changements plus ou moins conséquents au niveau des NTCs. D’une part, la fonctionnalisation covalente, la plus largement utilisée, conduit à la formation de liaisons covalentes stables mais modifie en même temps la structure et donc les propriétés intrinsèques des NTCs. D’autre part, les NTCs peuvent être fonctionnalisés de manière non-covalente, c’est-à-dire par le biais d’interactions faibles (interactions hydrophobes, π- π stacking, interactions ioniques, etc.), ce qui n’affecte pas la structure des NTCs. Les objectifs de cette thèse ont été, dans un premier temps, de déterminer le meilleur processus de purification des nanotubes de carbone biparois (DWNTs) synthétisés par CCVD au CIRIMAT afin d’en éliminer toutes traces de nanoparticules métalliques mais surtout d'espèces carbonées indésirables (carbone désorganisé), le but étant de partir d’un échantillon oxydé le plus pur possible et dans lequel le carbone n'est présent que sous forme de NTCs. Ainsi, toute éventuelle compétition entre les différentes espèces carbonées, pouvant rendre impossible toute conclusion claire, est évitée. Les DWNTs ont été choisis comme structure idéale pour représenter à la fois les NTCs mono-paroi (morphologie similaire) et les NTCs multi-parois de manière générale. Les protocoles de fonctionnalisations covalente et non-covalente des DWNTs purifiés ont été mis au point dans un deuxième temps. Le choix des molécules d’intérêt à greffer s’est porté principalement sur des fluorophores (isothiocyanate de fluorescéine FITC ; Cy5 ; une streptocyanine uniquement fluorescente par liaison covalente), permettant ainsi une visualisation directe de la fonctionnalisation. La détermination des taux de greffage, réalisée grâce à différentes techniques de caractérisation, a soulevé les questions de la stabilité dans le temps de la fonctionnalisation non-covalente et de la quantité réellement greffée de façon covalente sur les NTCs lorsque cette voie est choisie. Enfin, les DWNTs ainsi fonctionnalisés ont été par la suite incubés en présence de plusieurs types de cellules afin de tester leur détection in vitro et la stabilité de la fonctionnalisation dans ce type d'environnement. La co-localisation des DWNTs fluorescents au niveau des cellules a été rendue possible par le croisement des résultats obtenus par les microscopies confocales de fluorescence et Raman. / For many years now, carbon nanotubes (CNTs) show an important potential for biomedical applications (medical imaging, targeted drug delivery, tissue engineering, cancer treatment). All these applications involve modifications of the CNTs walls, through chemical functionalisation, in order to make possible the attachment of molecules of interest. There are two main approaches for functionalisation, involving different interactions and more or less substantial changes in CNTs. On the one hand, the most widely used is the covalent functionalisation that leads to stable covalent bonds but also modifies the structure and thus the inherent properties of CNTs. On the other hand, CNTs can be functionalised by a non-covalent way, that is, through weak interactions (hydrophobic interactions, π- π stacking, ionic interactions, etc.), which do not affect the structure of CNTs. The goals of this thesis were, in a first phase, to determine the best purification strategy for double-walled carbon nanotubes (DWNTs), synthesized by a Catalytic Chemical Vapour Deposition process developed at the CIRIMAT, in order to remove all traces of metal nanoparticles but especially of unwanted carbonaceous species (disorganised carbon); the aim was to start from the cleanest oxidised sample in which CNTs are the only form of carbon, in order to avoid any competition between different carbon species, making then impossible to get a clear conclusion. DWNTs were selected as an ideal structure which would represent both single-walled CNTs (similar morphology) and multi-walled CNTs in general. The protocols of covalent and non-covalent functionalisations of purified DWNTs were developed in a second stage. The choice of the molecules of interest to graft mainly fell on fluorophores (fluorescein isothiocyanate FITC; Cy5; a streptocyanine only fluorescent when it is covalently attached), thus allowing a direct observation of the functionalisation. Grafting ratios could be determined thanks to the combination of several characterisation techniques, which raised some questions on the stability with time of the non-covalent functionalisation, and on what is really covalently grafted on the CNTs when this way is chosen. Finally, such functionalised DWNTs were incubated with several types of cells to test their in vitro detection and the functionalisation stability in this kind of environment. Co-localisation of fluorescent DWNTs in the cells was achieved by comparison of the results obtained from confocal fluorescence and confocal Raman microscopies.

