Le développement des nanotechnologies a permis à la médecine de progresser là où lesméthodes traditionnelles de diagnostic et de thérapie connaissaient certaines limites. La manipulationet le contrôle de l'infiniment petit permet aujourd'hui de créer des systèmes adaptés à l'environnementcellulaire.Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au potentiel des nanoparticules magnétiques d'oxydede fer en nanomédecine et notamment à l'utilisation de leurs propriétés magnétiques particulièrespour la mise au point de nouveaux matériaux pour la délivrance de principe actif par activationthermomagnétique. Notre système est constitué d'un hydrogel physique biocompatible, denanoparticules magnétiques et d'émulsions de mésophases lipidiques (Isasomes). Les Isasomes sontdes dispersions de systèmes auto assemblés qui selon la température peuvent changer de structure(phases hexagonales, cubiques,...). L'ajout d'un principe actif aux Isasomes peut aussi modifier leurstructure interne ; des mesures de SAXS ont permis de confirmer cet effet. Ces émulsionsnanostructurées ont servi de réservoir aux molécules modèles de principe actif (le radical TEMPO).Après activation magnétique, la diffusion contrôlée du principe actif hors de l'hydrogel a été suivie parRPE. Enfin, les nanoparticules ont été fonctionnalisées de façon à concevoir un hydrogel réticulé parles nanoparticules magnétiques. Les diverses étapes de la fonctionnalisation ont été validées pardifférentes techniques expérimentales (Diffraction de rayons X, MET, Raman, IRTF, Zétamétrie, ATG,XPS).

Le développement des nanotechnologies a permis à la médecine de progresser là où lesméthodes traditionnelles de diagnostic et de thérapie connaissaient certaines limites. La manipulationet le contrôle de l’infiniment petit permet aujourd’hui de créer des systèmes adaptés à l’environnementcellulaire.Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au potentiel des nanoparticules magnétiques d’oxydede fer en nanomédecine et notamment à l’utilisation de leurs propriétés magnétiques particulièrespour la mise au point de nouveaux matériaux pour la délivrance de principe actif par activationthermomagnétique. Notre système est constitué d’un hydrogel physique biocompatible, denanoparticules magnétiques et d’émulsions de mésophases lipidiques (Isasomes). Les Isasomes sontdes dispersions de systèmes auto assemblés qui selon la température peuvent changer de structure(phases hexagonales, cubiques,…). L’ajout d’un principe actif aux Isasomes peut aussi modifier leurstructure interne ; des mesures de SAXS ont permis de confirmer cet effet. Ces émulsionsnanostructurées ont servi de réservoir aux molécules modèles de principe actif (le radical TEMPO).Après activation magnétique, la diffusion contrôlée du principe actif hors de l’hydrogel a été suivie parRPE. Enfin, les nanoparticules ont été fonctionnalisées de façon à concevoir un hydrogel réticulé parles nanoparticules magnétiques. Les diverses étapes de la fonctionnalisation ont été validées pardifférentes techniques expérimentales (Diffraction de rayons X, MET, Raman, IRTF, Zétamétrie, ATG,XPS). / The development of nanotechnology led to significant progress in medicine especially wheretraditional methods of diagnosis and therapy showed limits. The manipulation and control of thephysics at the nanoscale offered new opportunities for creating systems tailored to the cellularenvironment. In this work, we were interested in the high potential of magnetic nanoparticles of ironoxide in medicine. In particular, we would like to use their peculiar magnetic properties for developingnew materials for the delivery of active compounds through thermomagnetic activation. Our systemconsists of a biocompatible hydrogel with confined magnetic nanoparticles and lipid-based emulsions,called Isasomes. Those are dispersions of lipid mesophases (hexagonal, cubic,…) that can be tunedby temperature or composition. The incorporation of an active compound into the Isasomes canequally modify their internal structure as confirmed by SAXS measurements. These nanostructuredemulsions are used here as reservoirs for model molecules (radical TEMPO), which are trapped intothe hydrogel. After magnetic activation, the controlled release of TEMPO outside the hydrogel hasbeen followed by Electron Paramagnetic Resonance (EPR). Finally, magnetic nanoparticles havebeen functionalized and connected to hyaluronic acid in order to design a crosslinked hydrogel. Thevarious steps of functionalization have been checked by various experimental techniques (Xrays,Raman spectroscopy, TEM, FTIR, zetametry, TGA, XPS).

