Gold nanoparticles (GNP) have been widely used as optical imaging and photothermal therapy agents due to their biocompatibility, simplicity of conjugation chemistry, optical tunability and efficient light conversion to heat. A number of in vitro and in vivo studies have demonstrated that they can be used as effective thermal therapy and imaging contrast agents to treat and diagnose cancer. As clinical applications of GNPs for cancer imaging and therapy have gained interest, efforts for understanding their accumulation kinetics has become more important. Given the recent demonstration of intrinsic two-photon induced photoluminescence (TPIP) of gold nanoshells (GNSs) and gold nanorods (GNRs), TPIP imaging is an efficient tool for investigating the microscopic distribution of the GNPs at intra-organ level. The following work explores these GNPs’ physical and optical properties for effective use of GNPs in TPIP imaging and examines the feasibility of using intrinsic TPIP imaging to investigate GNP’s biodistribution in bulk tumors and thin tissue slices processed for standard histology. Our results showed that GNPs yield a strong TPIP signal, and we found that the direct luminescence-based contrast imaging of GNPs can image both GNPs and nuclei, cytoplasm or vasculature simultaneously. Also, we present the effect of GNP morphology on their distribution within organs. Collected images showed that GNPs had a heterogeneous distribution with higher accumulation at the tumor periphery. However, GNRs had deeper penetration into tumor than GNRs due to their shape and size. In addition, GNPs were observed in unique patterns close to vasculature. Finally, we introduce single- and multiple-dose administrations of GNPs as a way of increasing GNP accumulation in tumor. Our results show that multiple dosing can increase GNP accumulation in tumor 1.6 to 2 times more than single dosing. Histological analysis also demonstrated that there were no signs of acute toxicity in tumor, liver and spleen excised from the mice receiving 1 injection, 5 injections of GNPs and trehalose injection. / text

L'ischémie se caractérise par l'obstruction d'une artère coronaire qui prive le tissu d'un apport en oxygène et nutriments. Bien que nécessaire, la reperfusion, c'est-à-dire la réouverture de l'artère, s'accompagne de lésions tissulaires, appelées lésions de reperfusion. Au cours de l'I/R, le TNF-α, cytokine pro-inflammatoire, augmente. Sa liaison sur son récepteur TNFR1 induit le recrutement des protéines FADD et procaspase-8 formant le complexe DISC qui permet l'activation de la caspase-8. La caspase-8 clive une protéine pro-apoptotique, Bid, qui induit une perméabilisation de la membrane mitochondriale entrainant une production excessive de radicaux libres et une libération de cytochrome c. Cette dernière associée à Apaf-1 et procaspase-9 sert de plateforme d'activation à la caspase-9, qui, une fois activée, clive et active la caspase-3. La caspase-2 est une caspase initiatrice, tout comme la caspase-8. Pourtant, son rôle dans l'I/R cardiaque est peu connu. La production de ROS via la voie TNF-α/caspase-8 provoque des dommages à l'ADN. Ceci entraine l'activation de PARP-1, une enzyme impliquée dans la réparation de l'ADN. En fonctionnant, PARP-1 produit de l'ADP-ribose qui peut se fixer sur le canal TRPM2 et ainsi l'activer. L'ouverture de ce canal cationique provoque une entrée de Ca2+ qui contribue à la mort cellulaire et aux lésions de reperfusion. L'objectif de ce travail est de déterminer les mécanismes de mort cellulaire faisant intervenir la caspase-8, la caspase-2 et TRPM2 et d'évaluer les effets d'une inhibition de ces protéines sur les lésions de reperfusion. Un modèle de rat I/R met en évidence une augmentation de TNF-α après seulement 1h de reperfusion suivie d'une activation de la caspase-8. Cette activation entraine une production de ROS qui altère la structure et la fonction du canal RyR2, favorisant la fuite de Ca2+ du reticulum sarcoplasmique vers le cytosol. La caspase-2, exprimée dans le ventricule gauche, est activée avant la caspase-8 et induit une voie apoptotique de type intrinsèque. L'inhibition de la caspase-8 ou de la caspase-2 diminue les lésions de reperfusion. Parallèlement, le TNF-α induit un courant de type TRPM2 via l'activation de la caspase-8 et la production de ROS. In vivo, l'inhibition de TRPM2 par le clotrimazole diminue les lésions de reperfusion chez