Synthesis and functionalization of large-area graphene and its structural, electrical and electrochemical properties has been investigated. First, the graphene films, grown by thermal chemical vapor deposition (CVD), contain three to five atomic layers of graphene, as confirmed by Raman spectroscopy and high-resolution transmission electron microscopy. Furthermore, the graphene film is treated with CF4 reactive-ion plasma to dope fluorine ions into graphene lattice as confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and UV-photoemission spectroscopy (UPS). Electrochemical characterization reveals that the catalytic activity of graphene for iodine reduction enhanced with increasing plasma treatment time, which is attributed to increase in catalytic sites of graphene for charge transfer. The fluorinated graphene is characterized as a counter-electrode (CE) in a dye-sensitized solar cell (DSSC) which shows ~ 2.56% photon to electron conversion efficiency with ~11 mAcm−2 current density. Second, the large scale graphene film is covalently functionalized with HNO3 for high efficiency electro-catalytic electrode for DSSC. The XPS and UPS confirm the covalent attachment of C-OH, C(O)OH and NO3- moieties with carbon atoms through sp2-sp3 hybridization and Fermi level shift of graphene occurs under different doping concentrations, respectively. Finally, CoS-implanted graphene (G-CoS) film was prepared using CVD followed by SILAR method. The G-CoS electro-catalytic electrodes are characterized in a DSSC CE and is found to be highly electro-catalytic towards iodine reduction with low charge transfer resistance (Rct ~5.05 Wcm2) and high exchange current density (J0~2.50 mAcm-2). The improved performance compared to the pristine graphene is attributed to the increased number of active catalytic sites of G-CoS and highly conducting path of graphene. We also studied the synthesis and characterization of graphene-carbon nanotube (CNT) hybrid film consisting of graphene supported by vertical CNTs on a Si substrate. The hybrid film is inverted and transferred to flexible substrates for its application in flexible electronics, demonstrating a distinguishable variation of electrical conductivity for both tension and compression. Furthermore, both turn-on field and total emission current was found to depend strongly on the bending radius of the film and were found to vary in ranges of 0.8 – 3.1 V/μm and 4.2 – 0.4 mA, respectively.

De nombreux complexes de Fe(TAML) ont été décrits au cours des dernières années. Notre groupe a étudié l’utilisation du complexe Fe(TAML-Me2) pour l’oxydation de liaisons C-H benzyliques. L'un des objectifs de cette thèse était de fonctionnaliser le complexe Fe (TAML-Me2) à différentes fins.L'une des fonctionnalisations consistait à utiliser un triazole substitué par une chaîne hexyle, qui pourrait influencer les propriétés physicochimiques du complexe de fer et qui pourraient être utilisées en catalyse homogène. Inversement, un TAML fonctionnalise par 1 triethoxysilane a été conçu pour être greffé sur un support inorganique pour une utilisation ultérieure en catalyse hétérogène. Enfin, une fonctionnalisation par une queue fluorée devai permettre était d'augmenter la solubilité du complexe dans les solvants fluorés en vue d'une utilisation potentielle dans un mélange biphasique susceptible de favoriser la recyclabilité du catalyseur.Nous avons révélé que le complexe MnII (Me2EBC)Cl2 pouvait catalyser l'oxydation d'une série d'alcools benzyliques et aliphatiques avec H2O2. Les conversions des alcools en composés carbonylés correspondants ont atteint 98% avec une sélectivité bonne à excellente / Fe(TAML) complexes have been investigated a lot in recent years. Our group has investigated the simplest Fe(TAML) catalyst for its oxidation with high efficiency. The purpose of this thesis was to functionalize the complex Fe(TAML-Me2) for different uses.One of the functionalizations was to have a hexyl-substituted triazole “tail”, which could influence the physicochemical properties of the iron complex in homogeneous catalysis. Conversely, a silicon tailed-one was designed to be grafted on an inorganic support for a use in heterogeneous catalysis. At last, the purpose of the fluorinated tail was to increase the solubility of the metallocomplex in fluorinated solvents for a potential use in a biphasic mixture that could favor the recyclability of the catalyst. The other purpose of the thesis was to develop an environmental benign catalytic oxidation system with a bioinspired catalyst MnII(Me2EBC)Cl2. We disclosed that the MnII(Me2EBC)Cl2 complex could catalyze the oxidation of a series of benzylic and aliphatic alcohols with H2O2. Conversions of the alcohols to corresponding carbonyl compounds reached 98% with good to excellent selectivity

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22455号 / 工博第4716号 / 新制||工||1737(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 中尾 佳亮, 教授 松原 誠二郎, 教授 杉野目 道紀 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

