Le traitement des infections intracellulaires est compliqué par la capacité des bactéries à «se cacher» à l’intérieur des cellules de l’hôte, en particulier celles du système immunitaire, entravant ainsi l’action de nombreux agents antimicrobiens. La diffusion croissante de souches résistantes est très inquiétante. Dans ce cadre, les nanoparticules (NPs) constituent une stratégie prometteuse pour administrer de manière optimisée des agents antimicrobiens.Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre du projet européen ITN Cyclon Hit, visait à développer et caractériser des NPs biodégradables et biocompatibles chargées en antibiotiques, composés d’acide polylactique (PLA), d’acide poly (lactique-co-glycolique) (PLGA) et de polycaprolactone (PCL) ou de cyclodextrines polymérisées (pCD).Les deux premiers chapitres sont consacrés aux verrous technologiques liés à l'encapsulation de certains médicaments puissants dans les NPs polymériques. Tout d'abord, ces vecteurs ont été utilisés pour la délivrance simultanée d'une combinaison de molécules actives récemment découverte, l'éthionamide (ETH) et son Booster, pour le traitement de la tuberculose. Deuxièmement, ils ont été employés pour relever les défis liés à l'incorporation d'une quinolone de première génération, l'acide pipémidique (PIP), dans le but d'optimiser sa distribution intracellulaire dans des infections telles que la salmonellose.La co-incorporation efficace de l'ETH et du booster a dû surmonter de nombreuses difficultés liées à des problèmes de solubilité, de cristallisation et de biodisponibilité. Nos NPs en PLA et en pCD ont montré leur capacité de co-encapsuler efficacement les deux molécules et tout particulièrement celles en pCD. Elles incorporent les médicaments à la fois dans les cavités des CD et dans des microdomaines hydrophobes. Les NPs en pCD, non toxiques après administration pulmonaire répétée de fortes doses, ont été administrés in vivo par voie endotrachéale directement au site d'infection. Elles ont permis une diminution de 3-log de la charge bactérienne pulmonaire des animaux infectés après seulement 6 administrations. De même, l'incorporation de PIP a été confrontée à des défis liés à la cristallisation de PIP et à sa libération incontrôlée. Malheureusement, le PIP présentait une faible affinité pour tous les matériaux polymériques étudiés et son encapsulation physique était infructueuse. Ainsi, une approche alternative a été développée en couplant le PIP au PCL via une réaction sans catalyseur initiée par le médicament. Le conjugué PCL-PIP se auto-assemble en forme de NPs avec une charge en PIP de 27%. Cependant, le PCL-PIP n'a pas pu être dégradé in vitro, mais l’approche de synthèse de conjugués est séduisante pour obtenir de particules stables et avec un contenu important en PIP.La compréhension approfondie de la structure et de la composition du noyau et de la couronne des nanostructures contenant une ou deux molécules actives est cruciale pour leur optimisation. Les deux derniers chapitres sont donc consacrés à l'application innovante de l'AFM-IR, une méthode nanospectroscopique originale combinant la microscopie à force atomique (AFM) avec la spectroscopie infrarouge (IR), à l'analyse chimique des NPs en PLGA ou à leur détection sans marquage après internalisation dans les cellules.L’AFM-IR est capable de fournir une caractérisation chimique à l'échelle nanométrique (résolution ~10 nm). Une avancée majeure du travail est l'application du mode tapping permettant l'investigation individuelle de chaque NP. Le signal IR spécifique des composants des NPs a été utilisé pour appréhender la composition chimique de leur cœur et couronne ainsi que pour localiser précisément le médicament. De plus, l'AFM-IR en mode contact a permis pour la première fois la localisation sans marquage et l'identification chimique des NP à l'intérieur des cellules. Ce travail ouvre la voie à d'innombrables applications de cette technique dans le domaine de la nanomedecine. / The treatment of intracellular infections is very challenging given the ability of bacteria to “hide” inside the cells of the host, especially the ones of the immune system, thus hampering the action of many antimicrobial agents. The battle against these bacteria has been further exacerbated by the increasing diffusion of antimicrobial resistant strains. In this frame, nanoparticles (NPs) are a very promising strategy to overcome the limitations of free antimicrobial agents by administering them in an optimized manner.This PhD work, performed as part of the European Project ITN Cyclon Hit, aimed at the development and advanced characterisation of antibiotic-loaded biodegradable and biocompatible NPs made of poly (lactic acid) (PLA), poly (lactic-co-glycolic) (PLGA) and polycaprolactone (PCL) or of polymerised cyclodextrins (pCDs).The first two chapters are dedicated to the encapsulation of powerful but challenging drugs in polymeric NPs. Firstly, these carriers were employed for the simultaneous delivery of a potent drug combination recently discovered, ethionamide (ETH) and its booster, for tuberculosis therapy. Secondly, they were used to address the challenges related to the incorporation of a first-generation quinolone, pipemidic acid (PIP), with the aim of optimising its intracellular delivery in infections such as salmonellosis.The efficient co-incorporation of ETH and booster had to overcome several technological barriers. These drugs presented solubility, crystallisation and bioavailability-related problems which were overcome thanks to the developed NPs. Our engineered PLA and pCD NPs were both able to efficiently co-encapsulate the two molecules. Among the in depth-characterised formulations, pCDs NPs displayed the best physico-chemical properties and were shown to host the drugs both in the CD cavities and in confined spaces inside NPs crosslinked polymer. The pCD NPs were administered in vivo by endotracheal route directly to the infection site. Empty NPs were shown non-toxic after repeated pulmonary administration of high doses. Moreover, loaded pCD NPs led to a 3-log decrease in the pulmonary bacterial load of infected animals after only 6 administrations. Similarly, the incorporation of PIP faced challenges mainly related to PIP crystallization and burst release. Unfortunately, PIP displayed poor affinity for all the studied polymeric materials and its physical encapsulation was unsuccessful. Thus, an alternative approach was developed by coupling PIP to PCL by using an original catalyst-free drug-initiated reaction. The PCL-PIP conjugate self-assembled in NPs with up to 27 wt% PIP which were thoroughly characterised. However, the conjugate couldn’t be enzymatically degraded. With the design of novel PCL-PIP conjugates, this self-assembly approach could represent a promising strategy.The deep understanding of the structure and composition of complex core-corona nanocarriers containing one or two active molecules is crucial for their optimisation. The last two chapters are devoted to the innovative application of AFM-IR, an original nanospectroscopic method combining atomic force microscopy (AFM) with infrared (IR) spectroscopy, to the chemical analysis of PLGA NPs or to their label-free detection after cell internalisation.AFM-IR is able to provide chemical characterisation at the nanometer scale (resolution ~10nm). One main breakthrough here is the application of the recently developed tapping mode allowing the investigation of single polymeric NPs. The specific IR signal of NPs constituents was used to unravel the chemical composition of their core and corona as well as to precisely locate the drug. Moreover, the AFM-IR in contact mode enabled for the first time the label-free localisation and unambiguous chemical identification of NPs inside cells using the polymer IR specific response as a fingerprint. This work paves the way for countless application of this technique in the field of drug delivery.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux émulsions stabilisées par une famille de copolymères diblocs biocompatibles polydiméthylsiloxane-b-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDMS-b-PDMAEMA). Le bloc PDMAEMA, porteur de fonctions amines, est sensible au pH et à la force ionique. En faisant varier ces deux paramètres, des émulsions directes, inverses et multiples E/H/E ont pu être obtenues en une seule étape d’émulsification, par cisaillement d’une phase aqueuse et d’une phase huile biocompatible (Miglyol® 812 ou myristate d’isopropyle). Pour un copolymère présentant des longueurs de blocs hydrophile et hydrophobe similaires, le PDMS60-b-PDMAEMA50, des émulsions multiples stables sur plus de deux ans sont obtenues avec les deux huiles, pour des pH proches du pKa du PDMAEMA et dans une vaste gamme de sel ajouté. Il a en outre été établi sur des cellules intestinales humaines que les émulsions formées à partir de ces copolymères ne présentent pas de cytotoxicité et peuvent être utilisées pour développer des applications pour l’homme.La diminution du pH de la phase aqueuse conduit à la déstabilisation des émulsions doubles en émulsions directes, permettant d’obtenir la libération contrôlée des espèces encapsulées dans les gouttelettes d’eau internes. Des essais d’encapsulation ont été réalisés avec une molécule modèle, le saccharose, et un antioxydant naturellement présent dans le thé vert, la catéchine, molécule fragile facilement dégradée. Ces molécules peuvent être libérées à loisir par diminution du pH et déstabilisation de l’émulsion multiple, la formation de liaisons hydrogènes entre les molécules encapsulées et le copolymère limitant cependant le relargage. Il a également été démontré que les émulsions ont un effet protecteur sur la catéchine lors du stockage et permettent d’exalter son pouvoir antioxydant.Enfin, nous avons étudié la formation d’émulsions stabilisées par le PDMS-b-PDMAEMA par voie microfluidique. Une méthode originale a été développée pour permettre de former de façon simple des émulsions doubles sur des puces en PDMS. Des émulsions E/H/E ont été obtenues dans des conditions de pH et de force ionique bien précises, et la catéchine a pu également être encapsulée au cœur des gouttelettes internes par cette méthode. / In this work, we studied different kinds of emulsions stabilized by biocompatible diblock copolymers polydimethylsiloxane-b-poly(dimethylaminoethyle methacrylate) (PDMS-b-PDMAEMA). PDMAEMA is sensitive to pH and ionic strength thanks to the amine groups carried by the chain. Varying the latter parameters, we obtained direct, inverse and W/O/W double emulsions in only one emulsification step, by shearing an aqueous phase and a biocompatible oil (Miglyol® 812 or isopropyle myristate). For a copolymer having hydrophilic and hydrophobic blocks of similar lengths, PDMS60-b-PDMAEMA50, very stable multiple emulsions (more than two years) were obtained, for pH close to pKa of PDMAMEA and in a large range of salt concentrations. Cytotoxicity measurements were performed on intestinal human cells, proving the possibility of using the emulsions stabilized with these copolymers to develop applications for health care.pH lowering allows to turn direct emulsions to multiple ones, leading to the controlled release of encapsulated species in the inner water drops. Encapsulation tests have been carried out with a model molecule, sucrose, and with an antioxidant extracted from green tea, catechin. Both molecules could be released from our emulsions by reducing the pH, despite the formation of hydrogen bonds between the encapsulated compounds and the copolymer which prevented complete deliverance. We demonstrated the ability of our multiple emulsions to protect the fragile catechin molecule during storage and preserve its antioxidant capacity.Additionally, we achieved the formation of PDMS-b-PDMAEMA stabilized emulsions by microfluidics. An innovative method was developed to allow the formation of double emulsions on PDMS microchips in an easy way. W/O/W emulsions were obtained for precise pH and salt concentrations, and catechin could also be successfully encapsulated in the internal water droplets by this method.

