Au cours des dernières décennies, en raison de sa stabilité́ chimique et thermique exceptionnelle associée à son caractère isolant, le nitrure de bore hexagonal sous forme de nanofeuillets (BNNSs) trouve un grand intérêt dans de nombreuses applications. En effet, il est sérieusement envisagé l’utilisation de ces nanomatériaux comme support de graphene ou pour la fabrication d’hétérostructures horizontales utilisables dans le domaine de la microélectronique pour des applications de nouvelle génération. Il existe deux grandes voies de synthèse de ces nanostructures 2D de h-BN, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ou par exfoliation d’un monocristal. Dans le but de préparer des BNNS de grande qualité́ chimique et cristalline, notre groupe propose une nouvelle stratégie de synthèse en associant la voie polymère précéramique (PDC) à des techniques de frittage, par Spark Plasma Sintering (SPS) et Hot Isostatic Pressing (HIP). Premièrement, le comportement thermique du précurseur précéramique, le polyborazilène (PBN) a été étudié en conditions dynamiques in-situ. Il a ainsi été mis en évidence, le rôle bénéfique du promoteur de cristallisation (Li3N) sur la qualité cristalline du matériau final. Cependant, une étape de frittage complémentaire reste obligatoire pour parfaire la structuration cristalline du h-BN. Premièrement, un procédé́ de frittage par SPS a été mis en œuvre. Dans cette étude, ont été particulièrement étudiés l’influence de la température de frittage (1200-1950°C) ainsi que la teneur en promoteur de cristallisation (0-10% mass.) sur la qualité cristalline du matériau final. Après optimisation des conditions de synthèse, des pastilles de h-BN composées d’une grande quantité de plaquettes monocristallines de taille d’environ 200 μm2 ont été obtenues. Les caractérisations de ces monocristaux attestent d'une haute qualité́ chimique et cristalline, même si des impuretés, sans doutes dues à l’environnement en graphite dans le SPS, sont détectées par cathodoluminescence. Enfin, des mesures physiques montrent que les BNNSs préparés présentent une constante diélectrique intéressante de 3,9, associée à une résistance diélectrique correcte de 0,53 V/nm. Afin d’augmenter encore la taille des monocristaux préparés, un second procédé́ de frittage, par HIP, a été étudié́. Cette autre combinaison originale conduit alors à des monocristaux de h-BN significativement plus gros (jusqu’à 2000 μm de taille latérale), transparents, incolores et très faciles à exfolier. Ainsi cette nouvelle association de la synthèse de PBN par voie PDCs et du procédé́ de céramisation par HIP nous semble une voie des plus prometteuses pour générer de grands monocristaux de h-BN et des nanofeuillets susceptibles de supporter des hétérostructures à base de graphène. / In the past decades, due to their exceptional chemical and thermal stabilities together with their electrical insulation properties, hexagonal boron nitride nanosheets (BNNSs) have become a promising support substrate for graphene and promoted the incentive of various van der Waals heterostructures. For such applications, BNNSs are generally obtained by Chemical Vapor Deposition (CVD) or exfoliation. In order to achieve high quality and large BNNSs, our group has proposed a novel synthesis strategy based on the Polymer Derived Ceramics (PDCs) route combined with sintering techniques: Spark Plasma Sintering (SPS) or Hot Isostatic Pressing (HIP). Since hexagonal boron nitride (h-BN) crystallization is a key point in the synthesis of high quality BNNSs, efforts have been led to understand the beneficial role of a promotor of crystallization (Li3N), adopting a suitable in situ dynamic approach. It has been established that Li3N does improve the crystallization level of the product, and lower the transformation temperatures from polyborazylene to h-BN. Then, we have further investigate the influence of the SPS sintering temperature (1200-1950°C) and of the crystal promoter content (Li3N, 0-10 wt.%) on BN growth. The tested SPS parameters strongly modify the size of the resulting h-BN flakes. For an optimal Li3N concentration of 5 wt.%, h-BN flakes larger than 200 μm2 (average flake area) have been obtained. A high degree of crystallinity and purity have been achieved, even if the very-sensitive cathodoluminescence technic indicated traces of impurities, probably due to surrounding graphite parts of the SPS. Few-layered BNNSs have been successfully isolated, through exfoliation process. As a final application purpose, further physical measurements have confirmed that SPS derived h-BN exhibits an interesting dielectric constant of 3.9 associated with a dielectric strength of 0.53 V/nm. Due to a very high compact character of SPS-derivative h-BN crystals, the post-exfoliation step is made very difficult, resulting in BNNSs of tens of microns lateral size. Therefore, we have studied another sintering procedure by HIP for the ceramization process. Through this combination, we aim to promote the size of h-BN single crystals, leading to larger size exfoliated BNNSs. Characterizations from bulk crystals to BNNSs have been carried out in three aspects: morphology, lattice structure and chemical composition. This novel attempt has provided us transparent and colorless h-BN single crystals with large lateral size, up to 2000 μm. Besides, BNNSs with high purity have also been confirmed. HIP, as a new ceramization process of PDCs, has to be considered as a promising way to obtain large h-BN single crystals and nanosheets for supporting graphene and 2D heterostructures.

Une nouvelle génération d’assemblages nano-organisés, constitués de couches lipidiques enveloppant des cœurs particulaires sphériques, a été développée ces dernières années. Un des nombreux intérêts de cette génération d’assemblages, à structure bio-inspirée, est de constituer in fine des vecteurs ou réservoirs pour des applications biomédicales de délivrance contrôlée de principes actifs. Ce type d’architecture originale est obtenu par réorganisation de membranes lipidiques à la surface de nanoparticules de polymère. Au cours de ce travail, la sélection du support colloïdal s’est portée sur des nanoparticules de chitosane, un biopolymère aux propriétés physico-chimiques et biologiques remarquables. Ces nanoparticules ont été élaborées par une méthode dite de « gélification ionique » à l’aide de tripolyphosphate de sodium. L’optimisation de ce procédé de synthèse a permis l’obtention de nanoparticules cationiques et sphériques, de taille reproductible d’une centaine de nanomètres, et de distribution en taille étroite. Aucune modification de ces caractéristiques de taille n'a été montrée durant au moins 4 mois à 23°C dans l'eau. Quant aux membranes lipidiques, il a été choisi d’élaborer des vésicules ou des nano-disques modèles et anioniques de façon à présenter une charge électrostatique opposée à celle des surfaces particulaires. La caractérisation de ces entités en termes de taille, distribution en taille, charge de surface et morphologie a été effectuée par diffusion quasi-élastique de la lumière, microscopie électronique à transmission, diffusion de neutrons aux petits angles et zêtamétrie. L’influence de différents paramètres physico-chimiques impliqués dans la formation des assemblages (i.e., force ionique et pH de la phase continue, rapport lipides/nanoparticules) a été examinée, permettant d’une part, une meilleure compréhension des interactions s’établissant entre les chaînes de chitosane et les membranes lipidiques, et d’autre part, l’obtention d’assemblages de taille et de distribution en taille satisfaisantes. Une étude de l’incorporation de différentes molécules thérapeutiques (isoniazide, ibuprofène et rose bengale) dans le support particulaire a ensuite été réalisée afin d’évaluer le potentiel des nanoparticules de chitosane, puis des assemblages lipidiques en tant que vecteurs de principes actifs. Des études préliminaires ont ainsi pu mettre en évidence que ce recouvrement surfacique lipidique apportait une modification satisfaisante du profil de relargage du principe actif. / A novel generation of nano-organized assemblies, composed of lipid layers surrounding spherical nanoparticle cores, has been recently developed for drug delivery applications. This original architecture results of the lipid membrane reorganization onto colloidal polymer surfaces. In the present study, the colloidal supports are constituted of chitosan nano-hydrogels, a biopolymer with exceptional physicochemical and biological properties. These colloidal supports have been elaborated via an ionic gelation process using sodium tripolyphosphate as gelation agent. The optimization of all the parameters involved in this process has led to cationic spherical nanoparticles, with reproducible sizes in nanometer range, and narrow size distributions. No alteration of these characteristics has been observed for at least 4 months in water at 23 °C. Regarding the lipid membranes, two different morphologies (i.e., vesicle and nanodisc) have been prepared. Lipid formulation has been designed to obtain objects with a negative surface charge, opposed to chitosan nanoparticle one. These entities were characterized in terms of size, size distribution, surface charge and morphology using dynamic light scattering, transmission electron microscopy as well as small angle neutron scattering. The assembly of colloidal supports and lipid membranes has been investigated by studying the influence of the different physicochemical parameters involved in the synthesis. During this study, phenomena involved in the adsorption process were pointed out, and experimental conditions were optimized in order to control the assembly elaboration process. Finally, a study on drug incorporation (isoniazid, ibuprofen and rose bengale) into chitosan nanoparticles has been carried out. Preliminary experiments on drug release from nanoparticles and assemblies revealed a promising effect of the surface modification of assemblies on their drug release profile.

