La mise au point de formulation permettant la vectorisation de principes actifs est primordiale afin d'augmenter l'efficacité de délivrance de médicaments à travers les barrières biologiques. Pour cela, des cyclodextrines amphiphiles ayant la capacité de former des nanoparticules et d'encapsuler des principes actifs ont été synthétisées suivant une voie de synthèse convergente permettant l'accès à de grandes quantités de produits finaux avec une pureté excellente. Leur toxicité à l'égard des membranes biologiques et leur capacité de transport ont été évalués en utilisant un modèle in vitro de la Barrière Hémato-Encéphalique (BHE). La BHE constitue un modèle de choix car c'est une barrière biologique très sélective ne laissant passer que très peu de principes actifs dont l'Atazanavir choisi pour cette étude. La librairie de Phosphoramidyls Cyclodextrines synthétisée a permis de réaliser une étude quant à l'influence de la structure de la molécule sur les propriétés tensioactives, d'encapsulation ou encore d'interaction avec des membranes biomimétiques. Cette étude a permis de sélectionner deux composés ayant montrés de bonnes capacités à interagir avec les membranes biomimétiques et ils ont montré leur capacité à faire de la délivrance de médicaments en internalisant l'Atazanavir dans les cellules endothéliales de la BHE / The development of formulation allowing the drug delivery is essential to increase the efficiency of drugs through the biological barriers. For that purpose, amphiphilic cyclodextrins having the capacity to form nanoparticles and entrap active principles was synthesized according to a way of convergent synthesis allowing the access to big quantities of final products with an excellent purity. Their toxicity towards the biological membranes and their transport capacity were estimated using an in vitro model of the Blood Brain Barrier (BBB). The BBB constitutes a model of choice because it is a very selective biological barrier allowing to pass only very few active principles of which Atazanavir chosen for this study. The library of synthesized Phosphoramidyls Cyclodextrins allowed realizing a study as for the influence of the structure on the surfactant properties, the entrapment or still the interaction with biomimetic membranes. This study allowed selecting two compounds having shown of good abilities to interact with the biomimetic membranes and they showed their capacity to make some delivery of medicine by internalizing Atazanavir in endothelial cells of the BBB

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur la synthèse et à l'étude physico-chimique et biologique de nouveaux tensioactifs fluorés pour la conception de vecteurs non-viraux ayant un intérêt dans le domaine de l'interférence ARN. Dans un premier temps, en se basant sur l'expérience du laboratoire et sur l'étude des vecteurs existants, nous avons proposé un design moléculaire pour la synthèse d'amphiphiles bicaténaires géminis et monocaténaires. La synthèse a été réalisée par des méthodes simples et offre de bons rendements. Les tensioactifs préparés comportent des chaines grasses fluorées pour leurs propriétés spécifiques et des motifs polyaminés ou oxyéthylènique comme partie polaire. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux propriétés physico-chimiques de ces familles de molécules. Les tensioactifs géminis sont insolubles dans l'eau et forment des monocouches de Langmuir stables à l'interface air/eau. L'étude de ces monocouches révèle que l'organisation à l'interface est fortement dépendante du bras espaceur entre les deux chaines grasses fluorées. Les molécules monocaténaires quant à elles sont solubles dans l'eau, montrent une forte activité de surface et forment spontanément des vésicules en solution. Nous avons ensuite étudié l'interaction entre les produits synthétisés et un petit monobrin d'ADN de 23 bases. Une interaction relativement forte a été mise en évidence pour la plupart des molécules et nous avons essayé de relier la structure de ces molécules aux propriétés physico-chimiques et biologiques observées. Enfin, des tests préliminaires de viabilité cellulaire ont été effectués sur des cellules issues de poumon humain et montrent une bonne viabilité cellulaire pour des concentrations d'utilisation clinique classiques et une bonne stabilité dans le temps. Ces travaux laissent entrevoir un bon potentiel de vectorisation pour ces tensioactifs fluorés mais cela nécessite encore des études complémentaires comme la caractérisation complète des complexes formés avec l'ADN ainsi que des tests de toxicité cellulaire avant le moindre essai de transfection. / The