Ce travail de recherche a pour objet l'application du procédé de polymérisation en miniémulsion de l'acétate de vinyle pour l'encapsulation de principes actifs à usage cosmétique. Ce procédé permet d'obtenir des latex à haut taux de solide et contenant une forte proportion de molécules actives. Ce travail est divisé en deux partie : l) la formation de nanoparticules et l'étude de l'incorporation de différents principes actifs, 2) la détermination de la morphologie des particules. Dans un premier temps, nous avons optimisé le procédé de polymérisation radicalaire en miniémulsion de l'acétate de vinyle. La composante hydrophobe indispensable à la bonne stabilité de la miniémulsion est assurée par le principe actif lui-même. Nous avons obtenu des latex stables pendant six mois à trois températures différentes : 4°C, 20°C et 40 °C et ce pour différents principes actifs. Dans un deuxième temps, nous avons étudié la morphologie interne des nanoparticules. Une étude prédictive basée sur les mesures des tensions superficielles et interfaciales entre les différents composés de la miniémulsion indiquent une encapsulation partielle du principe actif par le polymère. Bien que difficiles à mener sur les latex de PAcV, les observations par microscopie électronique semblent confirment cette tendance. Un changement de tensioactif et l'addition de monomère lors de la réaction de polymérisation pourraient favoriser la formation de nanocapsules / The aim of this work is the encapsulation of active ingredients by vinyl acetate miniemulsion polymerization for cosmetic use. This process allows to obtain latexes with high solid content and containing high amount of active molecule. This work is divided into two parts: 1) nanoparticles formation by miniemulsion polymerization and incorporation of different active principles 2) determination of the nanoparticles morphology. At first, the process of radical miniemulsion polymerization in for vinyl acetate is optimized. The hydrophobe compound, which is essential for the miniemulsion stability, is ensured by the active principle itself. We obtained several stable latexes with different active molecules at three different temperatures: 277 °K, 293°K and 313°K during six months. In the second part of this work, we studied the internal morphology of nanoparticles. A predictive study, based on the surface and the interfacial tension measurements between the different compounds of miniemulsion has been undertaken, which indicates a partial engulfing of the active principle by the polymer. Although the observation of PVAc lattices by electronic microscopy may be questionable, these studies seem to confirm this trend. The change of the surfactant and the monomer addition during the reaction of polymerization can favour the formation of nanocapsules

Résumé : Durant les dernières années, l’encapsulation d’îlots pancréatiques endocriniens a reçu une grande attention parce qu’elle pourrait constituer une solution pour diminuer les taux d'échecs des transplantations. Dans le contexte de la perte de la matrice extracellulaire (MEC) native des îlots lors de leur isolation et le rejet de greffes par le système immunitaire du receveur, cette thèse vise à améliorer la compréhension des interactions entre la MEC et les cellules des îlots pancréatiques endocriniens ainsi qu’à étudier les effets de stress apoptotiques associés à des éléments du système immunitaire sur la survie et les fonctions des îlots. Ces études pourraient permettre de raffiner notre compréhension des mécanismes associés au rejet des greffes d'îlots de Langerhans. Dans cette thèse, le premier chapitre constitue une revue de la littérature permettant de mettre en lumière les rôles réciproques de la MEC dans l'action des cellules immunitaires et l'influence de ces rôles sur le diabète de type 1 (DT1) et sur la transplantation d'îlots. Ce premier chapitre a été publié dans la revue Pathologie Biologie. Le premier travail expérimental comprend la culture de cellules d'insulinomes de rat (INS-1) sur des surfaces composées de carboxyméthyl dextrane (CMD) recouvertes de fibronectine, RGD ou YIGSR, un peptide synthétique de la laminine. Dans