Les films minces déposés sur des substrats flexibles ont été intensivement étudiés ces dernières années en raison de leur nombreuses applications en électronique flexible. Depuis peu, l'électronique flexible est étendu aux matériaux magnétiques conduisant ainsi au domaine émergeant de la magnéto-électronique flexible actuellement à l'avant garde des sujets de recherche de la spintronique. Ce travail de thèse est dédié à l'étude des propriétés magnéto-mécaniques de films minces magnétiques (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) sur des substrats flexibles. Les analyses structurales ont montré que les films de Ni et de CFA sont polycristallins non-texturés ; le CFB est amorphe. Par conséquent, les propriétés élastiques et magnéto-élastiques de ces films sont considérées comme étant isotropes. Une technique basée sur une utilisation conjointe d'essai mécanique, la résonance ferromagnétique (FMR) et la corrélation d'images numériques (CIN) a été développée pour étudier les propriétés magnéto-mécaniques de films minces sur substrats flexibles. A l'aide de cette méthode, il est possible de suivre l'évolution de l'anisotropie résiduelle omniprésente dans les films magnétiques sur substrats flexibles. Cette anisotropie est liée aux propriétés mécaniques contrastées lorsqu'on dépose un film mince rigide (grand module d'Young) sur un substrat flexible (petit module d'Young). L'effet du recuit sur les propriétés élastiques et magnéto-élastiques a été soigneusement étudié dans le film CFB validant ainsi l'intérêt porté à ses alliages pour des applications en spintronique. Enfin, la résonance ferromagnétique est employé en balayage en fréquence pour suivre la variation de la direction de l'aimantation en fonction des déformations induites par l'application de tension électrique sur l'actionneur piézoélectrique. Un retournement de 90° de la direction de l'aimantation dans le film Co2FeAl sur substrat flexible de Kapton® est observé. / Thin films deposited on flexible substrates have been widely studied in the last decades due to the numerous applications in flexible electronics. Recently, flexible electronics have been extended to magnetic materials leading to the so-called emerging feld of flexible magnetoelectronics which is actually at the cutting-edge of spintronics research topics.This thesis is devoted to the study magnetomechanical properties of magnetic thin films (Ni, NiFe, Co2FeAl, CoFeB, FeCuNbSi) on flexible substrates. Structural analysis have 130 Abstracts hown that the Ni and CFA films are found to be polycrystalline with no strong preferred orientations ; the CFB film is amorphous. Consequently, the elastic and magnetoelastic properties are isotropic. For the study of the magnetomechanical properties, a set-up based on a jointly use of deformation test (bending or piezoactuation), ferromagnetic resonance (FMR) and digital image correlation (DIC) have been developped. Thanks to this method, it is possible to follow the evolution of the inescapable residual anisotropy encountered in magnetic thin films on flexible substrates under deformation and to determine the effective coefficient of magnetostriction of the films (sometimes unknown).This residual anisotropy is ascribed to contrasted mechanical strength when a sti thin film is deposited on a compliant substrate. The effect of the annealing temperature on the elastic and magnetoelastic have been studied carefully in CFB validating then theinterest on such alloys for spintronics applications. Finally, we have employed FMR inits sweep frequency mode to study the effective evolution of magnetization direction as function of the voltage-induced strains. A 90-degree magnetization rotation in Co2FeAl thin film on Kapton® polyimide substrate is observed.