work presented in this paper focus on the synthesis and characterization of physico-chemical properties of original fluorocarbon surfactants for obtaining nanovectors models to determine the qualifications required for efficient transport of oligonucleotides in the field of RNA interference. Building on the extensive work reported in the literature and the laboratory expertise in the field of fluorinated amphiphiles, we are interested in the synthesis of two major families of compounds. One corresponds to compounds of Géminis type with two fluorocarbon chains, two polar head groups derived from carboxylic acids and an oxyethylene or polyamine spacer arm. The structure of these compounds is conducive to the formation of stable Langmuir films that used to study interactions with the oligonucleotide. The second family corresponds to monocatenar counterparts who spontaneously self-assembled in vesicles, that is to say 3D models nanovectors. The characterization of the behavior at the air / water interface or in solution of these different molecules in the presence and absence of oligonucleotide allowed us to establish a number of relationships between molecular structure, physicochemical properties and complexation of the oligonucleotide. Preliminary tests of cell viability were performed on cells from human lung and have shown good cell viability at conventional clinical used concentrations and good stability over time. These studies suggest good potential for vectorization of these fluorinated surfactants but that still requires further study as the full characterization of complexes formed with DNA as well as tests for toxicity before testing cell transfection.

Les membranes biologiques jouent un rôle essentiel dans la vie cellulaire. Afin d’étudier leur comportement et leurs interactions avec des molécules, des modèles de monocouches lipidiques ont été développés. Leur compression sur balance de Langmuir permet d’obtenir une isotherme pression de surface-aire moléculaire permettant de caractériser notamment les transitions de phase et le comportement interfacial des monocouches. Seules les études de simulations de dynamique moléculaire permettent d’obtenir les propriétés structurales des lipides organisés en monocouche à l’échelle atomique. Nous avons modélisé une monocouche de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC), phospholipides majoritaires des membranes, puis réalisé une série de dynamiques moléculaires à différentes tensions de surface en utilisant GROMACS et le champ de force tout atome GAFF. Une isotherme de compression de POPC a été obtenue pour la première fois par simulation de dynamique moléculaire. L’analyse structurale des POPC a mis en évidence des variations conformationelles avec l’augmentation de la pression ainsi qu'une distribution bimodale de l’orientation des têtes polaires. L’analyse des angles dièdres a permis d’identifier les torsions responsables de cette flexibilité. Un comportement indépendant des chaînes hydrophobes a été observé et corrélé à un assemblage préférentiel des chaînes oléoyle d’une part et palmitoyle d’autre part. La connaissance des propriétés structurales et organisationnelles des monocouches de POPC est essentielle à la caractérisation des interactions mises en jeu dans la cohésion des films lipidiques et fournit une base à l’étude de leur perturbation par des molécules. / Biomembranes play an essential role in many relevant processes in cellular biology. In order to gain insight into their behaviour and interactions with molecules, models such as lipid monolayers have been developed. Monolayer compression on Langmuir trough provides surface pressure – molecular area isotherms, and allows characterisation of phase and interfacial properties of the monolayer. Such a characterisation can be completed by atomistic study of the monolayer phospholipids and molecular interactions from molecular dynamic simulations. Our work is focused on 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), a lipid comprising a saturated and an unsaturated acyl chain, major lipids in eukaryotic cell membranes. We performed MD simulations at 293 K and 300 K at different surface pressures using the all-atom general amber force field (GAFF). Simulated surface pressure-area isotherms were obtained for the first time, and a good agreement was found with experimental isotherms. Based on the structural analyses, two orientations of the head groups clearly appear. We propose that the conformational variations around the bonds connecting the phosphorus atom to the adjacent oxygen are involved in these specific orientations. Both acyl chains have distinct structural properties upon compression and suggest an independent behavior of the saturated and unsaturated chains that could be correlated with the formation of chain-type clusters observed along the simulated trajectories. Molecular insight in structural properties of POPC monolayer provides essential clues for the study of membrane-molecule interaction.