Ce document présente les notions de base permettant la conception d'un système de biodétection reposant sur la résonance des plasmons de surface. Il expose ensuite les grandes étapes de la conception du système, sa caractérisation, de même que son application à la mesure de l'activité cellulaire. Plus particulièrement, un système de biodétection basé sur la résonance des plasmons de surface a été conçu et réalisé.Ce système, intégrant deux types de détection, soit la modulation de l'angle de couplage aux plasmons de surface ainsi que la modulation de l'intensité d'un laser réfléchi sur le substrat, a été fabriqué sous la forme d'un goniomètre vertical. Un prisme sur lequel était déposé le substrat assurait le couplage de ce dernier avec un laser, permettant la mesure de la résonance des plasmons de surface.Ce système a été caractérisé quant à sa fidélité, sa sensibilité, sa plage dynamique et sa résolution. Finalement, le système a été appliqué à la mesure de l'activité de cellules vivantes induite par l'injection d'agents reconnus pour leur effet sur la morphologie des cellules. Cette application démontre qu'un biocapteur à large plage de détection peut être formé par la combinaison de la résonance des plasmons de surface et d'une monocouche de cellules vivantes.Ce biocapteur permet de détecter en temps réel des agents chimiques ou biologiques induisant des changements morphologiques dans la cellule.

Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.

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

L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d'étude au coeur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s'agit de nanoparticules, de cellules ou encore d'objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l'étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l'intégration des objets d'intérêt à l'échelle de l'objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l'assemblage d'objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d'une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d'Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d'ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l'analyse médicale et de la détection.

Les propriétés des quantum dots (QDs) en font des sondes adaptées à la reconnaissance moléculaire. Leur pic d’émission en fluorescence est très étroit et ajustable, tandis que la section efficace de leur spectre d’absorption est très large. En outre, ils sont très brillants et résistent mieux au photoblanchiment que les colorants organiques conventionnels.Notre objectif a été de concevoir un nouveau type de sondes fluorescentes pour une détection rapide à l’échelle de la molécule unique. L’utilisation d’agrégats contenant plusieurs milliers de QDs, plutôt que celle de QDs individuels, permet d’accroître le signal de fluorescence et de simplifier les modalités de détection. La morphologie et la chimie de surface des premiers agrégats préparés n’ont pas pu être contrôlées en les recouvrant avec des molécules de surfactants courts ou une couche de polymère en solution aqueuse. La stratégie centrale de ce manuscrit a permis d’assembler les QDs en nanobilles (NBs) monodisperses de quelques centaines de nanomètres de diamètre, encapsulées dans une couche de silice Stöber. Leur stabilité colloïdale et leur photostabilité ont ainsi été conservées. Un nouveau type d’hybride polymère-silane a été greffé sur la silice. Il présente des chaînes zwittérioniques, garantissant la solubilité en milieu aqueux et une adsorption non spécifique minimale, ainsi que des fonctions réactives pour la bioconjugaison. La réactivité de NBs fonctionnalisées par de la streptavidine avec des billes commerciales biotinylées a été démontrée. Nos résultats préliminaires ont également montré que les NBs peuvent être intégrées dans un dispositif microfluidique pour être comptées individuellement. / Using nanotechnology for molecular diagnostics holds many advantages e.g. an improvement in the simplicity and the sensitivity of analysis. Semi-conductor nanocrystals or quantum dots (QDs) demonstrate several unique properties that make them suitable probes for biomolecular recognition. These QDs present narrow size-tunable emission spectra and a broad excitation spectrum; in addition, they offer higher photostability and brightness than conventional organic dyes. Our aim was to design a new diagnostic probe based on fluorescent nanobeads containing QDs, envi-sioned as a tool for fast and single-molecule detection. An even brighter fluorescence and easily detectable analytical signals could indeed be achieved by aggregating several thousand of QDs together, as compared to single QDs. Coating QD clusters with small surfactants or a polymer layer didn’t provide morphological control or a suitable surface chemistry for bioconjugation. The strategy that we developed consists in self-assembling QDs into monodisperse nanobeads of a few hundreds of nanometers in diameter, on top of which a silica shell was grown by a Stöber-inspired process. This allowed us to protect their colloidal and photo-stability. A new type of multidentate polymer-silane hybrid was subsequently grafted onto the silica shell, presenting a zwitterionic chain for water solubility and antifouling, as well as reactive functions for conjugation with biomolecules. We succeeded in reacting streptavidin-conjugated nanobeads with commercial biotinylated beads. Preliminary results have also shown that we can integrate the nanobeads into a microfluidic system for an efficient single-particle counting.

