Les dispositifs magnéto-optiques (MO) sont les éléments de base des isolateurs optiques, éléments essentiels pour les lasers et LIDAR. Ils sont également utilisés pour l'imagerie, le stockage ou les capteurs. Une structuration périodique du matériau magnétique est un moyen pour en améliorer les performances, et ainsi réduire la taille des composants intégrés ou améliorés la sensibilité des capteurs associés. Cependant, la mise en œuvre des matériaux magnéto-optiques habituels au sein des platefo1mes d'optique intégrée est rendue difficile par la forte température de cristallisation (- 7000C) qu'ils requièrent. En utilisant un processus sol-gel basse température, une matrice de silice peut être dopée par des nanoparticules magnétiques (C0Fe204) pour produire un matériau qui présente une excellente compatibilité avec les substrats photoniques. Dans ce travail, ce matériau composite a été utilisé pour imprégner un réseau grâce à un dépôt en une seule étape à une température inférieure à 100 °C. Il s'agit d'un réseau lD ShN4 sur verre. Des simulations numériques, basées sur les méthodes RCW A, et réalisées à 1,55 µm ont permis de déterminer les paramètres adéquats pour obtenir un réseau résonnant, simultanément pour les polarisations TE et TM, à incidence normale. Les simulations MO ont démontré que ce type de structure permet d'obtenir l'exaltation de tous les effets magnéto-optiques classiques (Kerr et Faraday). Le facteur de mérite théorique obtenu est comparable voir supérieur à ceux rapportés dans la littérature qui utilisent des matériaux MO classiques. Ces améliorations ont été confirmées par des réalisations et caractérisations expérimentales. Par exemple, une augmentation de la rotation de Faraday d'un facteur 3,5 a été obtenue par rapport à un film mince de référence. Le facteur de mérite correspondant était comparable voir supérieur à ceux présentés dans la littérature prouvant la grande efficacité de notre structure. Les résultats de ce travail sont la première démonstration d'une augmentation de tous les effets MO avec un seul dispositif / Magneto-optical (MO) devices are the basic elements of optical isolators essential for lasers an1 LIDAR, and are also employed for aircraft imaging, data storage or sensing. A periodic structuration of the core magnetic material is a way to enhance its MO behavior, and is thus useful to reduce the footprint of integrated devices or to improve the sensitivity of related sensors. However, the processing of efficient magnetic materials on photonic platforms is still challenging, because classical MO materials require an annealing temperature as high as 700°C. Using a sol-gel process, a silica matrix can be doped by magnetic nanoparticles (C0Fe204) to produce a MO material which possess a full compatibility with photonic substrates. In this work, this composite material was incorporated into an already structured template through a single step deposition at low temperature. The template was a 1-D SiJN4 grating on glass. Numerical simulations, based on RCW A methods, have been carried out to identify the suitable values of the grating period and the line-space ratio which produce a guided-mode resonance at 1.55 µm simultaneously for TE and TM polarizations, at normal incidence. MO simulations demonstrated that an enhancement of magneto-optical effects is obtained in transmission or reflection for every orientation of the applied magnetic field (Kerr or Faraday effects). The theoretical figure of merit for these structures were comparable or higher than those reported in literature which use classical MO materials. These enhancements were confirmed by experimental realizations and measurements. For instance, a Faraday rotation enhancement of 3.5 times was demonstrated compared to the reference thin-film. The c01Tesponding figure of merit was comparable or higher than those reported in literature proving the high efficiency of our structure. The results of this work are the 1st demonstration of an enhancement of every MO effect with a single device

L’objectif de cette thèse était de développer de nouveaux biomatériaux nanofibreux architecturés (2D ou 3D) grâce à la méthode d’électrospinning puis d’étudier l’influence de ces structures nanofibreuses sur le comportement des cellules osseuses. L’électrospinning est une technique qui permet d’obtenir des nanofibres en projetant sous l’action d’un champ électrique intense une solution de polymère sur un collecteur. Les nanofibres sont alors généralement disposées aléatoirement sous forme de mats (ou scaffolds). Ces scaffolds trouvent des applications en ingénierie tissulaire grâce à leur structure mimant la matrice extracellulaire des tissus vivants. Toutefois, il a été montré que lorsque le collecteur est micro-structuré, il