Nous visons dans ce travail de thèse à développer une méthodologie de fonctionnalisation par chimie click des silices hybrides synthétisées par voie sol-gel. La réaction click de cycloaddition azoture-alcyne catalysée au cuivre (CuAAC) offre une tolérance exceptionnelle pour les fonctions organiques en plus de conversions très élevées. Dans cette optique, nous avons mis en œuvre en premier lieu des matériaux clickables à base d'organosilice pure (organosilice à mésoporosité périodique (PMO) et silsesquioxanes pontés (BS)) qui ont permis une conversion quasi-quantitative de greffage par CuAAC. Nous avons ensuite utilisé cette particularité pour contrôler les propriétés de surface des BS en modifiant leur caractère hydrophile/lipophile. Dans le second axe de travail, nous nous sommes intéressés à l'apport de la chimie click pour la préparation de nanoparticules mésoporeuses de silice multifonctionnelles, dites mécanisées, pour des systèmes à délivrance contrôlée de principes actifs. / The present work aims to develop a trustful methodology of functionalization for hybrid silica materials made by the sol-gel process using the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC)Click reaction. This transformation can be highly useful in materials science thanks to its high conversions and the excellent functional group tolerance. In this prospect, we have synthesized fully clickable bridged silisesquioxanes and periodic mesoporous organosilica that show high extents of click grafting. CuAAC was then used for tailoring the surface of bridged silsesquioxane and fine-tuning the hydrophilic/lipophilic balance. Finally, the click reaction was used as an efficient way to obtain multiply functionalized mesoporous silica nanoparticles in order to make nanomachines for controlled delivery of cargo molecules.

Notre équipe a optimisé la formulation de dispositifs médicaux implantables pour l’ingénierie tissulaire osseuse et cartilagineuse. A ces fins, nous nous sommes basés sur des implants nanostructurés d’origine naturelle ou synthétique conçus au sein du laboratoire par la méthode d’électrospinning, pour imiter la matrice extracellulaire du compartiment osseux, et un hydrogel composé d’alginate et d’acide hyaluronique imitant la composition du compartiment cartilagineux. Dans une première partie de mon travail, pour la régénération osseuse, nous avons optimisé la formulation d’un implant nanostructuré à base de chitosane pour une accélération de cette régénération. Ceci a été possible en rendant actif ce dispositif médical implantable par incorporation de nanoparticules de silice, conférant à la construction nanocomposite des propriétés mécaniques accrues, et une excellente biocompatibilité avec le tissu hôte. Une autre étude pour la même visée a permis d’élaborer une nouvelle stratégie d’ensemencement de dispositif implantable synthétique et nanostructuré par des microtissus cellulaires, remplaçant un ensemencement de cellules isolées et permettant des performances de minéralisation accrues à l’intérieur de l’implant. Dans un deuxième temps, pour la régénération de l’unité ostéoarticulaire, nous avons proposé deux implants bi-compartimentés et hybrides comportant des microtissus de cellules souches mésenchymateuses. Ces implants sont composés d’un hydrogel contenant les cellules souches permettant la régénération du cartilage, et d’une membrane collagénique naturelle (Bio-Gide®) ou synthétique (membrane de polycaprolactone), dotée de nanoréservoirs (technologie brevetée par le laboratoire) de facteur de croissance ostéogénique (BMP-7) pour une régénération du socle osseux (os sous-chondral) de l’unité os-cartilage. La troisième partie de mon travail a concerné la vascularisation des implants osseux et particulièrement l’accélération du recrutement vasculaire. Dans ce cadre plus vasculaire, nous avons proposé une stratégie qui vise à doter un implant synthétique nanostructuré de facteur de croissance angiogénique (VEGF), puis à lui appliquer un ensemencement séquentiel de cellules mésenchymateuses adultes « ostéoblastes humains» et de cellules endothéliales humaines (HUVECs). Cette stratégie a permis un recrutement et une hiérarchisation accrue des cellules endothéliales dans l’implant. En conclusion, l’optimisation des implants développés au laboratoire permettra sans nul doute de proposer dans un futur proche de nouveaux dispositifs médicaux implantables (DMI) thérapeutique combinés de type DMI-MTI (Médicaments de Thérapie Innovante) pour l’ingénierie tissulaire osseuse et cartilagineuse en particulier en médecine régénérative ostéo-articulaire. / Our team optimized the formulation of implantable medical devices for bone and cartilage tissue engineering. To that end, we based our work on nanostructured implants, either natural or synthetic, made in the laboratory by electrospinning process, to mimic bone extracellular matrix, and hydrogel of alginate/hyaluronic acid to mimic cartilage extracellular matrix. First, concerning bone regeneration, we optimized the formulation of a nanostructured scaffold composed of natural chitosan to enhance bone regeneration. This was made possible by doping this implantable medical device with silica nanoparticles, offering this nanocomposite better mechanical properties, and excellent biocompatibility with host tissue. Another study with the same aim allowed elaborating a new cell seeding strategy, to seed these implantable medical devices with cell microtissues instead of single cells, offering higher mineralisation efficiencies within the implant. Consequently, for the regeneration of the osteochondral unit, we proposed two compartmented and hybrid implants comprising mesenchymal stem cells microtissues. Those implants are made of a hydrogel containing the stem cells, allowing the regeneration of cartilage, and a membrane, either natural (collagenic Bio-Gide®) or synthetic (electrospun polycaprolactone) equipped with nanoreservoirs (technology patented by the laboratory) of osteogenic growth factor (BMP-7) for the regeneration of osseous stand (the subchondral bone) of the bone-cartilage unit. Finally, to study the improvement in vascular recruitment, we proposed a new strategy combining the modification of an implantable device with angiogenic growth factor (VEGF), prior to its sequential seeding with mesenchymal cells “human osteoblasts” and human endothelial cells (HUVECs). This strategy allowed higher recruitment and structuration of endothelial cells within the implant. To conclude, the implant optimisation strategies developed in the laboratory will certainly allow proposing in the near future new combined Advanced Therapy Medicinal Products (ATMPs) and Implantable Medical Device for bone and cartilage regeneration, in particular in the field of osteoarticular regenerative nanomedicine.

