Les matériaux nanostructurés ont des propriétés remarquables (surfaces d'échanges élevées, effet de confinement...) issues de leurs très faibles dimensions caractéristiques. La démarche mise en place dans le cadre de ces travaux de thèse consiste à transposer les procédés classiques d'élaboration des matériaux nanostructurés de type aérogel (combinant synthèse sol-gel et extraction au CO2 supercritique) à des précurseurs cellulosiques. Le travail a été subdivisé en quatre parties qui portent respectivement sur une étude approfondie de la bibliographie, la mise au point et l'étude des formulations chimiques conduisant à des aérogels à partir d'acétate de cellulose, les caractérisations (chimiques, structurales et thermiques) des matériaux nanostructurés élaborés, et finalement l'étude des premiers carbones obtenus par pyrolyse des matrices organiques. Les formulations et le protocole sol-gel conduisent à des gels chimiques par réticulation de l'acétate de cellulose à l'aide d'un isocyanate polyfonctionnel. Les aérogels obtenus après extraction du solvant au CO2 supercritique sont nanostructurés et essentiellement mésoporeux. Les caractérisations structurales ont notamment permis de dégager des corrélations entre les paramètres chimiques de la synthèse (concentration en réactifs, taux de réticulation, degré de polymérisation) et les propriétés poreuses des matériaux (densité, porosité, distribution de taille des pores). Un aérogel ultraporeux de référence, avec une masse volumique égale à 0,245 g .cm-3 et un volume mésoporeux de 3,40 cm3 .g-1 a ainsi été élaboré. Une fois mis sous forme divisée, il présente une conductivité thermique de 0,029 W .m-1 .K-1. D'autre part, les carbones obtenus après pyrolyse du réseau solide organique puis broyage sont nanostructurés et nanoporeux, malgré les nombreuses modifications structurales intervenant lors de l'étape de carbonisation. Les matériaux élaborés dans le cadre de cette thèse sont caractérisés et évalués pour des applications liées à l'énergétique telles que l'isolation thermique (aérogels organiques) mais également pour le stockage et la conversion d'énergie par voie électrochimique (aérogels de carbone).

De nos jours, efficacité et précision des diagnostics médicaux sont des éléments essentiels pour la prévention en termes de santé et permettre une prise en charge rapide des maladies des patients. Les récentes innovations technologiques, particulièrement dans les domaines de la microélectronique et des sciences des matériaux ont permis le développement de nouvelles plateformes personnalisées de diagnostics portatifs. Les matériaux électroniques organiques qui ont déjà par le passé démontré leur potentiel en étant intégrés dans des produits de grande consommation tels que les écrans de smartphones ou encore les cellules solaires montrent un fort potentiel pour une intégration dans des dispositifs biomédicaux. En effet, de par leurs natures et leurs propriétés physiques et chimiques, ils peuvent être à la fois en contact avec les milieux biologiques et constituer l’interface entre les éléments biologiques à l’étude, et les dispositifs électroniques. L’objectif de mes travaux de thèse et d’étudier et évaluer les performances des matériaux organiques électroniques intégrés dans des dispositifs biomédicaux en étudiant leurs interactions avec des milieux biologiques et par l’utilisation et l’optimisation de ces dispositifs permettre la détection de métabolites tel que le glucose ou lactate par exemple. Pendant ma thèse, j’ai notamment créé une plateforme de diagnostics combinant à la fois microfluidique et électronique organique permettant la multi détection de métabolites présents dans des fluides corporels humains, j’ai également conçu des capteurs intégrant des transistors organiques au sein des circuits électroniques classiques afin de détecter la présence des cellules tumorales. D’autres applications biologiques ont également été envisagées telles que la détection d’acides nucléiques par l’utilisation d’une approche simple de biofonctionnalisation. Bien que l’objectif ma thèse était de de créer des capteurs biomédicaux en utilisant une approche in vitro, il pourrait être également possible d’intégrer ces dispositifs « in vivo » ou encore dans des e-textiles. / Rapid and early diagnosis of disease plays a major role in preventative healthcare. Undoubtedly, technological evolutions, particularly in microelectronics and materials science, have made the hitherto utopian scenario of portable, point-of-care personalized diagnostics a reality. Organic electronic materials, having already demonstrated a significant technological maturity with the development of high tech products such as displays for smartphones or portable solar cells, have emerged as especially promising candidates for biomedical applications. Their soft and fuzzy nature allows for an almost seamless interface with the biological milieu rendering these materials ideally capable of bridging the gap between electronics and biology. The aim of this thesis is to explore and validate the capabilities of organic electronic materials and devices in real-world biological sensing applications focusing on metabolite sensing, by combining both the right materials and device engineering. We show proof-of-concept studies including microfluidic integrated organic electronic platforms for multiple metabolite detection in bodily fluids, as well as more complex organic transistor circuits for detection in tumor cell cultures. We finally show the versatility of organic electronic materials and devices by demonstrating other sensing strategies such as nucleic acid detection using a simple biofunctionalization approach. Although the focus is on in vitro metabolite monitoring, the findings generated throughout this work can be extended to a variety of other sensing strategies as well as to applications including on body (wearable) or even in vivo sensing.

