Suspensionen magnetischer Nanopartikel – sogenannte Ferrofluide – haben in den vergangenen Jahren große Bedeutung bezüglich ihrer technischen Anwendung gewonnen. Parallel zur Entwicklung des technischen Einsatzes wird auch seit langer Zeit die Möglichkeit einer Verwendung in der Krebstherapie diskutiert. Allerdings haben Tierversuche gezeigt, dass für den erfolgreichen Übergang in klinische Studien noch wesentliche offene Fragen geklärt werden müssen, wobei die Biodistribution der magnetischen Partikel im Tumor und im gesamten behandelten Organismus eine der zu klärenden Kernfragen darstellt. Normalerweise werden hierfür histologische Schnitte durchgeführt, die jedoch nur lokale, zweidimensionale Informationen liefern. Einen detaillierten Einblick in die Verteilung bietet die Röntgen-Mikrotomografie, deren Einsatz bereits eine Reihe wesentlicher Erkenntnisse in diesem Zusammenhang erbracht hat. / Suspensions of magnetic nanoparticles – commonly called ferrofluids – are nowadays widely used in technical applications. Parallel to this development, it has been discussed for a long time whether these fluids could be used in cancer treatment. In this context, animal experiments have shown that there are still a number of fundamental questions to be clarified before proceeding to clinical tests. One of these points concerns determination of the biodistribution of the magnetic particles, both in the tumour tissue and in the organism as a whole. The standard determination method involves histological sections, but this provides only local, two-dimensional information. A much more detailed insight into the distribution of the particles can be obtained by means of x-ray microtomography, a method which has meanwhile already provided extensive and valuable information in this context.

Les nanoparticules magnétiques de structure spinelle MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) ont été largement étudiées pour leurs applications variées allant du stockage de l'information aux applications biomédicales. Parmi ces applications, les plus récentes basées sur les propriétés magnétiques dynamiques des nanoparticules sont en pleine expansion et nécessitent des particules magnétiques avec une énergie d'anisotropie contrôlée. L'objectif de cette thèse était de synthétiser des nanoparticules magnétiques avec une énergie d'anisotropie modulable, en associant des matériaux présentant des propriétés magnétiques intrinsèques différentes. Nous avons choisis la synthèse par décomposition thermique à haute température, qui présente l'avantage de former des nanoparticules monodisperses avec une morphologie contrôlée. Afin de développer des propriétés magnétiques originales et moduler l'énergie d'anisotropie des particules, nous avons synthétisé des nanoparticules multicoquilles magnétiques constituées d'un coeur doux (Fe3O4, MnFe2O4, NiFe2O4), d'une coquille dure (CoFe2O4) et d'une deuxième coquille douce pour les particules trimagnétiques. Nous avons montré que le champ coercitif augmente lorsqu'un cœur d'un matériau doux est recouvert avec une coquille d'un matériau dur. Pour les particules MnFe2O4@CoFe2O4@NiFe2O4, l'ajout d'une seconde coquille douce diminue le champ coercitif. La constante d'anisotropie évolue dans le même sens. Deux autres systèmes ont également été synthétisés et comparés à ces multicoquilles. Les ferrites mixtes Co1?xMnxFe2O4, avec x compris entre 0 et 1, et les ferrofluides binaires composés d'un mélange de ferrites MFe2O4 (M = Mn ou Ni) et CoFe2O4. / Magnetic nanoparticles with spinel structure MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) have been extensively studied for their various applications ranging from magnetic recording to biomeical applications(...)...

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte.

L'objectif de cette thèse est de développer des bio-capteurs à base de magnétorésistance géante (GMR), ainsi que l'électronique de conditionnement associée, en vue de caractériser magnétiquement des ferrofluides biologiques. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Pr Sotoshi YAMADA de l'Institut « Nature and Environmental Technology» de l'Université de Kanazawa. La première partie porte sur l'état de l'art et les méthodes de mesures des propriétés magnétiques des ferrofluides et la physique de l'effet GMR. La deuxième partie concerne la mise en place d'un dispositif de mesure pour déterminer et caractériser la valeur de la sensibilité de chaque capteur. Cette sensibilité est une caractéristique cruciale pour toute application biomédicale. Sa connaissance et son optimisation permettent d'envisager des mesures précises et justes des propriétés magnétiques des ferrofluides notamment à bas niveau de signal. La troisième partie, également expérimentale, décrit les mesures de la perméabilité relative (µr) et de la susceptibilité (X) de fluides magnétiques (ferrofluides) par des capteurs GMR I, II. En outre, afin de confirmer les résultats expérimentaux obtenus avec ces capteurs, nous les avons comparés à ceux obtenus avec d'autres méthodes comme la magnétométrie à échantillon vibrant (VSM) ou à des calculs théoriques. Le quatrième et dernier chapitre présente les résultats expérimentaux de la perméabilité relative et de la susceptibilité d'un marqueur magnétique permettant la détection de la bactérie pathogène Escherichia coli O157: H7 / The intent of this thesis is to develop bio-sensors based on giant magnetoresistance (GMR) and the associated conditioning electronics, to characterize magnetically organic ferrofluids. This work was done in collaboration with Pr Sotoshi YAMADA of the Institute "Nature and Environmental Technology" at the University of Kanazawa. The first part focuses on the state of the art and the methods for magnetic properties measurements of ferrofluids and the description of the GMR effect. The second part concerns the introduction of a measuring device to determine and characterize the value of the sensitivity of each sensor. This sensitivity is a crucial parameter for any biomedical application. Its knowledge allows optimization of sensors ability to measure very low magnetic parameters of ferrofluids very precisely. The third experimental part describes measurements of relative permeability (µr) and susceptibility (X) of magnetic ferrofluids with GMR sensors I, II. In addition, to confirm the experimental results obtained with these sensors, we have compared them to those obtained with other methods such as vibrating sample magnetometer (VSM) or by theoretical calculations. The fourth and last chapter presents the experimental results of the relative permeability and susceptibility of a magnetic marker used to detect pathogenic bacteria (Escherichia coli O157: H7)