The expected outcome of this project is to develop a general strategy to functionalize dispersions, by noncovalent adsorption of HMW surfactants, ultimately for applications such as hydrophobic coatings with high hiding power and hardness, improved mechanical properties via pigment-latex interactions, improved substrate adhesion or improved freeze-thaw stability. So far, we have produced poly (methyl methacrylate-co-butyl acrylate) latexes in the presence of HMW surfactants via emulsion polymerization and demonstrated stronger adsorption of HMW surfactants on particle surface than sodium dodecyl sulfate (SDS). In addition, we have developed surfactant-free latexes, poly (methyl methacrylate-co-butyl acrylate-co-methacrylic acid), as models for post functionalization with high molecular weight surfactants. The successful transfer of surfactants onto particle surface from liquid crystals was indicated by the increase in zeta potential and confirmed via chemical shifts variation in 1H NMR spectra. Additionally, the HMW surfactants were used for dispersing hydrophobic inorganic particles, such as hydrophobic carbon black, in aqueous phase, providing an indication of the general applicability and versatility of our approach.

One of the main subjects of this thesis is to design a novel synthetic route to covalently functionalize carbon nanotubes with various molecules in a non-toxic way on both surface and suspension. Functionalized carbon nanotubes are of great interest in the field of molecular electronics, materials science and nano-bio applications because of their remarkable structural, chemical and physical properties. First, the single-walled carbon nanotubes are functionalized with gold nanoparticles by the route, which involves silanization and copper-free click chemistry (SPAAC). We characterize the functionalized nanotubes through XPS, IR and Raman spectroscopic techniques to identify the surface attachment of molecules after each step. We observe a drastic change in homogeneity and functionalization density of single-walled carbon nanotubes with gold nanoparticles concerning solvent through TEM. Employing the same route, biomolecules such as fluorescent dyes and single-stranded DNA molecules are integrated with SWNTs. Fluorescence lifetime analysis of AF647 functionalized SWNTs is reduced compared to free dye due to the fluorescence quenching phenomenon of carbon nanotubes. Functionalized SWNTs are characterized with FLIM, SEM, and Raman for better correlation at the same area of interest. Furthermore, the nanotubes are resolved at the nanoscale level through STORM imaging technique with a limited photon budget. Single-stranded DNA molecules of different lengths are used to investigate the fluorescence quenching as they are distance-dependent. DNA-PAINT is engaged in imaging the functionalized SWNTs with an unlimited photon budget, overcoming STORM's challenge. Lastly, the route is transferred to surface-grown CNTs through the CVD technique, in which both the gold nanoparticles and fluorescent dyes are grafted with nanotubes selectively. CVD is carried out on different substrates Si/SiO2, quartz substrate and quartz coverslip for substrate functionalization. Catalyst deposition plays a significant role in not only the CVD growth but also in the lifetime analysis of the substrate functionalized nanotubes. We observe similar fluorescence quenching of nanotubes in the substrate compared with nanotubes functionalized in suspension. Surface-grown nanotubes in the optically transparent substrate can be resolved through STORM at the nanoscale level. In conclusion, we demonstrate a synthetic design to functionalize SWNTs which provides the possibility to be versatile and non-toxic. Moreover, we show that the nanotubes can be functionalized through this route homogeneously and selectively on both surface and suspension. This work lays the foundation for tailoring SWNTs with not only a wide range of molecules and to study their functional characteristics but also to carry out functionalization on different substrates for various applications.

Cancer prevails as one of the most devastating diseases being at the top of death causes for adults despite continuous development and innovation in cancer therapy. Nanotechnology may be used to achieve therapeutic dosing, establish sustained-release drug profiles, and increase the half-life of drugs. In this context, magnetic nanowires (NWs) have shown a good biocompatibility and cellular internalization with a low cytotoxic effect. In this thesis, I induced cancer cell death by combining the chemotherapeutic effect of iron NWs functionalized with Doxorubicin (DOX) with mechanical disturbance under a low frequency alternating magnetic field. Two different agents, APTES and BSA, were separately used for coating NWs permitting further functionalization with DOX. Internalization was qualitatively and quantitatively assessed for both formulations by confocal reflection microscopy and inductively coupled plasma-mass spectrometry. From confocal reflection analysis, BSA formulations demonstrate to have a higher internalization degree and a broader distribution within the cells in comparison to APTES formulations. Both groups of functionalized NWs generated a comparable cytotoxic effect in MDA-MB-231 breast cancer cells in a DOX concentration-dependent manner, (~60% at the highest concentration tested) that was significantly different from the effect produced by the free DOX (~95% at the same concentration) and non-functionalized NWs formulations (~10% at the same NWs concentration). A synergistic cytotoxic effect is obtained when a low frequency magnetic field (1 mT, 10 Hz) is applied to cells treated with the two formulations that is again comparable (~70% at the highest concentration). Furthermore, the cytotoxic effect of both groups of coated NWs without the drug increased notoriously when the field is applied (~25% at the highest concentration tested). Here, a novel bimodal method for cancer cell destruction was developed by the conjugation of the magneto-mechanical properties of the iron NWs coupled with the chemotoxic effect of an anticancer drug. Moreover, it was demonstrated that iron nanowires possess an outstanding biocompatibility and showed high efficacy as drug delivery agents coupled to a high degree of cell internalization. Finally, the proposed method benefits from the low power fields applied during treatment. This poses much less safety risks and allows using cheaper and simpler equipment.