Les travaux décrits dans ce manuscrit portent sur l’étude de nanostructures obtenues par auto-assemblages d’amphiphiles diacétyléniques polymérisables. Essentiellement deux familles de composés ont été étudiées (micelles sphériques et rubans en bicouches) et valorisées, d'une part, pour des applications biomédicales et, d’autre part, pour la catalyse. Dans un premier temps, des micelles cationiques polymérisées assemblées à partir d’amphiphiles diacétyléniques sont synthétisées. Ces micelles ont été valorisées pour la prise en charge et la transfection d’ARN interférents in vitro. Ensuite, un catalyseur micellaire « biocompatible » incorporant du cuivre a été développé pour promouvoir des transformations chimiques in vitro. Nos études ont ainsi porté sur la réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen que nous avons mise en œuvre dans le compartiment intracellulaire. Enfin, nous nous intéressons à la synthèse et à la formulation d’amphiphiles diacétyléniques en architectures supramoléculaires qui ont été utilisées pour la catalyse asymétrique et semi-hétérogène de la réaction d'aldolisation. / The work described in this manuscript focuses on the study of nanostructures obtained by self-assembly of polymerizable diacetylenic amphiphiles. Two families of compounds have been studied (spherical micelles and bilayer ribbons) and used for biomedical applications on the one hand and for catalysis on the other. At first, polymerized cationic micelles assembled from diacetylenic amphiphiles are synthesized. These micelles were valorized for the transfection of small interfering RNAs in vitro. Then a "biocompatible" micellar catalyst incorporating copper was developed to promote in vitro chemical transformations. Our studies focused on the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition that we implemented in the intracellular compartment. Finally, we are interested in the synthesis and formulation of supramolecular architectures from diacetylenic amphiphiles. These systems have been used for the asymmetric and semi-heterogeneous catalysis of the aldol reaction.

Résumé : Dans le secteur médical, la nanovectorisation ciblée (NVC) est susceptible de lever de nombreux verrous technologiques en matière de traitements médicaux. L’absence d’une démarche axée sur les impacts possibles, l’acceptation et l’acceptabilité de la NVC pourrait toutefois conduire à un manque d’adéquation entre les applications développées et les besoins et valeurs des utilisateurs, freinant ultimement leur déploiement. Sur la base d’un modèle interdisciplinaire d’analyse d’impact et d’acceptabilité, les variables de perception des impacts, d’acceptation d’acceptabilité ont été opérationnalisées et étudiées au regard de la nature du nanovecteur, du contexte d’usage clinique et de la culture disciplinaire et sociale des répondants. L’exploration des impacts perçus, mobilisés et pondérés sur un ensemble d’enjeux éthiques, économiques, environnementaux, légaux et sociaux (E[indice supérieur 3]LS) a permis d’établir un premier portrait de l’acceptabilité de cette application. Une approche descriptive-exploratoire fondée sur un devis mixte avec triangulation séquentielle des données a été employée. Les données ont été collectées en deux phases, d’abord par le biais d’un questionnaire en ligne (n=214), puis par des entrevues individuelles semi-dirigées (n=22). Une recension des scientifiques actifs du secteur des technologies émergentes œuvrant en sciences naturelles et ingénierie ainsi qu’en sciences humaines et sociales a permis de former l’échantillon final composé de chercheurs Français et Québécois. L’opérationnalisation du cadre de référence a permis de montrer l’importance de distinguer le dispositif et les usages lors de la formulation du jugement d’acceptabilité, relevant parallèlement une influence du contexte d’usage sur l’acceptabilité des applications de NVC. Des variations disciplinaires et sociales quant aux jugements d’acceptabilité ont aussi été soulevées, soulignant des sensibilités culturelles relativement aux éléments mobilisés dans le jugement d’acceptabilité. Ces distinctions relatives à la manière d’appréhender la NVC invitent à dépasser les approches traditionnelles d’acceptation technologiques et à converger vers une approche d’acceptabilité axée sur les impacts perçus et valorisés relativement à un ensemble d’enjeux E[indice supérieur 3]LS. Les résultats des deux phases de l’étude ont aussi montré que l’opérationnalisation du cadre théorique de référence était adéquate pour arriver à cette fin. Ultimement, afin de prendre en compte et de comprendre l’étendue possible des impacts perçus et valorisés dans le jugement d’acceptabilité de l’ensemble des acteurs concernés par les nouvelles applications nanomédicales, l’élaboration de ces applications bénéficierait à employer une telle approche et à l’intégrer aux processus de développement technologique. / Abstract : In many medical fields, nanocarrier-based targeted drug-delivery (TDD) is likely to remove many technical obstacles regarding treatment. The lack of an approach based on variables such as potential impacts, acceptance, and acceptability could however lead to a mismatch between TDD applications being developed and users’ needs and values; this mismatch could ultimately hold back their deployment. Based on an interdisciplinary approach for the analysis of impact and acceptability of emerging technologies, three main concepts of a new theoretical framework—perceived