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la spintronique moléculaire. Elle s’intéresse plus précisément aux nouvelles opportunités de façonnage de la polarisation de spin qui découlent de l'hybridation métal ferromagnétique/molécule à l'interface : le nouveau concept de « spinterface ».Dans une première partie nous présentons l’étude de nanojonctions tunnel magnétiques à base de monocouches auto-assemblées (SAMs). Ce système est un des plus prometteur dans l’optique de moduler les propriétés des dispositifs de spintronique par ingénierie chimique, tel un LEGO moléculaire. Nous y présentons la fonctionnalisation de la manganite demi-métallique (La,Sr)MnO3 (LSMO) avec des SAMs d’acides alkylphosphoniques et la fabrication de nanojonctions LSMO/SAMs/Co avec une surface de quelque 10 nm2. Une magnétorésistance de 30% à 50% est observée dans la majorité des dispositifs avec une magnétorésistance tunnel (TMR) jusqu'à 250 % à basse température. Un point remarquable est aussi le comportement très robuste du signal avec la tension: environ 20% de TMR est encore observée au-dessus d’une tension de 1 V. L'influence de la longueur de la chaîne moléculaire a été aussi étudiée et représente un premier pas vers la modulation des dispositifs au niveau moléculaire. Dans une deuxième partie nous présentons l’étude des dispositifs organiques à base de métaux ferromagnétiques à haute TC (température de Curie) et semi-conducteurs organiques. Nous avons réalisé des vannes de spin de Co/Alq3/Co avec des sections de 50 ou 100 µm et fabriquées in-situ par « shadow mask ». Des mesures à température ambiante ont permis d’observer -4% de magnétorésistance (MR) dans une vanne de spin Co/Alq3/Co et +8% MR dans une vanne de spin de Co/MgO/Alq3/Co. Le rôle des deux interfaces sur les propriétés de polarisation de spin des dispositifs est aussi étudié et détaillé. Une forte hybridation métal/molécule dépendant du spin à l'interface inferieure de Co/Alq3, présentant un effet de spinterface (inversion de la polarisation en spin), est observée. Ces études montrent que les effets de spinterface, comme l’inversion de la polarisation de spin, peuvent persister dans un dispositif jusqu’à température ambiante. / This thesis targets the field of molecular spintronics and more particularly the new spin polarization tailoring opportunities, unachievable with inorganic materials, which arise from the ferromagnetic metal/molecule hybridization at the interface.: the new concept of Spinterface.In a first part we investigate Self-Assembled Monolayers (SAMs) based magnetic tunnel nanojunctions. This system appears to be a highly promising candidate to engineer the properties of spintronics devices at the molecular level since SAMs are the equivalent of a molecular LEGO building unit. We present the functionalization of the half-metallic manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO) with alkyl phosphonic acids SAMs and the fabrication of LSMO/SAMs/Co magnetic tunnel nanojunctions with an area of few 10 nm2. MR of 30% to 50% is observed in most of the devices, while we report even up to 250% tunnel magnetoresistance (TMR) at low temperature. The most striking point is the robustness of the signal with bias voltage with still 20% TMR observed in the volt range. The influence of the molecular chain length is also investigated and represents a first step towards achieving molecular tailoring.In a second part we develop organic spintronics devices relying on high Curie temperature metallic ferromagnetic electrodes and standard organic semiconductor such as Co/Alq3/Co organic spin valves (OSVs). Junctions have a large area (section of 50 or 100 µm) and are fabricated in-situ by shadow mask. Magnetoresistance (MR) effects at room temperature are investigated with -4% MR observed in Co/Alq3/Co OSVs and +8% MR in Co/MgO/Alq3/Co OSVs. The role of the two interfaces on the spin polarization properties of the devices is also investigated. A stronger spin-dependent hybridization is found to occur at the bottom Co/Alq3 interface inverting the spin polarization on the first molecular layer. The observation of spin polarization inversion at room temperature demonstrates that spinterface effects can strive up to room temperature.