est alors possible de contrôler l’organisation des fibres lors de leur dépôt grâce à la perturbation locale du champ électrique au voisinage de la surface du collecteur. Ces collecteurs architecturés jouent ainsi le rôle de « templates » électrostatiques. Dans un premier temps, nous avons développé des scaffolds 2D nanofibreux monocomposants en forme de nids d’abeilles grâce à l’utilisation d’un collecteur micro-structuré en nids d’abeilles lors du procédé d’électrospinning. Ces scaffolds ont été développés à partir de deux biopolyesters le poly(ε-caprolactone) (PCL) ou le poly(lactic acid) (PLA). Nous avons prouvé que la morphologie des nanofibres de PCL (distribution bimodale du diamètre des fibres) conduisait à un scaffold présentant un relief beaucoup plus marqué alors qu’avec les fibres de PLA, qui présentent une distribution monomodale du diamètre des fibres, les scaffolds obtenus sont beaucoup plus plats. Nous avons montré qu’il est possible de contrôler l’organisation spatiale de cellules osseuses de type MG-63, des ostéoblastes, en jouant sur le relief et l’architecture du scaffold. Puis, nous avons démontré qu’en couplant la micro-structuration des nanofibres de PCL (par l’utilisation d’un collecteur en nid d’abeilles lors du procédé d’électrospinning) avec les propriétés d’auto-assemblage du PCL, nous pouvions élaborer de nouveaux scaffolds nanofibreux 3D ayant la particularité de présenter des pores de tailles contrôlées ainsi qu’un gradient de porosité dans l’épaisseur du scaffold. Puis nous nous sommes intéressés à l’élaboration de membranes composites micro-structurées 2D et 3D. En couplant le procédé d’électrospinning avec le procédé d’électrospraying sur des collecteur micro-structurés, nous avons démontré que nous pouvions déposer de manière contrôlée les particules spécialement sur les murs des nids d’abeilles grâce notamment à la présence d’une très fine couche de fibres électrospinnées au préalable sur le collecteur. Cette fine couche de nanofibres joue le rôle de « template électrostatique » pour le dépôt des particules. Nous avons ensuite appliqué cette technique pour développer des membranes composites nanofibreuses bicouches à base de nanofibres de PCL et de microparticules d’hydroxyapatite (HA). Ces membranes composées de 21 microarchitectures différentes (barres, plots, hexagones, labyrinthe) ont ensuite été intégrées dans des mini plaques de culture cellulaire, formant ainsi un nouveau type de biopuce, appelés biochips, qui permettent pour le screening des microarchitectures nanofibreuses. Enfin, en combinant simultanément l’électrospinning de nanofibres et l’électrospraying de particules sur des collecteur micro-structurés en nid d’abeilles, des scaffolds composites 3D présentant des pores cylindriques de tailles contrôlées ont été élaborés. / The aim of this thesis was to develop new architectured nanofibrous biomaterials (2D or 3D) using the electrospinning method and to study the influence of these nanofibrous structures on bone cells behaviors. Electrospinning is a technique allowing the production of nanofibers by projecting, under the action of a strong electric field, a polymer solution on a collector. The nanofibers are generally randomly deposited and form mats or scaffolds. These scaffolds are interesting for tissue engineering applications because of their structure mimicking the extracellular matrix of living tissues. However, it has been shown that when the collector is microstructured, it is possible to control the organization of the fibers during their deposition through the local perturbation of the electric field at the vicinity of the surface of the collector. These micropatterned collectors act as "electrostatic templates". First, 2D honeycomb nanofibrous scaffolds were elaborated using micropatterned honeycomb collectors during the electrospinning process. These scaffolds were made either with poly(ε-caprolactone) (PCL) or poly(lactic acid) (PLA). We showed that the morphology of the PCL nanofibers (bimodal distribution of the fiber diameter) led to a scaffold with a strong relief. Despite, with PLA fibers which presented a monomodal distribution of the fiber diameter, the obtained scaffolds were much flatter. It was possible to control the spatial organization of bone-like cells MG-63 (osteoblasts), playing on the relief and the architecture of the scaffold. Subsequently, 3D materials were elaborated using micropatterned collectors in order to open new paths for the development of filling materials for bone regeneration. Microstructuration of PCL nanofibers (by the use of micropatterned honeycomb collector during the electrospinning process) coupled with the self-assembling properties of the PCL lead to the development of new 3D nanofibrous scaffolds, with controlled pore size and porosity gradient in the thickness of the scaffold. Afterwards, micropatterned composite 2D and 3D membranes were elaborated. By coupling the process of electrospinning with the process of electrospraying on micropatterned collector, we demonstrated that we can deposit the particles in a controlled way, especially on the walls of honeycomb patterns thanks to the presence of a thin fiber layer first deposited on the collector. This thin nanofiber layer plays the role of an "electrostatic template" for the particles deposition. Thereafter, this technique was applied to develop bilayers composite nanofibrous membranes containing PCL nanofibers and hydroxyapatite (HA) microparticles. These membranes consisted of 21 different microarchitectures (bars, blocks, hexagons, maze) were then incorporated into a small cell culture plate, thereby forming a new type of biochip for the screening of nanofibrous architectures. Indeed, these biochips allowed the screening of nanofibrous microarchitectures to identify the most relevant for bone regeneration. It turned out that the HA hexagonal structures (with an average diameter of 300 microns) and circular HA structures (with an average diameter of 150 microns) are the structures that enhance the most the mineralization process of bone cells. Finally, by combining simultaneously electrospinning nanofibers and electrospraying particles on micropatterned honeycomb collector, 3D composite scaffolds were elaborated. It was possible to control the size of cylindrical pores of these 3D composite from tens to hundreds of microns by changing the size of the honeycomb patterns of the collector.

Ce travail de thèse a eu pour but de développer des nouvelles sources lasers, oscillateurs et ampli?cateurs, construites autour des ?bres dopées aux ions ytterbium. Ces systèmes lasers génèrent des fortes puissances moyennes. L’oscillateur réalisé délivre des impulsions courtes (<10 ns) avec des énergies de l’ordre du milliJoule. Le système fonctionne à des cadences variables (10-100 kHz) avec un faisceau polarisé, monomode dont la largeur spectrale est inférieure à 0.1 nm. A?n d’avoir de plus fortes puissances crêtes et des impulsions courtes, deux types d’ampli?- cateurs ont été étudiés. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sont en accord avec le modèle numérique développé. Le premier système ampli?e un microlaser émettant à 1064 nm dans une ?bre dopée ytterbium. Des puissances crêtes supérieures à 500 kW ont été obtenues avec des impulsions de l’ordre de la nanoseconde et une cadence comprise entre 1 kHz et 30 kHz. Le second ampli?cateur est construit autour d’un oscillateur à ?bre dopée ytterbium déclenché injecté dans une deuxième ?bre qui constitue l’ampli?cateur. L’originalité de ce système réside dans le cou- plage de deux cavités. Nous avons alors en sortie deux faisceaux cohérents, polarisés, monomode, indépendamment ajustables en énergie. En?n, nous avons utilisé les sources lasers développées, qui présentent des caractéristiques spec- trales, modales, énergétiques adéquats pour effectuer la conversion de fréquence. Des ef?cacités de l’ordre de 64 % et 38 % ont été atteintes respectivement en doublage et en triplage. Les faisceaux en sortie de ces systèmes possèdent des remarquables caractéristiques spatiales et temporelles. / This work presents the development of oscillators and ampli?ers build around new ytterbium rod type ?ber. These ?ber systems generate high average power generation. The oscillator makes it possible to deliver well linearly polarized, almost TEM 00 mode, and millijoule-level nanosecond pulses at a tunable repetition rate (10-100 kHz). The spectral bandwidth was shown to be less than 0.1 nm. To achieve higher peak power and shorter pulses, two types of ampli?ers have been developed and characterized. The experimental results we obtain, do well agree with the numerical simulations we developped. The ?rst system ampli?es in a rod type ?ber the nanosecond pulses yielded by a microlaser working at 1064 nm wavelength injected . Its provides pulses with a high peak power system (500 kW). Its repetition rate was tuned from 1 kHz to 30 kHz. The second ampli?er was built using a Q-switched ytterbium doped ?ber oscillator injected in a second ?ber which acts as ampli?er. In this original system the two cavities are coupled. It delivers two nanosecond pulses that are coherent, polarized, almost TEM00 single mode beams and that can have independently tunable pulse energies. We have shown that these oscillators and ampli?ers can be easily doubled and tripled in fre- quency. Very high ef?ciency of about 64 % and 38 % have been achieved respectively at 2? and 3?. These outputs have been to have remarquable spatial and temporal characteristics.