De nos jours, le domaine biomédical est en pleine croissance avec le développement de dispositifs thérapeutiques innovants, bas coût, pour le diagnostic, le traitement ou la prévention de maladies chroniques ou cardiovasculaires. Ces dernières années ont connu l’émergence des polymères semi-conducteurs, alternative intéressante aux matériaux inorganiques, présentant des propriétés uniques de conduction ionique et électronique. Tout d’abord, j’ai axé mes travaux de recherche sur le développement et l’optimisation d’une encre conductrice à base de PEDOT:PSS, parfait candidat comme matériau, pour la transduction des signaux biologiques en signaux électriques, compatible avec le process jet d’encre, pour la réalisation de dispositifs imprimés. Puis mes travaux se sont orientés vers la conception et l’étude d’électrodes imprimées sur supports papiers, tatous et textiles permettant des enregistrements long termes d’électrocardiogrammes (ECG) ou électromyogrammes (EMG), présentant des performances similaires aux électrodes commerciales, utilisant un système d’acquisition spécifique pour la mesure d’activités électriques de tissus musculaires. Puis dans un second temps, je me suis penchée sur l’impression sur support papier, de transistors organiques électrochimiques (OECTs) fonctionnalisés, afin de permettre la détection d’éléments biologiques ou chimiques comme l’alcool. Ces travaux proposent une nouvelle voie pour la conception de dispositifs innovants biomédicaux à bas couts, imprimés, permettant la personnalisation des produits pouvant être intégrés dans des dispositifs biomédicaux portables ou dans des vêtements « intelligents ». / With the evolution of microelectronics industry and their direct implementation in the biomedical arena, innovative tools and technologies have come to the fore enabling more reliable and cost-effective treatment. In this thesis I focus on the integration of the conducting polymer PEDOT:PSS with printing technologies toward the realization of performant biomedical devices. In the first part, I focus on the optimization of the conducting ink formulation. Following, I emphasize on the fabrication of inkjet printed PEDOT:PSS based biopotential electrodes on a wide variety of substrates (i.e., paper, textiles, tattoo paper) for use in electrophysiological applications such as electrocardiography (ECG) and electromyography (EMG). Printed electrodes on paper and printed wearable electrodes were fabricated and investigated for long-term ECG recordings. Then, conformable printed tattoo electrodes were fabricated to detect the biceps activity during muscle contraction and the conventional wiring was replaced by a simple contact between the tattoo and a similarly ink-jet printed textile electrode.In the last part, I present the potentiality of inkjet printing method for the realization of organic electrochemical transistor (OECTs) as high performing biomedical devices. A disposable breathalyzer comprised of a printed OECT and modified with alcohol dehydrogenase was used for the direct alcohol detection in breath, enabling future integration with wearable devices for real-time health monitoring. Their compatibility with printing technologies allows the realization of low-cost and large area electronic devices, toward next-generation fully integrated smart biomedical devices.