Les nanomatériaux magnétiques sont des matériaux prometteurs en raison de leurs applications potentielles dans l'enregistrement magnétique à haute densité. C’est dans ce contexte que nous avons développé la première synthèse mono-tope de nanocristaux (NCs) de cobalt de forme sphérique et de structure hexagonale-compact (hc), ferromagnétiques à température ambiante. La stratégie suivie est basée sur la simple combinaison de l’oléylamine et du précurseur organométallique de cobalt [CoCl(PPh3)3]. Nous avons mis évidence que la variation de la quantité de précurseur favorise le contrôle de la taille des NCs et obtenu des NCs sphériques de 9,2 nm, 7,8 nm et 2,5 nm de diamètre avec une faible polydispersité. De plus, la modification des temps de réaction a permis de contrôler la forme des NCs et de réaliser une transition de morphologie des sphères vers des nanobâtons hc. Ainsi, la variation d’autres paramètres, comme la quantité d’amine et la température, a conduit au mécanisme réactionnel se produisant lors de la formation de NCs de cobalt, mécanisme gouverné par la réaction de dismutation du précurseur Co(I). Ce protocole de synthèse monotope a ensuite été étendu à l’élaboration d’autres NCs mono et bimétalliques (platine, palladium et les alliages CoPt). En variant la quantité du précurseur [CoCl(PPh3)3], différentes morphologies de NCs de platine, de palladium et des nanoalliages de CO33Pt67 ont été obtenues. Par ailleurs, par recuit dirigé de nanoparticules de Co50Pt50 dans des nanopores d’une membrane d’alumine (Al2O3), des nanofils de CoPt équi-atomiques avec une forte anisotropie magnétique ont été élaborés. Pour cela, nous avons détourné le phénomène de coalescence des NCs lors de recuit haute température. / Magnetic nanomaterials are promising materials due to their potential applications in high density magnetic recording. This is in this context that we have developed the first one-pot synthesis of spherical hcp cobalt nanocrystals (NCs), ferromagnetic at room temperature. The followed strategy is based on the simple combination of oleylamine and an organometallic cobalt precursor [CoCl(PPh3)3]. Thus, variation of the precursor amount has allowed to control the NCs size and to obtain spherical NCs of 9.2 nm, 7.8 nm and 2.5 nm in diameter with a low polydispersity. The change of reaction times has led to control of the NCs shape in order to get a morphology transition from spheres towards hcp nanorods. Subsequently, an experimental study based on the variation of several parameters, namely, the amine and the temperature, has highlighted a reaction mechanism of cobalt NCs formation, governed by the disproportionation reaction of the Co(I) precursor. The one-pot synthesis procedure was then extended to the development of other mono and bi-metal NCs (platinum, palladium and CoPt alloys). Then, by varying the amount [CoCl(PPh3)3].precursor, different morphologies of platinum NCs and palladium, and similarly, CO33Pt67 nanoalloys, have been obtained. Another strategy was followed to develop equi-atomic CoPt nanowires, with a high magnetic anisotropy, by annealing of Co50Pt50 nanoparticles in nanopores of alumina membrane (Al2O3). For this, we diverted the NCs coalescence during the annealing time.

Les pathologies du côlon représentent un enjeu de santé important, en effet l'incidence du cancer colorectal en France le classe au deuxième rang des cancers les plus fréquents et sa mortalité au deuxième rang des cancers les plus mortels. Lors du bilan d'extension du cancer colorectal (CCR), l'IRM est désormais une modalité de choix pour les stades avancés du cancer colorectal. Cependant, malgré des avancées significatives, les capteurs externes multicanaux employés n'autorisent pas encore une résolution spatiale suffisante pour l'observation de la paroi colorectale. Dans cette optique, l'emploi d'un capteur endoluminal pour l'observation par IRM des premiers stades du CCR présente un intérêt. Ainsi, l'objectif de ces travaux de thèse est de proposer et de développer un capteur endoluminal rigide, adapté à l'observation de la partie terminale du tube digestif (rectum et éventuellement sigmoïde). Dans un premier temps, la géométrie de ce capteur endoluminal a été optimisée pour minimiser les non uniformités en sensibilité radiale. Ainsi, il a été montré que deux boucles de courant formant entre elles un angle compris entre 50° et 70° permettent une uniformité en sensibilité radiale optimale, ce qui peut potentiellement permettre une augmentation de la spécificité et de la sensibilité de l'examen IRM pratiqué avec un capteur endoluminal. De plus, la sécurité du capteur endoluminal vis-à-vis de l'échauffement radio fréquence (RF) a été étudié et, comme le montre la littérature, l'ajout de trappes RF permet de diminuer l'échauffement RF sous les limites telles qu'elles sont fixées par la norme IEC 60601 (c'est-à-dire 1°C d''élévation de température induit par la présence du capteur et du câble de réception). Des trappes RF de références, puis des trappes RF miniaturisées, adaptées à l'insertion du dispositif par voie rectale, ont ainsi été développées puis validées sur banc de test et sur l'imageur Discovery MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). Les conditions de l'expérience visaient à maximiser cet échauffement RF par un choix judicieux de la longueur du câble de réception, du chemin de ce câble de réception et de la séquence d'acquisition. Puis, la conception de ce capteur endoluminal a été optimisée pour permettre l'acquisition d'images de diffusion par IRM et de spectres de résonance magnétique, techniques qui présentent une sensibilité particulière aux inhomogénéités de champ magnétique B0 et donc à l'effet de susceptibilité magnétique induit par l'interface entre le capteur endoluminal et les tissus de la paroi colorectale. Ainsi, un capteur endoluminal utilisant un matériau de compensation de susceptibilité comme support a été développé et comparé à un capteur endoluminal de référence pour l'acquisition de spectres de résonance magnétique. Dans un dernier temps, le capteur a été modifié, pour pouvoir acquérir des spectres de résonance magnétique du proton mais également des spectres de résonance magnétique du phosphore, tout en conservant sa géométrie. Ce dernier développement a été validé par des mesures sur banc de test et ouvre la voie pour des expériences ultérieures sur fantômes et, à long terme, in vivo / The colorectal pathologies a major public health problem, indeed it is the second most lethal cancer and its incidence is second amongst all cancers. To performer the initial assessment of the colorectal cancer (CRC), Magnetic Resonance Imaging (MRI) is, at this moment in time, the gold standard for the assessment of the latest stages of CRC. However, despite significant progress, external phased array coils do not allow a sufficient spatial resolution for the observation of the colorectal wall. In this prospect, the use of an endoluminal coil for the MRI observation of the earliest stages of the CRC seems to present an interest. Thus, in the framework of this PhD, the aim was to propose and develop a rigid endoluminal coil suited for the observation of the terminal part of the digestive tract (rectum and sigmoid).First, the geometry of the endoluminal coil was optimized to minimize the non-uniformities in radial sensitivity. Thus, it was show that two current loops forming angulated with a 50° to 70° allow for optimal radial sensitivity uniformity. This could potentially allow for an increase in specificity and sensitivity of an endoluminal MR (Magnetic Resonance) exam. Furthermore, the safety of the endoluminal coil with respect to the radiofrequency (RF) heating was assessed. And, as demonstrated in the literature, the addition of RF traps allows for a reduction of the RF heating under the limits as determined by the IEC-60601 norm (below 1°C heating induced by the coil and reception cable presence). Reference RF traps and miniaturized RF traps, suited for the insertion through the rectum of the patient, were designed, built and assessed both on the benchmark and on the MR scanner DV MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). The experiments were designed to maximize RF heating by an adequate choice of cable length, reception cable path, and acquisition sequence. Then, the design of the endoluminal coil was optimized to allow the acquisition of diffusion MRI images and magnetic resonance spectra, techniques which are particularly sensitive to the magnetic field (B0) inhomogeneities. Thus, the susceptibility effect occurring at the interface between the endoluminal coil and surrounding tissues of the rectal wall will deter significantly the performances of these techniques. A susceptibility matched endoluminal coil was thus developed, using UltemTM as a support for the coil, and was compared to a reference endoluminal coil for the acquisition of magnetic resonance spectra. Finally, the coil was modified in order to acquire both hydrogen magnetic resonance spectra and phosphorus magnetic resonance spectra, while keeping the same geometry. This last development was assessed on the bench and opens the way towards further experiments on phantom and, eventually, in vivo experiments

Les nanofils magnétiques suscitent un intérêt considérable depuis une quinzaine d'années en raison de leur utilisation potentielle pour la spintronique. Leur utilisation potentielle dans des dispositifs exige une description détaillée des états magnétiques locaux des nanofils. Dans cette thèse, j'ai étudié qualitativement et quantitativement les états magnétiques à l'état rémanent de nanofils magnétiques par holographie électronique (EH) et simulations micromagnétiques. Une analyse détaillée a été réalisée sur deux types de nanofils : multicouches Co/Cu et nanofils FeCoCu à diamètre modulé. Les deux systèmes ont été synthétisés par électrodéposition dans des membranes. La combinaison des caractérisations magnétiques, structurales et chimiques locales obtenues dans un TEM avec des simulations micromagnétiques ont permis une description complète de ces systèmes. Pour les nanofils multicouches Co / Cu, j'ai analysé l'influence des épaisseurs de cobalt et de cuivre ou de la structure cristalline de Co sur la configuration magnétique de nanofils isolés. Après l'application d'un champs de saturation dans des directions parallèle et perpendiculaire à l'axe des nanofils, j'ai étudié les configurations magnétiques pour les épaisseurs de Co / Cu suivantes : 25nm / 15nm, 25nm / 45nm, 50nm / 50nm et 100nm / 100nm. Trois configurations principales à la rémanence ont été trouvées : (i) un couplage antiparallèle entre les couches Co, (ii) une structure mono-domaine et (iii) un état vortex. Dans les nanofils Co (25 nm) / Cu (15 nm), en fonction de la direction du champ de saturation, les couches de Co peuvent présenter soit un couplage antiparallèle (champ de saturation perpendiculaire) ou un couplage de type vortex (champ de saturation en parallèle) avec un coeur aligné parallèlement à l'axe du fil. Cependant, 10% des nanofils étudié présente un état mono-domaine quel que soit le champ de saturation parallèle et perpendiculaire. Dans le cas Co (50 nm) / Cu (50 nm) et Co (25 nm) / Cu (45 nm), l'épaisseur plus grande de Cu séparant les couches ferromagnétiques réduit l'interaction magnétique entre des couches de Co voisines. L'état rémanent est donc formé de la combinaison de couches de Co monodomaines orientés perpendiculairement à l'axe du fil et de certains états vortex. Enfin pour la configuration Co (100 nm) / Cu (100 nm), un état monodomaine est observé quel que soit la direction du champ appliqué lors de la saturation. Toutes ces configurations magnétiques ont été déterminées et simulées à l'aide des calculs micromagnétiques jusqu'à ce qu'un accord quantitatif avec les résultats expérimentaux aient été obtenus. J'ai ainsi pu expliquer l'apparition et la stabilité de ces configurations en fonction des principaux paramètres magnétiques tels que l'échange, la valeur et la direction de l'anisotropie et l'aimantation. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux ont ainsi servi à déterminer précisément la valeur de ces paramètres. Dans les nanofils FeCoCu à diamètre modulé, une description détaillée de l'influence de la géométrie sur la configuration locale de spins a été réalisée. Les expériences d'holographie électronique montrent une structure magnétique monodomaines avec l'aimantation alignée longitudinalement. Cependant, nous avons trouvé grâce à des simulations micromagnétiques que cette configuration monodomaine est fortement affectée par la variation locale du diamètre. L'étude en particulier du champ de fuite mais aussi du champ démagnétisant à l'intérieur des nanofils a mis en évidence le rôle prépondérant des charges magnétiques aux zones de variation de diamètre. De plus l'aimantation présente une structure plus compliquée qu'un simple alignement le long de l'axe du fil. Enfin les résultats que j'ai obtenus ont abouti à une interprétation différente d'expériences précédentes en MFM. / Magnetic nanowires have raised significant interest in the last 15 years due to their potential use for spintronics. Technical achievements require a detailed description of the local magnetic states inside the nanowires at the remnant state. In this thesis, I performed quantitative and qualitative studies of the remnant magnetic states on magnetic nanowires by Electron Holography (EH) experiments and micromagnetic simulations. A detailed investigation was carried out on two types of nanowires: multilayered Co/Cu and diameter-modulated FeCoCu nanowires. Both systems were grown by template-based synthesis using electrodeposition process. The combination of local magnetic, structural and chemical characterizations obtained in a TEM with micromagnetic simulations brought a complete description of the systems. In the multilayered Co/Cu nanowires, I analysed how different factors such as the Co and Cu thicknesses or the Co crystal structure define the remnant magnetic configuration into isolated nanowires. After applying saturation fields along directions either parallel or perpendicular to the NW axis, I studied multilayered Co/Cu nanowires with the following relative Co/Cu thickness layers: 25nm/15nm, 25nm/45nm, 50nm/50nm, and 100nm/100nm. Three main remnant configurations were found: (i) antiparallel coupling between Co layers, (ii) mono-domain-like state and (iii) vortex state. In the Co(25 nm)/Cu(15 nm) nanowires, depending on the direction of the saturation field, the Co layers can present either an antiparallel coupling (perpendicular saturation field) or vortex coupling (parallel saturation field) with their core aligned parallel to the wire axis. However, 10% of the nanowires studied present a mono-domain-like state that remains for both parallel and perpendicular saturation fields. In the Co(50 nm)/Cu(50 nm) and Co(25 nm)/Cu(45 nm) nanowires, a larger Cu thickness separating the ferromagnetic layers reduces the magnetic interaction between neighbouring Co layers. The remnant state is hence formed by the combination of monodomain Co layers oriented perpendicularly to the wire axis and some tilted vortex states. Finally for the Co(100 nm)/Cu(100 nm) nanowires a monodomain-like state is found no matters the direction of the saturation field. All these magnetic configurations were determined and simulated using micromagnetic calculations until a quantitative agreement with experimental results has been obtained. I was able to explain the appearance and stability of these configurations according to the main magnetic parameters such as exchange, value and direction of the anisotropy and magnetization. The comparison between simulations and experimental results were used to precisely determine the value of these parameters. In the diameter-modulated cylindrical FeCoCu nanowires, a detailed description of the geometry-induced effect on the local spin configuration was performed. EH experiments seem to reveal that the wires present a remnant single-domain magnetic state with the spins longitudinally aligned. However, we found through micromagnetic simulations that such apparent single-domain state is strongly affected by the local variation of the diameter. The study of the leakage field and the demagnetizing field inside the nanowire highlighted the leading role of magnetic charges in modulated areas. The magnetization presents a more complicated structure than a simple alignment along the wire axis. Finally my results have led to a new interpretation of previous MFM experiments.