cette étude, l'effet bénéfique d’éléments de la MEC sur ces cellules productrices d'insuline a été démontré. Les cellules INS-1 ont davantage proliféré sur ces surfaces et sécrétaient plus d’insuline que les cellules INS-1 cultivées sur les surfaces contrôle de CMD, CMD+RGE et dans les plaques à multi-puits de polystyrène vendues pour la culture tissulaire (TCPS). Cette première étude a été publiée dans Acta Biomaterialia. La deuxième étude expérimentale avait pour objectif d’étudier l’effet protecteur de gels de fibrine pour enrober des îlots pancréatiques endocriniens isolés de jeunes porcs et exposés à deux concentrations de peroxyde d'hydrogène (H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2]). L’enrobage dans la fibrine a permis de réduire l'apoptose chez les cellules des îlots et d’améliorer la sécrétion d'insuline par ceux-ci lorsque les résultats étaient comparés à ceux des îlots non-enrobés. Ce travail a été publié dans la revue Islets. Dans la troisième étude expérimentale, des îlots porcins étaient enrobés dans des gels de fibrine et d'alginate et exposés à des monocytes humains pour comparer l’effet de l’enrobage par ces deux matériaux sur la survie et les fonctions des îlots. Les monocytes sécrétaient des concentrations importantes de cytokines TNFα, IL-6, IL-1β en réponse à la fibrine seule et aux îlots. Les cellules des îlots enrobés dans les gels de fibrine et d'alginate étaient moins apoptotiques et sécrétaient plus d'insuline que leurs contrôles respectifs non-enrobés. Cette étude a été acceptée dans la revue Pathologie Biologie. // Abstract : In recent years, the encapsulation of endocrine pancreatic islets has received enhanced attention as it might constitute a solution for islet transplantation failure. In the context of the loss of the native islet extracellular matrix (ECM) and graft rejection by the recipient’s immune system, this thesis aims to improve the understanding of ECM-islet cell interactions and immune system-related implications in islet survival and function in the context of type 1 diabetes mellitus (T1DM) and islet graft rejection. In the first chapter, a literature review introduces the reciprocal roles of the ECM in immune cell action and the influence of these interactions on T1DM and islet transplantation. The most important ECM components are discussed followed by an overview of immune cells and their possible implication in diabetes. Immune cell integrins and cytokines and their communication with and influence on ECM are highlighted, concluding in a brief discussion of the significance of these interactions for islet transplantation and encapsulation. This review has been accepted for publication by Pathologie Biologie. The first experimental work comprises the culture of rat insulinoma cells (INS-1) on welldefined low-fouling carboxymethyl-dextran (CMD) surfaces covalently grafted with fibronectin, RGD and YIGSR, a synthetic laminin peptide, resulting in higher cell proliferation and insulin secretion of INS-1 cells when compared to the controls CMD, CMD+RGE and tissue culture polystyrene (TCPS) plates. With this work, the beneficial effect of ECM cues on insulin-producing cells was proven. This study has been published in Acta Biomaterialia. The second experimental work aimed to study the effect of fibrin gels when used to embed endocrine pancreatic islets isolated from young pigs and exposed to hydrogen peroxide (H[subscript 2]O[subscript 2]). Fibrin-embedded islets showed less apoptosis and higher relative insulin secretion than islets on TCPS, verifying the protective effect of fibrin towards islets. This study has been published in Islets. In the third experimental study, porcine islets were encapsulated in fibrin and alginate gels and exposed to human monocytes to compare the two materials and to further investigate the immune protective properties of fibrin and alginate. Monocytes secreted high concentrations of TNFα, IL-6, and IL-1β in response to fibrin, but at the same time islets in both fibrin and alginate gels were less apoptotic and secreted more insulin then their TCPS controls. This study has been submitted to Pathologie Biologie.

