Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) sont utilisées de plus en plus pour des applications d’imagerie médicale et d’élution de médicament. Bien qu’elles ne soient pas encore approuvées pour la clinique, ces produits font actuellement l’objet de plusieurs études précliniques. En particulier, notre groupe de recherche a démontré que les nanoparticules de silice poreuses marquées d’éléments paramagnétiques sont des agents de contraste efficaces en imagerie par résonance magnétique (IRM). La porosité ouverte de ces produits offre des pistes intéressantes pour des applications de livraison de médicament sous imagerie médicale. Ce projet de maîtrise porte plus particulièrement sur la préparation des particules de silice mésoporeuses marquées d’éléments paramagnétiques, en vue d’applications en imagerie cellulaire, et en imagerie vasculaire. Dans un premier temps, la possibilité de marquer des particules de silice au moyen d’un élément paramagnétique (Mn) a été démontrée. Ces produits ont fait l’objet d’une étude de caractérisation physico-chimique, et d’une étude de marquage cellulaire. Il a été démontré que les nanoparticules Mn-MSNs internalisées dans des cellules leucémiques de souris sont visibles en IRM. Or, avant traitement des cellules, tout comme pour la préparation d’une suspension de MSNs pour une injection intravasculaire, il est nécessaire de purifier les nanoparticules de la présence d’ions métalliques potentiellement toxiques (Gd3+, Mn2+, utilisés pour le marquage des nanoparticules et la visibilité en IRM). Afin de faciliter la purification des nanoparticules par une technique rapide, une méthode de chromatographie par exclusion stérique a été développée, optimisée et appliquée à une procédure de marquage de MSNs au moyen d’ions paramagnétiques (Gd3+) et radioactifs (64Cu2+). Le développement de cette technique a été essentiel pour purifier les MSNs, qui ont ensuite été injectées dans des souris, et visualisées en IRM et en tomographie par émission de positons (TEP). Ces études ont permis de mesurer la biodistribution des particules de MSNs sur 48 h. Ce projet a également permis de démontrer que les biodistribution dynamiques sous TEP permettront de mieux comprendre la biodistribution, la rétention aux organes, et l’excrétion des nanoparticules de MSNs développées comme potentiel agent de vectorisation de médicaments. / Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are increasingly used in medical imaging and drug delivery applications. They are still not approved for the clinic; however, these products have been used in several preclinical studies, and are being evaluated for clinical trials. Our group demonstrated that MSNs labeled with paramagnetic elements are efficient as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). The open porosity of these products leads to interesting applications for drug delivery under medical imaging. This master’s degree project has focused on the preparation of MSNs labeled with paramagnetic elements, for applications in cellular imaging, and vascular imaging. First, MSNs labeled with paramagnetic element (Mn) were used to label and to visualize cells in MRI. These products were subjected to a physico-chemical characterization study, and a cellular labelling study. It was demonstrated that Mn-MSNs nanoparticles internalized in leukaemia mouse cells are visible using MRI. However, before cells treatment, just like for the preparation of MSNs suspension for intravascular injection, it is necessary to purify nanoparticles from the potentially toxic paramagnetic metal ions (Gd3+, Mn2+). To facilitate and accelerate the purification time, a size exclusion chromatography method was developed, optimized and applied to MSNs labelled with paramagnetic (Gd3+) and radioactive (64Cu2+) ions. The development of this technique was essential to purify MSNs from both Gd3+ and 64Cu2+, which were then injected in mice, and visualized with MRI and positron emission tomography (PET). These studies have made it possible to measure the biodistribution of MSN over 48 h in the mouse model. PET dynamic biodistributions studies allow a better understanding of biodistribution, organ retention, and excretion of MSNs nanoparticles developed as potential drug vectors.