La possibilité de fabriquer des dispositifs optiques pour la détection d’interactions chimiques,sans marquage et en temps réel, présente un intérêt croissant. Notamment, les cristaux photoniques(CPh) présentent un fort potentiel pour une telle application. Contrairement au silicium, majoritairementexploité pour la réalisation de telles structures, le diamant possède l’avantage d’avoir unesurface carbonée biocompatible permettant une fonctionnalisation covalente et stable de biomoléculesspécifiques. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier la potentialité qu’offre ce matériau pour la réalisationde CPh 2D destinés à des applications de biodétection. Pour cela, une plateforme photoniquemonolithique compacte, intégrable sur silicium et optimisée pour un fonctionnement aux longueursd’onde proches de 1.55 μm a été développée. Une géométrie de cavité à fente a été retenue afin demaximiser la sensibilité des structures photoniques à leur environnement extérieur. Des méthodesnumériques ont permis de préciser les paramètres géométriques des CPh. Des procédés de microstructurationde films minces de diamant polycristallin sur substrat silicium 2 pouces ont été développéset optimisés, pour aboutir à la réalisation de CPh caractérisés par des facteurs de qualité pouvantatteindre 6500. Deux procédés technologiques spécifiques aux films de diamant polycristallin ont notammentété développés : un procédé de lissage et un procédé de transfert de films de diamant surisolant. La sensibilité optique des CPh en diamant à une modification chimique de surface a ensuiteété étudiée et a tout d’abord montré une forte dépendance de leurs performances optiques à de simplesvariations des terminaisons chimiques du matériau. Par la suite, une preuve de concept de détectionsurfacique de protéines en milieu liquide par les CPh en diamant a été réalisée en utilisant le systèmede bioreconnaissance biotine/streptavidine, donnant une limite de détection estimée pour le systèmeà 10 μg/mL. Enfin, des travaux préliminaires de détection dans le visible ont été engagés via la réalisationde cavités à CPh fonctionnant à 600 nm, présentant déjà des facteurs de qualité dépassant les1500. / The ability to fabricate optical devices enabling the real time detection of chemical interactions,avoiding the use of markers, has motivated a growing interest. In particular, photonic crystals (PhC)based structures are promising candidates for such applications. Unlike silicon, that has currentlybeen used for most of these demonstrations, diamond offers a high stability and a versatile carbonsurface that can be functionalized to covalently bond specific organic or bio-molecules on its surface.In this context, this thesis aims at studying the interests of diamond for the realization of novel 2DPhC dedicated to biodetection applications. A fully monolithic compact photonic platform, integratedon silicon and optimized to work at wavelength of 1.55 μm was developed. A geometry consistingin a slotted cavity was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures totheir environment. Numerical methods allowed to determine the geometrical parameters of the PhC.Diamond microstructuration processes of polycrystalline diamond films deposited on two-inch siliconwafers were developed and optimized for the realization of PhC cavities with quality factors up to6500. Two technological processes specifically dedicated to polycrystalline diamond were developed : asmoothing process and a diamond layer on insulator integration by wafer bonding technology process.The optical sensitivity of diamond PhCs to simple surface modifications was studied and showed that,depending on the chemical surface termination, these diamond PhCs exhibit a strong modification oftheir spectral features. A proof of concept for surface detection in a water environment was realizedusing the biotin/streptavidin biorecognition system. The detection limit of the system was estimatedto be 10 μg/mL. Finally, first steps to detection in the visible range were made with the realization ofPhC working at 600 nm and exhibiting Q factors exceeding 1500.

