Le travail de recherche de cette thèse consiste en le développement de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques pour des applications en nanotechnologie, nanomédicine et diagnostic. Dans ce contexte, des cristaux poreux de zéolite-L ont été utilisé comme nano-vecteur pour faire de la transfection d’ADN et d’ANP, en combinaison avec le relargage de molécules hôtes placées dans les pores. Des nanoparticules de silice mesoporeuses multifonctionnelles ont été utilisées pour traiter le glioblastome, en combinant la thérapie génique avec l’administration durable d’un principe actif. Des nano-coquilles hybrides biodégradables ont été encore développés pour encapsuler des protéines et les relâcher dans les cellules vivantes. Dans le domaine de la détection d’acides nucléiques, des fibres optiques à cristal photonique, fonctionnalisées avec des sondes d’ANP, ont été exploitées comme plateformes optiques pour faire de la détection ultra-sensible d’oligonucléotides ou d’ADN génomique. Enfin, la squelette de l’ANP a été modifié à créer des sondes fluorescentes pour reconnaître et détecter la présence des séquences cibles spécifiques. / The research work presented throughout this thesis focuses on the development of novel organic-inorganichybrid materials for applications in nanotechnology, nanomedicine and diagnostics. In such a context, porous zeolite-L crystals have been used as nanocarriers to deliver either DNA or PNA in live cells, in combination with the release of guest molecules placed into the pores. Multifunctional mesoporous silica nanoparticles have been designed to treat glioblastoma, combining gene therapy with the sustained delivery of a chemotherapy agent. Biodegradable hybrid nano-shells have been furthermore created to encapsulate proteins and release them in living cells upon degradation of the outer structure in reductive environment. In the field of nucleic acid detection, photonic crystal fibers, functionalized with specific PNA probes, have been exploited as optical sensing devices to perform ultra-sensitive detection of DNA oligonucleotides or genomic DNA. Eventually, the PNA backbone has served as scaffold to synthesize fluorescent switching probes able to recognize and to detect the presence of specific target sequences.

Le projet de ma thèse a consisté en la mise au point de biomatériaux capables d'agir en tant que capteurs moléculaires pour la construction de biocapteurs d'affinité tels que des immunocapteurs, aptacapteurs et capteurs d'ADN, basés sur la lecture électrochimique. Les biocapteurs électrochimiques deviennent une technique intéressante pour l'identification des biomolécules en raison de possibilités de miniaturisation, de faible coût et de la lecture directe des signaux électriques. Toutefois, le choix d'un transducteur, qui permet d'obtenir un signal électrochimique, est crucial dans la construction du biocapteur. Au cours de ma thèse, j'ai eu l'occasion de comparer l'efficacité de différents matériaux conductrices tels que les conducteurs polymères (polypyrrole), les nanotubes de carbone et des nanoparticules d'or. Pour obtenir une réponse électrochimique intense, j'ai associé ces plateformes avec un marqueur redox-ferrocène. Les biocapteurs ont été basés sur la détection directe, généralement avec un «signal off» (diminution de la réponse électrochimique lors de la détection). J'ai travaillé sur différents types de reconnaissance biologique comme anticorps/antigène, aptamer/protéine, sonde ADN/ADN cible. Ces biocapteurs sont particulièrement intéressants dans le domaine de la biologie et de la santé publique. Au début je me suis intéressée à la nouvelle protéine impliquée dans le virus de la grippe et démontrée son évolution dans le cycle viral avec l'objectif de développer de nouveaux médicaments pour cette maladie ainsi que de nouveaux outils de détection. J'ai construit ces biocapteurs basés sur polymère conductrice-polypyrrole associé avec le marqueur redox, ferrocène pour l'immobilisation des anticorps spécifique pour les protéines impliquées dans le virus de la grippe. De nouveaux biorécepteurs - aptamères et des techniques électrochimiques ont été ensuite développés pour concevoir un système sensible capable de détecter la protéine prion cellulaire au niveau pM dans les échantillons de plasma humaine. Les aptamères sont associés sur la plateforme composée de nanotubes de carbone, conjuguées avec des dendrimères poly(amidoamine) PAMAM. Les composites combinent les performances électriques de nanotubes mais permet simultanément l'attachement de nombreux biomolécules, en raison des nombreux groupes amines portant par des dendrimères. Puis j'étais aussi intéressé par la détection de l'ADN par le développement de biocapteurs à base de nanotubes de carbone pour deux maladies infectieuses telles que l'hépatite C avec des cibles d'ADN synthétiques et l'ADN de M. tuberculosis provenant d'échantillons PCR. Ces exemples ont été utilisés pour démontrer que le capteur d'ADN pourrait être généralisé à toutes les maladies infectieuses et utilisé dans le système «point of care». Des études précédentes ont consisté dans le dépôt de nanotubes de carbone sur la surface par adsorption et j'ai trouvé que c'était problématique en termes de reproductibilité. Alors, j'ai utilisé polypyrrole comme une matrice pour l'association des nanotubes de carbone. Cette méthode semble être la plus efficace et a permis de combiner les propriétés des nanotubes avec celles de polypyrrole conducteurs. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que les capteurs électrochimiques d'affinité à base de polymères conducteurs et les nanomatériaux peuvent être appliqués dans différents domaines concernant les problèmes de santé. Ces biocapteurs sont prêts pour être intégrés dans les microsystèmes ainsi que dans les systèmes «point of care». / The project of my thesis consisted on the development of biomaterials that are able to act as molecular transducers for the construction of affinity biosensors such as immunosensors, aptasensors and DNA sensors, based on electrochemical reading. Electrochemical biosensors become an attractive technique for the identification of biomolecules due to miniaturization possibilities, low cost and direct lecture of electric signals. However the choice of a transducer, which allows obtaining electrochemical signal, is crucial in biosensor construction. During my thesis I had the opportunity to compare the efficacy of different conducting materials such as conducting polymers (polypyrrole), carbon nanotubes. To obtain an intense electrochemical response, I associated these platforms with a redox marker – ferrocene. The biosensors which I constructed were based on direct detection, usually with “signal off” (decrease in electrochemical response during detection). I worked on different types of biological recognition such as antibody/antigen, aptamer/protein, DNA probe/DNA target. These biosensors are especially attractive in the biological field and public health. First, I was interested in the new protein involved in Influenza virus and demonstrated its evolution in viral cycle with the objective to develop new drugs for this disease as well as new tools for detection. I constructed biosensors based on conducting polypyrrole which was studied extensively in our group. I used this polypyrrole matrix associated with redox marker, ferrocene for immobilization of antibody specific for protein involved in Influenza virus. By this approach I demonstrate that electrochemical biosensors can become effective tools in the daily laboratory work, especially useful for biologists who are often limited by commercially available methods. Then new bioreceptors - aptamers and electrochemical techniques have been developed to design a sensitive system able to detect cellular prion protein at pM level in plasma samples. Aptamers were associated on the platform composed of polypyrrole or carbon nanotubes conjugated with dendrimers poly(amidoamine) PAMAM. Composite combines the high electrical performance of transducers but simultaneously allows attachment of high number of biomolecules, due to numerous amine groups bearing by dendrimers. I was also interested in DNA detection and in the development of biosensors based on carbon nanotubes for two infectious diseases like hepatitis C with synthetic DNA targets and M. tuberculosis DNA from PCR samples. Such examples were used to demonstrate that DNA sensor could be generalised to all infectious diseases and used in point-of-care system. My previous studies consisted on the deposition of carbon nanotubes on the surface by adsorption and I found that it was problematic in terms of reproducibility, so important in biosensor construction. I used polypyrrole as a matrix for carbon nanotubes association. This method seems to be effective and allowed combination of nanotubes properties with those of conducting polypyrrole. During my thesis I demonstrated that electrochemical affinity sensors based on conducting polymers and nanomaterials can be applied in different fields concerning health problems. These biosensors are ready for integration in microsystems for application as analytical tools as well as in point-of-care systems.

Ce travail de thèse a porté sur le développement de réseaux de micro- et nanocapteurs opto-électrochimiques pour la bioanalyse. Ils répondent à la demande grandissante dans le domaine de la recherche et du diagnostic pour des outils permettant de réaliser de multiples analyses simultanément avec des échantillons de faibles volumes. Ces nouvelles biopuces de haute densité sont fabriquées à partir de faisceaux cohérents de fibres optiques. Une des deux faces est micro- ou nanostructurée par une attaque chimique, puis fonctionnalisée avec une sonde biologique. La première biopuce est un réseau de nanocapteurs fluorescents à ADN où les sondes ont été immobilisées grâce aux propriétés d’électropolymérisation du pyrrole. La lecture est réalisée à distance au travers du faisceau d’imagerie. En combinant la technique d’immobilisation avec des microleviers électrochimiques, plusieurs sondes différentes ont pu être adressées sur le même réseau nanostructuré. La seconde biopuce permet d’effectuer des immunodosages multiplexés en utilisant l’imagerie électrochimiluminescente résolue à l’échelle d’une microsphère. Le développement de cette technique permet de combiner les avantages de l’électrochimiluminescence avec des immunodosages multiplexés. L’élaboration de ces réseaux allie différentes techniques physico-chimiques, notamment électrochimiques, pour obtenir des biopuces avec un fort potentiel, grâce à une densité et un degré de multiplexage importants. / This work presents the development of optoelectrochemical micro- and nanosensor arrays for bioanalytical applications. These platforms respond to the growing need in research and diagnostic for tools allowing multiple and simultaneous analysis in small-volume samples. These new high density biochips are made from coherent optical fiber bundles: one face is micro- or nanostructured by chemical etching and then functionnalized with biological probes. The first biochip is a fluorescent DNA nanosensor array where probes have been immobilized by electrodeposition of a polypyrrole thin film. The detection of the hybridization is remotely performed through the imaging fiber. Different probes were succesfully addressed onto the same nanostructured array thanks to electrochemical cantilevers. The second biochip allows multiplexed sandwich immunoassays using electrochimiluminescent imaging resolved at the single bead level. In particular, the development of this new readout mechanism allows extending electrochemiluminescent detection for multiplexed immunoassays. Design and implementations of both platforms take advantages of different physical and chemical techniques, especially electrochemical, to obtain biochips with a great potential through high density and high multiplexing level.

Within the realm of biosensing, DNA analysis has become an indispensable research tool in medicine, enabling the investigation of relationships among genes, proteins, and drugs. Conventional DNA microarray technology uses multiple lasers and complex optics, resulting in expensive and bulky systems which are not suitable for point-of-care medical diagnostics. The immobilization of DNA probes across the microarray substrate also results in substantial spatial variation. To mitigate the above shortcomings, this thesis presents a set of techniques developed for the CMOS image sensor for point-of-care spectrally-multiplexed fluorescent DNA sensing and other fluorescence biosensing applications. First, a CMOS tunable-wavelength multi-color photogate (CPG) sensor is presented. The CPG exploits the absorption property of a polysilicon gate to form an optical filter, thus the sensor does not require an external color filter. A prototype has been fabricated in a standard 0.35μm digital CMOS technology and demonstrates intensity measurements of blue (450nm), green (520nm), and red (620nm) illumination. Second, a wide dynamic range CMOS multi-color image sensor is presented. An analysis is performed for the wide dynamic-range, asynchronous self-reset with residue readout architecture where photon shot noise is taken into consideration. A prototype was fabricated in a standard 0.35μm CMOS process and is validated in color light sensing. The readout circuit achieves a measured dynamic range of 82dB with a peak SNR of 46.2dB. Third, a low-power CMOS image sensor VLSI architecture for use with comparator based ADCs is presented. By eliminating the in-pixel source follower, power consumption is reduced, compared to the conventional active pixel sensor. A 64×64 prototype with a 10μm pixel pitch has been fabricated in a 0.35μm standard CMOS technology and validated experimentally. Fourth, a spectrally-multiplexed fluorescence contact imaging microsystem for DNA analysis is presented. The microsystem has been quantitatively modeled and validated in the detection of marker gene sequences for spinal muscular atropy disease and the E. coli bacteria. Spectral multiplexing enables the two DNA targets to be simultaneously detected with a measured detection limit of 240nM and 210nM of target concentration at a sample volume of 10μL for the green and red transduction channels, respectively.

Within the realm of biosensing, DNA analysis has become an indispensable research tool in medicine, enabling the investigation of relationships among genes, proteins, and drugs. Conventional DNA microarray technology uses multiple lasers and complex optics, resulting in expensive and bulky systems which are not suitable for point-of-care medical diagnostics. The immobilization of DNA probes across the microarray substrate also results in substantial spatial variation. To mitigate the above shortcomings, this thesis presents a set of techniques developed for the CMOS image sensor for point-of-care spectrally-multiplexed fluorescent DNA sensing and other fluorescence biosensing applications. First, a CMOS tunable-wavelength multi-color photogate (CPG) sensor is presented. The CPG exploits the absorption property of a polysilicon gate to form an optical filter, thus the sensor does not require an external color filter. A prototype has been fabricated in a standard 0.35μm digital CMOS technology and demonstrates intensity measurements of blue (450nm), green (520nm), and red (620nm) illumination. Second, a wide dynamic range CMOS multi-color image sensor is presented. An analysis is performed for the wide dynamic-range, asynchronous self-reset with residue readout architecture where photon shot noise is taken into consideration. A prototype was fabricated in a standard 0.35μm CMOS process and is validated in color light sensing. The readout circuit achieves a measured dynamic range of 82dB with a peak SNR of 46.2dB. Third, a low-power CMOS image sensor VLSI architecture for use with comparator based ADCs is presented. By eliminating the in-pixel source follower, power consumption is reduced, compared to the conventional active pixel sensor. A 64×64 prototype with a 10μm pixel pitch has been fabricated in a 0.35μm standard CMOS technology and validated experimentally. Fourth, a spectrally-multiplexed fluorescence contact imaging microsystem for DNA analysis is presented. The microsystem has been quantitatively modeled and validated in the detection of marker gene sequences for spinal muscular atropy disease and the E. coli bacteria. Spectral multiplexing enables the two DNA targets to be simultaneously detected with a measured detection limit of 240nM and 210nM of target concentration at a sample volume of 10μL for the green and red transduction channels, respectively.