L'objectif de ces travaux était de mettre au point des vecteurs de diffusion efficaces du thymol pour lutter contre un acarien parasite des abeilles. Le choix s'est porté sur la formation de nano-objets par émulsification spontanée pouvant libérer efficacement du thymol grâce à leur grande surface spécifique. L'émulsification spontanée par « effet Ouzo » a été choisie en raison de (i) la simplicité du procédé nécessaire pour son application par les apiculteurs et de (ii) la possibilité de former une grande diversité de nano-objets. L'émulsification spontanée par effet Ouzo a tout d'abord été étudiée fondamentalement avec un polymère (nanoprécipitation), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), pour s'affranchir des phénomènes déstabilisants typiques des émulsions tels que le mûrissement d'Ostwald et la coalescence. Cette étude a permis de définir clairement les compositions du système PMMA/solvant/eau pour lesquelles la nanoprécipitation du PMMA induit la formation exclusive de nanoparticules de distribution de taille étroite (zone Ouzo) ou la formation de nanoparticules additionnées de macroparticules (zone non-Ouzo), séparées par la limite Ouzo. Deux mécanismes de formation des nanoparticules ont été déduits suivant la sursaturation du PMMA (nucléation et croissance ou nucléation et agrégation). L'influence des stabilisants a montré l'importance de l'adsorption des ions OH- sur la taille des nanoparticules et sur le déplacement de la limite Ouzo alors que seule la stabilité colloïdale est améliorée avec l'ajout de tensioactifs. Cette étude fondamentale a servi de base pour la formation des nanogouttelettes de thymol et des nanocapsules thymol-PVA réticulé et thymol-PMMA par effet Ouzo. Des nanoparticules thymol-PVP ont également été formées par complexation de la poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) en milieu aqueux. Ces nano-objets de thymol ont été testés sur des ruches infestées pour déterminer leur efficacité d'éradication de l'acarien Varroa Destructor. / The objective of this work dealt with setting up efficient thymol diffusion vectors to fight against a bee mite, the Varroa Destructor. The formation of nano-objects by spontaneous emulsification was investigated because they provide large specific area to enhance thymol evaporation. Spontaneous emulsification by so-called Ouzo effect was chosen because of (i) the simplicity of the process necessary for the transfer to beekeepers and (ii) the great diversity of nano-objects morphologies which can be designed. Spontaneous emulsification by Ouzo effect was first studied fundamentally with a polymer (nanoprecipitation), the poly(methyl methacrylate) (PMMA), in order to avoid typical emulsion destabilizing phenomena such as Ostwald ripening and coalescence. This study enabled to clearly define the PMMA/solvent/water system compositions for which PMMA nanoprecipitation induces only formation of nanoparticles with a narrow size distribution (Ouzo domain) or formation of microparticles besides nanoparticles (non-Ouzo domain), separated by the Ouzo boundary. Two nanoparticles formation mechanisms were deduced with respect to the supersaturation of PMMA (nucleation and growth or nucleation and aggregation). Stabilizers influence set off the importance of OH- ions adsorption on nanoparticles size and on Ouzo boundary shifting whereas only colloidal stability is improved through surfactant addition. This fundamental study laid down basis for thymol nanodroplets and for thymol-cross linked PVA and thymol-PMMA nanocapsules formation by Ouzo effect. Thymol-PVP nanoparticles were also prepared by poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) complexation in aqueous medium. These thymol nano-objects were tested on infested beehives to determine their efficiency to eradicate the Varroa Destructor mite.

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier. / Bioactive paper is obtained through the modification of paper substrate with biomolecules and reagents. It is used in the development of novel biosensors that are portable, disposable and inexpensive, aimed at capturing, detecting and in some cases deactivating pathogens. Generally bioactive papers are made by incorporating biomolecules such as enzymes and/or antibodies on to paper. The immobilization of such biomolecules on solid surfaces is widely used for different diagnostic applications such as in immunosensors and immunoassays but due to the sensitive nature of enzymes, their large scale incorporation into paper has faced several difficulties especially under industrial papermaking conditions. The functionalization of paper at large scale is possible because paper can be easily coated with a layer of microcapsules, which have proven to be an efficient immobilization platform for enzymes and to allow. In this study, we developed a generic alginate-based platform incorporating microcapsules that can be applied to current paper production processes to prepare antibacterial bioactive paper with the ability to capture pathogens on its surface and to deactivate them by producing an anti-pathogenic agent. The design of the antibacterial platform is based on constant production of hydrogen peroxide as the antibacterial agent inside the alginate microcapsules. Hydrogen peroxide production is achieved through oxidation of glucose, catalyzed by the enzyme glucose oxidase encapsulated inside the alginate beads. The different steps of development included the entrapment of glucose oxidase inside alginate microcapsules, the reinforcement and surface activation of microcapsules by adding an additional layer of chitosan, investigating the possibility of immobilization of antibodies (human immunoglobulin G as a model antibody) on the surface of microcapsules and, finally, verifying the antibacterial properties of the system against Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) as a representative pathogen. During development, certain measurements and observations were made using various analytical methods and techniques such as Bradford protein assay, oxygen electroanalysis, optical and confocal laser canning microscopy (CLSM), matrix assisted laser desorption/ionization- time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS), etc. Appropriate tests were performed to validate the successful modification of microcapsules and to ensure that glucose oxidase is still active after each modification. It was found that the encapsulated glucose oxidase maintained the specific enzymatic activity of 120±30 U/g. Subsequent efforts were made to immobilize glucose oxidase on gold NPs of two different diameters (10.9 nm and 50 nm) to enhance the enzymatic activity and increase the encapsulation efficiency. The results obtained during this study demonstrate successful modifications on alginate microcapsules and also a successful response of such antibacterial platform regarding deactivation of the pathogen representative, E. coli K-12. The threshold for the enzymatic activity was found to be 1.3×10-2 U/ml for E. coli K-12 growth inhibition of 6.7×108 cells/ml. Further studies are needed to assess the efficiency of immobilized antibody in the capture of pathogens and also to incorporate the platform onto paper and to validate the efficiency of the system once it is coated on paper.