De récentes études ont démontré la pertinence de la quantification par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) de la fraction de graisse, des temps de relaxation T1 et T2* de l’eau et des lipides, de la diffusion et de la perfusion dans la moelle osseuse, ces paramètres pouvant être utilisés en tant que biomarqueurs dans le cadre de pathologies affectant la moelle osseuse, telles que le myélome ou l'ostéoporose. La quantification de ces paramètres requiert cependant l'application de séquences IRM présentant des artéfacts spécifiques et dont les temps d'acquisition provoquent une immobilisation prolongée des patients. Ce travail de thèse porte sur la quantification de biomarqueurs dans le cadre de l’exploration de la moelle osseuse par IRM. L'objectif de ce travail de thèse était d'optimiser la quantification de ces biomarqueurs (fraction de graisse, T1, T2*, diffusion et perfusion) via l'optimisation de protocoles d'imagerie compatibles avec la pratique clinique, spécifiquement pour l'imagerie eau-graisse et l'imagerie de diffusion. Cette optimisation a consisté à prendre en compte les artéfacts inhérents aux techniques de quantification, les imperfections de l'instrument et à améliorer le rapport signal-sur-bruit par unité de temps des séquences IRM pour une application sur la moelle osseuse. La première partie de ce travail de thèse a porté sur le développement d’un protocole d’imagerie rapide, permettant la quantification simultanée de la fraction de graisse et des temps de relaxation T1 et T2* de l'eau et des lipides à partir de séquences eau-graisse. Dans un premier temps, cette méthode de quantification a été validée cliniquement par application à une population de volontaires, dans le cadre d'une étude réalisée au CHU de Rennes. Au cours d’une seconde étude sur volontaires, cette méthode de quantification a été appliquée à différents sites de moelle osseuse (humérus, sternum, vertèbres lombaires ilium et fémur), ce qui a permis de mettre en évidence des variations régionales de ces paramètres ainsi que la présence d'une corrélation négative entre le T1 de l'eau et la fraction de graisse. L’équation du signal utilisée dans cette méthode de quantification fait intervenir l'angle de basculement appliqué dans la séquence eau-graisse. Dans le but d’estimer l’influence de la variation de l’angle de basculement sur la mesure des paramètres, une méthode de quantification de l'angle de basculement spécialement adaptée à l'imagerie du rachis a également été développée au cours de ce travail.La seconde partie de ce travail de thèse a porté sur la quantification de la diffusion et de la perfusion dans la moelle osseuse, avec notamment l’imagerie des mouvements intra-voxels incohérents (IVIM). Ce travail a tout d’abord consisté à optimiser le protocole d’imagerie de diffusion pour une application au rachis lombaire, puis à étudier l'influence de la présence de graisse sur la quantification des paramètres de diffusion et de perfusion grâce à une étude sur volontaires. La perspective de ce travail est l'application des séquences eau-graisse et des séquences de diffusion optimisées à des populations atteintes de pathologies de la moelle osseuse, ces séquences permettant de réduire la durée d'immobilisation des patients et de détecter les modifications spécifiques à ces pathologies. / Recently published studies have shown the relevance of quantifying the bone marrow fat fraction, T1 and T2* relaxation times of water and lipid components, diffusion and perfusion with MRI (Magnetic Resonance Imaging). These parameters have indeed been used as biomarkers for bone marrow related pathologies, such as the myeloma and osteoporosis. The quantification of these parameters however requires the application of MR sequences which show specific artefacts and have long acquisition times that can be tiresome for older patients. The aim of this thesis was to optimise the quantification of the fat fraction, T1 and T2* relaxation times, diffusion and perfusion in the bone marrow. The quantification of these biomarkers was optimised by improving the imaging protocols of water-fat sequences and diffusion sequences for clinical applications. These sequences were optimised by taking into account the imperfections of the MR system and the specific artefacts of these techniques and by improving the signal-to-noise ratio per unit time of the sequences for an application on bone marrow. The first part of this work consisted in developing a fast quantification method that allows for the simultaneous quantification of the fat fraction and of the T1 and T2* relaxation times of water and lipids with water-fat sequences. This method was first clinically validated by applying these sequences in a population of healthy volunteers. In a second study, this method was applied in a population of healthy volunteers to different sites of bone marrow (humerus, sternum, vertebrae, ilium and femur). The results of this study showed local variations of these parameters and a strong negative correlation between the T1 of water and the fat fraction. The signal equation of this quantification method uses the flip angle applied in the water-fat sequence. In order to assess the influence of flip angle variations on the parameters measurement, a flip angle quantification method specially dedicated to spine imaging was also developed during this work. The second part of this work consisted in quantifying diffusion and perfusion in bone marrow, especially with the intra-voxel incoherent motion imaging (IVIM). The imaging protocol of the diffusion sequence was first optimised for a spine application; then the influence of fat on the quantification of diffusion and perfusion parameters was assessed in a study on healthy volunteers. In the future, the optimised water-fat sequences and diffusion sequences will be applied to patients suffering from bone marrow pathologies. These sequences allow a decreased total acquisition time and the detection of pathology-specific modifications.