Cette étude a été divisée en 2 parties principales. Dans la première partie, nous examinons la relation entre l'activité des sources neuronales et les HFOs observés sur les électrodes intracérébrales. La deuxième partie traite de l'étude des conditions d'observabilité des HFO sur les électrodes du cuir chevelu. Les simulations ont montré que le modèle de champ neuronal proposé est capable de générer des HFOs montrant une forte ressemblance avec les signaux réels dans les deux cas EEG (cuir chevelu) et SEEG (intracérébral). De plus, nous avons pu relier les mécanismes physiopathologiques (GABA dépolarisant, inhibition directe, activité désynchronisée des populations neuronales) aux différentes caractéristiques morphologiques et spectrales des HFOs intracérébrales. Une hypothèse unifiée pour la production des HFOs et des pointes intercritiques est également formulée. Enfin, nous avons réussi à établir les conditions nécessaires sur l'activité temporelle et l'organisation spatiale des sources neuronales pour observer des HFOs sur les électrodes intracérébrales.En ce qui concerne la deuxième partie, la baisse inexpliquée de fréquence dans les HFOs collectées sur les électrodes du cuir chevelu a été abordée. Nous avons constaté que les mécanismes «non oscillatoires» de la génération de HFOs sont à l'origine de la faible fréquence (<200Hz) des HFOs du cuir chevelu et que le rapport signal / bruit (SNR) influe fortement sur la fréquence des oscillations. De plus, nous avons étudié la topographie des HFOs sur les électrodes du cuir chevelu et analysé comment cette topographie est affectée par différents paramètres (étendue spatiale épileptique, SNR, géométrie 3D). Enfin, nous avons montré que les HFOs du cuir chevelu peuvent être utilisés efficacement pour identifier la zone épileptique lorsque le rapport signal sur bruit des signaux enregistrés est suffisamment élevé. Une perspective de ce travail est l'identification non-invasive de la zone épileptique sans la nécessité d'enregistrements intracérébraux pré-chirurgicaux.Pour les deux études (HFO observés sur les électrodes intracérébrales et du cuir chevelu), un logiciel original et convivial a été développé. Ce logiciel a fortement facilité la simulation des signaux dans l'environnement cerveau/électrode virtuel, signaux obtenus en résolvant le problème direct de l’EEG (projection de la contribution électrique des sources neuronales sur les capteurs). / This study was divided into 2 main parts. In the first part, we address the relationship between the activity of neuronal sources and the HFOs observed on intracerebral electrodes. The second part deals with the investigation of observability conditions of HFOs on scalp electrodes. Simulations showed that the proposed neural field model is capable of generating HFOs showing strong resemblance with real signals in both cases EEG (scalp) and SEEG (intracerebral). Moreover, we were able to relate the pathophysiological mechanisms (depolarizing GABA, feedforward inhibition, desynchronized activity of neuronal populations) to different morphological and spectral features of intracerebral HFOs. A unified hypothesis for generation of HFOs and interictal spikes is also formulated. Finally, we managed to establish the necessary conditions about the temporal activity and the spatial organization of neuronal sources and about for HFOs to be observed on intracerebral electrodes. Regarding the second part, the unexplained drop in frequency in the collected HFOs on scalp electrodes was addressed. We found that the “non-oscillatory” mechanisms of the HFO generation is behind the low frequency (<200Hz) in scalp HFOs and that signal to noise ratio (SNR) heavily impacts the frequency of the oscillations. Moreover, we studied the topography of HFOS on scalp electrodes and analyzed how this topography is affected by different parameters (epileptic spatial extent, SNR, 3D geometry). Finally we showed that scalp HFOs can be effectively used to identify the epileptic zone when the SNR of the recorded signals is sufficiently high. A perspective to this work is the non-invasive identification of epileptic zone without the need for presurgical intracerebral recordings. For the purpose of both studies (HFOs observed on intracerebral & scalp electrodes) an original and user-friendly software package was developed. This software strongly facilitated the simulation of signals in the virtual brain/electrode environment obtained by solving the (S)EEG forward problem (projection of the electric contribution of neuronal sources onto electrode contacts).