Les émulsions doubles de type eau-dans-huile-dans-eau (E/H/E) sont des systèmes dans lesquels des globules gras sont dispersés dans une phase continue aqueuse. De par leur structure compartimentée, ces systèmes permettent d’encapsuler des composés hydrosolubles au niveau des gouttelettes aqueuses internes. Néanmoins, leur utilisation requiert la maîtrise de leur stabilité thermodynamique et la compréhension des mécanismes mis en jeu au cours de la libération des espèces encapsulées. C’est dans ce contexte que différents paramètres de formulation, i.e., nature de l’huile, concentration en émulsifiant hydrophile, fraction volumique en globules gras, complexation de l’espèce encapsulée ont été testés de manière à appréhender leur influence sur la libération des ions magnésium. Les constituants utilisés pour la préparation des émulsions E/H/E sont de grade alimentaire en vue de leur application dans les secteurs pharmaceutique ou alimentaire. La fuite des ions magnésium s’effectue essentiellement par un mécanisme de diffusion/perméation. Un modèle basé sur la diffusion du magnésium à travers la phase huileuse a été proposé, prenant en compte le coefficient de perméation de l’espèce ionique, la chélation du magnésium et l’ajustement des pressions osmotiques entre les phases interne et externe. Ainsi, le coefficient de permétation dépend de la localisation et de la concentration du chélatant, mais n’est que faiblement influencé par la pression osmotique. De plus, ce coefficient évolue au cours du temps notamment pour les fractions volumiques en globules gras élevés. / Double water-in-oil-in-water (W/O/W) emulsions are systems in which fat globules are dispersed in an aqueous continuous phase. They provide a compartmented structure that allows the encapsulation of hydrosoluble compounds in the internal aqueous droplets. Nevertheless, the application of multiple emulsions is limited by their thermodynamical instability and the possible diffusion of hydrosoluble matter from one aqueous phase to the other one through the oil layer. In this context, the influence of several formulation parameters (oil nature, hydrophilic emulsifier concentration, oil globule mass fraction, complexation of the encapsulated species) was investigated relatively to magnesium release. All the ingredients used were food grade to match pharmaceutical and food application requirements. Magnesium leakage occurred without film rupturing. A model based on diffusion was proposed in which the rate of release was determined by the permeation coefficient of magnesium across the oil phase, by magnesium chelation and by the osmotic pressure mismatch between the internal and external aqueous phases. The permeation coefficient depended on the chelating agent location and concentration but was poorly influenced by the osmotic pressure. Moreover, the permeation coefficient evolved with time, especially at high oil globule fractions.

Les travaux portent sur l'élaboration de nanoparticules dont le coeur polyester (PLA) est recouvert d'une couche polysaccharide hydrophile à base de dextrane. Des composés amphiphiles polysaccharidiques (DexC6, DexN3, Dex-g-PLA-g-N3) ont été synthétisés et leur comportement tensioactif a été évalué. Cette capacité à stabiliser les interfaces a été mise à contribution pour élaborer les nanoparticules via deux procédés: émulsion/évaporation de solvant organique et nanoprécipitation. Un peptide inhibiteur de la dimérisation de la protéase du VIH-1 (Pam-LEY), a alors été encapsulé au sein de nanoparticules PLA recouvertes de DexC6. Bien que stable en milieu aqueux de haute force ionique (4M), la désorption de la couronne physiquement adsorbée est observée en présence de SDS. La Chimie-click a été une alternative pour fixer cette couronne polysaccharidique hydrophile de façon irréversible à la surface des nanoparticules selon 2 stratégies. D'une part, des copolymères organosolubles Dex-g-PLA-g-N3 ont été présynthétisés par Chimie-click puis nanoprécipités dans l'eau. L'autre méthode consiste à émulsionner une solution aqueuse de DexN3 et une solution organique de PLA alpha-alcyne en présence de CuBr. Une chimie-click se produit alors in situ à l'interface liquide/liquide, et assure le lien covalent entre le coeur et la couronne de la nanoparticule. La Chimie-click nous a également permis d'obtenir des nanoparticules possédant des fonctions azide résiduelles à leur surface. Une post-fonctionnalisation de ces dernières à été réalisée avec un dérivé d'ATWLPPR, un peptide ciblant les co-récepteurs NRP-1 de VEGF surexprimés au niveau des néo-vaissaux irriguant les tumeurs cancéreuses / This work deals with biodegradable/biocompatible polymeric nanoparticles based on PLA and covered by a polysccharidic shell (dextran). First of all, amphiphilic dextran derivatives (DexC6, DexN3, Dex-g-PLA-g-N3) have been produced and their surfactive properties have been evaluated depending on their architecture and substitution degree. Then we took advantages of their ability to stabilize interfaces to formulate nanoparticles via two processes: emulsion/organic solvent evaporation and nanoprecipitation. Pam-LEY, peptide