impacts, acceptance, and acceptability—have been operationalized. This operationalisation has been studied in the light of several variables, namely the nature of the nanocarrier, the clinical context of use, and the disciplinary and social culture of the respondents. An exploration of the impacts perceived, mobilized and weighted, based on a set of ethical, economic, environmental, legal and social (E[superscript 3]LS) issues allowed to establish a first portrait of the acceptability of this application. A descriptive-exploratory approach based on a mixed-methods design with sequential data triangulation was used. The data were collected in two phases, first through an online questionnaire (n = 214), and then through semi-structured individual interviews (n = 22). The final sample was composed of French and French-Canadian researchers involved in themes related to emerging technologies, all from natural sciences and engineering or from humanities and social sciences. The operationalisation of the theoretical framework highlighted the importance of distinguishing the device and the uses when formulating the acceptability judgment, revealing also the influence of the context of use on the acceptability of TDD applications. Disciplinary and social variations related to acceptability judgments were also raised, highlighting possible cultural sensitivities regarding elements mobilized in those acceptability judgments. These distinctions on how are apprehended TDD applications invite to go beyond traditional approaches of technology acceptance and to converge toward approaches of acceptability; those approaches also need to integrate how impacts on E[superscript 3]LS issues are perceived and weighted. The results of both phases of the study also showed that the operationalization of the theoretical framework was adequate to achieve that end. Ultimately, in order to figure and to understand the broad spectrum of possible impacts that may be perceived and valued in the acceptability judgment of stakeholders affected by the development of new nanomedical applications as TDD, the development process of those applications could benefit from integrating this approach.

Grâce aux nanotechnologies, l’être humain peut maîtriser la matière à l’échelle du nanomètre — soit au niveau des atomes et des molécules. Les matériaux obtenus suite à ces manipulations présentent des propriétés nouvelles qui les rendent très intéressants pour nombre d’applications techniques, et ce dans tous les domaines technoscientifiques. Ainsi, les nanotechnologies sont souvent considérées comme les prémisses d’une profonde révolution technologique et sociale. Toutefois, si les nanotechnologies intéressent investisseurs, gouvernement, entreprises et universités, elles soulèvent aussi des questions éthiques, notamment au sujet de leur toxicité, de leurs retombées et de la modification de l’être humain. À ces questions s’ajoutent plusieurs interrogations sur la gouvernance des nanotechnologies : comment, en effet, encadrer en amont le développement de celles-ci pour éviter d’éventuelles conséquences néfastes en aval? Parmi ces interrogations, le rôle des médias dans les relations entre les développeurs de nanotechnologies et le public est souvent mentionné. Certains voient dans les médias un acteur auquel les chercheurs pourraient recourir pour établir un dialogue avec le public afin d’assurer un développement harmonieux des nanotechnologies. Si cette recommandation semble très pertinente, il n’existe, à notre connaissance, aucune étude empirique pour en vérifier la faisabilité auprès des acteurs concernés (chercheurs, médias, etc.). Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc voulu examiner et analyser les perceptions des chercheurs et des journalistes québécois envers des initiatives médiatiques pour baliser le développement des nanotechnologies. Pour ce faire, nous avons procédé à une étude qualitative auprès de vingt (20) chercheurs en nanobiotechnologies/nanomédecine et dix (10) journalistes spécialisés en vulgarisation scientifique. L’analyse des entretiens avec les répondants a révélé que si les acteurs rencontrés sont favorables envers de telles initiatives, il existe plusieurs contraintes pouvant gêner une telle entreprise. Suite à l’examen de ces contraintes, nous avons suggéré des initiatives concrètes que les chercheurs québécois pourraient mettre en place pour mieux baliser le développement des nanotechnologies à l’aide d’un dialogue avec le public. Ces suggestions consistent notamment à créer des médias privés pour les chercheurs, à recourir aux médias indépendants et à investir le web. De telles initiatives, cependant, ne peuvent s’obtenir qu’au prix d’un remaniement des priorités des chercheurs. / Thanks to nanotechnologies, mankind can control matter at the nanometer scale, on the level of individual atoms and molecules. Materials obtained following these nanoscale manipulations demonstrate novel properties with the potential for application to all scientific and technological disciplines. Nanotechnologies are therefore often considered a foundation for a deep technological and social revolution. However, while nanotechnologies interest investors, government, private enterprises and universities, they also raise ethical questions, particularly regarding their toxicity, their outcome and the modification of human beings. On top of these ethical questions several other interrogations arise with respect to the governance of nanotechnologies: how, indeed, should their development be initially monitored in order to avoid eventual negative consequences in the future? Among these many questions, the role of the media in the relations between the developers of nanotechnologies and the public is often mentioned. Some see in the media an actor that researchers might refer to in order to establish a dialogue with the public to insure a harmonious development of nanotechnologies. While this recommendation seems very relevant, no empirical study exists to our knowledge to assess its feasibility among the concerned stakeholders (researchers, media). Within the scope of this thesis, we thus wanted to examine and analyze the perception of researchers and journalists from Quebec towards media initiatives to monitor the development of nanotechnologies. To do so, we proceeded to perform a qualitative study with twenty (20) researchers in the fields of nanobiotechnology/nanomedicine and ten (10) journalists specialized in scientific popularization. The analysis of interviews with responders revealed that while the concerned parties are in favour of these initiatives, there are several constraints that may impede such an enterprise. Following the study of these constraints, we have suggested concrete initiatives that Quebec researchers may implement in order to better monitor the development of nanotechnologies through a dialogue with the public. These suggestions mainly consist in creating private media for researchers, resorting to independent media and engaging the World Wide Web. Such initiatives, however, can only be obtained at the price of a realignment of researchers’ priorities.

Grâce aux nanotechnologies, l’être humain peut maîtriser la matière à l’échelle du nanomètre — soit au niveau des atomes et des molécules. Les matériaux obtenus suite à ces manipulations présentent des propriétés nouvelles qui les rendent très intéressants pour nombre d’applications techniques, et ce dans tous les domaines technoscientifiques. Ainsi, les nanotechnologies sont souvent considérées comme les prémisses d’une profonde révolution technologique et sociale. Toutefois, si les nanotechnologies intéressent investisseurs, gouvernement, entreprises et universités, elles soulèvent aussi des questions éthiques, notamment au sujet de leur toxicité, de leurs retombées et de la modification de l’être humain. À ces questions s’ajoutent plusieurs interrogations sur la gouvernance des nanotechnologies : comment, en effet, encadrer en amont le développement de celles-ci pour éviter d’éventuelles conséquences néfastes en aval? Parmi ces interrogations, le rôle des médias dans les relations entre les développeurs de nanotechnologies et le public est souvent mentionné. Certains voient dans les médias un acteur auquel les chercheurs pourraient recourir pour établir un dialogue avec le public afin d’assurer un développement harmonieux des nanotechnologies. Si cette recommandation semble très pertinente, il n’existe, à notre connaissance, aucune étude empirique pour en vérifier la faisabilité auprès des acteurs concernés (chercheurs, médias, etc.). Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc voulu examiner et analyser les perceptions des chercheurs et des journalistes québécois envers des initiatives médiatiques pour baliser le développement des nanotechnologies. Pour ce faire, nous avons procédé à une étude qualitative auprès de vingt (20) chercheurs en nanobiotechnologies/nanomédecine et dix (10) journalistes spécialisés en vulgarisation scientifique. L’analyse des entretiens avec les répondants a révélé que si les acteurs rencontrés sont favorables envers de telles initiatives, il existe plusieurs contraintes pouvant gêner une telle entreprise. Suite à l’examen de ces contraintes, nous avons suggéré des initiatives concrètes que les chercheurs québécois pourraient mettre en place pour mieux baliser le développement des nanotechnologies à l’aide d’un dialogue avec le public. Ces suggestions consistent notamment à créer des médias privés pour les chercheurs, à recourir aux médias indépendants et à investir le web. De telles initiatives, cependant, ne peuvent s’obtenir qu’au prix d’un remaniement des priorités des chercheurs. / Thanks to nanotechnologies, mankind can control matter at the nanometer scale, on the level of individual atoms and molecules. Materials obtained following these nanoscale manipulations demonstrate novel properties with the potential for application to all scientific and technological disciplines. Nanotechnologies are therefore often considered a foundation for a deep technological and social revolution. However, while nanotechnologies interest investors, government, private enterprises and universities, they also raise ethical questions, particularly regarding their toxicity, their outcome and the modification of human beings. On top of these ethical questions several other interrogations arise with respect to the governance of nanotechnologies: how, indeed, should their development be initially monitored in order to avoid eventual negative consequences in the future? Among these many questions, the role of the media in the relations between the developers of nanotechnologies and the public is often mentioned. Some see in the media an actor that researchers might refer to in order to establish a dialogue with the public to insure a harmonious development of nanotechnologies. While this recommendation seems very relevant, no empirical study exists to our knowledge to assess its