Les composants magnétiques sont des constituants essentiels des convertisseurs électroniques de puissance en termes de volume et de coût, en particulier dans les alimentations à découpage. Pour cette raison, il est intéressant de développer des méthodes et des outils logiciels pour optimiser la conception de dispositif magnétiques en relation avec les paramètres de conversion. Concevoir et optimiser un composant magnétique suppose de définir parfaitement les contraintes induites par les spécifications, de choisir des conducteurs, isolants et circuits magnétiques, tant sur le plan des matériaux que des géométries, de calculer finement les pertes dans ces différentes parties et enfin, de disposer de modèles thermiques permettant de conduire le design en considérant la contrainte majeure que constituent les températures de fonctionnement des différentes parties du composant. L'objectif de cette thèse est de jeter les bases d'un outil générique d'aide à la conception optimale de composants magnétiques en s'appuyant sur des modélisations analytiques et numériques. / The magnetic components are essential constituents of the power electronic converters in terms of volume and cost, particularly in switching power supplies. Therefore, it is essential to develop methods and software tools that can optimize the magnetic device design in relation to the conversion parameters. The design and optimization of the magnetic component includes several constraints that are imposed by the specifications including the choice of electrical conductors and magnetic circuits, both in terms of materials and their geometries. It is necessary to calculate the losses in these parts and to know the thermal models that allows a better design by considering the major constraint namely, the operation temperatures of different parts of the component.The current work describes the basics of a generic tool that will help in the optimal design of a magnetic components based on both analytical and numerical modeling.

Les systèmes théranostiques associant des propriétés thérapeutiques et des propriétés d'imagerie sont développés pour permettre le suivi de traitement in vivo. La stratégie que nous proposons dans cette thèse est de formuler des liposomes magnétiques thermosensibles chargés en principe actif pour traiter des tumeurs murines superficielles du côlon CT26. Ces nanovecteurs peuvent être accumulés dans les tumeurs par ciblage magnétique et le relargage du principe actif peut être déclenché par HIFU (Ultrasons Focalisés de Haute Intensité). Ces liposomes sont développés par co-encapsulation de nanoparticules de maghémite (?-Fe2O3) et de Combrétastatine A4 Phosphate (CA4P) dans des liposomes thermosensibles. La forte encapsulation des nanoparticules magnétiques dans les Liposomes Ultra-Magnétiques (LUM) permet à la fois le ciblage magnétique et leur suivi in vivo par IRM. Le chauffage par HIFU in vitro à la température de transition des membranes des LUM a permis une amélioration du relargage de la CA4P. La biodistribution des LUM in vivo a été évaluée par IRM dynamique de contraste de susceptibilité avec une résolution temporelle adaptée à la cinétique de capture des nanovecteurs, notamment par le foie. L'efficacité du ciblage magnétique a été démontrée grâce à une nouvelle méthode de traitement de l'histogramme des intensités IRM. Enfin, l'ajustement in vivo des séquences d'HIFU permet le relargage du principe actif. L'efficacité du traitement est ensuite suivie par IRM multiparamétrique anatomique, pondérée T2* de diffusion et de perfusion pour évaluer l'impact sur la fonctionnalité vasculaire et l'évolution tumorale, ainsi que par histologie. / Theranostic systems with imaging and therapeutic properties are developed to monitor treatments in vivo. The strategy we propose here is to design thermosensitive drug-loaded magnetic liposomes to treat superficial colon tumors CT26 on mice. These nanocarriers can be accumulated in the tumor by using a magnetic field gradient and the drug release can be triggered by a local heating induced by HIFU (High Intensity Focused Ultrasounds). They have been developed by co-encapsulation of magnetic nanoparticles and the antitumoral drug CA4P (Combretastatin A-4 Phosphate) in thermosensitive liposomes. The high loading of maghemite (γ-Fe2O3) magnetic nanoparticles enables both magnetic targeting and in vivo monitoring by MRI of this Ultra-Magnetic Liposomes (UML). In vitro HIFU heating at the UML membrane transition temperature improved the drug release. In vivo UML biodistribution was evaluated with dynamic susceptibility contrast imaging adjusted in time acquisition in MRI and the magnetic targeting efficiency was shown with a new MRI imaging processing. Adjustments of in vivo HIFU sequences to locally heat the tumor at the UML transition temperature allowed the triggering of drug release. Treatment efficiency was monitored by multiparametric diffusion, T2* weighted, anatomical and perfusion MRI and histology.