Une mousse liquide est constituée de bulles de gaz piégées dans une matrice liquide. Cette structure «molle » confère aux mousses des propriétés hydrodynamiques complexes qui se manifestent d'une part par un couplage entre élasticité et plasticité et d'autre part par un écoulement de liquide à l'intérieur même de leur structure (drainage). La première partie de ce manuscrit porte sur le comportement élastique des mousses. Grâce à l'utilisation d'une nouvelle définition statistique du tenseur de déformation, nous avons pu ré-analyser une expérience de cisaillement d'une mousse de savon quasi bidimensionnelle dans une cellule de Couette par G. Debrégeas et montré qu'il était possible de caractériser l'état de déformation élastique d'une mousse même dans le régime plastique. Nous avons aussi étudié la réponse élastique d'un bord de Plateau unique issue de la jonction de trois films de savon s'appuyant sur un cadre rigide Dans la seconde partie de ce manuscrit, nous nous intéressons au drainage d'une mousse de ferrofluide. En dopant la phase liquide de la mousse en nanoparticules magnétiques, il est possible d'ajouter aux forces capillaires et gravitationnelles, des forces magnétiques contrôlables depuis l'extérieur via le champ magnétique. Nous avons pu montrer qu'un champ magnétique homogène modifiait la structure de la mousse en introduisant une anisotropie dans la section des bords de Plateau. Cet effet permet d'expliquer le ralentissement ou l'accélération du drainage magnétique sous l'effet d'un champ magnétique constant. Enfin, nous étudions les effets de gradients de champ magnétique sur la structure de mousses de ferrofluide confiné.

Les nanoparticules seront sans doute les outils diagnostiques et thérapeutiques de demain. Si ellessont magnétiques, elles sont promises à des applications telles que le renforcement du contraste enIRM, la thermothérapie et la libération contrôlée de médicaments. Les nanomatériaux La1-xSrxMnO3ont été sélectionnés car leur température de Curie (TC) peut être ajustée dans la gamme detempérature thérapeutique. Des particules calibrées en taille et désagrégées ont été élaborées par leprocédé glycine-nitrate (GNP). Les caractérisations chimiques et structurales ont permis de mieuxcomprendre les résultats contradictoires de la littérature concernant la soi-disant dépendance de TCavec la taille des nanoparticules. L'adaptabilité de ces nanoparticules pour des applications enhyperthermie ou en IRM a été confirmée. Enfin, la capacité des nanoparticules à s'échauffer a étéutilisée pour réticuler autour d'elles une couronne de macromolécules thermosensibles selon leconcept nouveau de chimie localement stimulée.

Ce travail porte sur le développement de nanovecteurs magnétiques à base de nanoparticules, destinés à des applications biomédicales in vivo. Les études se sont dirigées vers l'optimisation du couplage de macromolécules de dextran et de dérivés de polyoxyde d'éthylène à la surface des nanoparticules magnétiques afin de les rendre biocompatibles. Des nanoparticules de maghémite, préalablement synthétisées, ont été<br />modifiées en surface par des agents de couplage silaniques organofonctionnels suivi du greffage covalent des macromolécules. Les nanovecteurs, ont ensuite été marqués par des sondes fluorescentes pour réaliser des<br />tests in vitro de double marquage (IRM, fluorescence) de microglies humaines (HEMC5).

L'objectif de ce travail est le développement et la caractérisation de matériaux magnétiques (magsorbants) qui pourraient être intégrés dans un procédé assisté magnétiquement dont la finalité est de compléter les procédés actuellement utilisés dans les filières de traitement des eaux. Pour s'inscrire dans une démarche d'écoconception, nos matériaux sont des billes millimétriques constituées d'une matrice biopolymère (alginate ou chitosane) dans laquelle sont encapsulées des nanoparticules magnétiques. Ces billes sont bifonctionnelles, elles possèdent des propriétés adsorbantes permettant l'extraction de polluants organiques. Mais leur originalité réside dans leurs propriétés magnétiques qui sont mises à profit pour les séparer magnétiquement de l'eau à dépolluer. Les propriétés d'adsorption des billes magnétiques vis-à-vis de polluants organiques modèles ont été étudiées en regardant l'effet de différents paramètres tels que le pH et la force ionique de la solution, la concentration initiale en polluant et le temps de contact. Dans un premier temps, les polluants modèles considérés sont des colorants chargés. Nous avons montré que les billes d'alginate sont efficaces pour adsorber le bleu de méthylène chargé positivement alors que les billes de chitosane adsorbent le méthylorange chargé négativement. Par contre, le p-nitrophénol est faiblement adsorbé par les billes d'alginate et de chitosane. Pour pallier ce problème, deux solutions ont été proposées dans le but d'augmenter l'hydrophobicité des billes. La première consiste à ajouter un tensioactif cationique aux billes d'alginate. La deuxième solution est d'encapsuler une organobentonite dans les billes. / The aim of this thesis is the development and characterization of multifunctional materials called magsorbents that could be integrated in a water-treatment process to improve current methods or to develop new methods. These materials are millimetric beads with a polymer matrix in which are encapsulated magnetic nanoparticles of maghemite; in order to develop an environment-friendly product, biopolymers such alginate and chitosan were selected for the matrix. Our materials possess adsorbing properties allowing the extraction of organic pollutants from water. The originality of these materials lies in their magnetic properties that could be exploited for their magnetic separation from the treated medium. The adsorption characteristics of the magnetics beads were assessed by using two dyes: methyl orange (negatively charged) and methylene blue (positively charged). We showed that alginate beads are efficient for the removal of positively charged pollutants while chitosan beads adsorb preferentially negatively charged pollutants. p-nitrophenol is weakly adsorbed by both, alginate and chitosan beads. To overcome this problem, two solutions have been proposed in order to increase the beads hydrophobicity. The first one is adding a cationic surfactant, cetylpyridinium chloride, into alginate beads. The second solution is to encapsulate pillared clay into alginate beads. Both solutions show their efficiency in improving p-nitrophenol adsorption by alginate beads.

Depuis deux dernières décennies, la séparation magnétique revient sur le tapis grâce aux applications biomédicales émergentes à la séparation de cellules ou de protéines et aux tests immunologiques. Cette thèse porte sur l’exploration détaillée de la séparation magnétique de nanoparticules à l’échelle microfluidique, amplifiée par la séparation de phase induite par le champ. Dans ce but, nous synthétisons des nanoclusters superparamagnétiques d’oxyde de fer de taille 40-70 nm, composés de nanoparticules de taille 7-9 nm. Nous faisons une étude détaillée de la cinétique de la séparation de phase de ces nanoclusters induite par le champ ainsi que de leur séparation magnétique dans des canaux microfluidiques munis de réseaux ordonnés de micropiliers magnétisables. Le taux d’agrégation de nanoclusters est principalement régi par le paramètre du couplage dipolaire et par la fraction volumique de nanoclusters, tandis que l’efficacité de capture – par le nombre de Mason. Les couches de molécules adsorbées sur la surface de nanoclusters d’habitude affaiblissent les interactions magnétiques et diminuent l’efficacité de capture, cependant, dans certains cas, elles peuvent induire des interactions colloïdales attractives et augmenter l’efficacité de capture. Les résultats de ce travail peuvent être utiles pour le développement des tests immunologiques magnéto-microfluidiques. / Magnetic separation has been gaining a new interest during two last decades thanks to emerging biomedical applications to cell or protein separation and immunoassays. This thesis is aimed at detailed exploration of magnetic nanoparticle separation in microfluidic scale enhanced by field-induce phase separation of nanoparticles. To this purpose, we synthesize superparamagnetic iron oxide nanoclusters of a size of 40-70 nm composed of numerous nanoparticles of a size 7-9 nm. We perform a detailed study of the kinetics of the field-induced phase separation of these nanoclusters as well as of their magnetic separation in microfluidic channels equipped with ordered arrays of magnetizable micropillars. The nanocluster aggregation rate is mostly governed by the dipolar coupling parameter and the nanocluster volume fraction, while the capture efficiency – by the Mason number. Molecular layers adsorbed on the nanocluster surface usually weaken magnetic interactions and decrease the capture efficiency, however, in some casesthey may induce attractive colloidal interactions and enhance the capture efficiency. The results of this work could be useful for development of magnetomicrofluidic immunoassays.

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte.