Avec une limite de détection ultime pouvant atteindre le yoctogramme (1 yg = 10-24 g), les nanosystèmes électromécaniques (NEMS) employés comme capteurs gravimétriques présentent un fort potentiel pour la détection ultra-sensible et sans marquage de molécules biologiques. A l’heure actuelle, plusieurs défis restent cependant à relever avant de pouvoir envisager de manière réaliste leur utilisation comme outils de biodétection. Ces travaux de thèse adressent en particulier l’intégration du moyen de transduction et le développement de stratégies de biofonctionnalisation. En vue de répondre à la première problématique, l’intégration d’une couche piézoélectrique à base de Titano-Zirconate de Plomb (PZT) selon une approche de fabrication collective de réseaux de NEMS par voie descendante a été développée et caractérisée.Deux approches de biofonctionnalisation adaptées à une organisation de NEMS en réseaux,respectivement basées sur le dépôt localisé de matériel biologique par impression moléculaire et sur la structuration par photolithographie d’une couche bioréceptrice à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP), ont ensuite été mises en oeuvre et ont permis de démontrer une première preuve de concept. Ces différentes contributions constituent un premier pas dans le développement des NEMS pour des applications de biodétection. / With an ultimate limit of detection down to the yoctogram regime (1 yg = 10-24 g),nanoelectromechanical systems (NEMS) resonators used as ultra-sensitive and label-free gravimetric sensors have a high potential for biodetection applications. To date, several challenges currently limit their wide spread use as viable biosensing tools. This PhD thesis addresses the issues related to the transducer integration and the biofunctionnalization. A Lead Zirconate Titatane (PZT)-based piezoelectric transducer has been implemented according to a top-down approach compatible with collective fabrication of NEMS arrays. Two biofunctionnalization strategies, suitable for a NEMS array organization and based on the localized deposition of biological material assisted by microcontact printing and the patterning of molecularly imprinted polymers (MIP) by photolithography, have also been investigated and first proof-of-concept biosensors were demonstrated. These various contributions have the potential to drive future advancements in the realm of NEMS as effective biosensing tools.

Afin de répondre à une demande toujours croissante en capteurs, des systèmes de mesures optiques permettant la détection de récepteurs naturels ou synthétiques sur des substrats inorganiques ont été élaborés. Par résonance des plasmons de surface (RPS), nous avons montré que des films minces à base de copolymères de N-(acryloxysuccinimide) et de dérivés acrylates de poly (éthylène glycol) ou qu'un film mince de polyglycidol présentaient une résistance accrue à l'adsorption non-spécifique des protéines et qu'ils permettaient un greffage covalent de biomolécules par l'intermédiaire de leurs groupements réactifs respectifs. Un nouveau capteur basé sur la technologie des réseaux de Bragg en angle gravés sur une fibre optique a ensuite été développé et caractérisé grâce à l'emploi de films multicouches présentant des propriétés sélectives et réversibles de reconnaissance par formation de complexes d'inclusion entre des polymères de cyclodextrine et des dérivés de l'adamantane. A partir de cette fibre optique, il a aussi été possible de suivre en temps réel les transition de conformation interfaciale de chaînes de poly (acide acrylique) immobilisée de façon covalente au support en fonction du pH. Pour les deux approches, multicouche et covalente, des biocapteurs pour la détection de l'albumine de sérum bovin (BSA) ont été réalisés. De plus, les propriétés d'inclusion des cyclodextrines ont aussi été mises à profit pour complexer des petites molécules hydrophobes telles que le toluène pour élaborer un capteur chimique. Enfin, afin d'éviter l'utilisation d'un matériel biologique, des polymères à empreinte moléculaire (MIP) ont aussi été développés. La sélectivité, la spécificité et la sensibilité