Avec l'avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l'amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s'inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l'application d'un BioMEMS pour l'analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l'échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l'utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d'allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l'immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l'utilisation de ce bioMEMS autour d'une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l'équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l'échelle de la picoseconde, sans marqueur et d'une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l'activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d'une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l'échelle industrielle.

Les nanoparticules supportées sur un support solide permettent de catalyser un grand nombre de réactions. Dans ce travail, nous nous sommes intéressé à la préparation du matériau, puis à son utilisation dans une réaction de catalyse. Le support utilisé est un polymère poreux insoluble de structure microcellulaire appelé polyHIPE, obtenu par la polymérisation d'une émulsion inverse concentrée. La partie réactive est apportée par la génération in situ de nanoparticules de palladium. Nous avons synthétisé une large gamme de matériaux hybrides palladium/polyHIPEs, puis nous les avons caractérisé par diverses techniques comme le MEB, le MET, l'XPS ou la spectroscopie infrarouge. Nous avons contrôlé la taille moyenne et l'état de dispersion des particules grâce au choix des conditions et/ou par une fonctionnalisation adéquate des supports. Nous avons choisi, pour tester l'efficacité en catalyse, de comparer nos supports sur la catalyse d'une réaction de couplage de type Suzuki-Miyaura. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'activité avec la force de stabilisation des particules, ainsi qu'avec la chimie de surface des nanoparticules. Certains des catalyseurs préparés proposent une bonne activité par rapport aux catalyseurs commerciaux et même, dans un cas, par rapport à un catalyseur homogène. Deux études préliminaires proposent également des améliorations potentielles du support, pour la manipulation des catalyseurs (préparation sous forme de billes) ou leur utilisation dans des conditions de haute température (carbonisation).

Dans le domaine des Lab-on-a-chip (LOC), la géométrie des canaux d'une puce microfluidique est souvent spécifique à la réalisation d'un protocole donné. La géométrie d'une puce est définie à l'étape de conception, avant les étapes de fabrication (généralement longues et coûteuses), et ne peut être modifiée a posteriori. Ce constat devient problématique lorsque la géométrie ne répond pas de façon satisfaisante au cahier des charges et qu'un nouveau lot de fabrication doit être démarré afin de redimensionner la puce. Pour pallier cet inconvénient, nous proposons de développer des puces microfluidiques génériques dont la géométrie est programmable et reconfigurable. Ce concept s'appuie largement sur les deux techniques de microfluidique digitale, l'électromouillage sur diélectrique (EWOD) et la diélectrophorèse liquide (LDEP). La première voie d'étude se concentre sur la technique de microfluidique LDEP. Tout d'abord, un modèle électromécanique, décrivant les comportements des liquides lors d'actionnements par LDEP ou EWOD, est établi. Ce modèle sert ensuite de base pour la conception et la fabrication de designs LDEP. Ces derniers sont testés afin d'identifier les géométries et les empilements technologiques, offrant des actionnements LDEP optimisés. L'étude, qui prend en compte un grand nombre de paramètres, montre que, avec des configurations et conditions spécifiques, les actionnements de liquide par LDEP offrent des performances égales, a minima, sur certains points, et supérieures sur d'autres par rapport à l'ensemble des études reportées dans la littérature. Enfin, un protocole de fonctionnalisation de surface par des spots de polymère de quelques microns à plusieurs dizaines de microns de diamètre, utilisant la technologie LDEP, est décrit. Cette méthode est susceptible de concurrencer directement les méthodes de fonctionnalisation classiques. La seconde voie d'étude traite du concept de géométrie programmable et reconfigurable, à l'aide de plateformes microfluidiques couplant les effets LDEP et EWOD. Dans un premier temps, les plateformes en configuration " ouverte " permettent de produire des moules à géométrie programmable pour la réalisation de puces microfluidiques en PDMS. Les résultats de cette étude prometteuse aboutissent, entre autres, à la réalisation de géométries de canaux complexes et typiques dans le domaine de la microfluidique (jonctions en " T " et valves de type " Quake "). Dans un second temps, les résultats les plus aboutis de ce manuscrit sont exposés à propos du concept de géométrie programmable et reconfigurable en utilisant de la paraffine. Un protocole spécifique, exploitant judicieusement les déplacements de liquides par EWOD et LDEP, donne lieu à la fabrication d'un grand nombre de puces microfluidiques, comportant des géométries de canaux complexes et variées. Dans les deux cas, un grand nombre de géométries peut être généré a à partir d'une seule plateforme microfluidique digitale générique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives de travail originales et prometteuses, dont certaines d'entre elles sont abordées en marge des objectifs initiaux. La première se trouve dans la continuité du concept de géométrie programmable et reconfigurable, en proposant une technologie à bas coût (substrat souple en Kapton et impression d'électrodes avec de l'encre conductrice). La seconde perspective instruit la compatibilité des technologies comportant des structures résonantes de type MEMS et des structures métalliques LDEP (en polysilicium) à l'échelle submicronique.