Actuellement, il est largement reconnu que la décision des cellules souches de maintenir leur caractère souche ou se différencier vers une lignée spécialisée dépend particulièrement de la nature de leur microenvironnement, appelé niche cellulaire. Une des composantes essentielles de cette niche cellulaire est la matrice extracellulaire (MEC), qui au-delà de sa fonction de support cellulaire, détermine le devenir des cellules souches en fonction de sa composition biochimique, sa structure et sa localisation. D’un point de vue rationnel, un biomatériau destiné à remplacer la fonction d’un tissu endommagé doit non seulement jouer le rôle d’échafaudage cellulaire mais également mimer les propriétés de la MEC dans son ensemble. Malheureusement, il est extrêmement difficile de concevoir des biomatériaux mimétiques de la MEC naturelle tenant compte de sa complexité structurelle et fonctionnelle. Pour pallier à cette problématique, il semble nécessaire d’effectuer un travail en amont de déconstruction/reconstruction de la complexité de la MEC en étudiant l’effet individuel puis combiné de ses propriétés sur la différenciation des cellules souches. Ce projet de doctorat rentre dans le cadre de ce travail et vise à déterminer le rôle spécifique ou concomitant de différentes propriétés inhérentes à la MEC sur la différenciation ostéoblastique des cellules souches mésenchymateuses humaines (hCSMs). En effet, nous avons évalué l’effet de la composition biochimique de la MEC et la distribution spatiale des ligands sur la différenciation des hCSMs, en fonctionnalisant la surface d’un matériau modèle avec les peptides RGD et/ou BMP-2, distribués d’une manière aléatoire ou structurée. / Actually, it is well-established that maintaining the stemness character of stem cells or eliciting their lineage-specific differentiation is closely related to the nature of their microenvironment, known as stem cell niche. The extracellular matrix (ECM), a key component of stem cell niche, not only provides a support function for stem cells but also dictates their fate decision. From a rational point of view, a biomaterial intended to replace a damaged tissue should mimic the natural ECM in all its aspects, including its biochemistry, 3D structure, topography, porosity, rigidity…. etc. Unfortunately, the design of biomaterials that fully mimic the natural ECM is still a big challenge, due to its high structural and functional complexity. Towards the development of finely-tuned biomaterials, it seems important to start by deconstructing and then reconstructing the complexity of the ECM. In this context, the thesis project, herein, seeks to evaluate both the individual and the synergistic effect of different properties inherent to the natural ECM on human mesenchymal stem cells (hMSCs) osteogenic differentiation. Indeed, we investigated whether the biochemical composition of the ECM and the spatial distribution of its components modulate hMSCs osteogenesis. This was achieved by creating different artificial ECMs, in vitro, containing RGD and/or BMP-2 mimetic peptides, distributed randomly or as specific micropatterns on the surface of a model material.