feasibility among the concerned stakeholders (researchers, media). Within the scope of this thesis, we thus wanted to examine and analyze the perception of researchers and journalists from Quebec towards media initiatives to monitor the development of nanotechnologies. To do so, we proceeded to perform a qualitative study with twenty (20) researchers in the fields of nanobiotechnology/nanomedicine and ten (10) journalists specialized in scientific popularization. The analysis of interviews with responders revealed that while the concerned parties are in favour of these initiatives, there are several constraints that may impede such an enterprise. Following the study of these constraints, we have suggested concrete initiatives that Quebec researchers may implement in order to better monitor the development of nanotechnologies through a dialogue with the public. These suggestions mainly consist in creating private media for researchers, resorting to independent media and engaging the World Wide Web. Such initiatives, however, can only be obtained at the price of a realignment of researchers’ priorities.

L’un des enjeux majeurs en nanomédecine est de développer des systèmes capables à la fois de permettre un diagnostic efficace et également de servir de plateforme thérapeutique pour combattre les infections et les neuro-dégénérescences. Dans cette optique, et afin d’améliorer la détection de tumeurs, des agents de contraste ont été développés dans le but d’augmenter le rapport signal sur bruit. Parmi ces agents, les nanoparticules (NPs) d’oxyde de fer superparamagnétiques (SPIOs) et les quantum dots (QDs) sont des candidats idéaux et ont reçu une grande attention depuis une vingtaine d’années. De surcroit, leurs propriétés spécifiques dues à leurs dimensions nanométriques et leurs formes permettent de moduler leur bio-distribution dans l’organisme. L’opportunité de revêtir ces NPs biocompatibles par des couches de polymères devraient permettre d’améliorer la stabilité de ces nanomatériaux dans l’organisme. Et par conséquent, favoriser leur biodistribution et également leur conférer de nouvelles applications en l’occurrence des applications biomédicales. Dans ce travail de thèse, nous avons développé de nouveaux systèmes thermo-répondant basés sur un cœur SPIOs ou QDs qui sont capables, à la fois, de transporter un principe actif anticancéreux, i.e. la doxorubicine (DOX) et de le relarguer dans le milieu physiologique à une température contrôlée. Deux familles de NPs ont été synthétisées. La première concerne des NPs de Fe3O4 SPIO qui ont été modifiées en surface par un copolymère thermorépondant biocompatible à base de 2-(2-methoxy) méthacrylate d’éthyle (MEO2MA), oligo (éthylène glycol) méthacrylate (OEGMA). La seconde famille, consiste en des NPs de ZnO recouverte du même copolymère. Pour la première fois, le copolymère de type P(MEO2MAX-OEGMA100-X) a été polymérisé par activateur-régénéré par transfert d’électron-polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ARGET-ATRP). La polymérisation et copolymérisation ont été initiées à partir de la surface. Les NPs cœur/coquilles ont été caractérisées par microscopie électronique à transmission (TEM), analyse thermogravimétrique (TGA), etc. Nous avons montré que l’efficacité du procédé ARGET-ATRP pour modifier les surfaces des NPs de SiO2, Fe3O4 et de ZnO. L’influence de la configuration de la chaîne de copolymère et des propriétés interfaciales avec le solvant ou le milieu biologique en fonction de la température a été étudiée. Nous avons montré que les propriétés magnétiques des systèmes coeur/coquilles à base de Fe3O4 ne sont influencées que par la quantité de polymère greffée contrairement au QDs qui vient leur propriété optique réduire au-delà de la température de transition. Ce procédé simple et rapide que nous avons développé est efficace pour le greffage de nombreux copolymères à partir de surfaces de chimie différentes. Les expériences de largage et relarguage d’un molécule modèle telle que la DOX ont montré que ces nanosystèmes sont capables de relarguer la DOX à une température bien contrôlée, à la fois dans l’eau que dans des milieux complexes tels que les milieux biologique. De plus, les tests de cytocompatibilité ont montré que les NPs coeur/coquilles ne sont pas cytotoxiques en fonction de leur concentration dans le milieu biologique. A partir de nos résultats, il apparaît que ces nouveaux nanomatériaux pourront être envisagés comme une plateforme prometteuse pour le traitement du cancer / One of the major challenges in nanomedicine is to develop nanoparticulate systems able to serve as efficient diagnostic and/or therapeutic tools against sever diseases, such as infectious or neurodegenerative disorders. To enhance the detection and interpretation contrast agents were developed to increase the signal/noise ratio. Among them, Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO) and Quantum Dots (QDs) nanoparticles (NPs) have received a great attention since their development as a liver contrasting agent 20 years ago for the SPIO. Furthermore, their properties, originating from the nanosized dimension and shape, allow different bio-distribution and opportunities beyond the conventional chemical imaging agents. The opportunity to coat those biocompatible NPs by a polymer shell that can ensure a better stability of the materials in the body, enhance their bio-distribution and give them new functionalities. It has appeared then that they are very challenging for medicinal