Dans une première partie nous considérons le système {YSZ || (0001)_alpha-Al2O3} ({couche||substrat}) obtenu par voie sol-gel pour lequel des traitements thermiques induisent la formation d'îlots YSZ épitaxiés plats (interfaces (1) et (2); substrat plan) ou bombés (interface (3); substrat rugueux). Nous proposons un modèle physique à l'échelle atomique et une approche de simulation ab initio pour calculer l'énergie et comparer la stabilité de chaque interface observée expérimentalement.<br />La deuxième partie introduit un modèle physique à l'échelle nanométrique couplé à un algorithme Monte-Carlo classique pour simuler la mise en îlots, au cours d'un traitement thermique, de films minces synthétisés par voie sol-gel. Cette partie complète l'étude précédente en justifiant la plus grande stabilité de l'interface (3) vis à vis des interfaces (1) et (2) sur un substrat rugueux. Nous proposons ensuite une démarche de simulation analogue et un modèle décrivant les processus de formation d'îlots pour des couches synthétisées par des procédés de type PVD-CVD illustrés par le système {Ge||Si}.<br />Finalement, un modèle physique et un algorithme de dynamique moléculaire classique sont associés pour simuler l'auto-organisation de particules de diamant micrométriques immergées dans un film liquide horizontal en évaporation sur un substrat. Les particules sont soumises à des forces capillaires attractives et des forces de friction avec le substrat qui est plan ou rayé. L'expérience démontre une agglomération préférentielle des particules sur les zones de forte rugosité d'un substrat rayé; le modèle démontre l'importance des frottements dans l'interprétation de ce phénomène.

L'objectif de cette thèse consiste à développer une nouvelle approche d'élaboration des îlots quantiques de Ge sur substrat de Si(001) par épitaxie sélective et à étudier les propriétés optiques et électriques de ces îlots. Deux méthodes d'épitaxie sélective ont été utilisées. La première est la croissance d'îlots quantiques de Ge dans des ouvertures obtenues par désorption partielle d'une couche de silice native. Cette approche qui ne nécessite pas de procédé technologique préalable permet d'obtenir des ouvertures, dont la dimension latérale varie entre 100 et 300 nm. Nous obtenons un ou plusieurs îlots de Ge par ouverture en fonction de cette dimension. Le silicium épitaxié sélectivement dans ces ouvertures évolue vers une forme de pyramide tronquée. En contrôlant la hauteur de cette couche, nous pouvons obtenir au sommet de celle-ci un seul îlot de Ge, même dans une grande ouverture. La deuxième est la croissance sélective des îlots quantiques de Ge dans des fenêtres obtenues par lithographie. Le nombre d'îlots et leurs positions dépendent de la taille, de la forme des fenêtres, et de la surface de la terrasse de Si. Des couches simples et des multicouches d'îlots de Ge ont été réalisées. Les propriétés optiques des îlots sélectifs sont étudiées par spectroscopie de photoluminescence et Raman. La comparaison avec les îlots auto-assemblés révèle l'absence de signaux provenant de la couche de mouillage et un décalage vers les hautes énergies. Les propriétés électriques des îlots sélectifs sont étudiées à travers des caractéristiques courant-tension de diodes Schottky en fonction de la température et des mesures électriques via une pointe AFM à température ambiante.

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude du bruit d'intensité et de l'influence de l'injection optique pour des lasers à îlots quantiques et à bâtonnets quantiques. Ces structures font l'objet de nombreuses attentes mais peu d'études ont été jusqu'à présent réalisées. Nous détaillons les techniques de mesures de bruit et développons une analyse de l'interaction entre les modes d'un laser multifréquences à partir de mesures de bruit. Une modélisation du bruit d'intensité dans les structures à îlots quantiques montre un fonctionnement plus complexe de ces structures en comparaison aux structures massives. Il indique le rôle majeur de la couche dite de mouillage, en accord avec l'étude expérimentale. Les meilleures caractéristiques dynamiques liées à une fréquence de relaxation et un taux d'amortissement plus forts s'accompagne d'un bruit plus faible dans un laser à bâtonnets quantiques comparativement à un laser massif de structure comparable. Un nombre plus réduit de plans de bâtonnets quantiques conduit à de moins bonnes caractéristiques dynamiques alors que cette diminution est connue pour diminuer le seuil laser. L'étude de l'injection optique dans ces structures montre un comportement très proche de celui des lasers monomodes. Peu de régimes sont rencontrés en comparaison à l'injection dans un laser multi-mode massif. Par ailleurs nous montrons l'observation du régime de multi-excitabilité dans ces structures.