Le développement de capteurs pour la détection de molécules présentes en très faible concentration est un enjeu sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux micro-résonateurs cascadés ou insérés dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est mis en place. Son efficacité est démontrée par la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux polymères qui possède des performances dans l’état de l’art. Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement. L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les performances de ces dispositifs. Enfin la mise en œuvre et les premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés. / The development of biosensors for the detection of extremely low concentration analytes is an economic and societal challenge. It ensures the needs to detect analytes in the economic fields of healthcare, defense and environment. Integrated optical sensors have several advantages to address these challenges. In this thesis, near infrared integrated biosensors for detection of low concentration molecules in biological samples are developed. They are based on two integrated micro-resonators transducers. Firstly, performances criterions such as sensitivity and limit of detection are defined and optimized for single micro-resonator biosensors. The advantage of micro-resonator transducers based on the Vernier effect are presented. To do so, a flowchart is developed in order to optimize the design of Vernier effect integrated transducers based on cascaded micro-resonators or micro-resonators positioned in a Mach-Zehnder interferometric structure. The efficiency of the design procedure is tested by the fabrication of a polymer transducer based on the Vernier effect with state of the art performances. Then, transducers based on porous silicon material are studied. This porous material eases the penetration and the grafting of the analytes in the sensor. Porous silicon waveguides are theoretically optimized for the fabrication of single micro-resonators. The interest of the implementation of polymer and porous silicon waveguides coupled on the same integrated chip, in order to reduce optical propagation losses and to increase sensor sensitivity, is demonstrated. The performances in sensitivity and limit of detection of hybrid porous silicon and polymer waveguides Vernier effect transducers are theoretically studied in order to estimate the performances of these integrated biosensors. Eventually, the design and the first fabrication trials of hybrid porous silicon and polymer waveguides transducers are presented.

Les canaux potassiques sensibles à l'ATP (KATP) jouent un rôle primordial dans la sécrétion pancréatique d'insuline et participent au contrôle du tonus vasculaire ainsi que de l'excitabilité des cellules musculaires cardiaques et neuronales. Constitués de l'assemblage unique d'un récepteur membranaire de la famille des transporteurs ABC, le récepteur des sulphonylurées SUR, et d'un canal potassique rectifiant entrant, Kir6.2, ces canaux couplent le métabolisme cellulaire au potentiel membranaire et constituent en ce sens un modèle naturel de biocapteur.<br />Le caractère unique de cet assemblage tient au fait que SUR est capable de réguler l'activité de Kir6.2 suite à la fixation de ligands: nucléotides, activateurs ou inhibiteurs pharmacologiques. Nous nous sommes intéressés aux déterminants moléculaires intervenant dans le couplage fonctionnel de SUR au canal Kir6.2. Utilisant une stratégie chimérique, nous avons identifié une région C-terminale de l'isoforme SUR2A essentielle aux mécanismes d'activation du canal, assurant le lien entre la fixation de ligands à SUR et l'ouverture de Kir6.2.<br />Nous avons également utilisé notre connaissance du modèle du canal KATP pour développer un nouveau type de biocapteur électrique, les Ion Channel Coupled Receptors (ICCR), fondé sur le couplage fonctionnel artificiel entre Kir6.2 et des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR). Par ingénierie protéique, nous avons créé deux modèles d'ICCR impliquant respectivement les récepteurs muscarinique M2 et dopaminergique D2: la fixation d'agonistes ou antagonistes spécifiques sur ces récepteurs entraîne une activation ou une inhibition du canal mesurables électriquement en temps réel, jetant les bases prometteuses d'une nouvelle génération de biocapteurs acellulaires.

Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un état de l'art dans le domaine des micro et nanosystèmes électromécaniques en mettant en exergue les problématiques afférentes à leur réduction en taille en termes de technologies de fabrication, d'électronique associée, de sources de bruit extrinsèques et intrinsèques, de rapport signal sur bruit... Plus spécifiquement, nous évaluons la pertinence d'une miniaturisation des dispositifs électromécaniques pour des applications dans le domaine de la chimie ou de la biologie en soulignant le rôle prépondérant des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume: pertes énergétiques, équilibres thermodynamiques, cinétiques de réaction& Le cas particulier des biopuces et des biocapteurs est ensuite abordé : dynamique de mesure, domaine de linéarité, sensibilité, résolution ultime. Cet état de l'art nous permet de positionner, sur le plan national et international, nos activités de recherche, dont le bilan est dressé dans la deuxième partie. Il a également pour objectif de justifier le choix de nos orientations thématiques à plus long terme vers le domaine des nanobiotechnologies, ces orientations faisant l'objet d'une dernière partie.

Les biocapteurs constituent un défi pour le diagnostic médical, la surveillance des eaux naturelles ...Dans ce travail, nous avons défini les conditions de précipitation de la structure Hôte par hydrolyse thermique de l'urée. Une nouvelle voie de synthèse d'HDL a été mise au point, utilisant la décomposition catalytique de l'urée par l'uréase. Une étude comparative des procédés d'immobilisation a permis de maîtriser la formation du matériau hybride et de contrôler la quantité d'uréase immobilisée, dont l'activité catalytique a été étudiée. L'élaboration des biocapteurs sous forme de multicouches nanostructurées HDL-Uréase a été réalisée par la technique Langmuir-Blodgett, et leur réponse a été évaluée. Cette première étude sur le confinement de protéines sur des matrices HDL, depuis l'élaboration de la matrice hôte jusqu'à la réalisation du biocapteur fonctionnel, ouvre des perspectives sur l'immobilisation d'autres enzymes et l'optimisation de films hybrides à propriétés biologiques

L'objectif de cette étude consiste à développer des bio-architectures à base de nanotubes de carbone mono-feuillet à visées électroanalytiques. Pour ce faire, différentes méthodes de fonctionnalisation de nanotubes de carbone ont été proposées à savoir la fonctionnalisation en solution, par trempage et par électropolymérisation en se servant des interactions π entre les nanotubes de carbone et des molécules π-conjugués (le pyrrole-biotine, le pyrène-biotine et le pyrèneadamantane). Les matrices utilisées pour la conception des biocapteurs sont basées sur les systèmes d'affinité entre l'avidine et la biotine, et entre l'adamantane et la β- cyclodextrine. La comparaison des performances des différents biocapteurs a permis de déterminer la méthode la plus adéquate pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone. Cette dernière consiste à former une monocouche de monomères par simple trempage puis de la renforcer par électropolymérisation oxydative dans une solution exempte de monomère. Cette stabilisation de la couche adsorbée préserve une excellente accessibilité à la surface de l'électrode sous-jacente. Les surfaces fonctionnelles qui en résultent ont été caractérisées par des méthodes physico-chimiques d'analyse.

Ce travail concerne la réalisation d'une électrode enzymatique utilisable pour le suivi en ligne (<i>on-line</i>) d'un procédé de fermentation. Cette étude a nécessité la mise au point d'une nouvelle technique d'immobilisation, applicable à différentes enzymes. Elle est basée sur la formation de liaisons covalentes entre l'enzyme et l'agent portant: le glutaraldéhyde. La méthode consiste en une adsorption de l'enzyme suivie du dépôt, par vaporisation, de l'agent réticulant sur l'extrémité sensible des électrodes de pH en verre. Ce procédé d'immobilisation assure un temps de réponse extrêmement court du biocapteur. Cette performance est un avantage indéniable pour des mesures en continu, tel qu'un système d'analyse par injection en flux continu (FIA). Par la suite, nous avons développé des systèmes FIA incorporant trois différents types de cellules de détection appropriées aux besoins analytiques. Des électrodes à pénicillinase et à uréase, préparées selon la méthode décrite ci-dessus, ont été installées et utilisées dans ces cellules. Les systèmes biocapteurs-FIA, ainsi conçus, ne nécessitent alors ni réacteur enzymatique, ni réactif. De plus, le temps de réponse très court du biocapteur allie aux avantages de la FIA et aux spécificités des cellules a permis d'obtenir une cadence de mesure très élevée. Ce système d'analyse a été applique aux mesures en ligne de la concentration de pénicilline au cours de sa production fermentaire et aux mesures automatiques de l'urée dans les échantillons de sérum humain. Pour cela, nous avons automatise le système biocapteur-FIA et conçu une nouvelle cellule a écoulement agite pour l'installation des électrodes à uréase et a pénicillinase. Ce système biocapteur-FIA donne des résultats satisfaisants pour la détermination de l'urée et surtout s'est révélé extrêmement performant pour le suivi hors ligne et en ligne de la concentration de pénicilline pendant plusieurs fermentations d'une durée de 250 heures environ. Dans ce dernier cas, la comparaison des mesures effectuées avec le système biocapteur-FIA et une méthode classique de dosage (HPLC) est favorable à l'analyseur biocapteur-FIA qui assure des mesures en ligne avec une bonne fiabilité et a un moindre cout, mais aussi en raison de sa simplicité. En rendant possible une exploitation immédiate des mesures en ligne de la concentration en pénicilline par l'ordinateur central de l'installation fermentaire, le système biocapteur-FIA présente un pas important dans l'amélioration du contrôle et/ou de la modélisation des bioprocédés.

Les matériaux organiques pour l'électronique moléculaire trouvent de nombreuses applications et se substituent déjà aux semi-conducteurs classiques issus de la chimie minérale. Le travail entrepris a concerné la mise en forme et l'étude de nouvelles matrices polythiophène permettant l'immobilisation de molécules biologiques et la lecture électronique de l'hybridation.<br />Dans une première partie, une nouvelle fonction d'ancrage électroactive a été validée permettant l'immobilisation de molécules sondes par simple condensation d'amines dans des conditions douces. Cette approche autorise un diagnostic électrochimique de l'environnement moléculaire au voisinage de l'interface faisant de ces matrices des supports actifs dans la transduction du signal. Ainsi, nous montrons comment, par l'examen des modifications des propriétés de conduction du polymère, il est possible d'établir la présence ou l'absence d'un brin d'ADN complémentaire dans le milieu d'étude. Par ailleurs, un suivi par microbalance à cristal de quartz des différentes étapes de modification du support a permis de valider ces évènements.<br />Le développement de dispositifs autorisant leur emploi comme outils d'analyses ou comme outils thérapeutiques laisse entrevoir la perspective de diagnostiquer et de réparer des anomalies génétiques responsables du disfonctionnement des protéines. Aussi, dans une deuxième partie, nous présentons des résultats obtenus avec un poly(cyclopentadithiophène) modifié par un groupement électroactif connecté à la chaîne principale par une chaîne conjuguée. La spécificité de cette matrice permet l'immobilisation d'ADN ainsi que la libération électrochimiquement contrôlée en milieu physiologique.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement des microtechnologies pour l'amélioration des techniques d'analyse médicale et propose d'améliorer le confort du patient hémodialysé par un suivi en continu de l'efficacité de l'épuration. Il vise la mise au point de microcapteurs chimiques jetables de type ChemFETs pour la détection des ions H+, de l'urée et de la créatinine. Le principe de détection est basé sur la réalisation d'une couche enzymatique générant une catalyse au niveau de grille du ChemFET. Cette réaction chimique induit une variation de pH que le microcapteur mesure. La première partie des travaux de recherche a consisté à élaborer un procédé de fabrication technologique, fiable, peu complexe et utilisant une technologie standard pour la réalisation des microcapteurs chimiques SiO2/Si3N4 pH-ChemFETs. Le procédé de fabrication a été validé à l'aide du logiciel de simulation technologique ATHENA" et du logiciel de simulation électrique ATLAS". Les composants ont ensuite été réalisés dans la centrale technologique du LAAS-CNRS, puis assemblés sur un circuit imprimé; un silicone biocompatible assurant l'étanchéité du système. Les microcapteurs ont ensuite été caractérisés électriquement pour la mesure du pH. L'obtention d'une bonne reproductibilité de mesure et de sensibilités quasi-nernstiennes (55 mV/pH) a validé le procédé technologique de fabrication. Ils ont donc été adaptés à la détection biochimique, et plus précisément de l'urée et de la créatinine. Les membranes enzymatiques ont tout d'abord été déposées manuellement à la microgoutte, puis, afin de considérer le développement industriel des microcapteurs enzymatiques, fabriquées collectivement en utilisant les techniques de photolithographie. La faisabilité de la détection de l'urée et de la créatinine a finalement été démontrée et les propriétés de détection enzymatiques ont été optimisées dans des solutions de dialysat.