L'interaction entre le vent solaire (VS) et la magnétosphère (MSP) terrestre se fait par l'intermédiaire de la magnétopause (MP). Le VS éjecté du Soleil, voyage transportant avec lui le champ magnétique interplanétaire (CMI). Ce dernier interagit avec le champ géomagnétique provoquant le phénomène de reconnexion magnétique (RM). La RM permet l'entrée d'une grande quantité de particules du VS dans la MSP. Si le CMI est dirigé vers le nord, la RM peut avoir lieu à haute latitude, mais n'est pas assez efficace pour justifier la quantité de plasma typique du VS, observée par les satellites à l'intérieur de la MSP. En outre, dans les cas où le CMI est dirigé vers le nord, la formation d'une couche de mélange est observée à basse latitude. Les tourbillons de Kelvin-Hemholtz (KH) fournissent un mécanisme efficace pour la formation d'une couche de mélange à la MP. Les simulations numériques montrent que l'évolution temporelle de l'instabilité de KH dépend fortement des profils initiales à grande échelle. La comparaison des données spatiales et des simulations numériques est donc d'une importance fondamentale dans ce contexte. Les principaux résultats obtenus au cours de ce travail sont la caractérisation de la turbulence à l'intérieur des tourbillons de KH, ainsi que des événements de RM à petite échelle; la sélection d'un événement où nous avons une combinaison des données des satellites avant et après KHI se développe; l'observation d'un décalage entre les profils de densité et de vitesse et constat que ce décalage initial entraîne une évolution différente de la simulations numériques qui est en accord avec les observations satellites. / Solar Wind (SW) and the Earth's magnetosphere interaction is mediated by the magnetopause. The SW carries with it the Interplanetary Magnetic Field (IMF) which interacts with northwards geomagnetic field lines causing magnetic reconnection (MR) events that make SW particles to be tranferred into the Earth's magnetosphere. If the IMF is directed northward, MR takes place at high latitude, but it is not efficient enough to justify the amount of SW plasma observed by satellites inside the magnetosphere. During northwards conditions one observe the formation of a wide boundary layer (BL) at the low latitude. This BL is thought to be driven by the the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) , originating from the velocity shear between SW and the almost static near-Earth plasma. Numerical simulations (NS) have shown that the long time evolution of the KHI depends strongly on the initial large scale field profiles used as initial conditions. In order to make a further step towards the comprehension of this complex system, it is imperative to combine satellite data and NS. The idea here is to initialize NS by using in-situ observations of the main field profiles since only a correct initialization can reproduce the correct dynamics. The main results achieved in this work are: characterize the turbulence inside KH vortices and the small scale MR; select one event where there is a combination of a satellite measurements before and after KH develops, find that density and velocity profiles are shifted by a distance comparable to their shear lengths and that this initial shift cause a different evolution of the KHI leading to a final state in agreement with satellites observations.

L'efficacité des nanoparticules AGuIX a été démontré avec des irradiations précliniques ou monoénergétiques pour les cancers du cerveau, tête et cou, et poumon. L'irradiation préclinique de faible énergie (220 kV), et l'irradiation clinique (6 MV) sont adaptées pour activer les nanoparticules. L'effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques étant principalement causé par effet photoélectrique, il est nécessaire d'utiliser des photons d'énergie proche de la raie K du gadolinium (50.2 keV) afin de créer une interaction avec les électrons de l'atome dans le but d'amplifier localement la dose autour des nanoparticules aboutissant à des effets biologiques menant à une augmentation de la mort cellulaire. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une preuve de concept sur le cancer du pancréas, connu pour son faible taux de survie, avec machines précliniques et cliniques. Afin de relever le défi du passage en clinique, nous avons proposé une méthode pour créer un adoucissement du faisceau d'irradiation et démontré la possibilité d'utiliser les nanoparticles AGuIX pour un essai clinique. Les travaux de recherche ont été réalisés en trois temps : un calcul analytique permettant d'obtenir une information sur l'influence des différents paramètres d'irradiation, une confirmation de l'efficacité des nanoparticules avec faisceaux précliniques, et enfin une preuve de concept avec faisceaux cliniques. Notre étude avec faisceaux cliniques est la première étude réalisée démontrant l'efficacité de nanoparticules de gadolinium passivement ciblées vers la tumeur, et démontre qu'il est possible d'obtenir des résultats cliniques similaires à ceux obtenus en préclinique / Previous studies demonstrated AGuIX ability to act as an efficient radiosensitizer under the presence of preclinical radiations or monoenergetic radiation beams for multiple cancer