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’idée directrice de ce travail de thèse était d’introduire au sein de mésophases lipidiques des molécules de β-cyclodextrine (βCD) amphiphiles obtenue par bio-estérification afin d’obtenir des nano-assemblages plurimoléculaires et multi-compartimentés combinant trois fonctions essentielles pour le transport ou la vectorisation de molécules thérapeutiques : (i) la capacité d’incorporer une substance d’intérêt par formation de complexe d’inclusion avec la cyclodextrine ; (ii) être biocompatibles et aptes à passer facilement les barrières biologiques ; (iii) pouvoir co-incorporer une seconde substance d’intérêt, hydrophile ou hydrophobe, dont l’action biologique soit différente de celle assurée par la première substance. L’ensemble des travaux ont porté sur le dérivé βCD-C10 polysubstitué en face secondaire par des chaînes hydrocarbonées en C10 avec un degré moyen de substitution de 7,5. L’association de ce dérivé avec trois catégories de lipides a été envisagée : des tensioactifs micellaires non-ioniques (Brij 98, Polysorbate 80, n-dodécyl-β-D-maltoside), un lipide lyotrope non lamellaire formant des mésophases de type cubique bicontinue (monooléine), un phospholipide s’auto-organisant en bicouches propices à l’obtention de vésicules (dimyristoyl phosphatidylcholine). Selon une démarche principalement physico-chimique, différentes techniques ont été mises en œuvre pour caractériser les systèmes mixtes lipide/βCD-C10 aux échelles moléculaire et supramoléculaire : diffusion-diffraction des rayons X, calorimétrie différentielle, spectrophotométrie d’absorption UV-visible, spectroscopie de fluorescence, diffusion de la lumière statique (turbidimétrie) ou quasi-élastique, microscopie optique et microscopie électronique par cryo-transmission. L’ensemble des résultats démontrent que le dérivé βCD-C10 forme spontanément ou selon un protocole très simple, des assemblages plurimoléculaires mixtes avec les trois catégories de lipides, assemblages dont la topologie dépend de la structure chimique du lipide et du taux de cyclodextrine amphiphile incorporé (tubules, vésicules uni- ou oligolamellaires, cubosomes). Ces assemblages sont stables et capables d’incorporer une substance hôte hydrophobe, notamment les vésicules mixtes tensioactif non-ionique/ βCD-C10 et les cubosomes mixtes monooléine/P80/ βCD-C10. / The key idea of this Ph.D. thesis is to introduce amphiphilic β-cyclodextrin molecules (βCD), obtained by bio-transesterification, within lipid mesophases in order to obtain multi-compartment plurimolecular nano-assemblies, which combine three essential functions for transport or delivery of therapeutic molecules: (i) capacity to incorporate a substance of interest through formation of inclusion complexes with the modified cyclodextrin; (i) biocompatibility and ability to easily pass the biological barriers; and (iii) possibility for co-encapsulation of a second substance of interest, a hydrophilic or a hydrophobic one, whose biological action is different from that provided by the first substance. The performed Ph. D. work focused on the β-cyclodextrin derivative βCD-C10 with an average degree of substitution of 7.5 of the secondary face of the macrocycle by hydrocarbon chains C10. The association of this derivative with three classes of amphiphiles was studied: (i) nonionic micellar surfactants (Brij 98, Polysorbate 80, n-dodecyl β-D-maltoside), (ii) a lyotropic nonlamellar lipid forming bicontinuous cubic mesophases (monoolein), and (iii) a phospholipid (dimyristoyl phosphatidylcholine), which self-ssembles into bilayer membranes permitting the production of vesicles.The employed physical-chemical approach involved different techniques for characterization of the mixed βCD-C10/lipid systems at molecular and supramolecular levels: cryo-transmission electron microscopy, X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, UV-visible absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, turbidimetry, and quasi-elastic light scattering.The obtained results indicated that the βCD-C10 derivative forms spontaneously (or via a very simple preparation protocol) plurimolecular mixed nano-assemblies with the three types of lipids. The topologies of the resulting nano-assemblies essentially depend on the chemical structures of the lipids and the degree of incorporation of the amphiphilic cyclodextrin (tubules, unilamellar or oligolamellar vesicles, and cubosomes). These assemblies, namely the mixed vesicles of nonionic surfactant/βCD-C10 and the cubosomes of mixed monoolein/P80/βCD-C10 compositions, are stable and capable of incorporation of hydrophobic guest substances.

