Cette thèse de doctorat a pour cadre l'étude des mécanismes physiques qui régissent la propagation d'une fissure dans les verres d'oxydes et questionne notamment l'existence et la portée de mécanismes dissipatifs aux petites échelles. Pour ce faire, la propagation sous critique d'une fissure est pilotée par un chargement en géométrie Double Cleavage Drilled Compression sous environnement contrôlé. Elle fait alors l'objet d'analyses expérimentales in-situ et postmortem sur plus de six décades d'échelles de longueur (du nm au mm) par techniques optiques et microscopie à force atomique (AFM). Une analyse 2D/3D de l'échantillon est réalisée en mécanique linéaire élastique de la rupture pour pouvoir assurer le contrôle à toutes les échelles de l'essai mécanique et exploiter les résultats. L'effet mécanique du condensat capillaire observé par AFM en pointe de fissure est modélisé sur l'exemple du modèle de zone cohésive. Ceci permet d'évaluer la pression de Laplace négative du liquide confiné et d'expliquer le mécanisme de refermeture des fissures. Une technique de corrélation d'image (DIC) est utilisée sur des séries d'images AFM in-situ. Nous montrons que la solution élastique pour le champ de déplacement de surface est valable jusqu'à une distance de 10 nm de la pointe de la fissure. Une étude expérimentale prometteuse de fractoémission a permit l'accès à la taille de la zone d'endommagement nanométrique dans les verres fracturé en régime dynamique. Les fonctions de corrélations de hauteur le long d'images AFM de surfaces de rupture lente ont été analysées. Nous montrons que la longueur de coupure de l'ordre de quelques dizaines de nm, interprétée comme taille de zone d'endommagement, découle plus probablement de la taille finie de la sonde de balayage de l'AFM et qu'en accord avec la DIC, aucune zone d'endommagement de taille supérieure à 20 nm n'est observable. / The aim of this thesis is to study the physical mechanisms which govern crack propagation in oxide glasses and to investigate in particular the existence of dissipative mechanisms at small scales. The subcritical crack propagation is controlled by a loading cell on Double Cleavage Drilled Compression samples under controlled atmosphere. Postmortem and in-situ analysis are performed on more than six decades of length scales (from nm to mm) by optical techniques and atomic force microscopy (AFM). An 2D/3D analysis of this sample is realized according to linear elastic fracture mechanics in order to discuss the experimental results and to ensure the mechanical test control at all scales. The mechanical effect of capillary condensation observed by AFM at the crack tip is modelled according to a cohesive zone model. This allows evaluating the negative Laplace pressure in the liquid and explaining the crack closure mechanism in glass. A digital image correlation technique is used on series of consecutive AFM in-situ images. We show that the elastic solution for the surface displacement field is valid up to a distance of 10 nm from the crack tip. A promising experimental study of fractoemission allowed us to access the nanometric process zone size in glasses during dynamic fracture. The height correlation functions along the AFM images of fracture surfaces were analyzed. We show that the cutoff length, found close to few ten nm and preiously interpreted as the process zone size, is most probably due to the finite size of the AFM scanning probe and in agreement with the DIC, no process zone larger than 20 nm is observable.