applications. In this work, we have developed new responsive SPIO and QDs based NPs that are able to carry the anticancer drug doxorubicin (DOX) and release it in physiological media and at the physiological temperature. Two families of NPs were synthesized, the first one consist in superparamagnetic Fe3O4 NPs that were functionalized by a biocompatible responsive copolymer based on 2-(2-methoxy) ethyl methacrylate (MEO2MA), oligo (ethylene glycol) methacrylate (OEGMA). The second family consists in the ZnO NPs coated by the same copolymer. For the first time, P(MEO2MAX-OEGMA100-X) was grown by activator regenerated by electron transfer–atom radical polymerization (ARGET-ATRP) from the NPs surfaces by surface-initiated polymerization. The core/shell NPs were fully characterized by the combination of transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), and by the physical properties of the nanostructures studied. We demonstrate the efficiency of the ARGET-ATRP process to graft polymers and copolymers at the surface of Fe3O4 and ZnO NPs. The influence of the polymer chain configuration (which leads to the aggregation of the NPs above the collapse temperature of the copolymer (LCST)) was studied. We have demonstrated that the magnetic properties of the core/shell Fe3O4-based nanostructures were only influenced by the amount of the grafted polymer and no influence of the aggregation was evidenced. This simple and fast developed process is efficient for the grafting of various co-polymers from any surfaces and the derived nanostructured materials display the combination of the physical properties of the core and the macromolecular behavior of the shell. The drug release experiments confirmed that DOX was largely released above the co-polymer LCST. Moreover, the cytocompatibility test showed that those developed NPs do not display any cytotoxicity depending on their concentration in physiological media. From the results obtained, it can be concluded that the new nanomaterials developed can be considered for further use as multi-modal cancer therapy tools

Notre équipe a développé une stratégie innovante de fonctionnalisation d’implants nanofibreux synthétiques à base de nanoréservoirs actifs pour la médecine régénérative osseuse. Notre objectif essentiel est de proposer un implant synthétique, biodégradable, et nanostructuré permettant d’accélérer la réparation du tissu osseux. Ces nouveaux implants synthétiques représentent un choix alternatif aux membranes de collagène d’origine animale. Notre stratégie consiste à construire des nanoréservoirs de chitosane, contenant des facteurs ostéoinducteurs tels que la BMP-2 afin d’enrober les nanofibres de nos implants. L’implant synthétique et biomimétique a été conçu à partir du le poly(ε-caprolactone) (PCL),polymère biocompatible et biodégradable approuvé par la FDA, et élaboré grâce à la technique de l’electrospinning afin de mimer la matrice extracellulaire. L’optimisation de ce procédé a permis la mise en oeuvre d’implants d’épaisseurs différentes (jusqu’à 10mm). La double fonctionnalisation de l’implant a permis de le rendre bioactif et vivant en utilisant la combinaison de facteur de croissance et de cellules souches mésenchymateuses. L’efficacité de la double fonctionnalisation des implants de PCL a ainsi été mise en évidence par l’accélération de la régénération osseuse in vivo.L’activité de ces implants fonctionnalisés de nanoréservoirs bioactifs est en cours d’analyse dans le cadre de tests précliniques pour une application maxillo-faciale, parodontale et orthopédique en vu d’obtenir un marquage CE. De plus, une start-up (ARTiOS NanoMed) basée sur cette nanotechnologie a été crée. En conclusion, nous pensons que la technologie développée par notre laboratoire a permis une avancée dans le domaine de la régénération osseuse et que cette technologie présente un fort potentiel d’application en clinique. / Our team has developped a novel and unique strategy to functionnalize nanofibrous and synthetic implants based on active nanoreservoirs for bone regeneration. We propose a new synthetic biodegradable and nanostructured implant to accelarate restoration of bone tissue. These new implants could replace collagen membranes from animal origin. The nanoreservoirs are based on chitosan containing osteoinductive growth factors such as BMP-2. Poly(ε-caprolactone) (PCL) is a biodegradable and biocompatible polymer approved by FDA and has been used to produce the synthetic and biomimetic implants by electrospinning in order to mimic the bone extracellular matrix. Optimization of this process has allowed the elaboration of nanofibrous implants with different thicknesses reaching 10 mm. Using the combination of growth factors and mesenchymal stem cells in a double functionalization created a bioactive and living implant. This strategy has been validated in vitro and in vivo thanks to bone site implantation in murin model. Acceleration of bone regeneration in vivo has brought to light the efficiency of the double functionalization onto the PCL implants.The functionalized implants bioactivity is still currently in study for pre-clinical trials in order to obtain authorization for applications in maxillo-facial, parodontal, and orthopaedic fields. Moerover, astat-up (ARTiOS NanoMed) based on this nanotechnology has been founded.To conclude, we believe that our nanotechnology could lead to a new generation of engineered bone implants which has a great potential to be used in the clinic.