Cette thèse présente un travail d?élaboration et de caractérisation de surfaces hétérogènes contrôlées afin d?étudier l?effet des hétérogénéités sur les propriétés de mouillage. Ces surfaces sont obtenues par la technique de Langmuir-Blodgett à partir du mélange de deux molécules amphiphiles différentes. Ces molécules ont été choisies pour leurs propriétés de mouillage différentes : la première est un acide gras à longue chaîne tandis que la seconde est une molécule à chaîne hydrophobe partiellement fluorée.<br />Dans un premier temps, les films mixtes sont caractérisés à l?interface eau-air (films de Langmuir). Afin de déterminer la nature des interactions entre les constituants, les films mixtes ont été étudiés à différentes échelles en utilisant différentes techniques expérimentales. Les résultats montrent que le système présente une séparation de phase complète quelle que soit la fraction molaire de l?un des constituants et dès les basses pressions de surface. Des domaines circulaires d?acide sont mis en évidence.<br />Les films sont ensuite transférés sur substrat solide. Pour obtenir un bon ancrage des films, les paramètres de transfert ont été adaptés. L?arrangement moléculaire au sein des films a été déterminé de façon précise par diffraction X sous incidence rasante, notamment par variation de l?angle d?incidence des photons sur l?échantillon de façon à pénétrer plus ou moins dans le film. Les films ont également été imagés par microscopie à force atomique, ce qui permet de déterminer l?état des surfaces et notamment l?absence de défauts. De la même façon qu?à la surface de l?eau, des domaines circulaires d?acide sont observés. Ces domaines coexistent avec une phase continue qui présente une structure labyrinthique attribuée à une réorganisation moléculaire lors du transfert.<br />Nous avons ainsi obtenu un système bien adapté à l?étude des propriétés de mouillage de surfaces inhomogènes puisqu?il présente deux phases séparées possédant chacune des propriétés différentes.

Les mésophases hexagonales sont des systèmes quaternaires formés de tensioactifs et co-tensioactifs, eau salée et huile. Ces mésophases sont utilisées comme moules « mous » pour la synthèse de différents nanomatériaux tels que des nanostructures métalliques poreuses, des nanostructures de polymères conjugués et des nanocomposites métalliques-polymères. Contrairement aux matrices (ou moules) durs, qui nécessitent des réactifs chimiques corrosifs pour extraire les nanomatériaux synthétisés in situ, le processus d'extraction des nanomatériaux synthétisés dans les mésophases hexagonales est simple : les nanomatériaux peuvent être extraits simplement par lavage avec de l'éthanol ou du 2-propanol. Un autre intérêt à utiliser ces mésophases comme matrice de synthèse est qu’elles peuvent être gonflées en contrôlant le rapport huile / eau. Cette thèse est divisée en trois parties: 1) La synthèse de nanostructures métalliques poreuses dans la phase aqueuse des mésophases hexagonales et leur application dans les piles à combustible (oxydation de l'éthanol), 2) La synthèse de nanostructures de polymères conjugués dans la phase huile des mésophases hexagonales pour des applications en photocatalyse et en particulier pour la dégradation de polluants, 3) La synthèse combinée dans les phases huile et eau des mésophases hexagonales de nanocomposites métal-polymère. Plusieurs nanostructures métalliques telles que des nanoballes PdPt de porosité et composition contrôlées, des nanostructures poreuses cœur-coquille AuPd et AuPt, bimetalliques PtNi et trimétalliques AuPdPt ont été synthétisées par radiolyse dans la phase aqueuse des mésophases hexagonales. Les nanoballes PdPt de porosité et composition contrôlées ont été utilisées comme électro-catalyseurs pour l'oxydation de l'éthanol. L'effet de la taille des pores sur la surface électro-active des nanostructures métalliques et leur