La Microscopie Electronique à Balayage Environnementale permet l'observation de liquides dans certaines conditions de pression et température. En travaillant en transmission, i.e. en mode STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), des nano-objets présents au sein du liquide peuvent même être analysés (mode « Wet-STEM»). Dans les solutions concentrées, l'arrangement du soluté peut changer être un paramètre microstructural important, qu’il est alors nécessaire de caractériser. Dans ce contexte, le but de ce travail est de développer la tomographie électronique sur des suspensions liquides en utilisant le mode STEM en ESEM, de manière à obtenir la structure 3D de nano-objets dispersés dans un liquide. Dans une première partie, le contraste entre des nanoparticules et le film d’eau est étudié en combinant des images expérimentales Wet-STEM (en 2D) et des simulations Monte Carlo. Deux types de nano-matériaux sont choisis : des nanoparticules d’or sphériques, de diamètre environ 40 nm, dispersées dans l’eau, ainsi qu’une suspension aqueuse de latex SBA-PMMA, contenant 3% de PMMA utilisé comme tensioactif stérique. La comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux permet d’estimer comment le contraste entre l’eau et les nanomatériaux est affecté par l’épaisseur du film d’eau. Dans une deuxième partie, des expériences de tomographie sont réalisées à sec sur des films de polyuréthane contenant des nanotubes de carbone multiparois greffés ou non, en utilisant une platine développée précédemment au laboratoire. Le volume a pu être reconstruit correctement. Cependant, en effectuant une acquisition 3D sur des suspensions de latex SBA-PMMA, le contrôle de la température de l’échantillon s’est révélé insuffisant. Nous proposons une amélioration à la fois de la platine et des conditions d’observations permettant de mieux contrôler l’évaporation et la condensation de l’eau sur des échantillons liquides. La troisième partie est dévolue à une analyse approfondie d’une suspension de latex SBA-PMMA, de différentes concentrations (d’un état dilué à très concentré), les acquisitions étant effectuées avec les conditions optimisées. L’arrangement des particules de latex est comparé à des modèles issus de la littérature, et avec des résultats expérimentaux obtenus par cryo-SEM sur suspensions congelées. Nous présentons ensuite une étude du même latex en présence de tensioactif. La couche de tensioactif peut être mise en évidence dans les volumes reconstruits et segmentés. En conclusion, nous résumons les potentialités de la tomographie wet-STEM pour la caractérisation de nanomatériaux solides et liquides. Des perspectives sont proposées pour continuer dans l’exploration de ces potentialités et des limites de la technique. / ESEM (Environmental Scanning Electron Microscopy) allows the observation of liquids under specific conditions of pressure and temperature. When working in the transmission mode, i.e. in STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), nano-objects can even be analyzed inside the liquid (“wet-STEM” mode). Moreover, in situ evaporation of water can be performed to study the materials evolution from the wet to the dry state. This work aims at developing electron tomography on liquid suspensions using STEM-in-ESEM, to obtain the 3D structure of nano-objects dispersed in a liquid. In a first part, Monte Carlo simulations and 2D wet-STEM experimental images are combined to study the contrast. Two kinds of liquid nano-materials are chosen as the sample: spherical gold particles (diameter around 40 nm) in suspension in water; latex SBA-PMMA suspension, a copolymer derived from styrene and metacrylic acid esters in aqueous solution, 3% PMMA shell included as steric surfactant. The comparison between simulated and experimental results helps to determine how water can affect the contrast of hydrated nano-materials. Tomography experiments are then performed on dry PU-carbon nanotubes nanocomposites using a previously developed home-made tomography device, and the volume is well reconstructed. When performing tomography on latex suspension, limitations are found on the temperature control of samples. We propose an optimization of the device with new observations conditions to better control water evaporation and condensation of liquid samples. Afterwards, a full 3D analysis on SBA-PMMA latex from dilute suspension to very concentrated one is performed, and a further study is presented in presence of a surfactant. The encouraging reconstruction results are used to model the particles arrangement. This shows the potentialities of wet-STEM tomography for the characterization of both solid and liquid nano-materials.

L’utilisation de nanoparticules de polymère pour l’encapsulation de substances utilisées en médecine, en cosmétique ou en agrochimie suscite un intérêt croissant. Parmi les polymères préparés sous forme de nanoparticules, le polyuréthane présente l’avantage d’être biocompatible, biodégradable et adaptable à de nombreuses applications. L’utilisation de diisocyanates pour sa synthèse pose néanmoins un problème sanitaire et environnemental majeur. Ce travail de thèse consiste en la synthèse d’un polyuréthane sans isocyanate, le poly(hydroxy)uréthane (PHU), puis en la préparation de nanoparticules par nanoprécipitation de ce polymère. Un objectif supplémentaire est le développement de nanoparticules de PHU thermo- et pH-stimulable. Dans une première partie, un PHU modèle a été synthétisé et caractérisé. Ce polymère a été nanoprécipité en l’absence de tensioactif afin de valider la faisabilité du procédé. La seconde partie se focalise sur l’étude approfondie et l’optimisation de la nanoprécipitation du PHU modèle en présence de tensioactif. Afin de caractériser le système polymère-solvant-eau-tensioactif, la micellisation du tensioactif et les interactions polymère-solvant ont été étudiées. Un plan factoriel complet a été réalisé afin d’optimiser le procédé de nanoprécipitation utilisant le DMSO comme solvant. Les effets principaux et d’interactions de la concentration en polymère, du volume d’eau et de la concentration en tensioactif sur la taille et la distribution de taille des nanoparticules ont été déterminés. Afin de permettre l’élimination du solvant par évaporation, la nanoprécipitation du PHU a aussi été réalisée en utilisant du THF comme solvant organique. Dans une troisième partie, trois poly(hydroxy)uréthanes pH- et thermo-stimulables ont été synthétisés et caractérisés. Des nanoparticules de faible taille et distribution de taille ont ensuite été préparées par nanoprécipitation. Une fois le solvant organique éliminé par dialyse, la réponse des nanoparticules de PHUs stimulables à des variations de température et de pH a été étudiée. / The use of polymer nanoparticles for substance encapsulation generates a growing interest in medicine, cosmetics or agro-chemistry. Among the polymers used as nano-encapsulation agents, polyurethane has the advantage to be biocompatible, biodegradable and versatile. However, the use of noxious diisocyanates for polyurethane synthesis is a major drawback. This thesis project consists in synthesizing a non-isocyanate polyurethane, poly(hydroxyl)urethane (PHU), and then preparing nanoparticles by PHU nanoprecipitation. An additional objective is the development of thermos and pH-responsive PHU nanoparticles. In a first section, a model PHU was synthesized and characterized. The polymer was then nanoprecipitated in the absence of surfactant in order to ensure the feasibility of the process. The second section focused on the in-depth study and optimization of the model PHU nanoprecipitation in the presence of a surfactant. To characterize the polymer-solvent-water-surfactant system, surfactant micellization and polymer-solvent interactions were studied. A full-factorial design was performed to optimize the nanoprecipitation process using DMSO as an organic solvent. Main and interaction effects of the polymer concentration, water volume and surfactant concentration on nanoparticle size and size distribution were determined. With the aim of eliminating the organic solvent by evaporation, PHU nanoprecipitation was also carried out using THF as the organic solvent. In the third section, three pH- and thermos-responsive PHUs were synthesized and characterized. Small and monodisperse nanoparticles were then prepared by nanoprecipitation. Once the solvent eliminated, responsive PHU nanoparticles were submitted to pH and temperature changes and size variations were studied.