Ce travail de thèse explore l’excitation électrique de micro-OLEDs en régime d’impulsion afin d’évaluer la possibilité d’atteindre le seuil laser dans les diodes laser organiques qui restent encore à démontrer. Ils’agit d’identifier des solutions scientifiques et techniques ouvrant la voie vers des densités d’excitations électriques équivalentes aux seuils laser observés en pompage optique. Dans la littérature, les seuils les plus bas sont équivalents à des densités de courant entre 0.72 et 4kA/cm² si on suppose une efficacité quantique externe de 1%. De telles densités de courant imposent un régime d’excitation électrique impulsionnel pour s’affranchir des risques de destructions par effet thermique et des pertes par annihilation singulet-triplet dès lors que l’on travaille avec des durées d’impulsion de l’ordre de la nanoseconde. Et pour espérer des réponses électriques et optiques efficaces à de telles durées d’impulsions, il est proposé ici de combiner l’électronique hyperfréquence et l’optoélectronique organique. A cet effet, un modèle électrique équivalent de l’OLED permettant d’accéder à son temps de réponse en mode tout-ou-rien est développé. De plus, des électrodes spécifiques sont dimensionnées et structurées sous forme de lignes coplanaires d’impédance caractéristique 50Ω afin de maîtriser l’impédance du circuit d’excitation et d’assurer le transfert du maximum d’énergie de l’impulsion d’excitation vers celui-ci. Après dépôts de l’hétéro-structure organique basée sur le système hôte-dopant Alq3:DCM, les composants ainsi réalisés sont caractérisés électriquement et optiquement avec différentes techniques par analyse vectorielle, en régime continu et en régime d’impulsion. En régime d’impulsion de très courtes durées (2.5~20ns) et à faible taux de répétition (100Hz), des temps de réponse de 330ps etdes densités de courant maximales entre 4 et 6kA/cm² ont été mesurés alors que le maximum de luminance culmine à 4.11x10⁶ cd/m². / This thesis explores the pulsed electrical excitation of micro-OLEDs in order to evaluate the possibility of reaching the laser threshold in organic laser diodes that have not yet be demonstrated. The main goal is the identification of the scientific and technical solutions towards high electrical excitation current densities equivalent to the laser thresholds observed under optical pumping. In the literature, the lowest reported thresholds are equivalent to current densities between 0.72 and 4kA/cm², assuming an external quantum efficiency of 1%. Such current densities imply a pulsed electrical excitation regime to prevent the risks of device breakdown by Joule heating effects and to avoid losses by excitons annihilation processes, as long as the pulses duration are in nanosecond range. To expect efficient electrical and optical responses to such pulse durations, it is suggested to combine microwave electronics and organic optoelectronics. For this purpose, an equivalent electrical model of the organic light emitting device, allowing access to its on-off mode time response, is developed. Additionally, specific electrodes are designed and patterned in the coplanar waveguide configuration with characteristic impedance of 50Ω, inorder to control the impedance of the excitation circuit and to ensure the maximum energy transfer of the excitation pulse to the device. After deposition of organic hetero-structure based on the Alq3:DCM host-guest system, the device is characterized electrically and optically with different techniques by vector network analysis, in continuous mode and in pulse mode. In pulse excitation regime with very short pulses durations (2.5~20ns) and low repetition rate (100Hz), time response of 330ps and maximum current densities between 4 and 6kA/cm² are recorded while the maximum of luminance peaks at 4.11x10⁶ cd/m².