activité électrocatalytique pour l'oxydation de l'éthanol a été étudié. Les nanostructures poreuses cœur-coquille bimétalliques AuPd et AuPt, et trimétalliques AuPdPt ont été utilisées pour l'oxydation de l'éthanol et du glucose. Les nanoballes poreuses PtNi ont été utilisées pour l'évolution de H2 et la réaction de réduction de l’oxygène. Des nanostructures de polymères conjugués (poly(3-hexylthiophène), P3HT) ont été synthétisées dans la phase huile des mésophases hexagonales. Ces nanostructures de polymères ont une activité photocatalytique élevée sous UV et lumière visible. Le phénol et la rhodamine B ont été utilisés comme polluants modèles. Ces photocatalyseurs sont très stables même après plusieurs cycles photocatalytiques. L'ajout de molécules capteurs et l’étude du mécanisme montrent que les radicaux O2.− sont les principaux radicaux responsables de la dégradation du phénol. De manière très intéressante, l'activité photocatalytique de ces nanostructures de P3HT est fortement augmentée lorsqu'elles sont supportées sur une surface solide. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour des applications dans des réacteurs photocatalytiques et des surfaces autonettoyantes. Des résultats préliminaires sur la synthèse des nanocomposites Pt-PDPB (polydiphenylbutadiyne) sont également présentés dans cette thèse. / Soft hexagonal mesophases, which consist of quaternary systems (surfactants, brine, oil, and co-surfactant) are used as templates for the synthesis of different nanomaterials such as metal nanostructures, conjugated polymer nanostructures, and metal-polymer nanocomposites. Unlike hard templates, which need a harsh chemical reagent to extract nanomaterials after the synthesis, in soft template hexagonal mesophases, the extraction process of nanomaterials is simple, only by washing with ethanol or 2-propanol. Another interesting property of this class of template lies on its ability to be swollen by controlling the ratio of oil to water.This thesis is divided into three parts: 1) Radiolytic synthesis of metal nanostructures in the aqueous phase of hexagonal mesophases and their application in fuel cells (ethanol oxidation), 2) Synthesis of conjugated polymer nanostructures in the oil phase of hexagonal mesophases for photocatalytic degradation of pollutants, 3) Combined synthesis in the oil and water phases of hexagonal mesophases of metal-polymer nanocomposites.Several metal nanostructures such as PdPt nanoballs with controlled composition and porosity, AuPd and AuPt core shell, bimetallic PtNi and trimetallic AuPdPt porous nanoballs were synthesized by radiolysis in the aqueous phase of hexagonal mesophases. PdPt nanoballs with controlled porosity and composition were used as electrocatalysts for ethanol oxidation. The effect of the pore size on their electro active surface and their electrocatalytic activity towards ethanol oxidation were studied. AuPd and AuPt core-shell, and trimetallic AuPdPt porous nanoballs were used for ethanol and glucose oxidation. PtNi porous nanoballs were used for H2 evolution and oxygen reduction reaction. Conjugated polymer nanostructures namely P3HT (poly(3-hexylthiophene)) were synthesized in the oil phase of hexagonal mesophases. These polymer nanostructures are highly active for photocatalysis under UV and visible light. Phenol and rhodamine B were used as model pollutants. These photocatalysts are very stable even after repeated cycling. Addition of scavengers and mechanistic studies show that O2.− is the main radical responsible for degradation of phenol. Most interestingly, the photocatalytic activity of these P3HT nanostructures is highly enhanced when they are supported on a solid surface opening new perspectives in photocatalytic reactors and self-cleaning surfaces. Premiminary results on the synthesis of Pt-PDPB (polydiphenylbutadiyne) nanocomposites are also presented in this thesis.