Les pathologies du système somatosensoriel, appelées neuropathies sensitives périphériques, touchent environ 3 millions de personnes en France et causent des déficits sensoriels multiples. Parmi elles, les douleurs neuropathiques post traumatiques sont les plus fréquentes et sont souvent chroniques et résistantes aux traitements actuels. Une lésion nerveuse périphérique induit des réponses cellulaires permettant la survie et la régénération de ces neurones. Les ganglions rachidiens dorsaux (DRG) contiennent une variété de neurones sensitifs qui transmettent les stimuli somatiques. Suite à une blessure du nerf périphérique les neurones sensitifs s'adaptent à un nouvel environnement pour réussir leur élongation axonale. Parmi les mécanismes cellulaires conduisant à une croissance neuritique améliorée, il a été démontré qu'une lésion primaire in vivo du nerf augmente la régénération axonale suite à une deuxième lésion. In vitro, les neurones qui ont été conditionnés par le premier traumatisme montrent une croissance neuronale plus rapide et plus élonguée appelée croissance régénérative. L'élasticité est un paramètre déterminant des propriétés mécaniques de la membrane cellulaire. Elle donne des informations importantes sur la santé et la fonction de la cellule. Le microscope à force atomique (AFM) est devenu de nos jours un outil commun pour l'imagerie à haute résolution de matériaux biologiques puisque les cellules vivantes peuvent être imagées dans leurs conditions physiologiques. En plus du rôle des propriétés élastiques dans le processus de régénération, l'organisation structurale des tissus est en grande partie déterminante du degré et de la direction de croissance et du mouvement cellulaire. Le guidage de la croissance par la modification des surfaces ou « patterning » est possible avec la technique de « microcontact printing » qui permet la conception de circuits de protéines avec des géométries bien définies. Les protéines de la matrice extracellulaire. Dans la première partie de la thèse nous avons mis en évidence les propriétés mécaniques de la membrane de neurones sensitifs issus de DRG de souris adultes suite à une lésion du nerf sciatique gauche. Les neurones sensitifs conditionnés montrent un mode de croissance neuritique plus rapide et plus élonguée, moins de branchements neuritiques et plus de souplesse membranaire des somas et des cônes de croissance. Dans un deuxième volet du travail nous avons réussi à normaliser la pousse régénérative et l'activité électrique des neurones sensitifs et motoneurones spinaux en utilisant le patterning des protéines d'adhésion cellulaire (ECM) dans le but d'imiter la croissance longitudinale in vivo. / Peripheral nerve injuries lead to paralysis, anesthesia and lack of autonomic control of the affected body areas. The trauma results in loss of motor and sensory functions conveyed by the involved nerves. This process is referred to as Wallerian degeneration; it creates a microenviroment in the injury site that favors neurites regrowth. The increased intrinsic growth capacity of injured peripheral neurons is manifested experimentally by the conditioning lesion paradigm. Axotomy of a peripheral neuron previous to the test lesion, ‘‘primes'' the neuron, switches it on to a regenerative state and, thus, it will regenerate faster after receiving the second injury. Mechanical interactions play a key role in many processes associated with neuronal growth and development. Membrane cytoskeleton elasticity is a determining parameter of membrane mechanical properties and provides important information toward the health and function of the cell. For this reason the first objective of this thesis was to understand the conditioning injury effects on both morphology and rheological properties of live sensory neurons cell bodies and growth cones, using particularly the atomic force microscopy, and to correlate this to eventual modifications in the composition of the cytoskeletal proteins. In addition to the role of cell elastic properties and mechanical sensing in the regeneration process, the structural organization of tissues plays a major part in deciding the degree and direction of tissue growth and cell movement. The ability to guide cells and their outgrowth by modifying surfaces is possible with the microcontact printing technique which enables the design of protein pathways with experimentally defined geometries. Therefore, the second objective of the thesis was to modulate the regenerative growth of dorsal root ganglia sensory neurons and spinal motoneurons using cell adhesion proteins in order to physically mimic the in vivo longitudinal axonal growth. We used the extracellular matrix (ECM) proteins, ideal biomolecules for printing as they can guide in vitro the cellular adhesion, differentiation, migration. The patterning allowed us to normalize neurite elongation and electrical activity of sensory neurons before and after conditioning lesion.