Le diabète mellitus de type I est une maladie de plus en plus abondante. Cette dernière est caractérisée par la destruction auto-immunitaire des îlots de Langerhans incluant les cellules de type [bêta] qui produisent de l'insuline dans le pancréas endocrinien. Une option de traitement pour les patients atteints de cette maladie est notamment une greffe des îlots de Langerhans. Ce traitement est limité dû au nombre restreint de donneurs d'organes et aussi à la perte de fonctionnalité des îlots suite à la greffe. Les études effectuées tout au long de cette thèse ont pour optique d'adresser ces contraintes par le biais de la science des biomatériaux. La thèse débute avec un survol détaillé des concepts de base et des complexités associés aux interactions de type cellules et surfaces trouvées dans la littérature. II s'agit spécifiquement des interactions physiques et chimiques, des systèmes expérimentaux ainsi que des caractérisations et modifications associés aux interactions entre cellules et surfaces. La première étude de nature expérimentale examine la morphogenèse des cellules progénitrices ductales (PANC-1 cell line) vers des îlots qui produisent des agrégats semblables à des îlots (ILA). Le tout est fait sur des surfaces de carboxyméthyl dextrane (CMD) sur lesquelles le RGD est greffé via un lien covalent. L'expression des marqueurs d'lLAs (cytokeratin-19, Ki67, et E-cadherin) qui peuvent être associés à un changement de phénotype de ces cellules a été évaluée ainsi que la sécrétion et l'expression de l'insuline. La seconde étude de nature expérimentale a pour optique l'immobilisation de la fibronectine (FN) sur les mêmes surfaces de CMD mentionnées auparavant sur lesquelles des cellules ayant un phénotype [bêta] (INS-1 cell line) ont proliféré. Lors du processus d'immobilisation, plusieurs solutions ont été étudiées. L'immobilisation de la fibronectine sur des surfaces de CMD a été validée par la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X. Le mécanisme d'immobilisation a été déterminé par imagerie et mesures de force par microscopie à force atomique, la spectroscopie de dichroïsme circulaire ainsi que par la diffusion dynamique de la lumière. De plus, la croissance des cellules de type INS-1 et la sécrétion d'insuline ont été évaluées. La dernière étude de nature expérimentale visait l'étude de la coculture des cellules endothéliales et des îlots de porc dans un gel de fibrine. L'effet de la présence des cellules endothéliales sur la production d'insuline des îlots a été évalué. De plus, l'apoptose cellulaire en coculture a été évaluée et comparée aux cultures simples.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude à basse température de dispositifs en silicium de taille nanométrique. Dans ces dispositifs, il est possible de faire passer le courant électrique à travers un nombre réduit de dopants. Nous avons étudié plus spécifiquement le cas de deux dopants en séries, dont les potentiels électrostatiques sont contrôlés indépendamment par deux tensions de grille. En régime de transport électronique statique, il est possible d'effectuer une spectroscopie des niveaux électronique des dopants. On mesure la séparation des deux premiers états de dopants phosphore, qui est proche de 10 meV, alors qu'elle est de 11,7 meV pour des dopants dilués dans un cristal massif. Cette différence s'explique par la proximité des dopants avec une interface avec de l'oxyde de silicium. En régime dynamique, lorsque les niveaux des dopants sont modulés par un signal périodique, on observe qu'un courant est généré par le dispositif. L'évolution du courant en fonction des tensions de grille est simulée en prenant en compte les couplages tunnels du système. À haute fréquence, lorsque l'on observe la quantification d'énergie électromagnétique échangée avec le système, on reproduit le courant mesuré en fonction de l'amplitude du signal appliqué sur les grilles. Cette mesure permet de mettre en évidence la cohérence d'un électron partagé sur deux dopants.

Bien que les grandes villes soient souvent synonymes d'inconfort thermique et de piètre qualité de l'air, une meilleure compréhension à petite échelle du climat urbain permettrait de mieux adapter villes et bâtiments aux réalités de ce climat particulièrement complexe. Dans cette optique, la présente étude contribue au développement d'un nouveau modèle de microclimat urbain QES. L'objectif de ce modèle est de simuler différentes variables météorologiques telles que les températures, les vents et le rayonnement, en 3D et à très petite échelle (~1 m). Pour ce faire, le modèle QES combine quatre modules, soit un module de vent (QUIC), un module de rayonnement (QESRadiant), un module de surface et un module de transport turbulent. De ces quatre modules, nous avons validé les modules de vent et de rayonnement et exploré un potentiel module de surface. Premièrement, la performance des modules de vent et de rayonnement a été évaluée en plusieurs points d'un domaine réel modélisé en 3D avec de la végétation et différents matériaux de surface. Les vitesses de vent simulées par QUIC et le rayonnement solaire incident simulé par QESRadiant ont été comparés à des observations à haute densité spatiotemporelle. Bien que les performances varient selon la position dans le domaine et les obstacles environnants, les deux modules permettent d'obtenir des résultats satisfaisants avec un temps de calcul de l'ordre de quelques minutes. Deuxièmement, un module de surface a été validé de manière préliminaire pour une surface plane simple et les flux de chaleur simulés ont été comparés aux flux observés. Les résultats obtenus soutiennent que le développement modèle QES s'avère une alternative intéressante aux modèles microclimatiques urbains existants dans l'optique où l'on s'efforce de simplifier les conditions frontières requises et de diminuer le coût de calcul informatique.

En Amérique du Nord, la coupe de jardinage a été implantée en réponse à plusieurs décennies de mauvaises pratiques forestières ayant laissé de grandes superficies de peuplements feuillus dégradés et de faible vigueur. Or, l’application de la coupe de jardinage dans un contexte industriel a produit des résultats variés et parfois peu convaincants sur sa capacité à améliorer la vigueur générale des peuplements et à fournir un rendement soutenu en bois de haute valeur. L’objectif général de ce projet de recherche était d’améliorer les prévisions de la croissance et de la mortalité des arbres feuillus à partir d’une meilleure évaluation de leur potentiel de croissance sur pied et de leur sensibilité aux conditions climatiques. Nos résultats ont d’abord montré un effet marginal du taux de dégagement induit par la coupe de jardinage sur la croissance et le taux de survie des arbres résiduels. Ce résultat s’explique en partie par une concentration de la récolte des arbres à l’intérieur et aux abords des sentiers de débardage, laissant ainsi de larges zones non traitées dans les peuplements résiduels. Dans les années suivant l’application du traitement, uniquement 24 % des arbres ont connu une hausse de croissance significative, un pourcentage de réaction de croissance légèrement inférieur à celui induit par les perturbations naturelles au cours des décennies précédentes. Nos analyses ont également montré qu’une réduction marquée de la croissance sur plusieurs décennies précédait 88 % des événements de mortalité post-récolte, et que les prévisions de ces événements pouvaient être significativement améliorées en considérant les tendances de croissance 25 ans avant la coupe. De plus, la présence de défauts affectant la vigueur des arbres au moment de la coupe était positivement reliée à la probabilité de mortalité et négativement reliée à la probabilité d’avoir une hausse de croissance après la coupe. Par ailleurs, nos analyses ont montré qu’une évaluation visuelle de la densité du houppier est l’indicateur le plus efficace pour estimer la vigueur et le potentiel de croissance sur pied de l’érable à sucre. Finalement, nos analyses des relations entre la croissance et les conditions climatiques ont montré un lien fort entre l’occurrence des stress climatiques ponctuels et une diminution de la croissance de l’érable à sucre. Les épisodes de gel-dégel de forte intensité ont été particulièrement dommageables en provoquant des baisses abruptes de la croissance dans les deux régions étudiées. À l’inverse, les analyses provenant des tendances climatiques mensuelles ont indiqué une relation faible et instable dans le temps avec la croissance. Nos résultats indiquent que l’effet synergique d’une accumulation de plusieurs stress climatiques et d’épidémies d’insectes défoliateurs au début des années 1980 a induit un changement important dans la dynamique de croissance de l’érable à sucre et sa réponse aux conditions climatiques mensuelles.

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace. / Transplantation of microencapsulated islets of Langerhans is a promising treatment for type 1 diabetes mellitus. The microcapsule allows the diffusion of small molecules, while protecting the islet from the antibodies and immune cells. However, microcapsule prevents islet revascularization, thus oxygenation depends on diffusion and islets are exposed to hypoxia. Poor oxygenation is a major limitation in microencapsulated islet survival. It was shown that smaller islets are more resistant to hypoxia because of a better oxygen diffusion. In this study, dispersed islet cell aggregates will be used to improve the oxygenation. When islet cells are dispersed into single cells, they have the ability to re-associate into an islet-like structure. This study allowed to set up a technique to form aggregates, to characterized them and to compare the resistance to hypoxia of islets and aggregates. Aggregates have a similar structure than islets and they are smaller. For this reason, they survive better to a hypoxic treatment, while restoring efficiently normoglycemia in diabetic mices. Aggregates are an interesting solution for microencapsulated islet transplantation because they have a better oxygenation.

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace. / Transplantation of microencapsulated islets of Langerhans is a promising treatment for type 1 diabetes mellitus. The microcapsule allows the diffusion of small molecules, while protecting the islet from the antibodies and immune cells. However, microcapsule prevents islet revascularization, thus oxygenation depends on diffusion and islets are exposed to hypoxia. Poor oxygenation is a major limitation in microencapsulated islet survival. It was shown that smaller islets are more resistant to hypoxia because of a better oxygen diffusion. In this study, dispersed islet cell aggregates will be used to improve the oxygenation. When islet cells are dispersed into single cells, they have the ability to re-associate into an islet-like structure. This study allowed to set up a technique to form aggregates, to characterized them and to compare the resistance to hypoxia of islets and aggregates. Aggregates have a similar structure than islets and they are smaller. For this reason, they survive better to a hypoxic treatment, while restoring efficiently normoglycemia in diabetic mices. Aggregates are an interesting solution for microencapsulated islet transplantation because they have a better oxygenation.

La transplantation d’îlots pancréatiques est considérée comme une thérapie prometteuse quant au traitement du diabète de type 1. En revanche, l’utilisation de traitements immuno-suppresseurs ainsi que le manque de donneur sont un frein à l’expansion de cette thérapie à plus de patients diabétiques. Pour résoudre ces deux problèmes, la stratégie développée durant ces vingt dernières années est le pancréas bioartificiel. Il consiste en une immuno-isolation de la greffe dans une enveloppe artificielle, protégeant non seulement la greffe du système immunitaire, mais aussi le receveur de la greffe. Les îlots ou les cellules productrices d’insuline transplantée(e)s ne sont pas en contact avec le système immunitaire et aucune immunosuppression n’est nécessaire. L’objectif de ce travail était de déterminer les marqueurs de survie et de mort des îlots dans des conditions mimant celles du MAILPAN®, un pancréas bioartificiel développé par Defymed et d’étudier différentes molécules qui pourraient augmenter la survie des îlots. Nous avons démontré que cet environnement bioartificiel engendrait un confinement et de l’hypoxie créant un stress cellulaire et donc une perte précoce des îlots. Nous avons identifié plusieurs cibles pour améliorer la viabilité et la fonction comme par exemple les transporteurs d’oxygène ou des molécules anti-inflammatoires. Plus le nombre d’îlots dans le MAILPAN® était élevé, plus les effets délétères sur la survie des îlots étaient importants. En conséquence, nous avons testé différentes molécules impliquées dans les voies de l’hypoxie et de l’inflammation pour augmenter la survie et restaurer la fonction des îlots pancréatiques dans un environnement confiné et hypoxique (600IEQ/cm2). L’ajout d’HEMOXcell®, un nouveau transporteur d’oxygène et du peptide tat-CREB ont montré une restauration de la fonction des îlots ainsi qu’une diminution de l’hypoxie et de l’inflammation après 24h de culture. Ainsi ce travail a permis l’identification de nouveaux candidats pour l’élaboration d’un milieu spécialisé pour l’encapsulation de cellules. / Islet transplantation is considered as promising therapy for brittle type 1 diabetes. However, the use of immunosuppressive regimen and the lack of donor prevent the expansion of the therapy to other diabetic patients. In order to address these two issues, the strategy developed for the two last decades is the bioartificial pancreas. It consists in the immune-isolation of the graft in an artificial envelop, protecting at the same time the graft, from the immune-system, and the host, from the graft. In principle, the transplanted islets or surrogate insulin secreting cells are not in contact with the immune system and no immunosuppressive drugs are needed. The objective of this work was to identify the markers of islet death/survival mimicking MAILPAN® conditions, a bioartificial pancreas developed by Defymed and study different molecules which can improve islet survival.We demonstrated that bioartificial environment induced confinement and hypoxia which triggers cellular distress causing early islet loss. We identified several targets to improve viability and function such as oxygen carriers or anti-inflammatory drugs. The highest the number of islets in the MAILPAN® was, the most deleterious effects in islet survival and functionality were observed. As a consequence, we tested different molecules implicated in hypoxia and inflammation pathway to improve islet survival and restore islet functionality in a hypoxic and confined environment (600IEQ/cm²). The addition of HEMOXCell®, a novel oxygen carrier, and tat-CREB peptide have been shown to restore islets functionality and decrease hypoxia and inflammation levels after 24 hours in culture. Thus, these data provide new inputs for the design of a culture medium dedicated for cell encapsulation.