Ce travail décrit la séparation de microphase à l'état solide d'un copolymère dibloc comprenant un bloc hautement biocompatible poly [2 - (méthacryloyloxy) éthyl phosphorylcholine] et un bloc pH-sensible poly [2 - (diisopropylamino) méthacrylate d'éthyle] (PMPC-b-PDPA). L'auto-assemblage d'un copolymère dibloc amphiphiles à base de polystyrène (PS) et le poly (acide acrylique) (PAA), a été étudié en suspension aqueuse, et leur décoration par du chitosane, afin de vérifier leur capacité à encapsuler et à libérer par voie transdermique la finastéride, une molécule stéroïdiens inhibiteur de la enzyme 5-alpha-réductase, qui a été recommandée pour le traitement de l'alopécie androgénétique. La morphologie des films PMPC30-b-PDPA60 a été analysée par SAXS et (S) TEM. Films du PMPC30-b-PDPA60 préparés dans une solution de l'éthanol à température ambiante présentent une morphologie cylindrique, qui subit une transition ordre-ordre sur un recuit thermique à 170 ° C: la structure lamellaire résultant coexiste avec une proportion de cylindres organisée dans une phase hexagonale compacte. En revanche, les films du copolymère préparé à partir de méthanol ne subissent pas la même transition morphologique, résultant dans des structures mal organisées, indépendante de traitement thermique. Enfin, les structures lamellaires sont obtenues directement à partir d'une solution aqueuse à pH 4, sans traitement thermique. Ces systèmes offrent une nouvelle alternative pour la fabrication de structures lamellaires constituées d'un matériau biomimétique et anti-fouling, élargissant l'éventail des possibilités dans le domaine de l'ingénierie macromoléculaire.Une autre stratégie adoptée dans ce travail a été basé sur le développement de nanoparticules bien organisé avec des propriétés de surface nature bioinspirés, formé entre polymersomes chargés négativement à base des copolymères à blocs de polystyrène (PS) et le poly (acide acrylique) (PAA) décorés avec du chitosane, un polysaccharide de charge opposée. Le rôle de l'adsorption du chitosane avec deux poids moléculaires distincts (chitosane oligosaccharides et du chitosane avec un faible poids moléculaire) sur la surface des nanoparticules PS139-b-PAA17 et des nanoparticules PS404-b-PAA63 ont été démontrés par diffusion dynamique de la lumière, potentiel zêta et caractérisation morphologiques. En présence du chitosane, le potentiel zêta de polymersomes devient positif. Ce résultat a été interprété en termes d'interactions électrostatiques, qui induisent une adsorption du chitosane sur la surface des polymersomes. Ce résultat a été confirmé par une observation comparative par microscopie entre des polymersomes et des polymersomes décorées. Polymersomes avec un diamètre <200 nm et une distribution granulométrique relativement étroite ont été obtenus pour les deux systèmes. L'effet de la décoration des nanoparticules par du chitosane sur la perméation cutanée in vitro du finastéride, incorporé dans la paroi hydrophobe de polymersomes, a également été évaluée. La pénétration cutanée du finastéride a été estimée par les paramètres de perméabilité tels que le flux, temps de latence et du coefficient de perméabilité de la finastéride. Une amélioration de la perméation du finastéride à partir des nanoparticules a été observée, en particulier à partir de nanoparticules décorées avec du chitosane. Le polymersome PS404-b-PAA63 décorées avec du chitosane semble être le système le plus approprié car il favorisé une meilleure rétention du médicament dans la peau et les faibles valeurs de flux de perméation, suggérant que le système fournit un véhicule de remplacement pour l'administration transdermique de finastéride. / This work describes the microphase separation in bulk of an diblock copolymer comprising a highly biocompatible poly[2-(methacryloyloxy)ethyl phosphorylcholine] block and a pH-sensitive poly[2-(diisopropylamino) ethyl methacrylate] block (PMPC-b-PDPA). The self-assembly of an amphiphilic diblock copolymer based on polystyrene (PS) and poly(acrylic acid) (PAA) was studied in terms of their decoration with the chitosan, verifying their ability to incorporate and transdermally release the drug finasteride, a steroidal molecule 5-alpha-reductase inhibitor that has been recommended for the treatment of androgenetic alopecia. The morphology of PMPC30-b-PDPA60 films was analyzed using SAXS and (S)TEM. PMPC30-b-PDPA60 films cast from ethanol solution at room temperature exhibit a thermodynamically quasi-stable cylindrical morphology, which undergoes an order-order transition upon thermal annealing at 170 oC: the resulting lamellar structure coexists with a minor proportion of