Předložená diplomová práce se zabývá přípravou biodegradabilního termosenzitivního triblokového kopolymeru na bázi polyethylenglykolu, kyseliny polymléčné a polyglykolové (PLGA-PEG-PLGA) a dále pak především jeho modifikací anhydridem kyseliny itakonové (ITA), který dodá kopolymeru jak reaktivní dvojné vazby tak i funkční karboxylové skupiny důležité pro reakci s biologicky aktivními látkami. Hlavním cílem bylo optimalizovat reakční podmínky pro dosažení nejvyššího stupně navázání ITA na polymer za vzniku ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA. Uvedený kopolymer je po vytvoření heterogenního kompozitu např. s hydroxyapatitem vhodný pro biomedicíncké aplikace především v oblasti tkáňového inženýrství jako dočasná náhrada či fixace tvrdých tkání (kostí). V teoretické části uvedené práce jsou na základě literární rešerše obecně popsány hydrogely, jejich rozdělení, síťování a degradace. Stručně jsou rozepsány fyzikální a chemické vlastnosti a syntéza jednotlivých biomateriálů použitých při syntéze, anhydridu kyseliny itakonové a jejich kopolymerů. Experimentální část popisuje detailně syntézu PLGA-PEG-PLGA kopolymeru polymerací za otevření kruhu pomocí vakuové linky a Schlenkových technik. Byla sledována i kinetika polymerace s navržením nejvhodnějších podmínek syntézy. Uvedený kopolymer byl následně modifikován anhydridem kyseliny itakonové opět katalytickou reakcí za otevření kruhu. V důsledku optimalizace reakčních podmínek byl sledován vliv teploty, rozpouštědla, času a čistoty vstupních látek. Výsledný ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA kopolymer byl charakterizován pomocí 1H NMR, FT-IR a GPC metody. Byly sledovány kinetiky polymerace PLGA-PEG-PLGA kopolymeru a to z přesublimované a nepřesublimované kyseliny polymléčné a polyglykolové. V obou případech probíhala kinetika reakcí bez přítomnosti rozpouštědla při 130 °C po dobu 3 hodin s konverzí asi 90 %. Delší čas neměl vliv na růst konverze. U kinetiky z nepřesublimovaných monomerů byl sledován během několika prvních minut prudký nárůst konverze a pak již byl průběh konstantní, na čase nezávislý. Výsledná polydisperzita kopolymeru byla 1,26 a molekulová hmotnost 7155 g/mol. Optimálních podmínek bylo dosaženo u polymerace z přesublimovaných monomerů, kdy byl nárůst konverze do hodnoty 88 % získané během 2,5 hodin téměř lineární (polymerace byla živá) a poté byl progres konstantní. Byl získán přesně definovaný PLGA-PEG-PLGA kopolymer o molekulové hmotnosti 7198 g/mol a polydisperzitě 1,20. Nejlepších podmínek při syntéze ITA/PLGA-PEG-PLGA/ITA kopolymeru bylo dosaženo reakcí bez přítomnosti rozpouštědla při 110 °C po dobu 1,5 hodiny s přesublimovaným anhydridem kyseliny itakonové, kdy bylo na původní kopolymer navázáno 76.6 mol. %. Výsledná molekulová hmotnost kopolymeru (5881 g/mol) s polydisperzitou 1,37 stanovená pomocí GPC se shodovala s vypočítanou molekulovou hmotností z 1H NMR i s teoretickou molární hmotností (Mn(teor)/Mn(GPC)/Mn(NMR) = 1/0,89/0,96).