used as HIV-1 protease dimerisation inhibitor, was encapsulated with 40% efficiency into PLA nanoparticules covered by DexC6. Because this DexC6 surface is just physically adsorbed on the PLA core, a desorption is observed in presence of SDS. The use of Click-chemistry was judged interesting to solve that issue and to covalently link the hydrophilic polysaccharidic shell to the PLA core. Two strategies could be opposed. One one hand, oil-soluble Dex-g-PLA-g-N3 copolymers have been synthesized by click chemistry in homogeneous media and then nanoprecipitated in water. On other hand, an hydrophilic DexN3 has been emulsified with a alpha-alkyne PLA organic solution, in the presence of CuBr. By this way, click-chemistry occured in situ, at liquid/liquid interface during the emulsification step. Produced triazole rings link the core to the shell.Moreover, the use of the Huisgen cycloaddition reaction allowed us to produce nanoparticles having some residual azide functions on their surface. The nanoparticles have been post-fonctionnalized by a peptide used to target NRP-1, co-receptor of Vascular Endothelial Growth Factor over-exprimed on the cancer tumors area

Ces travaux décrivent l'élaboration de latex hybrides de polymère / nanotubes d'Imogolite et polymère / nanofeuillets d'hydroxydes doubles lamellaires (HDL) en milieu aqueux dispersé. Les deux charges inorganiques ont été choisies pour leurs propriétés thermiques, mécaniques et pour leur anisotropie de forme, ce qui pourrait permettre l'élaboration de films nanostructurés. Les latex ont été synthétisés par une stratégie originale basée sur le procédé de polymérisation RAFT en émulsion. Cette stratégie consiste à utiliser des copolymères hydrophiles (macroRAFT), comportant à la fois des unités d'acide acrylique et un groupe trithiocarbonate terminal, comme agents de couplage et stabilisants. Dans un premier temps, ces macroRAFTs ont été adsorbés à la surface des nanoparticules inorganiques, puis l'extension de ces chaînes a été réalisée par la polymérisation d'un monomère hydrophobe selon un procédé semi-batch. Des nanotubes d'Imogolite décorés de particules de latex ou des nanotubes d'Imogolite encapsulés ont été obtenus, selon les conditions de synthèse adoptées. L'effet de différents paramètres sur la morphologie finale des particules hybrides a été étudié. La nature de l'agent macroRAFT s'est avérée être un paramètre clé pour le succès de l'encapsulation. La même stratégie a été utilisée en vue de l'encapsulation des HDL. Quelles que soient les conditions investiguées, des latex stables contenant des particules d'HDL encapsulées par du polymère ont été formés. Dans tous les cas, la morphologie des latex nanocomposites a été caractérisée par MET et cryo-MET et reliée à la méthode de modification de la surface et aux conditions de polymérisation. Enfin, les propriétés mécaniques ainsi que la microstructure des films hybrides de polymère / nanotubes d'Imogolite ont été étudiées par DMA et MET, respectivement, et reliées à la morphologie des particules de latex / This work describes the elaboration of hybrid latexes of polymer / Imogolite nanotubes and polymer / layered double hydroxyde (LDH) nanosheets in aqueous dispersed media. The two inorganic materials were chosen as fillers for their thermal and mechanical properties and especially for their shape anisotropy, which could lead to the formation of nanostructured films. The latexes were synthesized through an original polymerization strategy based on the RAFT process in emulsion. The strategy consists in the use of hydrophilic random copolymers, containing acrylic acid units and a thiocarbonylthio end group, as both coupling agents and stabilizers. These copolymers, herein named macroRAFT agents, were tethered to the surface of the inorganic nanoparticles and chain extended by the polymerization of a hydrophobic monomer in a semi-batch process. Polymer-decorated Imogolite nanotubes or encapsulated nanotube bundles were obtained according to the process conditions. The effect of different parameters on the final morphology and latex stability was studied, and the macroRAFT nature was proven to be the key factor to achieve encapsulation. The same strategy was then applied to LDH materials. The different conditions tested all led to the encapsulation of the nanosheets. In both cases, the morphology of the nanocomposite latexes was characterized by TEM and cryo-TEM and correlated with the surface modification and the experimental conditions. The mechanical properties and the microstructure of hybrid films of polymer / Imogolite were studied by DMA and TEM, respectively, and correlated with the latex particles morphology