un modèle de souris I/R. La caspase-8, la caspase-2 et TRPM2 contribuent aux lésions de reperfusion et apparaissent comme de bonnes cibles dans la cardioprotection. / Myocardial ischemia and reperfusion (I/R) lead to repefusion injury. TNF-α, a pro-inflammatory cytokine, increases during reperfusion and contributes to this injury. The binding TNF/TNFR1 leads to the recruitment of FADD, TRADD and procaspase-8 and form a complexe named DISC. This complexe activates caspase-8, which cleaves Bid, a pro-apoptotic member of Bcl-2 family. tBid disrupts the mitochondrial membrane and induces a ROS production and a release of cytochome c, localized in intermembrane space. In cytosol, a complexe named apoptosome is formed with cytochrome c, Apaf-1 and procaspase-9 to activate caspase-9, which cleaves and activates caspase-3. Like caspase-8, caspase-2 is an initiator caspase. But little data exists on the role of this caspase in myocardial I/R.The disruption of mitochondria induces a ROS production which causes DNA damage. The enzyme PARP-1, involved in DNA repair, is then activated. By operating, PARP-1 produces ADP-ribose which can bind on TRPM2, a non selective cationic channel of TRP family. The opening of TRPM2 causes an increase of cytosolic calcium promoting cell death and reperfusion injury. The goal of this study was to determine the mechanisms of cell death after I/R involving caspase-8, caspase-2 and TRPM2 and to test an inhibitor of each protein on reperfusion injury. With a model of rat I/R, we demonstrated that TNF-α increases after only 1h of reperfusion following by a caspase-8 activation and a ROS production. Oxidative stress causes a modification of RyR2 with a leak of calcium in cytosol. Caspase-2, also expressed in ventricles, is activated before caspase-8 and induces an intrinsic apoptotic pathway until caspase-3 activation. An inhibition of caspase-8 or caspase-2 decreases the reperfusion injury.In mouse cardiomyocytes, TNF-α induces a TRPM2-like current through caspase-8 activation and ROS production. TRPM2 inhibition by clotrimazole decreases cell death and reperfusion injury in vivo.In conclusion, caspase-2, caspase-8 and TRPM2 play an important role in cell death pathway ans should be good therapeutical tools.

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire. / This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field.

Les travaux présentés ici portent sur le dimensionnement et l’étude d’une machine à réluctance variable excitée par un courant continu homopolaire de type``Lyndell´´. De telle structure connaît un regain d’intérêt avec de nouvelles topologies pour des applications spécifiques. Dans le cas des travaux présentés, l’application visée est la conversion d’énergie éolienne avec un stockage inertiel. Cette machine a une bobine d’excitation qui est solidaire du stator et située entre les pôles saillants. Le rotor est massif et comporte deux paires de pôles dont les axes polaires peuvent être parallèles ou perpendiculaires. Le stator possède deux enroulements sur deux demi-stators de machine classique dont l’un est fixe et l’autre orientable manuellement suivant l’axe de rotation du rotor. Cette possibilité d’orientation permet à la machine d’être équipée de l’un ou l’autre des deux types de rotor. Le dimensionnement et l’étude de cette machine sont basés sur le modèle des réseaux de perméances. L’élaboration du modèle, par une subdivision de la structure étudiée en zones à induction homogène, est effectuée à partir de l’analyse des lignes de champ obtenues par la méthode des éléments finis bidimensionnels pour l’ensemble « dent - entrefer - encoche », et les autres parties de la machine (culasse, rotor) sont tridimensionnels. Ces éléments finis constituent également la référence pour valider le modèle développé et pour vérifier le niveau de saturation de la machine. Le modèle par réseaux de réluctance est ensuite utilisé pour dimensionner un prototype, à pôles parallèles ou en quadrature et pour en étudier les performances à vide et en charge. Enfin, le prototype réalisé est étudié pour les deux types de rotor. Les résultats expérimentaux, comparés aux calculs de simulation, montre des concordances très satisfaisantes / The work presented here is devoted to the dimensioning and the study of a switched reluctance machine excited by a homopolar D.C. current of Lyndell type. Such structure knows a renewed interest with new