Les cellules souches neurales (CSNs) se situent dans des régions spécifiques du système nerveux central qui sont appelées niches. Ces cellules sont capables de se répliquer ou se différentier en cellules neurales spécialisées (neurones, astrocytes et oligodendrocytes). C’est grâce à cette propriété de différentiation que les CSNs sont étudiées comme thérapie chez les patients atteints d’une maladie neurodégénérative. En effet, elles pourraient remplacer les cellules neurales altérées et ainsi restaurer les fonctions neurologiques. De nombreuses approches ont été développées afin de stimuler la différentiation des CSNs, dont la plus prometteuse est la différentiation des cellules endogènes directement au sein de leurs niches. Actuellement, il n’existe pas de molécule active ou de système thérapeutique qui cible les CSNs endogènes et qui induit leur différentiation simultanément. Le but de ce travail est de fournir un système de délivrance de molécules bioactives capable de cibler les CSNs endogènes et d'induire leur différenciation in situ. Nous avons développé et caractérisé des nanoparticules lipidiques (LNC), un système de délivrance très versatile. NFL-TBS.40-63, un peptide ciblant les CSNs, a été adsorbé à la surface des LNC afin de les diriger contre les CSNs endogènes. Nous avons observé que ces NFL-LNC ne ciblaient que les CSNs du cerveau et pas de la moelle. Afin d’étudier les interactions spécifiques entre les nanoparticules et les CSNs, nous avons caractérisé et comparé les propriétés de leur membrane plasmique. Enfin, nous avons encapsulé de l’acide rétinoïque, une molécule connue pour stimuler la différentiation des CSNs, dans les LNC-NFL et étudié leur impact sur la différentiation de CSNs in vitro et in vivo. Ce travail contribue au développement de thérapies efficaces et sures pour le traitement de maladies neurodégénératives à travers la différentiation de CSNs endogènes. / Neural stem cells (NSCs) are located in specific regions of the central nervous system called niches. Those cells are able to self-renew and to differentiate into specialized neuronal cells (neurons, astrocytes and oligodendrocytes). Due to this differentiation property, NSCs are studied to replace neuronal cells and restore neurological functions in patients affected by neurodegenerative diseases. Several therapeutic approaches have been developed and endogenous NSC stimulation is one of the most promising. Currently, there is no active molecule or therapeutic system targeting endogenous CSNs and inducing their differentiation at the same time. The aim of the work was to provide a drug delivery system able both to target endogenous CSNs and to induce their differentiation in situ. Here, we developed and characterized lipidic nanoparticles (LNC) targeting endogenous NSCs. A peptide called NFL-TBS.40-63, known for its affinity towards NSCs, was adsorbed at the surface of LNC. We observed that NFL-LNC specifically targeted NSC from the brain and not from the spinal cord in vitro and in vivo. To explain this specificity, we characterized and compared NFL-LNC interactions with the plasmatic membrane of both cell types. Finally, we demonstrated that by loading retinoic acid in NFL-LNC we were able to induce brain NSC differentiation in vitro and in vivo. This work contributes to the development of efficient and safe therapies for the treatment of neurodegenerative disease via the differentiation of endogenous NSCs.

Nanomedicine is based primarily on the concept of drug formulation through nanotechnology. The main idea is based on the encapsulation of an active ingredient by a nanoparticle (NP) to allow it to accumulate in tumors, to penetrate a biological barrier or to target a biological component. However, the performance of these formulations is disappointing, and, in recent years, it has been noticed that their effectiveness has not improved in the last decade. Some recent hypotheses highlight our lack of knowledge about the interactions of nanotechnologies with living organism and more particularly the lack of techniques to quantify these interactions. We therefore explore in this thesis the development and adaptation of a new microscopy technique, dynamic differential microscopy (DDM), to study the interactions of nanotechnologies with biological matrices. Two subjects are discussed, the first on the interactions of NPs with the proteins of biological fluids and, the second one, on the capacity of NPs to diffuse in interstitial tissues. First, we reviewed quantification techniques that were allowing the measurement of protein adsorption at the surface of NPs. We then identified fundamental questions of this adsorption, namely, if it was generally structured in monolayers or in multilayers and if it was reversible or irreversible. A meta-analysis, based on these questions, could therefore guide the development of the DDM technique to measure protein adsorption and therefore answer these questions. The methodology proposed for the quantification of protein adsorption is based on the measurement of the fluorescence signal which comes from fluorescently tagged proteins adsorbed on non-fluorescent NPs. This methodology was successfully applied for the quantification of the adsorption of lysozyme, albumin and serum proteins. The technique demonstrated that all the proteins studied adsorbed in monolayers and that their adsorption was reversible. An atypical adsorption mechanism which was also hypothesized in our meta-analysis was evidenced by DDM as well. Next, we applied DDM to study the diffusion of NPs in extracellular matrices. The contribution of deformability has been a parameter studied in terms of its relation to improve their diffusion within these confined environments. The diffusion of "soft" NPs was compared to that of "hard" NPs in an agarose gel, mimicking the extracellular matrix. Soft NPs have been observed to diffuse up to 100 times faster than hard NPs of the same size. Evaluation of the hydrodynamic and electrostatic contributions determined that the soft NPs shrinks in the gel, boosting their diffusion in comparison to hard NPs. In summary, this work highlights the important contribution of analytical techniques to the field of nanotechnologies applied to pharmacy and to our understanding of their interactions with living organisms. It is clear that the contribution of these techniques to our detailed understanding of nanomedicine properties has a direct relation with their clinical translation potential. / La nanomédecine repose essentiellement sur le développement de nouvelles formulations pour délivrer les médicaments à partir de nanotechnologies. L’idée principale est que l’encapsulation d’un principe actif par une nanoparticule (NP) pourrait lui permettre de s’accumuler dans des tumeurs, de pénétrer une barrière biologique ou bien pour cibler une composante biologique. Or, les performances de ces « nano-formulations » sont décevantes et, depuis quelques années, il a été remarqué que leur efficacité ne semble pas avoir évoluée dans le temps. De récentes hypothèses mettent de l’avant notre manque de connaissances vis-à-vis les interactions des nanotechnologies avec les éléments du vivant, et plus particulièrement, le manque de techniques robustes permettant de quantifier ces interactions. Nous proposons donc dans cette thèse le développement et l’adaptation d’une nouvelle technique de microscopie, la microscopie différentielle dynamique (DDM), pour étudier les interactions entre les nanotechnologies et les matrices biologiques. Deux thématiques seront abordées, la première, les interactions des NPs avec les protéines des fluides biologiques et, la seconde, la capacité des NPs à diffuser dans des tissus interstitiels. D’abord, nous avons revus les techniques de quantification permettant la mesure de l’adsorption de protéines à la surface des NPs. Nous avons ensuite identifié les questions fondamentales en lien avec cette adsorption. Deux phénomènes sont largement débattus dans la littérature, il s’agit de la formation de multicouches et de la réversibilité de l’adsorption. Une méta-analyse a donc permis d’orienter le développement de la technique par DDM pour mesurer l’adsorption de protéines, dans le but de répondre à ces interrogations. La méthodologie proposée pour la quantification de l’adsorption de protéines à la surface des NPs repose sur la mesure du signal de fluorescence de protéines fluorescentes adsorbées à la surface des NPs non fluorescentes. Cette méthodologie a été appliqué avec succès pour la quantification de l’adsorption des protéines du sérum, du lysozyme et de l’albumine. La technique a d’ailleurs permis de montrer que toutes les protéines étudiées s’adsorbaient en monocouches et que leur adsorption était réversible. Un mécanisme d’adsorption atypique a été mis en évidence dans le cadre de nos expériences et un parallèle a pu être fait avec certaines hypothèses émises avec notre méta-analyse. Ensuite, nous avons appliqué la DDM pour l’étude de la diffusion des NPs dans des matrices extracellulaires. La déformabilité des NPs a été étudiée afin de définir plus précisément sa contribution dans la diffusion à l’intérieur de milieux confinés. La diffusion des NPs « molles » a été comparée à celle des NPs « dures » dans un gel d’agarose, mimant la matrice extracellulaire. Les NPs molles ont été en mesure de diffuser jusqu’à 100 fois plus rapidement que les NPs dures de même taille. L’évaluation des contributions hydrodynamiques et électrostatiques a permis de déterminer que la taille des NPs molles, réduisant dans le gel, leur accordant un avantage diffusif par rapport aux NPs dures. En sommes, ces travaux ont permis de mettre en évidence l’importance des techniques analytiques pour l’étude des nanotechnologies appliquées à la médecine et pour affiner notre compréhension de leurs interactions avec le vivant. Il est clair que la contribution de ces techniques à l’avancement de nos connaissances théoriques relatives aux nanotechnologies aura un impact direct sur leurs chances d’effectuer une transition vers la clinique.