L’objectif de ce travail est l’étude et la modélisation d’un capteur de gaz à base d’oxyde métallique semiconducteur de type p (cas de CuO). Pour cela, des couches minces de CuO ont été élaborées dans l‘équipe microcapteurs de IM2NP à partir de deux techniques différentes : la pulvérisation cathodique réactive magnétron radio-fréquence et l’oxydation thermique des couches minces de cuivre déposées par évaporation thermique sous vide. Différentes techniques de caractérisation ont été mises en oeuvre pour évaluer les propriétés des couches minces obtenues en vue de les optimiser pour l’application capteur. La microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont révélé une nanostructure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par diffraction de rayons X (DRX) ont montré que ces couches minces présentent une monophase de CuO avec une orientation préférentielle (111), les études optiques par ellipsométrie dans le domaine visible ont permis d’estimer les pourcentages de porosité dans chaque couche. Ces couches possèdent la cristallinité et la pureté requises pour l'utilisation en capteurs de gaz. Les performances de ces couches minces de CuO ont été évaluées pour la détection de l’ozone et de l’éthanol. Sur la base de ces résultats, un modèle dynamique a été développé simulant la réaction entre les espèces oxygénées ionisées adsorbées à la surface d'un semiconducteur de type p avec un gaz, qui permet d’évaluer l’influence des paramètres de fonctionnement (Température de fonctionnement, pression d’oxygène et concentration de gaz). / The objective of this work is to study and model a gas sensor based on a p-type metal oxide semiconductor (case of CuO). For this, thin layers of CuO have been developed in the microsensor team at the IM2NP laboratory from two different techniques: radio frequency reactive magnetron sputtering and thermal oxidation of thin copper films deposited by thermal evaporation under vacuum. Different characterization techniques have been implemented to evaluate the properties of the thin films obtained in order to optimize them for sensor applications. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) revealed a homogeneous nanostructured morphology which has the desired porosity. Diffraction analysis (XRD) showed that these thin films have a single phase of CuO with a preferred orientation (111). Optical studies by ellipsometry in the visible spectral region were used to estimate the percentage of porosity in each layer. These layers have the crystallinity and purity required for use in gas sensors. The performances of these thin layers of CuO were evaluated for the detection of ozone and ethanol. Based on these results, a dynamic model was developed to simulate the reaction between the ionized oxygen species adsorbed on the surface of a p-type semiconductor with a gas, which is used to evaluate the influence of operating parameters (working temperature, oxygen concentration and gas pressure).

Ce travail de thèse a permis la mise au point d'un procédé d'encapsulation de bactéries probiotiques dans des matrices ne contenant que des ingrédients laitiers. L'étude à l'échelle laboratoire puis, le dimensionnement du procédé à l'échelle pilote ont permis la production de microparticules stables dans des milieux aqueux et résistantes à des conditions simulant l'estomac. La nature des protéines présentes mais également leurs proportions ont influencé la localisation des bactéries dans les microparticules : à la surface pour une matrice uniquement composée de caséine et à l'intérieur pour une matrice composée à la fois de caséines et de protéines solubles. L'interprétation de ces résultats par une étude à l'échelle moléculaire des interactions qui s'établissent entre les bactéries probiotiques et les protéines laitières a été possible grâce à l'utilisation de la microscopie à force atomique. Les protéines solubles interagissent de façon spécifique avec les bactéries alors que les caséines interagissent de façon non spécifique. De même, la présence de pili à la surface de la bactérie est favorable à la l'établissement d'interactions fortes entre LGG et les protéines solubles. Ce travail a donc permis d'expliquer des résultats obtenus à l'échelle macroscopique (taux d'encapsulation et de survie dans des conditions gastriques) grâce à des observations microscopiques et une étude à l'échelle nanoscopique des interactions entre les différents composants. Cette approche multi-échelle a élucidé certains mécanismes régissant l'encapsulation de bactéries probiotiques dans des matrices laitières / In this work thesis, an encapsulation process for probiotic bacteria using only milk proteins is developed. The laboratory scale followed by a pilot and an industrial scale development of the process allow the production of stable and resistant microparticles both in aqueous and gastric media. The nature and quantities of proteins added is found to influence the bacterial location in the microparticles. The bacteria are located mostly at the surface when only caseins are present. Oppositely, well encapsulated bacteria are observed when addition of whey proteins are performed. A molecular study of interactions established between milk proteins and bacteria is possible with the use of atomic force microscopy. Whey proteins are found to specifically interact with bacteria whereas the caseins establish non-specific links. In addition, the presence of piliated bacteria is found favorable to establish strong and long interactions between proteins and bacteria. This work permits the interpretation of results obtained at a macroscale (encapsulation rate and bacterial survival in stomach conditions) thanks to microscopic observations and nanoscopic interactions study. This multiscale approach permits the elucidation of mechanisms driving the probiotic encapsulation in milk matrices