des films minces envers la molécule cible d'acide gallique, ont été évaluées par voltammétrie cyclique. Les résultats obtenus permettent d'affirmer que ces polymères se comportent comme de véritables récepteurs artificiels / To answer to an always increasing request in sensors, optical measurement systems allowing the detection of natural or synthetic receptors on inorganic substrates were elaborated. By Plasmon Surface Resonance (SPR), we showed that thin films constituted with copolymers of N-(acryloxysuccinimide) and poly (ethylene glycol) acrylates derivatives or that a thin film of polyglycidol presented a strong resistance in non-specific protein adsorption and that they allowed a covalent grafting of biomolecules through their respective reagent groupings. A new sensor, a tilted fiber Bragg gratings was then developed and characterized by using multilayers films presenting selective and reversible properties of recognition by forming inclusion complexes between polymers of cyclodextrine and adamantine derivatives. From this optical fiber, it was also possible to follow in real time interfacial conformation transition, according to the pH, of poly(acrylic acid) chains immobilized covalently on the substrate. For both approaches, biosensors for the detection of bovin serum albumin (BSA) were realized. Furthermore, the inclusion properties of cyclodextrine compounds allowed also the complexation of small hydrophobic molecules such as toluene, which forming chemical sensors. Finally, to avoid the use of a biological material, molecular imprinted polymers (MIP) were also developed. Their selectivity, specificity and sensibility toward gallic acid, the target molecule, were estimated by cyclic voltammetry. The results confirm that these polymers can be considered as artificial receptors

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse portent sur l’obtention de nanotubes de carbone ultracourts et leur biofonctionnalisation pour une utilisation comme biomarqueur proche infrarouge. Des dispersions de nanotubes de carbone en milieux aqueux ont été formulées à l’aide de différents tensioactifs. Un traitement chimique oxydant préalable et/ou l’application d’ultrasons aux nanotubes ont permis de réduire leur longueur de façon significative, la sélection des plus courts étant effectuée par ultracentrifugation en gradient de densité. Les différentes fractions sélectionnées à l’issu de ce processus ont été caractérisées par spectroscopie Raman et spectroscopie d’absorption ainsi que par microscopie à force atomique. Il est ainsi montré la sélection de nanotubes d’une longueur inférieure à 20 nm. Nous montrons également leur fonctionnalisation à l’aide d’anticorps monoclonaux et leur visualisation par imagerie photothermique hétérodyne. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec la fixation spécifique de nanotubes de carbone ultracourts sur des cellules. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives en bioimagerie et en particulier l’étude de la plasticité synaptique au sein de neurones vivants. / This thesis reports the achievement of ultrashort carbon nanotubes and their biofunctionalization for applications as near-infrared biomarker. Dispersions of carbon nanotubes in aqueous media have been formulated with various surfactants. Oxidizing chemical treatments combined with the application of ultrasounds allowed significant shortening of the carbon nanotubes. Sorting and selection of the shortest nanotubes was done by density gradient ultracentrifugation. The different fractions selected at the end of this process have been characterized by Raman spectroscopy, UV-vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy. Selection of nanotubes of a length below 20 nm is demonstrated. We also show functionalization by antibodies and the visualization of ultrashort functionalized nanotubes by photothermal heterodyne imaging. Promising results were obtained with the specific binding of ultrashort carbon nanotubes to cells. This work open route towards bioimaging applications and in particular towards the study of the synapsis plasticity within alive neurons.