L'oxyde de zinc dopé de type n est un excellent candidat pour la réalisation de films transparents et isolants thermiques grâce à ses propriétés d'absorption et de réflexion limitées aux domaines UV et IR. La synthèse en milieu polyol de particules nanostructurées d'oxyde de zinc dopé par du gallium a été utilisée afin de maîtriser la morphologie des cristallites. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que le maximum d'efficacité d'absorption IR est atteint pour un taux de dopant de 2,6 % molaire. Des suspensions de haute transmission dans le visible et absorption infrarouge significative ont été obtenues par l'encapsulation des particules avec un matériau fluoré d'indice de réfraction intermédiaire entre l'oxyde et le milieu dispersant, ainsi que par l'optimisation de l'état de dispersion de suspensions colloïdales grâce à l'adsorption de thioalcanes en surface des cristallites de ZnO dopés.

Les nanoparticules de silice sont des plateformes idéales pour la conception d’outils de bioimagerie afin d’étudier les mécanismes de transfert de gènes par des lipoplexes. L’objectif de notre étude est le développement d’une modification chimique de surface permettant d’obtenir des colloïdes de silice chargés positivement susceptible de lier de l’ADN par des interactions électrostatiques. Deux stratégies pour la génération de groupements ammonium quaternaires sur des nanoparticules de silice sont présentées a) une silanisation directe par l’utilisation d’un agent de couplage silanique contenant un groupement ammonium quaternaire et b) un procédé en deux étapes mettant en jeu une modification de surface chimique par des aminosilanes primaires et secondaires suivie d’une alkylation des amines par l’iodomethane. Différentes méthodes physico-chimiques (essais de cosédimentation, des expériences de microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation et d’imagerie MET et Cryo-MET) ont été utilisées pour mettre en évidence et caractériser les interactions entre les biomolécules et les surfaces quaternisées. Des études préliminaires ont montrées les capacités de marquage de lipoplexes par de telles nanoparticules. / Silica nanoparticles are ideal platforms for the conception of bioimaging tools serving for the elucidation of the mechanisms of gene transfection via lipoplex structures. The purpose of the present study is the development of a chemical surface modification for the generation of quaternary ammonium groups on silica nanoparticles permitting the obtainment of highly positively charged silica colloids which strongly attract DNA by electrostatic interactions. Two modification strategies to generate quaternary ammonium groups on silica are presented a) a direct silanization using quaternary ammonium groups containing silane derivatives and b) a modification of silica nanoparticles via a first modification with an amine group containing silane derivative and a subsequent quaternization of the amine groups via an alkylation with iodomethane. Different physicochemical methods were employed (cosedimentation assays, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring measurements, TEM and Cryo-TEM imaging) to analyze interactions between quaternized surfaces, DNA and lipids. A preliminary study was carried out which shows the capacity of the synthesized nanoparticles to label DNA in lipoplexes.

L’oxyde de zinc dopé de type n est un excellent candidat pour la réalisation de films transparents et isolants thermiques grâce à ses propriétés d’absorption et de réflexion limitées aux domaines UV et IR. La synthèse en milieu polyol de particules nanostructurées d’oxyde de zinc dopé par du gallium a été utilisée afin de maîtriser la morphologie des cristallites. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que le maximum d’efficacité d’absorption IR est atteint pour un taux de dopant de 2,6 % molaire. Des suspensions de haute transmission dans le visible et absorption infrarouge significative ont été obtenues par l’encapsulation des particules avec un matériau fluoré d’indice de réfraction intermédiaire entre l’oxyde et le milieu dispersant, ainsi que par l’optimisation de l’état de dispersion de suspensions colloïdales grâce à l’adsorption de thioalcanes en surface des cristallites de ZnO dopés. / Thanks to its absorption / reflexion properties limited to the UV and the IR range, n-doped zinc oxide is a promising candidate for the elaboration of transparent and insulating films in smart windows. Nanostructured particles of Ga-doped zinc oxide were elaborated by polyol process. Polyol process was used in order to control the size and the morphology of the particles. Both experimental and theoretical data show that a maximum of IR absorption efficiency is obtained for a doping rate of 2.6 molar percent. Colloidal suspensions with high transmission in the visible range combined with significant absorption of the near infrared range were obtained using two strategies. The first one is the encapsulation of the Ga-doped ZnO particles by a fluoride shells with an intermediate refractive index between ZnO and the dispersion medium. The second one is the optimization of the dispersion state of nano-colloidal suspensions thanks to the adsorption of thioalkanes on the Ga-doped ZnO crystallite surfaces.

Cette étude porte sur le développement de nanoparticules pour différentes applicationsbiologiques. Trois systèmes de nanoparticules ont été mis au point : des clusters de nanoparticulesmagnétiques pour l’extraction par magnétophorèse d’objets biologiques, des agents de contrastemultimodaux (IRM, fluorescence dans le proche infrarouge) pour le diagnostic de l’athérosclérose etdes nanoparticules de silice fluorescentes doublement marquées pour la détection de tumeurs in vivo.Au cours de cette étude, une stratégie de greffage de surface de silice par des macromolécules depoly(oxyde d’éthylène) (PEG) permettant d’atteindre de hautes densités de greffage. Cette PEGylationpermet, d’annuler les interactions non spécifiques dans le cadre de l’extraction magnétique rendantainsi ce système plus efficace, et de conférer aux nanoparticules des propriétés de furtivité vis-à-vis dusystème immunitaire dans le cadre du marquage de tumeurs. Le contrôle du nombre de biomoléculesgreffées régiosélectivement sur les nanoparticules (Annexine A5, ou fragments d’anticorps) ainsi quel’étude des interactions biomoléculaires par des techniques de biophysique (SPR, QCM-D) ont permisd’optimiser la propriété de reconnaissance des nano-objets pour leurs cible respective. Enfin, les nanoobjetsont été évalués dans le cadre de leur application. / The aim of this study was the design of nanoparticles for three different biologicalapplications: magnetic nanoparticles cluster for magnetic extraction of biological materials,multimodal contrast agents (MRI and near infrared fluorescence imaging) for atherosclerosisdiagnosis, and fluorescent silica nanoparticles with two different dyes for in vitro and in vivo tumorlabeling. One part of the project dealt with the developement of a new grafting method ofpoly(ethylene oxide) macromolecules onto nanoparticle’s silica surfaces (PEGylation) in order toobtain a high grafting densities. The obtained results have shown that this PEGylation reduces the nonspecificprotein adsorption allowing a better extraction and sorting efficiency, and also permitsnanoparticles to escape the surveillance of the immune system for in vivo tumor labeling. Therefore,the biomolecular recognition of the nanoparticles has been optimized by controlling the number ofconjugated biomolecules and by studying this biomolecular recognition using biophysical methods(SPR, QCM-D). Finally, the different nano-objects were evaluated in the context of their respectiveapplication.

Le procédé de mise en forme des tôles métalliques, généralement oxydées, par emboutissage est en pleine évolutionpour répondre à de nouveaux besoins : intervalles de tolérances dimensionnelles de plus en plus étroits, productionen grande série à faible coût, apparition de nouvelles nuances de matériaux, souci écologique. La réussite d’une telleopération est prédominée par le contrôle du frottement au niveau du contact entre tôle à former et outil enmouvement relatif. Pour ce faire, nous proposons dans cette thèse de fonctionnaliser la surface de la tôle en ygreffant des molécules organiques auto-assemblées, par simple immersion dans une solution contenant les moléculesréactives. Le couple métal/molécule retenu pour cette étude est un substrat massif de cuivre pur avec des moléculesd’acides alkylphosphoniques (CnH2n+1PO(OH)2) dans le but d’établir une corrélation entre les propriétésphysicochimiques des films ainsi formés et leur comportement tribologique. La réponse en frottement a été étudiéepar deux moyens de simulation expérimentale des conditions de contact (tribomètres bille/plan et étirage-plan). Nousavons considéré l’influence des trois facteurs de préparation de substrat suivant μ la nature de surface juste avant safonctionnalisation (présence d’une couche d’oxyde ou d’hydroxyde), le nettoyage de surface aux ultrasons après safonctionnalisation (élimination des espèces physisorbées) et la longueur de chaîne alkyle de la moléculeorganophosphonique (n=4, 12 et 16). Bien que la formulation de cette fonctionnalisation soit simple (élaborée àpartir d’une seule molécule), les techniques d’investigation de surface (PM-IRRAS, XPS, électrochimie, MEB,…)montrent que les films auto-assemblés sont constitués d’une bicouche de bonne qualité de greffage et de propriétésanticorrosion. Cette bicouche est composée d’une première monocouche de molécules chimisorbées à la surface (ouSAM) sur laquelle est déposée une deuxième couche d’amas physisorbés. D’autre part, notre étude a montréégalement que les amas physisorbés ont un rôle primordial dans le comportement tribologique du film auto-assemblé(abaissement et stabilité du coefficient de frottement et prévention contre le grippage). / Sheet metal forming processes are quickly evolving to meet new requirements of deep drawing such as: continuousminimization of dimensional tolerances intervals, cost efficiency at mass production, appearance of new materialstypes, environmental concern. The success of such operation is predominated by controlling friction at the contactbetween the metal sheet and forming tool in relative motion. In the present work, we propose to functionalize themetal sheet surface using grafting of self-assembled organic molecules by simple immersion in a solution containingthe reactive molecules. Consequently, thin film of alkylphosphonic acid (CnH2n+1PO(OH)2) was grafted on copperoxide substrate in order to establish a correlation between the physicochemical properties of the films andtribological behavior. Frictional response was studied by two experimental means of contact conditions (stripdrawing testing and ball-on-plane tribometer). The influence of three factors for the preparation of substrate wasconsidered. Firstly, the nature of its surface just before functionalization including the presence of an oxide orhydroxide layer was studied. Then, the ultrasonic surface cleaning after functionalization (removal physisorbedspecies) and finally, the alkyl chain length of the organophosphonic molecule (n = 4, 12 and 16). Although theformation of this functionalization is simple (made from a single molecule), the surface investigation techniques(PM- IRRAS , XPS, electrochemistry , SEM, .., etc.) show that self-assembled films consist of a bilayer with a goodgrafting quality and anticorrosion properties. The bilayer is composed of a first monolayer of molecules chemisorbedon the surface (or SAM) on which a second layer of physisorbed species is deposited. Furthermore, this study alsoshowed that the physisorbed species have a key role in the tribological behavior of self-assembled film (lower andstable friction coefficient and high resistance to galling).

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d’une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d’une bibliothèque d’acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d’obtenir les complexes d’europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d’excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d’europium(III) et deterbium(III) respectivement. D’autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d’élaboration par microémulsion inverse s’est révélé efficace pour l’incorporation des complexes électriquement neutres, mais n’a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu’à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d’un vecteur ciblant la PSMA, l’un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n’ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l’évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d’une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l’organisme, mais n’a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes. / The aim of this project was the design of a luminescent nanoprobe allowing the early prostate cancer detection.The first part of this project was the synthesis, through a click chemistry approach, of a library of 4-triazolyl dipicolinic acid substituted in position 4 of the triazole by a wide range of substitutive groups. These diacids were used to synthesise the corresponding europium(III) and terbium(III) complexes, which showed excellent optical properties, with photoluminescence quantum yield under UV excitation reaching 60% for europium(III) complexes and 36% for terbium(III) complexes. Moreover, these phosphores have been efficiently excited in biphotonic regime through the transitions S0 ®S1 and S0 ®T1. The more interesting chelates were selected for their further embedding into silica nanoparticles. The water-in-oil emulsion process showed a great efficiency for the incorporation of electrically neutral complexes, but did not allow the embedding of negatively charged ones. The resulting nanohybrids showed optical properties typical of lanthanides, presenting photoluminescence quantum yields up to 30%. The nanoparticles surface was then functionalised by amino groups, which were used to graft a spacer then a prostate tumour cells vector, giving us a luminescent nanoprobe model. The third section of this work was devoted to the study of new analogues of NAAG, the natural substrate of the PSMA, one of the prostatic cancer signals. Although the synthesis of the two target compounds, selected from more than 20 structures by molecular modelling, was uncompleted, they are now within easy reach. The last part describes the preliminary results obtained in vitro and in vivo with the nanoprobes. These studies were focused on the nanoparticles cytotoxitcity assessment, depending on the surface functionalisation, and on their distribution, in healthy and in prostatic tumour bearing mice. This study revealed the fast elimination of the nanoparticles by the organism, but did not show any concentration of nanoprobes in tumoral area.

Avec 35 millions de personnes atteintes dans le monde, la maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue. L'une des caractéristiques pathologiques de cette maladie est l'apparition de plaques amyloïdes, composées d'agrégats de peptide beta-amyloïde. Aujourd'hui, le diagnostic repose essentiellement sur des tests neuropsychologiques et sur la mise en évidence de changements dans la structure du cerveau tels que l'atrophie corticale (diminution du volume du cerveau). Cependant les symptômes de cette maladie n'apparaissent qu'à un stade très développé. Ainsi la détection in vivo des dépôts de peptide beta-amyloïde avant le développement de la maladie pourrait conduire à un diagnostic plus précoce et plus probant. Elle pourrait également faciliter le suivi et l'évaluation des effets des interventions thérapeutiques au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé une méthode de diagnostic précoce innovante, capable de cibler et de détecter les plaques Abeta à la fois par l'imagerie par résonance magnétique et par l'imagerie de fluorescence. Nous avons développé un nouveau type d'agents de contraste intelligents pour l'imagerie multimodale, basé sur des nanoparticules magnétiques sur lesquelles sont greffés les polythiophènes luminescents (LCPs). Les LCPs à la surface des nanoparticules magnétiques se lient aux plaques Abeta de manière sélective et spécifique. Lors de cette liaison, la liberté conformationnelle des polythiophènes se trouve limitée, ce qui conduit à des spectres d'émission spécifiques dépendant de la conformation, et rend pertinent l'usage de l'imagerie par résonance magnétique et de fluorescence des plaques Abeta / Alzheimer's disease is the most common neurodegenerative disorder, affecting around 35 million people worldwide. One of the characteristic pathological hallmarks of AD is amyloid plaques; consist of beta-amyloid peptide aggregates. Today’s diagnosis depends essentially on neuropsychological tests and in highlighting change in brain structure such as cortical atrophy. A major issue is that symptoms appear only at a developed stage of the disease. Then in vivo detection of beta-amyloid deposits at an early stage could lead to earlier and more conclusive diagnosis of AD and help monitoring the effect of therapeutic interventions. In this work, we develop an innovative and early diagnosis method, able to target and detect beta-amyloid deposits aggregates both by magnetic resonance and fluorescence imaging. Thus we develop a new kind of smart contrast agent for multimodal imaging, based on magnetic nanoparticles on which are grafted luminescent conjugated polythiophenes (LCPs). LCPs on the surface of the magnetic nanoparticles bound to beta-amyloid aggregates selectively and specifically. Upon biding to beta-amyloid aggregates the conformational freedom of the backbone is restricted, leading to specific conformation-dependent emission spectra from the LCPs, opening the way for magnetic resonance and fluorescence imaging of the beta-amyloid plaques