Dans l'objectif de développer une nouvelle activité dans le domaine des biocapteurs, nous avons mené les travaux de cette thèse qui portent sur la conception et la réalisation de nanostructures photoniques à bas de silicium poreux fonctionnalisé pour la détection du glucagon. Affin d'exploiter une transduction optique liée aux propriétés intrinsèques du silicium poreux et une bioréception immunologiqe basée sur l'affinité entre le glucagon et les anticorps monoclonaux spécifiques (Ac. Anti‐glucagon de type IgG1), nous avons réalisé une étude sur les conditions expérimentales d'élaboration de silicium poreux pour la mise en oeuvre d'un prtocole chimique permettant sa biofonctionnalisation. Nous avons aussi mis en place les outils nécessaires pour le suivi des étapes de fonctionnalisation de silicium poreux et préaré des structures photoniques multicouches fonctionnalisées. En effet, après avoir effectué une étude bibliographique sur les biocapteurs en général et les dispositifs optiques en particulier, nous avons opté pour une approche fondée sur l'utilisation d'une microcavité à miroir de Bragg dont la longueur d'onde de résoance est déplacée par la modification de son indice de réfraction due à la présence de l'espèce biologique à détecter. Pour cela nous avons tout d'abord développé un programme de simulation de spectres de réflectances de structures optiques à bae de silicium poreux. Ce programme calcule la réflectance d'une structure poreuse monocouche ou multicouche en appliquant le formalisme des matricesde transfert et ce à partir des indices de réfraction calculés à partir de la composition des milieux effectifs constitués par e silicium poreux (dont la porosité est modulée) remplis par l'espèce biologique étudiée. Cet outil nous a permis dans un premier temps de prévoir l'influence des paramètres structuraux, tels que le diamètre moyen des pores et la porosité, sur la sensibilité de la réponse spectrale de structures monocouches et multicouches (miroir de Bragg et microcavité) dans le suivi de la biofonctionnalisation de ces structures. Dans un deuxième temps, nous avons simulé la réflectance des monocouches de silicium poreux que nous avons élaborées par anodisation électrochimique ain de déterminer leur porosité. La caractérisation structurale de ces monocouches a été complétée par des observations au microscope électronique à balayage (MEB). La fonctionnalisation de ces couches de silicium poreux selon un procédé chimique comportant une étape de silanisation suivie ar une réaction de couplage aldéhyde et le greffage d'éléments immunologiques (anticorps‐antiglucagon) a été contrôlée par réflectométrie et spectroscopie RAMAN. Nous avons ainsi pu d'une part, vérifier la fixation des anticorps anti‐glucagon en volume d'une couche de silicium poreux de forte porosité (~ 90%) et d'autre part estimer le taux de recouvrement de la surface poreuse par ces biorécépteurs (0.4x1012 molécules d'IgG par cm²). Nous avons par la suite appliqué ce procédé de biofonctionnalisation aux microcavités conçue auparavant ce qui nous ont perms de confirmer dans certaines conditions l'efficacité du protocole chimique utilisé pour recouvrir la surface interne du matériu par des molécules organiques.