La manipulation de micro et nanoparticules magnétiques et leurs applications dans les domaines de la biologie, la biodétection et du diagnostic a continuellement gagné en intérêt ces dernières années. Ce travail de thèse explore l’utilisation des propriétés magnétiques des particules en suivant deux axes distincts.Dans un premier axe, nous avons utilisé des particules magnétiques dans une analyse par biocode barre pour la capture et la concentration de cibles biologiques. La détection a été effectuée à l’aide d’un nouveau biocapteur à onde évanescente. Le but était de pouvoir procéder à un génotypage plaquettaire sans utiliser la « Polymérase Chain Reaction » (PCR), en collaboration avec l’Etablissement Français du Sang Rhône-Alpes. Nous nous sommes servis du système biallélique HPA-1 comme preuve de concept, en utilisant des cibles de type oligonucléotide synthétique pour valider nos protocoles d’analyse. Nous avons réussi à détecter une concentration de 2 fmol/l de cibles non marquées. Notre test permet de discriminer les deux allèles du gène HPA-1, qui ne diffèrent que d’un nucléotide. Notre approche par biocode barre permet d’abaisser le seuil inférieur de détection de notre biocapteur d’un facteur 125 000. Nous avons pu détecter 6.105 copies de cible synthétique, sans passer par une amplification PCR. La prochaine étape consistera à adapter le test pour analyser des échantillons biologiques réels.Dans un deuxième axe, nous avons exploré l’assemblage de particules magnétiques sous champ magnétique, de manière à fabriquer des filaments permanents ancrés sur une surface et orientables. Les filaments ont pu être greffés sur des supports homogènes de verre, d’or et sur des supports mixte verre/or fonctionnalisés de manière orthogonale. Les filaments ont pu être localisés dans des zones précises du support, soit en employant des pointes concentrant le champ magnétique localement (spots de 500 µm), soit en jouant sur la fonctionnalisation sélective sur support mixte (carrés d’or de 1 mm de côté). Typiquement l’assemblage de particules de 200 nm de diamètre a permis d’obtenir des filaments de 5 µm de longueur pour 200 à 400 nm de largeur. Les conditions de formation des filaments restent toutefois à améliorer.Les filaments magnétiques permanents ont été employés pour deux applications. Tout d’abord nous avons employé les filaments magnétiques orientables pour valider un banc d’imagerie polarimétrique par résonance de plasmon de surface (P-SPRI) développé par le LCFIO (Palaiseau). Les premières mesures tendent à montrer que l’anisotropie des filaments peut être détectée par le banc de P-SPRI, il est toutefois nécessaire de poursuivre les travaux pour mieux valider ces résultats. Deuxièmement nous avons employé des filaments magnétiques biofonctionnalisés avec des oligonucléotides sondes, pour procéder à un génotypage plaquettaire. Dans des conditions de mesure non optimisées, l’hybridation d’oligonucléotides cibles fluorescents sur les filaments ancrés sur support permet de multiplier par trois le signal de fluorescence par rapport à une hybridation sur surface plane, grâce à une augmentation de la surface spécifique du support. / Manipulation and utilization of magnetic nano/microparticles have raised some interest in the field of biology, biodetection and diagnostics during the last few years. This work explores the uses of magnetic properties of particles in two different axes.In a first part, we used magnetic particles in a bio-barcode assay for the capture and biological target concentration steps. The detection was done using a new evanescent wave biosensor. The aim was to perform a platelet genotyping without polymerase chain reaction (PCR) with the collaboration of the French national blood service (EFS). We used the biallelic system HPA-1 as proof-of-concept, using synthetic oligonucleotides as target in order to validate our protocols. The assay allows to specifically detect single nucleotide polymorphism for HPA-1 gene with a detection of 2 fmol/l of label-free target synthetic oligonucleotides. Our bio-barcode assay allows to lower the inferior limit of detection of our biosensor by a factor of 125 000. We can detect 6.105 copies of synthetic target without using a PCR amplification step. The next step will be to adapt our assay to analyze real biological samples.In a second part, we explored the assemblage of magnetic particles with a magnetic field to create permanent filaments anchored on a surface and that can be actuated. The filaments could be grafted on homogeneous glass or gold supports and also on mixed glass/gold supports with orthogonal functionalization. Filaments could be localized on precise support zones using either metallic tips concentrating locally the magnetic field (500 µm spots) or selective functionalization on mixed supports (1 mm gold squares). Assembling 200 nm diameter particles allowed to typically obtain filaments 5 µm long and 200 - 400 nm wide. The filament formation conditions could still be improved.Permanent magnetic filaments were used for two applications. Firstly, we used magnetic filaments which can be actuated to validate a polarimetric surface resonance imaging biosensor (P-SPRI) developed by the LCFIO (Palaiseau). First measurements tend to show that the anisotropy can be detected by the P-SPRI biosensor. It is necessary to continue this work to better validate the results already obtained. Secondly, we used magnetic filaments biofunctionalized by oligonucleotide probes to type platelets. In non-optimized measurement conditions, the hybridization of fluorescent target oligonucleotides on filaments anchored on a surface allows to multiply by 3 the fluorescence signal compared to hybridization on plane surface by increasing the support specific surface.

Dans ce travail de thèse, la texturation de surface d‟alliages de titane a été étudiée en utilisant un procédé d'écriture directe par laser femtoseconde dans le but d'améliorer la mouillabilité d‟implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et la minéralisation de la matrice (formation osseuse) tout en réduisant l'adhésion bactérienne et la formation de biofilmes. Des surfaces de titane (Ti-6Al-4Vet cp Ti) ont été micro-, nano-texturées par laser femtoseconde et une biofonctionnalisation de ces surfaces a été ajoutée ou non par greffage de peptides d'adhésion cellulaire (peptides RGD) en surface de ces différents matériaux. Les textures de surface peuvent être classées comme suit: (a) structures périodiques de surface induites par laser (LIPSS); (b) étalage de nanopiliers (NP); (c) étalage de micro colonnes recouvertes de LIPSS (MC-LIPSS) formant une distribution bimodale de rugosité. Nous avons montré que la texturation de surface par laser améliore la mouillabilité des surfaces avec de l'eau ainsi qu‟une solution saline tamponnée Hank's (HBSS) et amène une anisotropie de mouillage. Une minéralisation cellulaire est observée pour toutes les surfaces des deux alliages de titane lorsque des Cellules Souches Mésenchymateuses humaines (hMSC) sont cultivées dans un milieu ostéogénique. La minéralisation de la matrice et la formation de nodules osseux sont considérablement améliorées sur les surfaces texturées LIPSS et NP. Parallèlement,l'adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes sont considérablement réduites pour les surfaces texturées LIPSS et NP. La biofonctionnalisation des différentes surfaces texturées (cp Ti) par laser a été réalisée et caractérisée par spectroscopie de photoélectrons (XPS) et par microscopie à fluorescence en utilisant des peptides fluorescents. L‟ensemble des résultats obtenus suggèrent que la texturation de surface d'alliages de titane (Ti-6Al-4V et cp Ti) en utilisant une technique d‟écriture directe par laser femtoseconde est un procédé prometteur pour l'amélioration de la mouillabilité de la surface d'implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et leur ostéointégration (différenciation ostéoblastique et minéralisation de la matrice), tout en réduisant l‟adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes. Enfin, la combinaison de la texturation par laser et du greffage covalent d‟un principe actif (ici un peptide d‟adhésion cellulaire comme le peptide RGD) amènera indéniablement une bioactivité utile pour favoriser l'adhésion des hMSC et faciliter laformation osseuse. / In the present thesis the surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing method is explored as a potential technique to enhance the wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and matrix mineralisation (bone formation), while reducing bacteria adhesion and biofilmformation. The surface texture was combined with biofunctionalisation by covalent grafting of a RGD peptide sequence as well. The surface textures can be classified as follows: (a) Laser-Induced Periodic Surface Structures-LIPSS; (b) nanopillars arrays(NP); (c) arrays of microcolumns covered with LIPSS (MC-LIPSS), forming a bimodal roughness distribution. Laser texturing enhances surface wettability by water andHank‟s balanced salt solution (HBSS) and introduces wetting anisotropy, crucial incontrolling the wetting behaviour. Matrix mineralisation is observed for all surfaces of both Ti alloys when human mesenchymal stem cells (hMSCs) are cultured in osteogenic medium. Matrix mineralisation and formation of bone-like nodules are significantly enhanced on LIPSS and NP textured surfaces. On the contrary, Staphylococcus aureusadhesion and biofilm formation are significantly reduced for LIPSS and NP textured surfaces. The biofunctionalisation of the laser textured surfaces of cp Ti is sucessfully achieved. In general, these results suggest that surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing is a promising method for enhancing surface wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and their osseointegration (osteoblastic differentiation and matrix mineralisation), while reducing Staphylococcus aureus adhesion and biofilm formation. Finally, the combination of laser texturing and covalent grafting of a RGD peptide sequence may be potentially useful for increasing cell adhesion and facilitating bone formation.