De nombreux composés bioactifs hydrophobes sont actuellement mis en avant en raison de leurs propriétés nutritionnelles et fonctionnelles. Une attention particulière est, en conséquence, portée à leur incorporation en tant qu'ingrédients dans des aliments fonctionnels. Cependant, la majorité de ces composés bioactifs sont caractérisés par une faible solubilité en milieu aqueux, une dégradation au cours des procédés de transformation ainsi qu'une absorption limitée au niveau du tractus gastro-intestinal. La micelle de caséines, grâce à ses propriétés fonctionnelles uniques, peut être considérée comme un support d’encapsulation naturel pour ces molécules bioactives hydrophobes. En effet, une des originalités de cette suprastructure est sa dynamique dans le lait se caractérisant par des échanges réversibles de protéines et de minéraux entre le sérum et la structure micellaire interne en fonction des conditions physicochimiques, et notamment avec la température. En particulier, un stockage du lait à 4°C permet la dissociation sélective de la caséine β de la phase micellaire vers la phase soluble et un retour à température ambiante permet sa réintégration. L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle stratégie d’encapsulation de molécules bioactives hydrophobes dans les micelles de caséines via cette dynamique de la caséine β. Dans un premier temps, l’optimisation de la dissociation de la caséine β de la micelle de caséines a été réalisée en modifiant la température et le pH, tout en portant une attention particulière au maintien de l’intégrité des micelles déplétées en caséines β. Un procédé de séparation physique de la caséine β solubilisée a été optimisé par microfiltration à l’échelle pilote. Une étude de la concentration micellaire critique de la caséine β a permis de vérifier son état monomérique à l’issue de cette séparation. Une étude de la cinétique d’interaction entre la caséine β monomérique et deux composés bioactifs hydrophobes, la curcumine et la vitamine D3, a ensuite été réalisée par résonance plasmonique de surface et par spectroscopie de fluorescence. La curcumine a été choisie pour la suite de l’étude au vu de sa bonne affinité pour la caséine β. Le complexe caséine β monomérique-curcumine a ensuite été encapsulé dans des micelles de caséines préalablement déplétées en caséines β. Les résultats de ces travaux montrent l’efficacité de cette stratégie d’encapsulation qui peut présenter un intérêt particulier pour la vectorisation de molécules bioactives hydrophobes afin d’assurer leur protection dans des produits laitiers pauvres en matière grasse.De plus, au cours de ce projet, une méthode de caractérisation des propriétés morphologiques et nano-mécaniques des micelles de caséines par microscopie à force atomique en milieu liquide a été développée. Cette méthode représente un outil intéressant de compréhension de la structure micellaire dans son environnement natif et offre la possibilité d’évaluer l’impact de certaines modifications sur les propriétés de la micelle de caséines, comme sa déplétion en caséine β ou sa réticulation. / In the last years, the number of studies highlighting the nutritional and functional properties of several hydrophobic bioactives has markedly increased. Special attention is consequently paid to their addition as ingredients to food. However, most of these hydrophobic compounds display a low aqueous solubility, poor stability during processing and low absorption in the gastrointestinal tract. Casein micelles exhibiting unique set of properties can be considered as a natural nanocarrier for these molecules. Actually, changes in environmental factors namely pH and temperature induce the dissociation of caseins and minerals from the colloidal phase to the soluble phase. Particularly, a selective dissociation of β-casein occurs at low temperatures. This effect is reversed with an increase in temperature, with a transfer of β-casein from the serum to the micelles when equilibrated at room temperature. The aim of this study is to develop a novel encapsulation strategy to incorporate hydrophobic bioactive compounds into casein micelles using the β-casein reversible dissociation. First, the β-casein dissociation from casein micelles was optimized by temperature and pH modifications while preserving the integrity of the β-casein depleted casein micelles. The separation of dissociated β-caseins from casein micelles was carried out by microfiltration at a pilot scale. The β-casein critical micelle concentration was concurrently evaluated to ensure the monomeric state of -casein after separation. Secondly, the binding kinetic between monomeric β-casein and two hydrophobic compounds, curcumin and vitamin D3, was investigated by surface plasmon resonance and fluorescence spectroscopy. Curcumin was then selected thanks to its high affinity to -casein β. The complex monomeric β-casein – curcumin was encapsulated in β-casein depleted casein micelles. The results of this study show the efficiency of this encapsulation strategy of hydrophobic bioactive compounds, which could be used to protect such molecules in low fat dairy products.Besides, during this project, a novel strategy was developed in order to evaluate the casein micelle topography and nanomechanical properties by atomic force microscopy in liquid environment. This method opens a new line of investigation to better understand the casein micelle structure in its native environment but also investigate the impact induced by the modification of physico-chemical conditions on its topography and elastic properties.