Notre sujet de recherche vient d'une demande de cliniciens pour obtenir en grande quantité des hybridomes issus de la fusion entre cellules cancéreuses et cellules dendritiques. Ces travaux s'insèrent dans la recherche contre le cancer par un procédé proche de la vaccination, appelé immunothérapie du cancer. Il existe actuellement des dispositifs commercialisés, mais ceux-ci ne parviennent pas à produire de façon importante des hybridomes de qualités. L'idée était donc de se placer à l'échelle des cellules, pour interagir sur elles de façon précise, tout en bénéficiant de la miniaturisation pour contrôler un grand nombre de cellules en parallélisant le dispositif. Restait à choisir quelles forces utiliser pour agir sur les cellules pour les déplacer, les placer et les fusionner, car à l'échelle microscopique le rapport des forces sont différents de ceux à notre échelle. Nous avons opté pour l'emploi de la microfluidique pour le transport des cellules, de la diélectrophorèse pour les positionner et de l'électrofusion pour les fusionner. Ce projet est à la conjonction de savoir-faire dans les domaines de la microtechnologie, de l'interaction champs électriques-cellules et de la biologie cellulaire.

Pour être réellement exploitables, les données d'enregistrements extracellulaires multiunitaires doivent faire l'objet d'un traitement préalable visant à isoler les activités neuronales individuelles qui les constituent: le spike-sorting. Ce travail de thèse est une contribution au développement et à la réalisation d'une méthode automatique de spike-sorting implémentant un algorithme de Monte Carlo par Chaînes de Markov (MCMC). La méthode proposée permet de tenir compte, en plus de la forme des potentiels d'action (PAs), de l'information fournie par leurs temps d'émission pour réaliser la classification. Cette utilisation de l'information temporelle rend possible l'identification automatique de neurones émettant des PAs de formes non stationnaires. Elle améliore aussi grandement la séparation de neurones aux PAs de formes similaires. Ce travail méthodologique à débouché sur la création d'un logiciel libre accompagné de son manuel d'utilisateur.<br /><br />Cette méthode de spike-sorting a fait l'objet d'une validation expérimentale sur des populations de cellules de Purkinje (PCs), dans les tranches de cervelet de rat. Par ailleurs, l'étude des trains de PAs de ces cellules fournis par le spike-sorting, n'a pas révélé de corrélations temporelles significatives en régime spontané, en dépit de l'existence d'une inhibition commune par les interneurones de la couche moléculaire et d'une inhibition directe de PC à PC. Des simulations ont montré que l'influence de ces inhibitions sur les relations temporelles entre les trains de PCs était trop faible pour pouvoir être détectée par nos méthodes d'analyse de corrélations. Les codes élaborés pour l'analyse des trains de PAs sont également disponibles sous la forme d'un second logiciel libre.

Il s'agit de relier l'avantage en termes de vitesse d'usinage, que procurent des revêtements complexes de phases du système cuivre zinc oxygène sur les fils-électrodes de laiton, a la thermodynamique de l'arc électrique.Il apparait que les fils revêtus usinent plus vite que les fils nus, pour la même intensité, et ce malgré une tension d'arc plus faible. Les tensions d'arc moyennes de différents fils, employés en polarité négative, ont été mesurées, comparées aux données bibliographiques, et modélisées.La tension d'arc d'une cathode est d'autant plus faible que la pression de vapeurs métalliques qu'elle généré est élevée. Une faible chute de potentiel a la cathode limite son échauffement, donc son érosion. Une pression élevée pendant l'arc permet éjecter une plus grande proportion de la matière en fusion présente a la surface des électrodes a la fin de l'arc d'usinage.Des mesures de pertes de masse sur différents fils électrodes et sur différentes pièces confirment notre thèse.

Suite à une proposition du programme européen BRITE-EURAM II, le contrat " Gas Sensors and Associated Signal Processing for Automotive Applications ", appelé aussi ECONOX, et établi avec différents partenaires scientifiques et industriels, a permis à l'équipe " Chimie-Physique des Semi-Conducteurs " du centre " Sciences des Processus Industriels et Naturels " de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne de valoriser un long travail déjà effectué sur des capteurs à gaz et de financer d'autres recherches afin " d'industrialiser " un certain type de capteur dit à " alumine β ". Le laboratoire travaille, en effet, depuis quelques années déjà, au développement de ce nouveau type de capteur constitué par un mélange d'alumine β/ β'' dopé ou non avec du verre. Ce capteur, de type potentiométrique, fournit une tension électrique lorsqu'il est en présence de monoxyde de carbone ou bien encore de gaz susceptibles de se combiner aux contacts des deux électrodes d'or et de platine. Eliette Fascetta a travaillé sur ce type de capteur en utilisant d'abord le dioxyde de soufre puis le monoxyde de carbone. Nous savons, grâce aux travaux déjà effectués, que la réponse électrique est fonction de la température à laquelle est porté le capteur, de la concentration des gaz injectés, ainsi que de leur nature.