La biologie synthétique est le domaine de la bioingénierie permettant de concevoir, de construire et de tester de nouveaux systèmes biologiques en réécrire le code génétique. Les circuits biologiques synthétiques sont des outils sophistiqués permettant de construire des réseaux biologiques pour des applications médicales, industrielles et environnementales. Cette thèse de doctorat porte sur le développement de voies métaboliques synthétiques conçues à l'aide d'outils informatiques. Ces voies métaboliques sont intégrées à la couche de régulation transcriptionnelle pour développer des biocircuits pour la bioproduction, la biodétection et la biocalcul dans des systèmes cellulaires et acellulaires. Les résultats obtenus durant cette thèse de doctorat révèlent le nouveau potentiel des voies métaboliques dans l'établissement de biocircuits synthétiques. Le volet bioproduction-biodétection de la thèse vise à développer un nouveau biocapteur pour un sucre rare utilisé pour améliorer l'activité catalytique d’enzyme dans la cellule (in vivo). Ce biocapteur a ensuite été implémenté dans un système acellulaire (in vitro) pour découvrir et optimiser le comportement de biocapteurs à base de répresseurs. Une fois optimisé en système acellulaire, notre biocapteur a été utilisé pour surveiller la production enzymatique de sucre rare. Le développement de biocapteurs procaryotes acellulaires, qui reposent principalement sur des répresseurs, permet d'accélérer et de rendre plus efficace le cycle “design-build-test” dans le prototypage des voies métaboliques dans les systèmes acellulaires. L'application de la biodétection des circuits métaboliques pour le diagnostic est la mise en œuvre et l'optimisation des transducteurs métaboliques dans le système acellulaire. Les transducteurs sont des voies métaboliques composées d'au moins une enzyme catalysant un métabolite indétectable en un inducteur transcriptionnel, augmentant ainsi le nombre de petites molécules biologiquement détectables. En tant que nouvelle approche pour effectuer des biocalculs, des circuits métaboliques ont été appliqués pour construire des additionneurs métaboliques et des perceptrons métaboliques. Dans la cellule, trois transducteurs métaboliques et un additionneur métabolique ont été construits et caractérisés. Les systèmes acellulaires permettent d’accélérer la caractérisation de circuits biologiques, de finement régler le niveau d’expression d’un ou plusieurs gènes et facilite l’expression de plusieurs plasmides simultanément. Ceci a permis de construire de multiples transducteurs pondérés et des additionneurs métaboliques. Le modèle basé sur des données expérimentales a permis de concevoir un perceptron métabolique pour construire des classificateurs binaires à quatre entrées. Les additionneurs, perceptrons et classificateurs peuvent être utilisés dans des applications avancées telles que la détection de précision et dans le développement de souches pour le génie métabolique ou la thérapeutique intelligente. / Synthetic biology is the field of engineerable life science and technology to design-build-test novel biological systems through reprogramming the code of DNA. Synthetic biocircuits are sophisticated tools to reconstruct biological networks for medical, industrial, and environmental applications. This doctoral thesis focuses on the development of synthetic metabolic pathways designed by computer-aided tools integrated with the transcriptional regulatory layer enabling bioproduction, biosensing, and biocomputation in whole-cell and cell-free systems. The achievements of this doctoral thesis bring attention to new potentials of metabolic pathways in the development of synthetic biocircuits. The bioproduction-biosensing section of the thesis is to build a novel sensor for a rare sugar used to improve the catalytic activity of its producing enzyme in the whole-cell system (in vivo). This sensor was then implemented in a TX-TL cell-free system (in vitro) as a proof of concept of a repressor based biosensor to discover and optimize the behavior of repressor based biosensors in the cell-free system that suffer from low fold repression. The optimized cell-free biosensor was then used to monitor the enzymatic production of the rare sugar. The development of cell-free prokaryotic biosensors which are mostly relying on repressors enables faster and more efficient design-build-test cycle in metabolic pathways prototyping in cell-free systems. The biosensing application of the metabolic circuits for diagnosis is the implementation and optimization of cell-free metabolic transducers. The transducers are metabolic pathways composed of at least one enzyme catalyzing an undetectable metabolite to a transcriptional inducer, hence expanding the number of biologically detectable small molecules in cell-free systems. Finally, as a radical approach to perform biocomputation, metabolic circuits were applied to build metabolic adders and metabolic perceptrons. In whole-cell system, three metabolic transducers and a metabolic adder (multiple transducers receiving multiple input metabolites and transform them into a common metabolite) were built and characterized. By taking advantage of cell-free systems in rapid characterization, high tunability, and the possibility of using tightly controlled multiple DNA parts, multiple weighted transducers and metabolic adders were implemented. The integrated model trained on the experimental data enabled the designing of a metabolic perceptron for building four-input binary classifiers. The adders, perceptrons and classifiers can be applied in advanced applications such as multiplex detection/precision medicine and in the development of designer strains for metabolic engineering or smart therapeutics.

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d’étude au cœur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s’agit de nanoparticules, de cellules ou encore d’objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l’intégration des objets d’intérêt à l’échelle de l’objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l’assemblage d’objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d’une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d’Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d’ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l’analyse médicale et de la détection. / A vigorous trade across the borders of biological and physical sciences is developing around new methods and tools, and around new phenomena. The objects at the heart of this multidisciplinary overlapping are numerous. In a non exhaustive manner, the objects of study can be nanoparticles, cells, or even smaller and more elementary objects such as molecules. For applications in the field of microelectronics as for studies of fundamental biological mechanisms, the integration of these objects of interest at the single object scale is essential. In the frame of this Ph.D. thesis, the objective we pursued is the development of a technological tool-box allowing the assembly of micro- and nano-objects at pre-determined locations of a solid surface, in a simple, reliable, low-cost and parallel manner. For this development, we focused on gold nanoparticles 100 nm in diameter, bacterial cells and DNA molecules in particular. We will describe the strategies developed relying on soft-lithography and their potentialities for different applications in the fields of medical analysis and sensing.