La nanobiomécanique est un domaine interdisciplinaire émergent qui apporte une contribution significative à l'étude des processus biologiques liés à des diverses maladies humaines. Dans le cadre de ces travaux, des méthodes nanomécaniques basées sur la microscopie à force atomique ont été directement appliquées pour comprendre les processus pathogènes sous-jacents de deux maladies qui sont la formation de métastases cérébrales et à la sclérose latérale amyotrophique.Une cellule tumorale maligne, pour se propager et former des métastases, doit modifier et adapter en permanence ses propriétés adhésives et élastiques. Ici, nous avons combiné la cartographie des forces avec la spectroscopie de force monocellulaire (SCFS) afin d'obtenir un aperçu direct du processus de "criblage" de surface des cellules tumorales pendant leur extravasation dans le parenchyme cérébral. Les cartes élastiques et adhésives obtenues ont montré que les propriétés adhésives ne dépendent que faiblement des caractéristiques élastiques, et souligne l'importance des liaisons à long distances de type attache pour des adhésions réussies.Afin d'étudier comment le potentiel métastatique est lié aux propriétés nanomécaniques des cellules tumorales, des mesures SCFS comparatives ont été effectuées entre trois types de cellules mélanomateuses (WM35, A2058 et A375), montrant des caractéristiques invasives altérées. Nos résultats indiquent une faible élasticité relative, une adhérence maximale élevée et un nombre de liaisons individuelles élevé, comme propriétés clés des cellules mélanomes hautement métastatiques. En conclusion nos études permettent de catégoriser les cellules suivant leur potentiel métastatique agrandissant dans l’ordre suivant : WM35, A2058 et A375.La pathogenèse de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) est multifactorielle et ce caractérise également par la présence de processus inflammatoires. Nos études montrent des différences significatives dans l'adhésion de cellules T cytotoxiques CD8+ isolées chez des souris mutantes SOD1G93A et ce de type sauvage avec des neurones moteurs. Les cellules T dérivées de souris mutantes présentent une force d'adhésion améliorée par rapport aux souris saines dérivées. En outre, elle présente une réduction très significative après le blocage des liaisons entre pMHC-I et TCR. Ces résultats corroborent la contribution des lymphocytes T cytotoxiques au développement de la SLA, en tant qu'acteur actif de la neurodégénérescence.Les myoblastes jouent un rôle primaire dans les processus moléculaires impliqués dans le développement musculaire, le vieillissement et la réparation. Les cartes nanomécaniques à haute résolution réalisées sur des myoblastes et des myotubes multi-nucléaires, isolés à partir d'un modèle de souris SLA, ont révélé des modifications d'élasticité lors de la différenciation des myotubes. Des augmentations significatives du module d'élasticité ont été observées dans les projections des myoblastes allongés par rapport à leur corps cellulaire. Pour les myotubes, des différences ont été observées entre l'élasticité d'une population mince et épaisse de myotubes de souris sain. Cependant, chez le mutant SOD1, l'augmentation observée du module élastique de la population mince suggère un durcissement autonome accru des myotubes dérivés de souris SLA.En résumé, nos études mécaniques au niveau cellulaire ont décrypté divers aspects de deux pathologies graves, ce qui a donné lieu à de nouvelles découvertes sur leurs processus fondamentaux. Ces travaux mettent en lumière la pertinence et adéquation des méthodes d’études nanomécaniques basées sur l’AFM pour révéler des connaissances précieuses sur la physiopathologie, le développement, le diagnostic et la progression des maladies. / Nano-biomechanics is an emerging field of science that opened a new horizon in scientific research by generating significant contribution in the study of human diseases. In this work, atomic force microscopy-based nanomechanical methods were directly applied in order to elucidate important questions related to brain metastasis formation and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Better understanding of the underlying pathogenic processes of these life-threatening diseases is fundamental for the advancement of early diagnostics and improved therapeutics.A malignant tumor cell, in order to spread and form metastasis, has to vary and continuously adapt its adhesive and elastic properties. Here, we combined force mapping with single cell force spectroscopy (SCFS) in order to gain direct insight into the surface “screening” process of tumor cells during their extravasation into the brain parenchyma. Intercellular adhesive forces and works, as well as elastic properties were spatially mapped showing that adhesive properties are only slightly dependent on elastic characteristics, and highlighting the importance of long range tether-like linkages for successful adhesions.In order to examine how the metastatic potential relates to tumor cell’s