La connaissance des poisons est fort ancienne. Si les premières intoxications observées ont eu pour origine la consommation, par ignorance ou par méprise de végétaux vénéneux, il semble que les premiers toxiques utilisés aient servi à empoisonner des flèches destinées à la chasse ou à la guerre. Le terme de toxique dérive d'ailleurs du mot grec "toxon" qui signifie "arc". L'utilisation durant la première Guerre Mondiale du fameux "gaz moutarde", jusqu'aux "Nerve Gases" et aux défoliants confirment que l'humanité s'est toujours préoccupée de trouver des moyens de tuer. De l'exécution de Socrate à la ciguë, à la Reine Catherine de Médicis qui fabriquait elle-même ses poisons dans son cabinet secret de Blois, on peut dire que la toxicologie classique a conduit aux premières études des inhibiteurs enzymatiques. La cinétique d'inhibition produite par une substance se liant réversiblement avec une enzyme fut développée dans une publication originale de MICHAELIS et MENTEN en 1913, mais il fallut attendre un certain nombre d'années avant que ce type d'inhibition fut caractérisé. L'isolement et la purification partielle de la première enzyme l'Uréase en 1926 par SUMMER fut l'étape déterminante pour la suite, car les études de l'inhibition de l'enzyme en solution devenaient alors possible. En 1930 alors que COOK démontrait expérimentalement le mécanisme de l'inhibition compétitive énoncée 17 ans plus tôt par MICHAELIS et MENTEN, à la même époque HALDANE établissait un autre type d'inhibition qu'il nommait "non compétitif ". Depuis SUMMER les études portant sur l'inhibition de l'enzyme en solution ou de suspension de cellules sont considérables et de grands noms restent attachés (WILSON, ALDRIDGE, NACHMANSON, MONOD), C'est sur ces travaux fondamentaux que reposent encore aujourd'hui les bases de l'enzymologie classique.

Le stockage de l'énergie est un domaine en pleine évolution. Le développement des énergies renouvelable et les besoins croissants d'autonomie énergétique (ordinateur portable, Smartphone, voiture électrique) impliquent le développement de nouvelles technologies, plus performantes, moins coûteuses et écologiquement satisfaisantes. Les batteries lithium-air sont vues comme une alternative prometteuse aux batteries lithium- ion, car elles ont une capacité théorique de stockage 2-3 fois plus élevée. La structuration et la réactivité à la cathode est un verrou important. La présente étude se focalise sur le compartiment positif de la cellule, dans lequel les réactions de l’oxygène sont mises en jeu. Dans un premier temps, des modifications de la surface des électrodes de travail qui puissent agir comme fournisseurs de diènes, en utilisant le mécanisme Diels Alder, sont faites afin de changer les propriétés physico-chimiques de surfaces carbonées. Puis, la chimie click a été utilisée comme une deuxième technique de greffage en montrant que l’hydrophobicité des liquides ioniques influe sur la forme de greffage sur la surface des électrodes. Ensuite ces deux mécanismes de greffage sont utilisés pour étudier la réaction de réduction de l’oxygène et la réactivité du superoxyde à l’interface d’une électrode de carbone qui joue le rôle de cathode. / Energy storage is an evolving field. The development of renewable energies and the growing needs for energy autonomy (laptop, smartphone, and electric car) imply the development of new technologies that are more efficient, less costly and ecologically satisfactory. Lithium-air batteries are seen as a promising alternative to lithium-ion batteries, because they have a theoretical storage capacity 2-3 times higher. Structuring and reactivity at the cathode is an important lock. The present study focuses on the positive compartment of the cell, in which the reactions of oxygen are involved. In a first step, modifications of the surface of the working electrodes which can act as diene suppliers, using the Diels Alder mechanism in order to change the physicochemical properties of carbon surfaces. Then click chemistry was used as a second grafting technique showing that the hydrophobicity of the ionic liquids affects the grafting form on the surface of the electrodes. Then these two grafting mechanisms were used to study the oxygen reduction reaction and the reactivity of the superoxide at the interface of a carbon electrode which functions as a cathode.