topologies for specific applications. In the case of work had presented, the application concerned for is the wind energy transformation with an inertial storage. The field coil of the machine placed in the stator and is located between the rotor salient poles. The rotor is massive and comprises two pairs of poles. These poles have parallel or perpendicular axes. The stator has two windings placed on two classical half-stators, one of which is fixed and the other is manually adjustable along the axis of rotation of the rotor. This orientation allows the machine to be equipped with one or the other of two types of rotor. The dimensioning and the study of this machine are based on the model of the reluctance network. The development of the model, by a subdivision of the studied structure into homogeneous induction zones, is made from the flux lines obtained by the two-dimensional finite element method for whole tooth-air-gap-slot, and the other parts of the machine (stator breech, rotor) are three-dimensional. The finite element methods also constitute the reference to validate the developed model and check the saturation level of the machine. The reluctance network model is then used for sizing a prototype with the parallel or perpendicular poles and for studying the performances in no load and with load machine. Finally, the realised prototype is studied for both types of rotor. The experimental results compared with the simulation show very satisfactory concordances

La génération à la demande d'excitations quantiques dans un état contrôlé permet la construction de systèmes quantiques de plus en plus complexe. Cependant, la réponse collective de la mer de Fermi à une perturbation comprend généralement à la fois des électrons et des trous, ce qui rend la manipulation d'un nombre limité de degrés de liberté difficile. Une méthode permettant de générer une excitation élémentaire résolue en temps dans un conducteur cohérent unidimensionnel a été proposée : l'application de pulses de tension de forme lorentzienne. Un pulse Vp(t) de forme quelconque injecte un nombre fini de paires électron-trou. La seule possibilité de supprimer les trous et de laisser la mer de Fermi intacte est d'appliquer des pulses lorentziens dont le flux est quantifié. Les paquets d'onde transférés sont des quasi-particules et appelés Levitons. Ils ont des propriétés statistiques remarquables : ils minimisent le bruit de grenaille. Dans cette thèse, on étudie la génération de ces objets et on démontre que des pulses lorentziens constituent une source d'électrons à la demande. Des pulses GHz sont appliqués sur un contact ponctuel quantique (QPC) semi-réfléchissant et refroidi au-dessous de 50mK. Le bruit de grenaille photo-assisté (PASN) généré est proportionnel au nombre total d'électrons et de trous, ce qui permet de tester la source. Le PASN permet également de déterminer la distribution en énergie et le profil temporel des paquets d'onde. / The on-demand generation of well-controlled quantum excitations leads to the operation of increasingly complex quantum systems. However, the collective response of the Fermi sea to a perturbation typically includes holes and electrons and the control of a few degrees of liberty is difficult to achieve. A means of generating a time-resolved elementary excitation through short-time voltage pulses Vp(t) applied on the contacts of a one-dimensional coherent conductor has been predicted. For most voltage pulses, a finite number of neutral electron-hole pairs are injected. The only possibility to suppress hole-generation, which means that the Fermi sea appears unmodified, is through lorentzian-shaped voltage pulses with quantized flux. The transferred quantum states, termed levitons, have strikingly simple statistical properties: they minimize the shot noise when impinging a static potential barrier. In this thesis, we study the generation of this states and show that lorentzian pulses implement an on-demand electron source. GHz pulses are applied on a partially-transmitting quantum point contact (QPC) below 50mK and realized from a two-dimensional electron gas in a GaAs/AlGaAs heterostructure. The resulting Photo-Assisted Shot Noise (PASN) is proportional to the number of electrons and holes, thus testing the source properties. Additional characterizations performed with the PASN include the energy distribution of the excitations and their time-domain extension.