cylinders organized into a hexagonal compact phase. In contrast, copolymer films cast from methanol do not undergo the same morphological transition. Instead, short-range liquid-like structures are obtained regardless of the annealing processes. Finally, direct self-assembly to form a lamellar morphology at room temperature can be achieved by solvent-casting from aqueous solution at pH 4. These systems offer a new alternative for the fabrication of lamellar structures in which one layer is biomimetic and non-fouling, expanding the range of possibilities in the macromolecular engineering field. Another strategy adopted in this work was based on the development of well-organized nanoparticles with nature-bioinspired surface properties, formed between negatively charged polymersomes based on polystyrene (PS) and poly(acrylic acid) (PAA) block copolymers decorated with chitosan, an oppositely charged polysaccharide. The role of chitosan with two distinct molecular weights (chitosan oligosaccharide and low molecular weight chitosan) adsorption on the surface of oppositely charged PS139-b-PAA17 and PS404-b-PAA63 nanoparticles were demonstrated by dynamic light scattering measurements, zeta potential and morphological characterization. In the presence of chitosan, the zeta potential of polymersomes becomes positive. This result was interpreted in terms of electrostatic interactions, which induce a flat adsorption of the chitosan on the surface of the polymersomes. This result was further confirmed by a comparative observation by microscopy of bare and chitosan-decorated polymersomes. Polymersomes with a diameter < 200 nm and a relatively narrow size distribution were obtained for both systems. The effect of chitosan decoration of self-assembled nanoparticles on skin penetration in vitro of finasteride was also evaluated, once incorporated in the wall hydrophobic of polymersomes. The skin permeation through pig ear skin of finasteride was estimated by the permeability parameters such as flux, lag time and permeability coefficient of finasteride. An improved permeation of finasteride from the nanoparticle system was observed, especially from nanoparticles decorated with chitosan. The PS404-b-PAA63 polymersome decorated with chitosan seems to be the most appropriate system since it provided higher drug retention in skin and low permeation flux values, suggesting that the PS-b-PAA/chitosan system provides an alternative for transdermal drug delivery system of finasteride.

Depuis quelques années, les nanomatériaux sont de plus en plus utilisés dans les processus industriels. Afin de protéger la population et l'environnement des possibles conséquences lors de rejets accidentels de ces produits dans l'atmosphère, des analyses de risques ont permis d'identifier des scénarios accidentels dans le cas du transport, de la manipulation et du stockage. Parmi les cas de fuite non intentionnelle dans l'atmosphère libre, la fuite accidentelle sur un convoyeur peut générer un relargage massif de nanoparticules. Afin d’évaluer les conséquences de ce type de scénario accidentel, notre étude s’intéresse à la prédiction des propriétés du nuage de particules dispersées dans l’air, par exemple la concentration en nombre et la distribution des diamètres. La première étape de l’étude consiste à synthétiser les phénomènes physiques des nanoparticules dans l’air afin de choisir les phénomènes physiques les plus pertinants à modéliser. Les phénomènes physiques à modéliser sont la forme complexe des agglomérats, la force de traînée des agglomérats, la fragmentation des agglomérats par le fluide, la collision et l'agglomération des agglomérats. Ensuite, la modélisation des phénomènes physiques est développée dans l'outil CFD Code\_Saturne. Pour chaque phénomène physique, un cas de simulation numérique est réalisé pour vérifier le développement de la modélisation dans l'outil CFD. Une bonne comparaison des résultats CFD avec les résultats de modèle 0D de Scilab et les modèles dans la littérature est obtenue. Egalement dans notre étude, un nouveau modèle de la probabilité de collision des agglomérats est proposé. Ces nouveaux modèles sont validés par les expérimentations numériques. Ensuite, l'outil CFD développé est appliqué dans une simulation d'une fuite de canalisation de transport. La zone proche de la fuite est simulée par Code\_Saturne. Les résultats du Code\_Saturne sont utilisés comme les données entrées pour ADMS, un outil numérique de la dispersion des particules à grande échelle. Les résultats montrent que les particules sont dispersées plus de 1 km par rapport au terme source, ce qui est en accord avec la distance observée. En perspective, l'influence de plusieurs paramètres comme la vitesse du vent, les propriétés des particules comme la distribution de taille ou la concentration en agglomérats pourrait être testé. Une expérimentation de rejet des microparticules est réalisée à l'INERIS pour ensuite pouvoir étudier les rejets des nanoparticules à l'échelle laboratoire. / Since a few years, nanomaterials are more and more used in industrial process. In order to protect the population and the environment from the consequences of an accidental release into the atmosphere, the risk assessment allowed to identify the accidental scenario in transport, manipulation and storage of those products. The accidental leakage of the conveying pipe may lead to a massive release of nanoparticles. In order to evaluate the consequences of this type of accident, our study focuses on the prediction of particles properties dispersed into the air, for example the particle number concentration and the particle diameter distribution. The first step of the study consists in the analyse of physical phenomena related to nanoparticles in order to choose the most predominant physical phenomena to model. The relevant physical phenomena in the present configuration are the agglomerate complex shape, the drag force on agglomerates, the agglomerate breakage by gas, the agglomerate collision and the agglomeration. After that, the modelling of physical phenomena chosen is developed in CFD tool Code\_Saturne. For each physical phenomenon, a simulation test case is realized in order to verify the development in CFD tool. A good agreement between CFD tool Code\_Saturne and 0D tool from Scilab and model in the literature is obtained. Also in the present study, new model for the collision probability of agglomerates is proposed. This new model is validated with the numerical experiment. After that, the numerical tool developed is applied in a simulation of an accidental pipe leakage. The field near the leakage is simulated by Code\_Saturne. The results from Code\_Saturne is used as the input data for ADMS tool, a simulation tool for the particle dispersion in large scale. The results show that the particles are dispersed more than 1 km from the release source, which is in agreement with the distance observed. In perspective, the influences of different parameters as the wind field and the particle properties, on the agglomerate size and number distribution can be tested. An experiment of the microparticle jet is realized at INERIS in order to be able to assess the nanoparticle jet experiment in the laboratory scale.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est largement utilisée dans le milieu médical pour l'imagerie des tissus mous. Afin d'obtenir des images de meilleures qualité, les hôpitaux s'équipent d'IRM avec des champs de plus en plus intenses. Les agents de contraste à base de nanoparticules de fer sont très prometteurs pour l'imagerie à haut champ. En effet, au contraire des agents de contraste à base de gadolinium, ils ne perdent pas leur efficacité à haut champ. Plusieurs paramètres sont à prendre en compte afin d'obtenir des agents de contrastes plus efficaces en IRM : tout d'abord, les propriétés magnétiques des nanoparticules d'oxydes de fer. Celles-ci doivent avoir des aimantations importantes. Ensuite, les nanoparticules agrégées sont plus efficaces que les nanoparticules individuelles. Pour finir, la présence d'une couche plus ou moins imperméable à l'eau ainsi que son épaisseur vont influencer l'efficacité de l'agent de contraste. Ce mémoire de thèse présente la conception de nouveaux agents de contraste à base de nanoparticules d'oxyde de fer, depuis l'optimisation de la synthèse afin d'obtenir les nanoparticules ayant les propriétés magnétiques les plus intéressantes pour l'IRM, jusqu'à l'assemblage de ces nanoparticules afin d'améliorer leur efficacité en IRM. La première partie de ce travail est donc consacrée à la synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer. Une approche organométallique a été choisit car elle permet d'obtenir des nanoparticules de taille contrôlée. Nous montrons dans cette partie que les conditions de synthèse ont une grande influence sur la structure cristalline des nanoparticules synthétisées ainsi que sur leurs propriétés magnétiques. La deuxième partie de ce travail est consacrée à la réalisation d'agrégats de nanoparticules de taille contrôlée. L'agrégation des nanoparticules est réalisée par effet solvophobe en ajoutant de l'eau sur une solution de nanoparticules hydrophobes dans le THF. Nous montrons dans cette partie que la cinétique d'agrégation dépend de la quantité d'eau ajoutée. Les agrégats sont ensuite stabilisés par l'ajout d'un polymère et nous montrons que la morphologie et la taille des agrégats après leur transfert dans l'eau dépendent de la masse molaire et de la nature du polymère utilisé. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'évaluation de l'efficacité des agrégats de nanoparticules en tant qu'agent de contraste. Les agrégats testés se sont révélés prometteurs, et des efficacités supérieures à celles d'agents de contraste commerciaux ont été obtenues. / The magnetic resonance imaging (MRI) is widely used in the medical field for soft tissue imaging. In order to obtain images of better quality, hospitals equip themselves with MRI of higher fields. Iron-based nanoparticle contrast agents are very promising for imaging at high field. Indeed, unlike the gadolinium contrast agents, they do not lose their effeciency at high field. Several parameters must be taken into account to achieve more effective contrast agents in MRI: first, the magnetic properties of iron oxide nanoparticles. They must have significant magnetization. Then, aggregated nanoparticles are more effective than individual nanoparticles. Finally, the presence of a more or less hydrophylic layer and its thickness will influence the effeciencys of the contrast agent.This thesis presents the design of new contrast agents based on iron oxide nanoparticles assembly, since the optimization of the synthesis to obtain nanoparticles with the most interesting magnetic properties for MRI up assembly of nanoparticles to improve their effectiveness in MRI.The first part of this work is devoted to the synthesis of iron oxide nanoparticles. An organometallic approach was chosen because it allows to obtain nanoparticles of controlled size. We show in this part of the synthesis conditions have a great influence on the crystal structure of the synthesized nanoparticles and their magnetic properties.The second part of this work is dedicated to the production of controlled size aggregates of nanoparticles. The aggregation of nanoparticles is performed by solvophobic effect by adding water to a solution of hydrophobic nanoparticles in THF. We show in this section that the kinetics of aggregation depends on the amount of water added. The aggregates are then stabilized by the addition of a polymer and show that the morphology and size of the aggregates after transfer into the water depend on the molecular weight and nature of the polymer used.The third part of this work is devoted to the evaluation of the efficiency of nanoparticle aggregates as a contrast agent. The aggregates tested have shown promise, and efficiencies higher than commercial contrast agents were obtained.

Au cours des dernières décennies, la technologie des nanoparticules pour la délivrance des vaccins au niveau de muqueuses a reçu un intérêt croissant. L’administration intranasale possède de grands avantages pour la stimulation du système immunitaire, telles que la stimulation d’une immunité protectrice locale et systémique. Cependant des systèmes de délivrance et des adjuvants sont souvent nécessaires pour déclencher efficacement la réponse immunitaire. Nous avons appliqué la technologie des nanoparticules en tant que système de délivrance d'un vaccin universel nasal contre la grippe dans un projet européen FP7 appelé UniVacFlu. Nous avons formulé un antigène adjuvé CTA1-3M2e-DD avec les NPL. Cet antigène est composé de la sous-unité A1 de la toxine du choléra et d’un épitope conservé du virus de la grippe A (M2e), ainsi que du dimère de l’analogue synthétique de la protéine A de Staphylococcus aureus (DD). Les nanoparticules utilisées sont poreuses et constituées de maltodextrines réticulées ayant un coeur lipidique (NPL). L’association de cet antigène avec les NPL est quantitative et la formulation est stable pendant au moins six mois à 4°C. Les NPL permettent également de délivrer d’une manière accrue cet antigène dans les cellules épithéliales des voies respiratoires et les macrophages. Actuellement ces formulations sont évaluées chez la souris par le consortium UniVacFlu.L'un des principaux problèmes des vaccins nasal est la toxicité qui peut être provoquée par le passage nez-cerveau de l'un de ses composants. Le but de ce travail est d'évaluer le potentiel des NPL, en tant que vecteurs pour la délivrance des vaccins nasal. Ainsi, nous avons étudié le chargement d’un antigène dans les NPL et sa délivrance dans les cellules épithéliales des voies respiratoires. Notre étude révèle que les NPL interagissent fortement avec les muqueuses et délivrent d’une manière accrue les antigènes dans les cellules. Nous avons également montré l'absence de transcytose et de passage paracellulaire des NPL ou des antigènes délivrés dans un modèle de barrière épithéliale in vitro. Les résultats in vivo confirment l'absence de passage nez-cerveau des NPL et montrent qu’elles prolongent fortement le temps de résidence nasale des antigènes qui sont ensuite éliminés par le tractus gastro-intestinal.Ces résultats mettent en évidence l'intérêt des NPL comme vecteurs pour la prochaine génération de médicaments et de vaccins. / Nanoparticles technology for mucosal delivery of vaccines received a growing interest in the last decades. Intranasal administration owns great advantages for immune system stimulation, such as local and systemic protection against infectious diseases. However delivery systems and adjuvants are often required to efficiently trigger mucosal and systemic immune responses. In this thesis, nanoparticles (NP) have been evaluated as delivery system for a nasal universal influenza vaccine in a People Program of the European Union Seventh Framework Program FP7 called UniVacFlu. The aim of the UniVacFlu network is to develop a universal influenza vaccine administered through the mucosal route. We used porous maltodextrin nanoparticles with a lipidic core (NPL). We loaded an adjuvanted antigen named CTA1-3M2e-DD in the NPL. CTA1-3M2e-DD is composed of the A1 subunit of the cholera toxin and a conserved epitope of influenza A virus (M2e), while DD, dimer of the synthetic analogue of the Staphyloccous aureus protein A, targets B cells. Interestingly the antigen loading in NPL was quantitative for the antigen: NPL 1:5 mass ratio and the formulation was stable for at least six months at 4°C. We assessed the successful delivery of the antigen by NPL in airway epithelial cells and macrophages. These formulations are currently evaluated by the UniVacFlu consortium in mice.One of the main issues of intranasal vaccines is the toxicity that can be elicited by the nose-brain passage of one of their components. We investigated the loading of antigens in NPL and their delivery in airway mucosa. We observed a high endocytosis of NPL and an increased protein delivery into the cells. On a transwell model of the airway mucosa we assessed the absence of transcytosis and paracellular passage of the NPL. In vivo results confirmed the lack of nose-brain passage of the NPL, as NPL were found not to cross the mucosa. Interestingly, we observed an increased nasal residence time of the protein targeted by NPL. The particles after having delivered their payload are totally eliminated through the gastrointestinal tract, making these nanoparticles good candidates for mucosal delivery system. These results highlight the interest of NPL as vectors for mucosal delivery of drugs.

La prise en charge du diabète de type I se fait à l’heure actuelle par des injections pluriquotidiennes d’insuline ou par l’utilisation d’une pompe à insuline qui va mimer l’activité pancréatique. Dans ce contexte, les nanogels sensibles au glucose représentent des candidats à fort potentiel pour une délivrance contrôlée de l’insuline.La majorité des matériaux développés à ce jour ne présentent pas d’études en vue d’application in vivo et ce, pour diverses raisons telles que la non validation du caractère biocompatible et biorésorbable de la matrice polymère. Afin de répondre à ces deux critères, nous avons choisi de développer des nanogels à base de polysaccharides biocompatibles et biodégradables.Des travaux antérieurs au sein du laboratoire ont porté sur la conception d’hydrogels à base d’acide hyaluronique. Le polysaccharide a été fonctionnalisé avec des dérivés de l’acide phénylboronique (PBA) et du maltose. Ces modifications permettent dans des conditions physiologiques de générer des réticulations boronate-ester. Ces liaisons permettent d’induire une modification de la structure des hydrogels en réponse à divers stimuli tel que le pH ou l’addition de composés saccharidiques.Afin de faciliter l’administration de tels matériaux, nous avons étendu ce concept à la formation de nanogels. Des nanogels sensibles au pH et/ou à l’addition de saccharides ont pu être obtenus en conditions physiologiques grâce au choix judicieux des polysaccharides partenaires modifiés par le PBA et des molécules portant des fonctions diol. Ces nanogels sont capables de piéger l’insuline lors de leur formation avec une efficacité d’encapsulation allant de 45% à 80% et une capacité d’encapsulation de 10% à 60%. Les premiers tests ont montré un faible relargage de l’insulin par nos nanogels.Finalement, au vue de la sensibilité au pH de nos nanogels et l’environnement acide présent autour des tumeurs, leur utilisation pour le traitement du cancer a été étudié. Des analyses in vitro ont démontré une faible toxicité de nos gels sur les cellules cancéreuses. Les premières expériences in vivo ont montré la capacité des nanogels à circuler dans le sang. / Type 1 diabetes management is currently done by multiple insulin injections or by the use of an insulin pump that will mimic pancreatic activity. In this context, glucose-sensitive nanogels represent high potential candidates for controlled delivery of insulin.The majority of materials developed so far are limited to biological in vitro studies, which is partly due to the non-biocompatibility and limited biodegradability of polymers used for the preparation of such materials. To fulfill these criteria, we proposed to develop nanogels based on biocompatible and biodegradable polysaccharides.Previous work in our laboratory focused on the design of boronate-crosslinked hydrogels based on hyaluronic acid. This polysaccharide was functionalized with derivatives of phenylboronic acid (PBA) and of maltose. The dynamic covalent boronate ester crosslinks between the polysaccharide chains enabled to induce a structural change of the hydrogel in response to various stimuli such as pH or addition of carbohydrate molecules.In order to facilitate administration of such materials, we extended the concept to the formation of nanogels. Sugar- and pH-sensitive nanogels could be successfully obtained in physiological conditions thanks to the judicious choice of the polysaccharide partners, bearing PBA moieties and diol-containing molecules.These nanogels can entrap insulin during their formation with an entrapment efficiency of 45% to 80% and a loading capacity ranging from 10% to 60%. Preliminary experiments indicated a low release of insulin from the nanogels.Finally, in view of the pH-sensitivity of these nanogels and the slight acidic pH of the tumor environment, we investigated their potential application for the treatment of cancer. In vitro experiment demonstrated a low toxicity of our nanogels on cancer cells. Preliminary in vivo experiments indicated that the nanogels can circulate in the bloodstream.

Dans le cadre du projet MultiFun par lequel cette thèse a été financée, nous avons travaillé en collaboration avec des équipes européennes de synthèse chimique pour proposer des nanoparticules d'oxydes de fer dédiées à la détection et au traitement du cancer par hyperthermie magnétique. Habituellement, l'efficacité des nanoparticules est déterminée par la valeur du SAR (Specific Absoption Rate, en W/g), mesuré par élévation de température. Nous avons développé un banc permettant la mesure de cycles d'hystérésis dans les mêmes gammes d'amplitude et de fréquence de champs magnétiques que celles utilisées habituellement en hyperthermie magnétique. Le cycle d'hystérésis fourni plus d'informations sur l'échantillon et permet par exemple d'évaluer l'importance des interactions inter-particulaires. Le projet MultiFun prévoyait également l'étude du traitement in vivo. Le LPCNO a donc développé un inducteur adapté aux expériences sur le petit animal (souris, rats). Cet électroaimant refroidit à l'air a un entrefer de 3 cm et fonctionne à un champ de 23 mT pour des temps de traitements d'une heure. Nous avons également collaboré avec le Laboratoire de Réceptologie et Ciblage Thérapeutique en Cancérologie pour effectuer des expériences d'hyperthermie magnétique in vitro au moyen de nanoparticules fonctionnalisées puis internalisées de manière spécifique dans les lysosomes. L'application d'un champ magnétique haute fréquence aux cellules contenant ces nanoparticules induit de forts pourcentages de mort cellulaire (principalement par voies apoptotique). Dans ces travaux, les nanoparticules ont de faibles SAR et sont présentes en faibles quantités dans les cellules, ce qui n'engendre pas d'élévations de températures mesurables. L'efficacité du traitement dans ces conditions pose nombre de questions quant aux mécanismes réels entrainant la mort de la cellule. Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons conçu un système permettant d'appliquer des champs magnétiques hautes fréquences in vitro sous un microscope confocal à fluorescence couramment utilisé pour suivre des mécanismes intracellulaire à l'aide de fluorochromes. On introduit un électroaimant miniaturisé (largeur d'entrefer ≈ 400 μm) directement dans une boite de culture cellulaire. On génère ainsi un champ d'environ 60 mT à 300 kHz. Cette méthode nous permet d'observer les cellules et leurs organites durant le temps de traitement. Les niveaux de mort cellulaire atteints ici sont équivalents aux expériences précédentes, et valident ainsi l'utilisation de cet inducteur à entrefer réduit. Pour l'heure, nous avons quantifié l'apparition en temps réel des ROS (Reactive Oxygen Species) dans la cellule lors de l'application du champ. Nous avons également mis en lumière la perméabilisation lysosomale, qui peut engendrer la libération d'agents de mort cellulaires. Enfin cet outil permettra de continuer les recherches de mécanismes intracellulaires pour des échantillons soumis à un champ magnétique extérieur. Les nanoparticules soumises à un champ magnétique alternatif peuvent également être utilisées comme catalyseurs de réactions chimiques. Nous avons utilisé les nanoparticules synthétisées au LPCNO comme catalyseurs de la réaction Fischer-Tropsch. Ce procédé permet de produire industriellement des hydrocarbures à partir de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Des caractérisations poussées des propriétés structurales, magnétiques, d'échauffement et de catalyse ont été menées sur des nanoparticules possédant un cœur de fer recouvert d'un métal catalytique (ruthénium ou cobalt). La preuve que ces nanoparticules peuvent catalyser la réaction de Fischer-Tropsch lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique haute-fréquence a été établie, et une bonne corrélation entre leur puissance de chauffe et leur activité catalytique a été montrée. / As partners of Multifun by which this thesis was funded, we have worked with European groups of chemists to provide iron oxide nanoparticles dedicated to the detection and treatment of cancer by magnetic hyperthermia. Usually, the nanoparticles efficiency is determined by the SAR value (Specific Absoption Rate, in W / g), measured by a calorimetric method. We have developed a device for measuring hysteresis loops at the same amplitude and frequency range of magnetic fields than those usually used in magnetic hyperthermia. Hysteresis loops provide more information about the samples and allows for example to assess the importance of inter-particle interactions. Multifun project also included the study of in vivo treatments. LPCNO has developed an inductor suitable for experiments on small animals (mice, rats). The electromagnet is air-cooled, displays a gap of 3 cm and operates at a field of 23 mT during one hour. We also worked with the Laboratoire de Réceptologie et Ciblage Thérapeutique en Cancérologie, Toulouse, to perform in vitro magnetic hyperthermia experiments using functionalized nanoparticles specifically internalized into lysosomes. The application of a high frequency magnetic field to the cells containing these nanoparticles induces a significant cell death (mainly apoptotic pathways). In these studies, the nanoparticles have low SAR, and are present in small quantities in the cells. Thus no temperature rise is measured during the experiments. The efficacy of treatment in these conditions poses many questions about the actual mechanisms at the origin of cell death. To try to answer these questions, we have designed a setup permitting to apply high frequency magnetic fields under a confocal fluorescence microscope; the latter is commonly used to monitor intracellular mechanisms with fluorochromes. We introduce a miniaturized solenoid (gap width ≈ 400 µm) directly into a cell culture box. This generates a field of approximately 60 mT at 300 kHz. This method allows us to observe the cells and their organelles during the time of treatment. Infected cell death levels here are equivalent to the previous experiments, which thus validates the use of this reduced gap inductor. For now, we quantified the appearance of ROS (Reactive Oxygen Species) in real time in the cell during the application of the field. We also evidenced the lysosomal permeabilization, which can cause the release of cellular death agents. Finally this tool will serve to continue research on intracellular mechanisms in cells inside an external high-frequency magnetic field. Nanoparticles subjected to an alternating magnetic field can also be used as catalysts of chemical reactions. We used the nanoparticles synthesized LPCNO as catalysts for the Fischer-Tropsch reaction. This process allows the industrial production of hydrocarbons from carbon monoxide and hydrogen gas. Extensive characterizations of structural, magnetic, heating and catalysis properties were carried out on nanoparticles with an iron core coated with a catalytic metal (ruthenium or cobalt). Evidence that these nanoparticles catalyze the Fischer-Tropsch synthesis when subjected to a high-frequency magnetic field has been established, and a good correlation between their heating power and their catalytic activity has been shown.

Les matériaux lorsqu'ils sont rendus nanométriques montrent des propriétés optiques qui peuvent différer fortement des celles des matériaux à l'état massif. C'est l'étude de ces modifications des propriétés qui a motivé les travaux qui sont présentés dans ce document. Dans une première partie je décris les propriétés de luminescence particulière des nanocristaux de silicium en mettant en évidence un décalage de la luminescence vers le bleu lorsque la taille des nanocristaux diminue et je montre qu'il s'agit d'un phénomène de confinement quantique. Dans le même temps l'importance de la passivation de surface est démontrée. Ces résultats sont ensuite appliqués à la compréhension d'une signature spectrale détectée dans les nuages de poussières inter- et circumstellaires et la fabrication de microcavités luminescente à base de nanocristaux de silicium. Dans une deuxième partie je présente les résultats des études que je mène depuis mon arrivée au sein du LPCML sur les propriétés de luminescence de nanoparticules d'oxydes dopés terres rares. Nous avons ainsi pu montrer que le confinement quantique peut aussi être mis en évidence pour ces matériaux fortement ionique même si l'effet est bien moindre que pour les semi conducteurs. De même on montre que la surface joue un rôle essentiel soit en donnant lieu à de nouvelles émissions soit en créant des défauts tueurs de la luminescence. La taille des nanoparticules modifie aussi la densité d'états de phonons ce qui modifie les populations dans les différents niveaux d'énergie des ions dopants et donc les rapports d'intensité entre les transitions optiques. Enfin le comportement sous excitation à haute énergie (UV dur et X) montre que les rendements sont fortement affectés pour les petites tailles traduisant l‘impossibilité pour les toutes petites particules de supporter une trop grande densité d'excitation. La dernière partie présente les deux axes que je souhaite développer dans les années à venir à savoir la microscopie confocale jusque dans l'UV dur et l'ablation laser en solution pour la synthèse de nanomatériaux originaux.

Etude de matériaux nanostructurés préparés par faisceaux d'ions

La stabilisation des émulsions peut être assurée par des particules solides plutôt qu'avec des molécules d'émulsifiant. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont aussi appelées “les émulsions de Pickering”. Ce travail est divisé en deux parties : <br />1) l'étude des aspects physico-chimiques des émulsions ; 2) l'évaluation des émulsions stabilisées par des solides pour l'application cutanée. <br />Les émulsions ont été stabilisées avec des nanoparticules de silice de caractère hydrophobe varié. Les émulsions huile-dans-eau obtenues avec de la silice partiellement hydrophobe ont été caractérisées en termes de stabilité, rhéologie et de quantité optimale de particules nécessaires pour la stabilisation. Les particules de silice hydrophile stabilisent les émulsions H/E avec des huiles très polaires. Le rôle de l'agrégation des particules en présence d'huile et d'électrolyte dans la stabilisation des émulsions a été souligné. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'absorption de principes actifs dans la peau, à partir des émulsions de Pickering, et nous avons comparé les résultats avec les émulsions classiques stabilisées par les tensioactifs. Les émulsions H/E et E/H avec des principes actifs modèles (rétinol comme molécule lipophile et caféine comme molécule hydrophile) ont été étudiées en terme d'absorption dans la peau. L'absorption des principes actifs a été significativement différente pour les émulsions stabilisées par des particules solides et pour les émulsions stabilisées par des molécules de tensioactif. Les émulsions de Pickering constituent une nouvelle formulation pour l'application cutanée.

Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire d'Optique et Biosciences (LOB, Ecole polytechnique) sous la direction d'Antigoni Alexandrou. Une des thématiques de ce laboratoire est le developpement et l'application dans le domaine de la biologie d'un nouveau type de sondes fluorescentes de taille nanométrique. Ces nanoparticules (NPs) constituées d'une matrice de vanadate d'Yttrium dopée par des ions Europium (Y1−xEuxVO4) sont détectables individuellement en microscopie optique par le biais de la fluorescence qu'elles émettent. Ces NPs peuvent de plus être fonctionnalisées afin d'être couplées à une biomolécule dont on cherche à déterminer l'activité, la localisation ou même la dynamique. Elles s'inscrivent dans une longue lignée de sondes fluorescentes dont nous allons brièvement décrire les différentes évolutions. Ce travail a profité de la collaboration avec l'équipe de Thierry Gacoin et Jean-Pierre Boilot du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC, Ecole polytechnique) pour la synthèse et la fonctionnalisation des NPs, avec l'équipe de Michel Robert Popoff de l'unité Bactéries Anaérobies et Toxines (BAT, Institut Pasteur) pour le suivi de la toxine ε et avec celle de Pierre-Louis Tharaux du Centre de Recherche Cardiovasculaire Inserm-Lariboisière pour l'étude de la signalisation vasculaire de l'endothéline-1.