models. The preclinical irradiation (220 kV) has been shown effective in activating high atomic number (Z) nanoparticles. The energy peak is close to the k-edge of the different high-Z elements used (50.2 keV for the gadolinium), leading to a strong photoelectric effect. Auger electrons generation and biological effects occur afterwards creating a local dose enhancement. However, clinical treatments use a higher energy beam (>6 MV). At these energy ranges, the photoelectric probability is less important, decreasing the direct interaction of the nanoparticles with the incoming photons. We performed a proof of concept on a pancreatic tumor model, known for its low survival rates, with preclinical and clinical radiation beams to evaluate the efficacy of the AGuIX. To increase the efficacy of the clinical radiation beam without modifying the nanoparticle structure in order to obtain a dose enhancement close to the one observed with the preclinical beam, we evaluated key clinical beam parameters to understand and increase the mechanisms of interaction between the incident photons and the high-Z nanoparticles. Hence, we evaluated analytically the impact of the radiation beam under different conditions of irradiation, confirming the potential of the AGuIX with a preclinical beam, and finally shown their significant efficacy under a clinical setup. This study is the first to evaluate the potential of a high-Z nanoparticle to act as radiosensitizer following low dose intravenous injections

Pendant ma thèse de doctorat, j’ai eu la grande chance de travailler sur le développement de nouvelles méthodes de deux techniques spectroscopiques complétement différentes : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et la Spectroscopie de Masse par Résonance Cyclotronique Ionique à Transformée de Fourier (FT-ICR/MS). En tant que méthodologiste, mon but principal a été d’améliorer les méthodes existantes et la théorie. En RMN, l’outil fantastique de la manipulation des spins permet la mise en place des séquences d’impulsions, et en FT-ICR, les rapports masse sur charge (m/z) des ions et des fragments d’ions obtenus par différents chemins de fragmentation peuvent être appliqués à des problèmes en chimie, biochimie et médecine. Le manuscrit de ma thèse de doctorat comporte deux parties. Les sujets abordés étant différents, ce manuscrit a été rédigé pour que chaque chapitre puisse être lu indépendamment. La première partie aborde la RMN dans le chapitre I. Dans ce chapitre, nous avons amélioré une méthode développée précédemment dans l’equipe pour l’étude de l’échange rapide des protons par RMN. Nous avons adapté la méthode à l’étude de l’acide aminé histidine, système en apparence simple mais qui s’est avéré très compliqué à l’étude. La deuxième partie de ma thèse de doctorat aborde la spectroscopie de masse et comprend deux chapitres. Dans le chapitre II, nous avons essayé de faire revivre et de mettre en œuvre une méthode longtemps oubliée ; il s’agit de la méthode d’isolement d’ions par éjection sélective (‘notch ejection’) par spectroscopie de masse FT-ICR. Un autre sujet abordé pendant ma thèse, qui est décrit dans le chapitre III, concerne l’utilisation de trois impulsions rf dans une expérience à deux dimensions (2D) ICR. Notre objectif a été de mieux comprendre la complexité du comportement des ions pendant cette expérience 2D ICR, en particulier pour le cas d’impulsions courtes. / This thesis encompasses methodological developments in both nuclear magnetic resonance and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. The NMR section explores the effects of scalar relaxation on a coupled nucleus to measure fast exchange rates. In order to quantify these rates accurately, a precise knowledge of the chemical shifts of the labile protons and of the scalar couplings is normally required. We applied the method to histidine where no such information was available a priori, neither about the proton chemical shifts nor about the one-bond scalar coupling constants J(1H15N), since the protons were invisible due to fast exchange. We have measured the exchange rates of the protons of the imidazole ring and of amino protons in histidine by indirect detection via 15N. Not only the exchange rate constants, but also the elusive chemical shifts of the protons and the coupling constants could be determined. For the mass spectrometry section, the ion isolation project was initiated to study the effect of phase change of radiofrequency pulses. Excitation of ions in the ICR cell is a linear process, so that the pulse voltage required for ejecting ions must be inversely proportional to the pulse duration. A continuous sweep pulse propels the ion to a higher radius, whereas a phase reversal causes the ion to come to the centre. This represents the principle of ‘notch ejection’, wherein the ion for which the phase is reversed is retained in the ICR cell, while the remaining ions are ejected. The manuscript also contains a theoretical chapter, wherein the ion trajectories are plotted by solving the Lorentzian equation for the three-pulse scheme used for two-dimensional ICR. Through our simulations we mapped the ion trajectories for different pulse durations and for different phase relations.