Ce travail, à la fois expérimental et théorique, présente l’étude d’un processus d’excitation nucléaire, appelé NEET (Nuclear Excitation by Electron Transition), faisant intervenir un cou-plage entre le noyau et le cortège électronique. Dans celui-ci, une désexcitation électronique peut induire une excitation nucléaire si les transitions nucléaire et atomique sont résonantes et ont la même multipolarité. Le noyau de84Rbest un bon candidat pour mettre en évidence ce processus dans un plasma créé par laser car il possède une transition de basse énergie (environ 3 keV) entre l’état isomérique (Jπ= 6−,T1/2= 20,26min) et l’état Jπ= 5−(T1/2= 9ns). Afin d’évaluer un taux d’excitation par effet NEET, il est nécessaire de décrire les états atomiques dans un plasma et de caractériser précisément la transition nucléaire.Afin d’obtenir une description précise des états atomiques dans un plasma, une méthode de calcul de structure atomique a été développée. Cette méthode est basée sur le code de physique atomique MCDF (Multi-Configuration Dirac-Fock) et emploie une technique de sélection des configurations électroniques les plus probables en tenant compte des propriétés du plasma. Cette méthode de calcul a été validée par l’interprétation d’un spectre X émis par un plasma de Rb produit avec le laser PHELIX du GSI à une intensité de6×1014W/cm2.L’énergie de la transition nucléaire entre les états6−et5−n’était pas connue avec une précision suffisante (∼200eV) pour une évaluation précise du taux d’excitation par effet NEET.Deux expériences de spectroscopie γ ont alors été réalisées auprès des accélérateurs ELSA duCEA/DAM/DIF et Tandem de l’IPN d’Orsay. Elles ont permis d’améliorer de plus d’un ordre de grandeur la précision sur l’énergie de cette transition.A l’issue de ce travail, une évaluation du taux d’excitation par effet NEET dans un plasma a été réalisée afin de dimensionner une expérience. D’après celle-ci, le plasma doit avoir une température suffisamment élevée (de l’ordre de 400 eV) afin d’obtenir un nombre d’isomères excités suffisant pour être détectés. / This experimental and theoretical work deals with the Nuclear Excitation by Electron Tran-sition (NEET) process which involves a coupling between the nucleus and its electron cloud. In this process, an electron de-excitation can induce a nuclear excitation if the atomic and nuclear transitions are resonant and have the same multipolarity. This process could be observed in a laser created plasma of 84Rb because this nucleus has a low energy transition (around 3 keV) between the isomeric state (Jπ= 6−,T1/2= 20,26m) and theJπ= 5−(T1/2= 9ns) state. To evaluate a NEET excitation rate, the atomic states in plasma must be described and the nuclear transition must be precisely characterised.To describe the atomic states in plasma, a method based on a MCDF (Multi-ConfigurationDirac-Fock) code was developed. This one uses a procedure to select the most probable atomic configurations according to the plasma properties. This method was checked by the interpretation of a X-rays spectrum emitted by a Rb plasma. This plasma was produced by the PHELIXlaser of the GSI laboratory at an intensity of6×1014W/cm2.The energy of the nuclear transition between the states6−and5−was not accurate enough for the NEET rate evaluation. Twoγ-rays spectroscopy experiments were conducted at the ELSA accelerator from CEA/DAM/DIF and at the Tandem accelerator from the Orsay laboratory. The accuracy of the nuclear transition energy was improved of more than one order of magnitude. In this work, the NEET rate was evaluated to predict an experiment. The Rb plasma must have a high temperature (around 400 eV) to obtain a sufficient number of excited isomers and therefore to make possible the detection.

Conventional contact ultrasonic methods suffer from large variability, which is known to originate from a number of sources such as coupling variability, and the surface roughness at the transducer/specimen interface. The inherently small higherharmonic signals can be significantly influenced by the changes in contact conditions, especially in nonlinear ultrasonic measurements. For this reason, the noncontact generation and detection techniques are very attractive. This research first focuses on the optical generation of tone-burst surface acoustic waves in a metallic specimen. Two methods that use laser light as an optical source are compared for generating surface acoustics waves in the 5 MHz range. Both the shadow mask and diffraction grating are used to convert a laser pulse to a tone-burst signal pattern on the specimen. The generated signals are detected by a wedge transducer at a fixed location and then the harmonic contents in the generated signals and the repeatability of the methods are evaluated. Finally, the developed method is used to characterize the material nonlinearity of aluminum (Al 6061) and steel (A36). The results showed repeatable measurements for ablative signal excitation on aluminum.

In this work the interaction between a spatial localized and time periodic state (discrete breather) and small amplitude plane waves is studied.

Cable-stayed bridges are popular these days in spite of their complexity in shape and design. Cable-stayed bridges are ideal for a navigational channel due to their high clearance and long central span. These types of bridges also possess advantages over suspension bridges, especially when local site conditions are not suitable for anchoring the towers. In most of the cases, cable-stayed bridges are self-supportive or require less anchorage. Although symmetrical cable-stayed bridges are dominant, asymmetrical bridges are also common as well due to ground layouts and other restrictions like economy, aesthetic purpose. Added counter weight and eccentricity of asymmetrical bridge may highly affect the response of the structure under earthquake loading. For the same length span bridge, the response of the asymmetric one may have an amplified response compared to the symmetric one with the same span length and also, may not follow any predictable trend. This study presents a multi-support analysis for four models, which are, 200 m symmetrical, 400 m symmetrical, 200 m asymmetrical and 400 m asymmetrical bridges. Ground motions has been recorded by using accelerometers. The recorded ground motion depends on the direction of the accelerometer. To remove this dependency, the principal components of each ground motion were found and used for the analysis and the models were excited in the transverse direction. The models were run under both multi-support excitation and identical-support excitation for displacement time-history analysis using SAP2000. Ratio of stresses and deflections were compared for the bridges with the same span length. According to this study, on 200 m asymmetrical bridge, multi-support excitation factored responses up to 4%, while on 400 m asymmetrical bridge, responses are factored up to 20% compared to the identical-support excitation. It is noted that responses of asymmetrical bridges are factored up making identical-support excitation non-conservative.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d’application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d’endommagement. De ce fait, l’évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d’évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d’une part l’évaluation des propriétés thermiques du matériau et d’autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d’un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d’ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l’applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l’équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces. / The composite materials are widely used in industry because of their high mechanical resistance and low density. The diversity of composite materials application fields gives rise to a large variety of solicitation and damage conditions. For this reason, the evaluation of their properties and their health monitoring are of great industrial interest. In this work, a new method of evaluation and non-destructive testing named sonothermography is explored. This method is based on the analysis of thermal fields induced by ultrasonic waves in absorbent materials such as composites. Two additional applications are studied: the evaluation of the thermal properties of the material and the non-destructive testing of structures by infrared thermography. In this framework, the direct problem of sonothermography is solved numerically using a model based on the finite element method. This model allows to simulate the thermal field induced by the propagation of ultrasonic waves in absorbent material whose properties are known. The simulations carried out show the applicability of the sonothermography for the detection of defects. An innovative approach for thermal characterization is also developed. This approach based on the weak formulation of the heat conduction equation allows a robust estimate of the thermal diffusivity of the material from the thermal field induced by ultrasonic waves. Experimental results are presented for thin plates.