Le carbure de silicium (SiC) nanostructuré est considéré aujourd'hui comme une bonne alternative aux matériaux traditionnels pour diverses applications multidisciplinaires. Dans cette thèse, des nanostructures de SiC ont été élaborées par gravure électrochimique et par ablation laser. La première partie de cette thèse décrit et explique la dépendance en taille des propriétés optiques ainsi que l'importance des effets de champ local sur les transitions électroniques photo-induites des nanostructures de SiC. Dans la seconde partie, il est démontré une amplification d’un facteur 15 de l’intensité de photoluminescence des nanoparticules de SiC par leurs interactions en champ proche avec les plasmons multipolaires localisées. En outre, un facteur 287 et un facteur 72, induits par le couplage plasmonique, sont obtenus respectivement pour les signaux de luminescence à deux photons et de génération de seconde harmonique. Les principaux mécanismes physiques responsables des effets observés ont été décrits par des simulations de type différences finies dans le domaine temporel en trois dimensions. Enfin, l'effet de couplage de nanoparticules de SiC luminescentes à des nanostructures plasmoniques en structures planes est utilisé pour améliorer le marquage de cellules biologiques. Une perspective est ouverte sur la réalisation et les premières caractérisations de suspension colloïdales de nanohybrides plasmonique (Au@SiO2)SiC. / Nanostructured silicon carbide (SiC) is considered today as a good alternative to the conventional materials for various multidisciplinary applications. In this thesis, SiC nanostructures were elaborated by means of electrochemical etching and laser ablation techniques. The first part of the thesis clarifies size-dependence of optical properties as well as importance of local-field effects onto the photoinduced electronic transitions of SiC nanostructures. In the second part of the thesis strong 15-fold photoluminescence enhancement of SiC nanoparticles is ensured by their near-field interactions with multipolar localized plasmons. Further, 287-fold and 72-fold plasmon-induced enhancement factors of two-photon excited luminescence and second harmonic generation is achieved, respectively. The main physical mechanisms responsible for the observed effects were described by three-dimensional finite-difference time domain simulations. Finally, the coupling effect of luminescent SiC nanoparticles to plasmonic nanostructures is used in the enhanced labelling of biological cells on the planar structures. As a perspective, colloidal plasmonic (Au@SiO2)SiC nanohybrids were elaborated and characterized.

Une série de composant hybride basée sur réactives polyédriques oligomères silsesquioxane (POSS) precusors et ses copolymères réactifs de PGMA ont été synthétisés et utilisés pour nanobuild en époxy. POSS réactifs et de copolymères en dispersion dans la matrice homogène dans, au délà de POSS-POSS interaction, ce qui a entraîné la séparation de phase macroscopique. Les nanocomposites obtenus ont été analysés par microscopie électronique à balayage, microscopie électronique à transmission, diffusion des rayons X et l'analyse mécanique dynamique. Un analogue de POSS (notée POSSMOCA) a été synthétisé par réaction d'addition, qui a réactive liaison groupe amino dans le réseau époxy et d'améliorer la stabilité thermique, en raison du silicium, d'azote et un atome d'halogène structurel. Époxy / polyédriques silsesquioxanes oligomères (POSS) composites hybrides ont été préparés à partir de pré-réaction entre l'éther de silanol POSS-OH et diglycidylique trifonctionnel de bisphénol A (DGEBA) par l'intermédiaire du silanol et un groupe oxiranne. Réactif POSS-PGMA a été polymérisé par polymérisation par transfert de réversible par addition-fragmentation. Il est facile à queue de la compatibilité du copolymère séquencé époxyde avec une matrice de l'étape de croissance-polymérisé, pour former par réaction avec nanostructure segements PGMA. Dans le cas d'inertes POSS-PMMA copolymères modifiés époxy, topologie de copolymère défini la morphologie finale et l'interaction entre époxy et entre eux, en raison de la liaison hydrogène directionnelle à effet de dilution. Tg de conversion époxyde différente, obéi de Gordon-Taylor équation et l'équation Kwei, k qui reflète l'interaction de modificateur et les oligomères DGEBA / MEDA et époxy / amine, était cohérente de la rhéologie et les résultats dynamiques. / A series of hybrid component based on reactive polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS) precusors and its reactive copolymers of PGMA were synthesized and utilized to nanobuild in epoxy. Reactive POSS and copolymer dispersed in homogenous in matrix, overcomed POSS-POSS interaction, which resulted in macroscale phase separation. The nanocomposites obtained were analyzed by Scanning electron microscopy, Transmission electron microscopy, X-ray scattering and dynamic mechanical. An analogue of POSS (denoted as POSSMOCA) was synthesized via addition reaction, which had reactive amino group bonding into epoxy network and improved the thermostability, because of the structural silicon, nitrogen and halogen. Epoxy/polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) hybrid composites were prepared from prereaction between trifunctional silanol POSS-OH and diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) via silanol and the oxirane group. Reactive POSS-PGMA was polymerized via Reversible addition-fragmentation transfer polymerization. It was easy to tail the compatibility of the epoxide block copolymer with a step-growth polymerized matrix, to form nanostructure via reaction with PGMA segements. In the case of inert POSS-PMMA copolymers modified epoxy, topology of copolymer defined the final morphology and interaction between epoxy and them, because of directional hydrogen bonding and dilution effect. Tg of different epoxide conversion, obeyed of Gordon-Taylor equation and Kwei equation, k which reflected the interaction of modifier and DGEBA/MEDA and epoxy/amine oligomers, was consistent of the rheology and dynamic results.

Ce travail de thèse décrit la préparation de deux types de films de polymères : i) des films nanocomposites à base de silice pyrogénée aux propriétés superhydrophobes et ii) des films LbL auto-assemblés, incluant tous deux des dérivés de poly(2,3,4,5,6-pentaflurostyrene) (PPFS), utilisés comme briques élémentaires. La stratégie utilisée ici consiste à exploiter les nombreux avantages que présente la réaction de substitution du fluor en position para du PPFS avec un thiol, pour générer de nouveaux dérivés aux propriétés ajustables. Ainsi, le premier volet de la thèse a consisté à introduire des chaînes de PPFS de façon covalente à la surface de silice pyrogénée par une stratégie dite de «grafting through» en utilisant la polymérisation radicalaire contrôlée par le voir nitroxydes, en présence de PS-DEPN comme macroamorceur. La cinétique de polymérisation du PFS avec et sans particules silice a été étudiée dans divers solvants, différentes particules hybrides de silices modifiées en surface par une couronne de PPFS ont été préparé. Ensuite, un thiol perfluoré (perfluorodecanethiol:PFDT) a été utilisé pour modifier le PPFS, considéré dans ce cadre comme matrice hôte pour la préparation des nanocomposites et pour modifier le PPFS présent à la surface des particules de silice. A partir de là, un large panel de films nanocomposite a été préparé à partir des différentes combinaisons possibles de polymère hôte (PPFS ou PPFS-PFDT) et de charges inorganiques de silice (modifiées par le PPFS ou par le PPFS-PFDT). Les propriétés de mouillabilité ainsi que la morphologie de surface de chaque film ont été analysées et il en résulte que certains films présentent un caractère superhydrophobe. Le deuxième volet de la thèse a porté sur la modification du PPFS par des thiols porteurs de fonctions acide carboxylique, toujours par la réaction de substitution décrite précédemment. Différents dérivés de PPFS carboxylés de DS variés ont été synthétisés. Leur habilité à développer des liaisons hydrogène avec un polymère modèle accepteur de liaison H (la poly(4-vinyl pyridine) (P4VP)) a été étudiée. Il en ressort que dépendamment de la nature du solvant, des mélanges miscibles ou des complexes interpolymères ont ensuite été formés. Des solutions de complexes préformés ont été successivement déposées par spin-coating pour construire des films. De plus, des films multicouches LbL stabilisés par des liaisons H entre le PPFS carboxylé et la P4VP ont été élaborés and il a été démontré que la nature du solvant de dépôt, ainsi que le taux de modification du PPFS, impactent fortement le mécanisme de croissance, l’épaisseur du film et les caractéristiques de surface, en termes de topologie et de mouillabilité. / This work describes the preparation of two kinds of thin polymer films : i) self-cleaning silica-based (nano)composites films and ii) LbL self-assembling films, both including poly(2,3,4,5,6-pentaflurostyrene) (PPFS) derivatives, as building blocks. The cornerstone of the approach is to exploit the thiol-para fluoro substitution reaction to PPFS chains in order to generate derivatives with tailored properties. In this frame, PPFS chains were anchored onto the surface of vinyl-functionalized fumed silica nanoparticles by nitroxide-mediated polymerization (NMP) in presence of PS-DEPN as macro-initiator via a “grafting through” strategy. The kinetics of NMP of PFS were investigated in presence and without silica in various solvents and well-characterized hybrid silica particles containing different polymer grafting weight were declined. Then, perfluorodecanethiol (PFDT) was employed to modify PPFS, considered as the host polymer matrix, and to functionalize PPFS chains tethered to silica particles. A large panel of (nano)composite films from the different possible host matrix/silica particles combinations was prepared. The wettability and the surface morphology of each film were discussed, as a function of the host structure (PPFS or PPFS-PFDT with different DS) and silica (modified with PPFS or PPFS-PFDT), as well as the silica content. It results that superhydrophobic features can be reached. Subsequently, PPFS was modified by using carboxylic acid mercapto modifier via the thiol-para fluoro coupling. Various carboxylated PPFS derivatives differing in the degree of substitution (DS) were prepared and their ability to develop H-bonds in solution with a model strong H-bond acceptor partner (poly(4-vinyl pyridine) (P4VP)) was investigated. Dependently on the nature of the solvent, a miscible blend or interpolymer complexes (IPC) were achieved. IPC-containing solutions were used to successfully fabricate spin-assisted films. Furthermore, H-bonds mediated LbL self-assembly multilayer films involving carboxylated PPFS and P4VP were prepared and it was evidenced that the nature of the deposition solvent as well as the extent of the modification (quantified by the DS), impact the growth mechanism, the thickness and the surface features, in terms of topology and wettability.

La miniaturisation des systèmes a montré qu’à l’échelle nanométrique, les matériaux possèdent des propriétés différentes de leur état massif. Aujourd'hui, la synthèse d’objets de taille nanométrique est en parfaite adéquation avec les systèmes biologiques pour des applications médicales. La possibilité pour les chimistes de combiner dans un même « nano-objet » différent types de matériaux aux propriétés complémentaires a ouvert la voie au développement de nanoparticules multifonctionnelles pour des applications biologiques. C’est dans ce domaine, en utilisant les propriétés remarquables des terres rares que le LPCML de l’Université de Lyon en collaboration avec le laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon a pu mettre au point des nanoparticules hybrides multifonctionnelles ayant une structure cœur/coquille en combinant un cœur inorganique d’oxyde de lanthanide protégé par une coquille organique composée de polysiloxanes. L’utilisation d’un cœur d’oxyde de terre rare permet de disposer à la fois d’outils de détection (optique avec Eu et Tb, IRM avec Gd, Dy et Ho ou en scintigraphie avec Ho) et d’agent thérapeutique avec Gd et Ho. Après avoir longuement étudié les propriétés comme agent de contraste et de thérapie par capture neutronique du gadolinium, nous nous sommes intéressés aux propriétés atomiques de l’holmium qui après irradiation neutronique émet des rayonnements  et - potentiellement intéressants pour un traitement en curiethérapie. Le travail de thèse présenté ici rend compte de l’étude réalisée d’une part sur les propriétés optiques et magnétiques de ces nanoparticules hybrides à base d’oxyde de terre rare et d’autre part sur les possibilités d’applications médicales avec l’utilisation d’holmium. / The everlasting search for the miniaturization of the processes has shown that at the nanometer scale materials exhibit different properties than from the bulk. Today, the synthesis of nano-sized objects is in perfect harmony with biological systems for medical applications. The opportunity for chemists to combine into a single nano-oject different kind of materials with complementary properties has opened the way for the development of multifunctional nanoparticles for biological applications. In this area, using the remarkable properties of rare earths, LPCML laboratory from Lyon University in collaboration with MATEIS laboratory from INSA-Lyon was able to develop multifunctional hybrid nanoparticles with a core/shell structure by combining an inorganic rare earth oxide core coated by a polysiloxane shell. The using of a lanthanide in the core enables the combination of detection tools (optical with Eu and Tb, MRI with Gd, Dy and Ho or scintigraphy with Ho) and therapeutic agents with Gd and Ho. After having studied the properties of gadolinium as a contrast and neutron capture therapeutic agent, we were interested in atomic properties of holmium after neutron irradiation which emits  and - radiations, potentially interesting for scintigraphic imaging and brachytherapy. The thesis presented here reports studies on the one hand on optical and magnetic properties of these hybrid nanoparticles and on the other hand the possibilities of medical applications by using holmium-based particles.

Parmi les nanoparticules aptes à accompagner la radiothérapie en clinique, les nanoparticules à base d’oxyde de gadolinium paraissent pertinentes, de part leur multimodalité en imagerie et leur effet radiosensibilisant prouvé in vitro et in vivo. Cet effet de radiosensibilisation est exceptionnel notamment sur des cellules cancéreuses radiorésistantes de la lignée SQ20B (carcinome squameux tête et cou) et uniquement pour des doses modérées de nanoparticules (aux alentours de 0.6 mM en Gd). Les clichés de microscopie électronique ont montré que ce maximum de radiosensibilisation est dû à une internalisation maximale des particules dans le cytoplasme, notamment par macropinocytose. Ce mécanisme d’internalisation est caractérisé par la formation de vésicules de grandes tailles, ou macropinosomes. Il se produit suivant deux étapes : la formation d’agglomérats de nanoparticules à proximité de la membrane cellulaire puis la récupération de ceux-ci par les lamellipodes de la cellule. La première étape est fortement dépendante des caractéristiques physicochimiques des particules, plus particulièrement leur potentiel zêta qui détermine la taille de l’agglomérat, et de la distance les séparant de la cellule. Dans des gammes de taille et de distance à la membrane optimales aux concentrations modérées, l’agglomérat peut être récupéré par les lamellipodes de la cellule. Il s’en suit une protubérance sur la membrane plasmique formant un macropinosome contenant les agglomérats de nanoparticules. Cet endosome précoce suivra ensuite le schéma d’endocytose classique dans le cytoplasme en fusionnant avec des corps multivésiculaires, uniquement visible en microscopie électronique à transmission, pouvant contenir des enzymes de dégradation détruisant leur contenu. Ces enzymes rendent le pH acide à l’intérieur de la vésicule. Plus les nanoparticules sont proches du noyau cellulaire plus leur effet radiosensibilisant sera efficace. Les espèces oxygénées réactives (ROS) et les électrons Auger et secondaires peuvent atteindre l’ADN du noyau plus facilement. A faibles doses (<0.4 mM) très peu de nanoparticules sont internalisées et un effet linéaire de la radiosensibilisation est observé jusqu'à 0.6 mM. A fortes doses (> 0.7 mM) les nanoparticules forment une couronne autour de la membrane cellulaire agissant comme écran, empêchant ainsi les ROS et les électrons générés de pouvoir atteindre l’ADN et induire des cassures, le noyau étant situé à quelques micromètres de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur la nécessité de contrôler l'internalisation cellulaire des nanoparticules en contrôlant leur chimie, laissant envisager ainsi des opportunités prometteuses dans le domaine de la radiothérapie assistée par nanoparticules délivrant de faibles doses de radiation aux patients. / Over the last few decades, nanoparticles have been studied in theranostic field with the objective of exhibiting a long circulation time through the body coupled to major accumulation in tumor tissues, rapid elimination, therapeutic potential and contrast properties. In this context, we developed sub-5 nm gadolinium-based nanoparticles that possess in vitro efficient radiosensitizing effects at moderate concentration when incubated with head and neck squamous cell carcinoma cells (SQ20B). Two main cellular internalization mechanisms were evidenced and quantified: passive diffusion and macro- pinocytosis. Whereas the amount of particles internalized by passive diffusion is not sufficient to induce in vitro a significant radiosensitizing effect, the cellular uptake by macropinocytosis leads to a successful radiotherapy in a limited range of particles incubation concentration. Macropinocytosis processes in two steps: formation of agglomerates at vicinity of the cell followed by their collect via the lamellipodia (i.e. the “arms”) of the cell. The first step is strongly dependent on the physicochemical characteristics of the particles, especially their zeta potential that determines the size of the agglomerates and their distance from the cell. These results should permit to control the quantity of particles internalized in the cell cytoplasm, promising ambitious opportunities towards a particle-assisted radiotherapy using lower radiation doses.