Les procédés lithographiques sont de nos jours très utilisés au sein de l’industrie de la microélectronique pour réaliser des matériaux fonctionnels de taille nanométrique. L’obtention de composants de taille de plus en petite (<100 nm) nécessite la mise en œuvre de nouveaux procédés de fabrication. Les travaux de recherches réalisés dans cette thèse portent sur l’étude d’un nouveau concept de lithographie par microcopie à force atomique (AFM). L'objectif principal est d'utiliser la pointe d’un AFM comme outil pour promouvoir des réactions catalysées sur une zone bien définie d’une surface greffée. De cette manière, diverses molécules ont pu être greffées sélectivement et spatialement pour conduire à des objets finis en 3 dimensions. Afin de mieux comprendre le mécanisme réactionnel, différents paramètres physico-chimiques ont été étudiés dans la première partie : vitesse de balayage de la pointe, force appliquée, distance interligne lors de la gravure du motif, largeur de lignes limites, durée de vie de la pointe catalytique et influence de la flexibilité du catalyseur présent sur la pointe. La deuxième partie consiste à la réalisation de nanostructures avec des molécules aux propriétés physico-chimiques particulières (optique, électrique, catalytique) ainsi qu’à la construction de nanostructures tridimensionnelles. Quelques résultats marquants sont l’obtention d’une largeur de ligne limite de 25 nm, d’une surface de greffage minimum de 480 µm² et d’une structure de forme pyramidale composée de trois niveaux moléculaires distincts. / Lithography processes are widely used in the microelectronics industry for the realization of functional materials of nanometric size. To obtain components increasingly small (<100 nm) the development of new manufacturing processes is requires. The research presented in this thesis concerns the study of a new concept of lithography by Atomic Force Microscopy (AFM). The main objective is to use the tip of an AFM as a tool to promote catalysed reactions on a well defined zone of a grafted surface. In this way, diverse molecules could be grafted selectively and spatially to form three dimensioned objects. To better understand the reaction mechanism, different physico-chemical parameters were studied in the first part: the scanning speed of the tip, the strength applied, the interline spacing during the engraving pattern, the width lines limits, the life time of the catalytic tip and the influence of the catalyst flexibility coated to the tip. The second part consists in the realization of nanostructures with molecules that have particular physico-chemical properties (optical, electric, catalytic) and the construction of three-dimensional nanostructures. Some pertinent results are the achievement of line width of 25 nm, a minimum grafted surface of 480 µm² and the formation of a structure of pyramidal shape constituted of three different molecular levels.

Les mouvements cellulaires collectifs jouent un rôle fondamental dans de nombreux phénomènes biologiques (développement, régénération, cancer, etc.). Pour autant, les mécanismes régissant ces mouvements sont toujours mal connus. Nous nous proposons dans cette thèse d'étudier deux situations expérimentales mettant en jeu ces mouvements dans des monocouches cellulaires.Nous nous intéressons en premier lieu à des cellules HBEC, épithéliales mais peu cohésives. On calcule par PIV (vélocimétrie par images de particules) le champ de vitesse dans des populations de cellules déposées de manière homogène sur le substrat. On observe un ralentissement des mouvements et une progression non monotone de leur corrélation spatiale en fonction du temps. La combinaison de nos expériences, d'un modèle analytique et de simulations nous permet de conclure que cette évolution est la signature d'une transition de jamming contrôlée par la vitesse et que le ralentissement est dû à une maturation des jonctions cellule-cellule et des adhésions cellules-substrat.Nous étudions ensuite la compétition pour l'espace entre deux lignées HEK-HT, l'une normale et l'autre transformée par une mutation oncogénique RasV12. On dépose face à face les deux populations, porteuses d'un fluorophore différent, séparées par une bande de substrat libre pour les faire migrer l'une vers l'autre. On combine l’analyse des images de fluorescence aux techniques de PIV pour étudier la dynamique des deux fronts de population. Après contact et malgré un certain mélange des deux types, les monocouches forment une interface relativement bien définie qui se déplace dans le sens d'avancée du type transformé. / Collective cellular motion plays a fundamental role in several biological phenomena: development, regeneration, cancer, etc. However, the mechanisms behind this motion are still poorly understood. In this thesis, we study two experimental situations involving collective motion in cellular monolayers.We first look at HBEC cells, which are epithelial but weakly cohesive. Using particle image velocimetry (PIV), we monitor the velocity field in populations of cells homogeneously seeded on the susbtrate. We observe a slowdown in the cellular motion as its spatial correlation non-monotonically changes with time. Combining our experiments with an analytical model and simulations allows us to conclude that the system undergoes a jamming transition with speed as the main control parameter. We also show that the observed slowdown is a consequence of the maturation of cell-cell junctions and cell-substrate adhesions.We then study the competition for space between two HEK-HT cell lines, one being normal and the other being transformed by an oncogenic RasV12 mutation. The two fluorescently-labeled populations are set to migrate antagonistically towards an in-between stripe of free substrate. Through analysis of the fluorescence images and PIV methods, we study the dynamics of both population fronts. After contact, even though the two types mix to a certain extent, we observe a relatively well-defined interface, which moves towards the normal population.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne l'étude de la réactivité de surface par mesures d'angles de contact. D'un point de vue fondamental, la description des phénomènes de mouillabilité repose essentiellement sur la compréhension de la nature des interactions entre une surface et un liquide. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'élaboration de surfaces texturées rugueuses. La rugosité étant un paramètre clé qui amplifie la mouillabilité d'une surface. Dans la première partie, nous avons préparé des polymères formés d'un mélange de polychlorure de vinyle et d'acide laurique. Puis, ces films sont rendus rugueux en y incorporant des billes d'aérosil. Dans les deux cas, nous avons déterminé la valeur de la constante d'acidité et cela à partir d'un modèle thermodynamique simple. Mais, l'inconvénient de ce type de surface réside dans le fait qu'il n'est pas aisé d'en modifier la morphologie ni de la contrôler. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à des matériaux dont la rugosité peut être facilement contrôlée. Pour cela, nous avons choisi l'oxyde de zinc (ZnO). Nous avons opté pour l'électrodépôt comme voie de synthèse. Différentes morphologies de ZnO sont obtenues comme les nanocolonnes et les nanotiges. La mouillabilité de ces films est facilement modifiable en adoptant la voie ascendante et cela en fixant des molécules organiques telles que l'octadécylsilane ou des acides gras. Des mesures d'angles de contact ont été effectuées sur ces couches auto-assemblées et interprétées en fonction de la molécule choisie. Nous avons ainsi réussi à préparer des surfaces superhydrophobes en fonctionnalisant les nanotiges par l'acide stéarique, un angle de contact de 176° est atteint, cette valeur est la plus élevée jamais rapportée sur de l'oxyde de zinc. L'étude a été étendue sur d'autres molécules notamment à caractère redox contenant un dérivé du ferrocène. Les films de ZnO modifiés sont caractérisés par électrochimie et électromouillage. Cette étude ouvre la porte à de nouvelles applications du ZnO notamment dans le domaine des capteurs électrochimiques et/ou biologiques.