autonomous and inter-cellular nanomechanical properties, comparative SCFS measurements were performed between three melanoma cell types (WM35, A2058 and A375), showing altered invasive characteristics, and blood vessel lining endothelials. Our results indicate low relative elasticity, high maximal adhesion and high number of individual linkages, as the key properties of highly metastatic melanoma cells. This enables us to suggest the following ordering of tumor cells from lower to higher metastatic potential: WM35, A2058 and A375.The pathogenesis of ALS is multifactorial, being characterized by the presence of inflammatory processes as well. In our results significant differences have been observed, by comparing the adhesion of CD8+ cytotoxic T cells isolated from wild-type as well as SOD1G93A mutant mice against wild-type motor neurons. Mutant mice derived T cells show enhanced adhesion strength, compared to the healthy mice derived ones. Moreover, we observe a significant reduction of T cell - motoneuron interactions after blocking the specific recognition bindings between pMHC-I and TCR. These results corroborate the contribution of cytotoxic T cells in the development of ALS, as an active player in neurodegeneration.Investigating primary myoblasts allow deciphering molecular processes involved in muscle development, aging and repair. Therefore, in our study high resolution nanomechanical mapping was performed on single elongated myoblasts and multinuclear myotubes, isolated from an ALS mouse model, to reveal elasticity features during early differentiation stage into myotubes. We have found that projections of the elongated myoblasts show significantly increased elastic modulus values compared to their cell body. Regarding myotubes, differences have been observed between the elasticity of a thin and thick population of wild-type myotubes, indicating the different maturity of the two populations. However, in SOD1 mutant, the observed increase in the elastic modulus of the thin population suggests an enhanced autonomous hardening of ALS derived myotubes.In summary, our cellular-level mechanical studies deciphered various aspects of two different life-threatening pathologies resulting in novel discoveries about their fundamental processes. This work highlights the high impact and the important role of AFM-based nanomechanical methods in providing valuable knowledge about disease pathophysiology, development, diagnostics and progression that could contribute to the evolvement of future therapies.

Les procédés lithographiques sont de nos jours très utilisés au sein de l’industrie de la microélectronique pour réaliser des matériaux fonctionnels de taille nanométrique. L’obtention de composants de taille de plus en petite (<100 nm) nécessite la mise en œuvre de nouveaux procédés de fabrication. Les travaux de recherches réalisés dans cette thèse portent sur l’étude d’un nouveau concept de lithographie par microcopie à force atomique (AFM). L'objectif principal est d'utiliser la pointe d’un AFM comme outil pour promouvoir des réactions catalysées sur une zone bien définie d’une surface greffée. De cette manière, diverses molécules ont pu être greffées sélectivement et spatialement pour conduire à des objets finis en 3 dimensions. Afin de mieux comprendre le mécanisme réactionnel, différents paramètres physico-chimiques ont été étudiés dans la première partie : vitesse de balayage de la pointe, force appliquée, distance interligne lors de la gravure du motif, largeur de lignes limites, durée de vie de la pointe catalytique et influence de la flexibilité du catalyseur présent sur la pointe. La deuxième partie consiste à la réalisation de nanostructures avec des molécules aux propriétés physico-chimiques particulières (optique, électrique, catalytique) ainsi qu’à la construction de nanostructures tridimensionnelles. Quelques résultats marquants sont l’obtention d’une largeur de ligne limite de 25 nm, d’une surface de greffage minimum de 480 µm² et d’une structure de forme pyramidale composée de trois niveaux moléculaires distincts. / Lithography processes are widely used in the microelectronics industry for the realization of functional materials of nanometric size. To obtain components increasingly small (<100 nm) the development of new manufacturing processes is requires. The research presented in this thesis concerns the study of a new concept of lithography by Atomic Force Microscopy (AFM). The main objective is to use the tip of an AFM as a tool to promote catalysed reactions on a well defined zone of a grafted surface. In this way, diverse molecules could be grafted selectively and spatially to form three dimensioned objects. To better understand the reaction mechanism, different physico-chemical parameters were studied in the first part: the scanning speed of the tip, the strength applied, the interline spacing during the engraving pattern, the width lines limits, the life time of the catalytic tip and the influence of the catalyst flexibility coated to the tip. The second part consists in the realization of nanostructures with molecules that have particular physico-chemical properties (optical, electric, catalytic) and the construction of three-dimensional nanostructures. Some pertinent results are the achievement of line width of 25 nm, a minimum grafted surface of 480 µm² and the formation of a structure of pyramidal shape constituted of three different molecular levels.

[pt] Com os métodos de instrumentação usados atualmente na terapia endodôntica ocorre a formação de uma camada residual composta de matéria orgânica e inorgânica que freqüentemente pode reter bactérias e seus subprodutos. Os métodos disponíveis para a remoção do smear layer incluem o ataque químico, técnicas ultra-sônicas e a laser, sendo que nenhum desses métodos se mostra totalmente eficaz, não existindo um consenso universal a respeito. A ação do EDTA, do EDTAC e do ácido cítrico sobre a dentina radicular foi analisada neste estudo por dois métodos. Primeiramente, foi realizada uma análise da microdureza radicular antes e depois da aplicação dos quelantes. Em seguida, utilizou-se microscopia de força atômica (AFM) para mapear e caracterizar as alterações microestruturais ocorridas na dentina durante o processo de quelação dos íons de cálcio. No caso da microscopia, realizou-se experimentos em que a ação quelante foi observada em tempo real, in situ, através do uso de um porta-amostras especial - uma célula de líquido - que permitiu observar a superfície das amostras durante o condicionamento ácido. Seqüências de imagens foram capturadas durante o processo e uma rotina de processamento e análise digital de imagens (PADI) foi criada para avaliar qualitativa e quantitativamente o efeito das substâncias quelantes. O desenvolvimento desta metodologia de microscopia in situ e análise digital é uma das principais contribuições da presente dissertação. / [en] Instrumentation methods currently used in endodontic therapy create a residual layer composed of organic and inorganic material that frequently retains bacteria and their subproducts. The available methods to remove this smear layer include chemical etching, ultrasonic and laser techniques but none of these is completely efficient and there is no universal consensus regarding this subject. In the present study the effect of EDTA, EDTAC and citric acid upon radicular dentin was analyzed by two methods. Dentin microhardness was measured before and after etching. Atomic force microscopy was used to map and characterize dentinary microstructural changes throughout the chelation process. Real time, in situ, observations of the process were performed through the use of a special sample holder - a liquid cell - that allowed the observation of the samples surfaces during etching. Image sequences were acquired and an image processing and analysis procedure was developed to evaluate, both qualitatively and quantitatively, the effect of the 3 chelators. The development of this methodology employing in situ microscopy and digital image analysis is one of the main contributions of the present dissertation.

La spectroscopie de champ proche couplée à la possibilité de manipuler des nano-objets uniques permet de sonder des interactions dans des conditions de dilution élevées et de manière contrôlée. Dans ce sujet, deux techniques de spectroscopie à sonde locale ont été mises à profit. D'une part, couplée à la microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS) a été mise à profit pour l'observation de la signature vibrationnelle de rotaxanes adsorbés sur une surface d'or. Les topographies STM (microscopie à effet tunnel) ont permis de caractériser en conditions ambiantes des rotaxanes individuels. D'autre part, la spectroscopie dynamique de force (AFM-DFS) appliquée à l'étude des interactions entre un oligopeptide CK(AAAAK)2C et une surface d'or a révélé plusieurs signatures s'échelonnant de 100 pN à plus de 300 pN, et plus rarement, quelques signatures supérieures à 1 nN. Les expériences de contrôle garantissent la spécificité de l'interaction. Nous avons également testé une correspondance entre les modèles cinétiques appliqués dans les systèmes ligand-récepteur à notre système par variation du taux de charge : Bell-Evans et Friddle-DeYoreo. Plusieurs méthodes d'exploitation, en fonction de l'expression prise pour le taux de charge tenant compte où non de la dynamique de dépliement de l'agent de couplage ont été testées. Un outil numérique a également été développé pour le traitement automatique des courbes de force. Les biais liés au sous-échantillonnage de données, à une sélection manuelle, ou au choix des critères de classement des variables sont limités par la mise en place d'outils automatisant ce processus. / Beyond simply imaging, near-field techniques allow to probe and control molecular interactions onto a reduced number of molecules, if not a single one. In this subject, we took advantage of two local-probe spectroscopies. On the one hand, dynamic force spectroscopy (AFM-DFS) was applied to measure interactions between the oligopeptide CK(AAAAK)2C and a gold surface. It revealed several signatures ranging from 100 to 300 pN and more rarely some signatures above 1 nN. In order to interpret this complex response, we tested the kinetic models of Bell-Evans and Friddle-De Yoreo generally applied in ligand-receptor systems onto our system when the loading rate, i.e. the variation of the applied force per unit of time, is varied. Several interpretation methods including or not the effect of the unfolding of the coupling agent into the loading rate expression were tested. A numeric tool was also developed for the automatic processing of the force curves. Biases related to under-sampling of data, due to manual selection, or due to variables classification and mis-representation were limited by the implementation of tools automating the whole process. On the other hand, coupled to Scanning Tunneling Microscopy (STM), tip enhanced Raman spectroscopy (TERS) allowed us to observe the vibrational signature of a giant rotaxane on a gold substrate. STM images performed in ambient conditions could moreover highlight domains with individual molecules.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ROSANA ALES.pdf: 3987303 bytes, checksum: 92e57b1ef8e633c0ea89947754587a1a (MD5) Previous issue date: 2014-05-30 / The technique of atomic force microscopy (AFM) has been one of the most used techniques to elucidate and characterize the structural models of Humic Substances (HS). Although this technique has been employed in the analysis of SH, there is not in the literature a standardized methodology of preparation of samples for analysis by AFM. The soil organic matter (SOM), which comes from its solid phase, can be divided into humic and not humic substances. The last one is usually constituted by humic acid (HA), fulvic acid (FA) and humin (UH). There are several structural proposals for humic substances, but none is entirely satisfactory because they consist of a heterogeneous mixture of functional groups and chemical characteristics are not defined, showing lack of genetic structural identity. The search for a structure or structural models for SH is one of the most controversial topics in the field of Soil Science. Due to different approaches, the current research aimed to test and propose methodological procedures to obtain images of humic acid (one of the fractions of humic substances) in soil by Atomic Force Microscopy. The soil in which the humic acid was extracted by chemical fractionation process is from a floodplain area, cultivated, located in the Experimental Station of the Agronomic Institute of Paraná in the city of Ponta Grossa – PR, with depth collection of 0 - 10 cm. Several methodological procedures were performed to obtain samples of HA, both in conventional procedure (stirring) of the solution and using the ultrasound to dissolve the humic acid. The two methodologies for sample preparation are valid to obtain images of HA through the AFM, however, with the use of ultrasound, samples were prepared in a shorter period. / A técnica de microscopia de força atômica (AFM) vem sendo uma das técnicas mais utilizadas para elucidar e caracterizar os modelos estruturais das Substâncias Húmicas (SH). Embora essa técnica seja empregada na análise de SH, não existe na literatura uma metodologia padronizada de preparo dessas amostras para análise por AFM. A matéria orgânica do solo (MOS), que é proveniente de sua fase sólida, pode ser dividida em substâncias não húmicas e substâncias húmicas. Esta última é constituída, geralmente, por ácido húmico (AH), ácido fúlvico (AF) e humina (HU). Existem várias propostas estruturais para as substâncias húmicas, mas nenhuma é inteiramente satisfatória pelo fato delas serem constituídas de uma mistura heterogênea de grupos funcionais e não terem características químicas definidas, apresentando falta de identidade estrutural genética. A procura por uma estrutura ou por modelos estruturais para as SH é um dos temas mais controversos na área da Ciência do Solo. Devido a diferentes abordagens, a atual pesquisa teve por objetivo testar e propor procedimentos metodológicos para obter imagens de ácido húmico (uma das frações das substâncias húmicas) de solo por Microscopia de Força Atômica. O solo em que o ácido húmico foi extraído pelo processo de fracionamento químico, é proveniente de uma área de várzea, cultivada, localizada na Estação Experimental do Instituto de Agronômico do Paraná localizado na cidade de Ponta Grossa – PR, com profundidade de coleta de 0 – 10 cm. Foram realizados diversos procedimentos metodológicos para obtenção de amostras de AH, tanto no processo convencional (em agitação) da solução, como com a utilização do ultrassom, ambos para dissolução do ácido húmico. As duas metodologias para o preparo das amostras são válidas para obtenção de imagens de AH através da AFM, no entanto, com a utilização do ultrassom, as amostras foram preparadas em um período menor.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A maneira mais difundida na observaÃÃo de cÃlulas sanguineas (hemÃcias) à aquela que utiliza microscopia Ãtica convencional. Devido ao limite de resoluÃÃo dos instrumentos Ãticos, novas tÃcnicas de microscopia colocam-se como alternativas para o estudo de cÃlulas, tais como: a microscopia eletrÃnica (de varredura e transmissÃo) e as tÃcnicas de varredura por sonda. Inclui-se neste Ãltimo grupo a microscopia de forÃa atÃmica (AFM). Este trabalho discute as possibilidades de uso da Microscopia de ForÃa AtÃmica ($emph{Atomic Force Microscopy}$ - AFM) em ciÃncias da vida, para ser mais especÃfico, na caracterizaÃÃo de eritrÃcitos. Cinco experimentos envolvendo hemÃcias e AFM estÃo aqui descritos: diferenciaÃÃo entre os grupos sanguÃneos AB+ e O+; anÃlise do perfil da membrana eritrocitÃria de indivÃduos sadios e portadores de SMD; preparaÃÃo de cÃlulas vermelhas para anÃlise em microscopia de forÃa atÃmica; anÃlise volumÃtrica de cÃlulas vermelhas; e monitoramento do envelhecimento de um eritrÃcito ao ar usando o AFM. No primeiro experimento, a rugosidade das membranas celulares dos grupos AB+ e O+ mostraram-se diferentes. Jà no segundo experimento, depressÃes foram encontradas sobre a membrana de pacientes com SMD e indivÃduos sadios, contudo, aparentemente mais profundas no primeiro grupo. O terceiro estudo trouxe à tona a importÃncia da preparaÃÃo adequada dos eritrÃcitos para medidas especÃficas em AFM. A quarta experiÃncia comprovou a capacidade da tÃcnica AFM de fornecer informaÃÃo de volume, o que tambÃm foi utilizado no Ãltimo experimento para monitorar o envelhecimento de uma hemÃcia ao ar. / The optical microscopy is the most employed technique used for visualize red blood cells (RBCs). But, due to its resolution limit, it is necessary to use other complementary techniques to study the cells, such as: the scanning and transmission electron microscopy, and the scanning probing microscopy. The Atomic Force Microscopy (AFM) is included in the last group. This work refers to the possibilities of using AFM in life science, focusing on the erythrocytes characterization. Five experiments involving red blood cells and AFM were carried out: AB+ and O+ blood types differentiation; RBCs membrane study of donors and patients with MDS (Myelodysplastic Syndrome); suitable preparation of red blood cells for AFM analysis; volume study of erythrocytes; and finally aging process observation of RBC in air. The first experiment determined the cell membrane roughness for AB+ and O+ groups, which were different. For the second one, depressions were found on the cell surface of both MSD patients and healthy people. These "holes" were deeper in the first group. The third experiment showed the importance of sample (RBCs) preparation for each AFM specific analysis. The fourth experimental procedure showed the AFM technique capability for providing volume information, which was also used in the last experiment to monitor the aging process of RBCs in air.