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux systèmes conjugués linéaires de la famille des oligothiophènes, aptes à former des monocouches sur l'or avec des perspectives d'applications en électronique moléculaire.<br />Le premier chapitre bibliographique est consacré à une description des monocouches auto-assemblées (SAMs) et à quelques exemples d'application.<br />Les deuxième et troisième chapitres sont relatifs à la synthèse de dérivés du 2,2'-bithiophène pour l'élaboration de SAMs sur l'or. Un dérivé bithiophène constitué d'un motif 3,4-éthylènedioxythiophène a conduit à la formation de SAMs parfaitement organisées. Ce résultat ainsi que la diminution du potentiel d'oxydation et l'augmentation de la réactivité du dérivé bithiophène associées à la présence du motif 3,4-éthylènedioxythiophène permettent d'électropolymériser les SAMs correspondantes de façon efficace. Une méthodologie de synthèse a ensuite été développée pour la préparation de dérivés du 2,2'-bithiophène substitués par deux groupes thiolate différemment protégés. Ces composés ont été utilisés pour préparer des monocouches dont la structure a pu être modifiée a posteriori par voie chimique ou électrochimique.<br />Les deux derniers chapitres de ce travail portent essentiellement sur la synthèse de quaterthiophènes mono- et dithiol, leur caractérisation et leur immobilisation sur l'or. Les dérivés dithiol conduisent après oxydation électrochimique en solution à la formation de polydisulfure et leur double accroche sur l'or permet d'obtenir des monocouches très stables. Enfin, des quaterthiophènes dithiol substitués par divers groupes fonctionnels (chaînes polyéther ou ferrocène) ont été synthétisés, caractérisés en solution puis immobilisés sous forme de monocouches sur l'or. Selon les cas, ces dernières présentent des propriétés de complexation des ions Pb2+ ou offrent la possibilité d'être fonctionnalisées.

Cette thèse résume les connaissances acquises au cours de quatre années de recherches interdisciplinaires centrées sur des études de composés organiques et de biomatériaux, en vue d’applications bio- et nano-technologiques. Les systèmes sélectionnés ont ainsi révélé leurs secrets, grâce à l'utilisation des microscopies à effet tunnel à balayage (S.T.M.) et à force atomique (A.F.M.). Dans une première partie, nous développons les bases théoriques et expérimentales nécessaires à la bonne réalisation et interprétation d’images S.T.M. et A.F.M. Les différents modes d’utilisation y sont détaillés avec précision. La seconde partie présente les résultats obtenus sur différents systèmes. Celle-ci est divisée en quatre chapitres. Le premier est relatif aux monocouches auto-assemblées. Ces dépôts moléculaires fortement organisés peuvent être constitués de molécules physisorbées ou chimisorbées. Toutes deux ont été soumises à investigation. Dans le cadre de couches physisorbées, l’utilisation de la technique totalement révolutionnaire des pointes S.T.M. modifiées chimiquement a permis l’identification de la position et de l’orientation de groupements fonctionnels au sein des couches moléculaires. Nous nous sommes ensuite attardé sur l’influence du groupement lié au substrat pour des molécules chimisorbées. L’étude de matériaux organiques ne pouvait se faire sans parler d’A.D.N. Son importance fondamentale, ainsi que l’espoir énorme qu’engendre sa manipulation ont attisé notre curiosité. En particulier, nous nous sommes focalisé sur la caractérisation de transporteurs de gènes au cœur des cellules, dans notre cas, des condensats réalisés à partir d’A.D.N. et de polymère. Ensuite, nous nous sommes tourné vers les biomatériaux. Un chapitre entier traite en effet des implants métalliques. La croissance d’apatite en surface de ces implants, réalisés en oxyde de tantale, surmontés de différentes couches intermédiaires, a été analysée. L’influence des propriétés des couches intermédiaires sur la vitesse de croissance de l’apatite a plus spécifiquement retenu notre attention. Les derniers composés étudiés ont été sélectionnés pour leur utilisation potentielle au sein de systèmes biotechnologiques (capteurs solaires et/ou biologiques). Parmi ceux-ci figurent des couches de porphyrines (PPIX, ZnPPIX et TPD) sur des substrats métalliques, pouvant représenter les prémices de capteurs solaires. Des capteurs biologiques peuvent actuellement également être obtenus par le dépôt de protéines (la protéine fluorescente verte, en particulier) sur des substrats métalliques. La conservation de leurs propriétés après adsorption restant difficile à vérifier sans avoir d’informations complémentaires sur leur assemblage, nous nous y sommes intéressés. Pour terminer, nous montrerons, par spectroscopie de force, une mesure de l’interaction entre deux biomolécules, à savoir la biotine et l’avidine.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu.