Dans le cadre de cette thèse intitulée “Synthèse et caractérisation de nanoparticules à base de silicium pour des applications de diagnostique”, nous avons conçu des nanosondes basées sur des systèmes de petites nanoparticules à base de silicium (<5 nm) (NPs) portant différentes molécules fonctionnelles sur leur surface. Les NPs de Si ont été synthétisées, caractérisées et fonctionnalisées pour une utilisation dans les applications d'imagerie in vivo et d'électrochimiluminescence (ECL). Pour l’imagerie, une sonde active de tomographie par émission de positrons (TEP) et un colorant émissif ont été utilisés pour montrer les capacités d’imagerie et l’élimination rapide des NP de Si des corps des souris. La fixation d'un sucre sur les NPs de Si a été utilisée pour étudier le passage à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE). Enfin, la fixation de complexes de ruthénium et d'iridium a montré que les NP de Si possédaient une bonne efficacité en tant que sondes dans les applications ECL. / Within the work of this thesis, entitled “Synthesis and characterisation of silicon based nanoparticles for diagnostic applications”, we have designed nanobrobes based on systems of small (< 5 nm) silicon-based nanoparticles (Si NPs) bearing different functional molecules on the surface. Si NPs were synthesised, thoroughlycharacterised and functionalised for use in in vivo imaging and electrochemiluminescence (ECL) applications. For imaging, a positron emission tomography (PET) active probe and an emissive dye have been used to show the effective imaging capabilities and fast clearance of the Si NPs from the bodies of mice.Attachment of a sugar to the Si NPs has been used to study passage through the blood-brain-barrier (BBB). Finally, attachment of ruthenium and iridium complexes has shown that the Si NPs possess some good efficiency as probes in ECL applications.

Les recherches décrites dans ce travail appartiennent à une branche de la science relativement jeune et interdisciplinaire, la nanophotonique. Les projets réalisés avaient pour objectif de décrire les phénomènes qui apparaissent lors de l’irradiation par un faisceau lumineux d’un matériau restreint à la dimension de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres. Les phénomènes qui ont été examinés sont la génération d’absorption, de dispersion et d’émission fluorescente ainsi que le renforcement d’émission fluorescente et le renforcement du champ électromagnétique à une échelle plus petite que la limite de diffraction restreignant l’optique classique. Dans cette thèse, j’ai profité de nouvelles propriétés de la matière générées quand les dimensions sont réduites à l’échelle nanométrique (10-9 m). Elles se distinguent significativement des propriétés classiques qui caractérisent un matériau de plus grandes dimensions. Le changement de propriétés résulte de la limitation spatiale de la structure du nuage d'électrons et de l’augmentation du rapport entre la surface du matériau et son épaisseur. 23 Les particules plasmoniques, largement décrites dans ce travail, en sont un excellent exemple puisque leurs colloïdes possèdent une section efficace d'absorption très importante dans le domaine visible. Un colloïde peut présenter des couleurs différentes en fonction des formes, des dimensions et de la composition des particules qui le constituent, contrairement à une surface métallique qui ne doit son aspect qu'à la réflexion presque totale de la lumière visible et au lustre métallique. À l’échelle nanométrique, nous avons affaire à la résonance plasmonique de surface, un phénomène qui ouvre la porte à la manipulation, à la modification et au renforcement du champ électromagnétique autour de la nanostructure métallique. La possibilité de concentrer la lumière autour d’une nanoparticule au-dessous de la limite de diffraction a trouvé un bon nombre d’applications, dont la microscopie en champ proche, la spectroscopie Raman exaltée de surface (ang. Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS), la théranostique , la production de lecteurs de carte mémoire ou de cellules photovoltaïques. Les recherches décrites dans ce travail ont un caractère interdisciplinaire, elles améliorent nos connaissances dans le domaine de la synthèse de nanostructures plasmoniques, et des méthodes de séparation permettant d'obtenir des colloïdes qui contiennent des nanoparticules presque monodispersives. La méthode de synthèse d'un nouveau métamatériau, produit lors du transfert des nanobâtonnets d’or de l’eau à l’isopropanol, a aussi été présentée dans cette thèse. Par ailleurs, ces recherches ont montré une forte exaltation du champ électromagnétique parmi les nanoparticules. J’ai aussi dénoté une application potentielle de ce matériau en tant que substrat pour la détection de biomolécules. En outre, j’ai préparé des nanocoques d’or largement stables et dont l’épaisseur de dorure est contrôlée. À l’aide de la technique Z-scan, j’ai fait la mesure des propriétés non-linéaires des nanocoques d’or et je les ai comparées avec celles des nanobâtonnets d’or et de colorants organiques en indiquant une application possible. J’ai discuté aussi d'une nouvelle méthode de biofonctionnalisation des nanobâtonnets d’or qui m’a permis de créer un marqueur afin de visualiser des cellules vivantes. Il est aussi possible de convertir l’énergie lumineuse en énergie thermique par le biais des nanostructures plasmoniques, ce qui pourrait trouver d’autres applications intéressantes dans les recherches en théranostique. / This dissertation shows the experimental results, which I strongly believe prove the possibility of application the proposed bioprobe in theranostics treatment. The advantages and disadvantages of the probe were discussed on the basis of imaging of cancer cells, toxicity and fluorescent efficiency. It is important to mention that the process of synthesis of the biomarker was controlled on each step, starting from the selection of appropriate size and shape of the core, through optical characterization, effective way of biofunctionalization and finally application in cell visualization.At first, I presented an improved method of separation of distinct shapes of gold nanoparticles from a heterogeneous mixture. The method of centrifugation in a glucose density gradient was applied in order to get homogenous fractions. The procedure of sample preparation, centrifugation and collection of the separated nanoparticles is described. Moreover, I discussed the synthesis with and without Ag+ ions added to the growth solution.Then, I had a closer look on transferring procedure of the NRs from water into IPA solvent, which induce self-organization of the nanoparticles. Optical characterization as well as recorded ATR spectra gave the foundations to understanding of the assembly process taking place. Additionally the work is enriched with the theoretical calculations indicating that individual self-assembled nanostructures show strong light polarization dependent properties. The electric field localized in the gap between NRs is estimated to be enhanced over 350 fold.In the next part of my thesis I have performed a systematic and quantitative description of the interactions of NRs with light (femtosecond laser pulses, 130 fs, 800 nm) in order to characterize the optical properties and design NRs with specific functionalities. In this work I focused on the investigation of structural changes of the NRs and the parameters influencing the reshaping, like surface modification using sodium sulfide, laser power and the position of the longitudinal surface plasmon resonance band (l-SPR) with respect to the laser wavelength.In the next part of the thesis I have quantified the probability of simultaneous absorption of two photons by plasmonic nanoparticles: gold nanorods and gold nanoshells, and by several dye molecules, by using the open-aperture Z-scan technique available in the laboratory at WUT in Poland. At first, I started from fabrication of stable and highly monodisperse NSs suspensions in water, with a varying degree of gold coverage. Then, the NLO properties of the nanoshells were quantified in terms of the two-photon absorption coefficient (α2), the nonlinear refractive index (n2), and the saturation intensity for one-photon absorption (Isat), which are extensive quantities. Then I calculated the two-photon absorption cross-section (σ2) taken per nanoparticle, which was also interpreted in terms of the merit factor σ2/M (where M is the molar mass of the nanoparticle), the quantity suitable for comparisons with other types of nonlinear absorbers.Finally, in the last chapter I have combined the results and knowledge from all previously described experiments in order to propose a new bioprobe. The probe is based on NR functionalized by DNA strand with attached fluorophore. The distance between gold surface and dye is selected in a such way as to maximize the fluorescent emission. The viability tests show low toxicity for cells and high compatibility. I showed that biofunctionalized NRs can provide fluorescent labeling of cancer cells and enable effective photothermal therapy. This is one of the first demonstrations of coupling a bioimaging application to a cancer therapy application using NRs targeted against a clinical relevant biomarker. I hope that the future studies will extend the in vitro concept demonstrated here to in vivo animal experiments.

La spectroscopie de fluorescence est une méthode analytique performante utilisée dans plusieurs domaines comme technique d’analyse. Cependant, les molécules fluorescentes organiques présentent quelques désavantages, tels qu’un rendement quantique variable, une photodégradation rapide, le fait qu'elles sont sujettes à l’extinction collisionnelle et que la plupart des molécules sont hydrophobes. Afin de repousser les limites de cette méthode, il est intéressant de pouvoir augmenter les propriétés intrinsèques des fluorophores afin de palier à ces défauts en utilisant, par exemple, l’exaltation plasmonique de la fluorescence par les métaux. À cette fin, un système de nanosondes plasmoniques superluminescentes a été développé dans le laboratoire. Les nanoparticules sont composées d’un cœur d’argent et d’une couche de silice dopée de fluorescéine (Ag@SiO2). La nanoparticule métallique interagit avec la lumière à une certaine fréquence afin de former le plasmon de surface. Cette bande plasmonique est modulée par les caractéristiques des nanoparticules telles que la taille, le métal et la forme. L’exaltation de la fluorescence des nanoparticules se caractérise par une augmentation de la luminosité et une réduction du temps de vie de la fluorescence. La caractérisation de ces phénomènes se fait habituellement en cuvette, ce qui donne une moyenne des caractéristiques optiques des différentes populations présentes en solution. Dans ce projet, une plateforme de microscopie permettant de mesurer, sur une même particule, l’intensité et le temps de vie de fluorescence ainsi que la position de la bande plasmonique a été réalisée. Par la suite, une méthode de localisation des nanoparticules sur un substrat solide a été développée afin de compléter les mesures énumérées plus haut avec des mesures de taille et de forme par microscopie électronique à balayage. Cette plateforme, en permettant à la fois la microscopie en imagerie de fluorescence en temps de vie, l’imagerie en mode champ sombre et l’acquisition de spectres de diffusion, permet d'étudier l’influence de la morphologie de la nanoparticule sur la position de la bande plasmonique, la réduction du temps de vie de fluorescence et l’augmentation de l’intensité lumineuse. / Fluorescence spectroscopy is a powerful analytical method used in many areas. Nevertheless, organic fluorescent molecules show some disadvantages like variable quantum yield and fast photobleaching. Moreover, most of fluorescent dyes are hydrophobic and dynamic quenching can occur. To push the limit of this technique, it is useful to boost properties of fluorescent molecules to overcome those disadvantages. Metal enhanced fluorescence can increase the overall luminescence of fluorophore dyes. Superluminescent plasmonic nanoprobes have been developed in the lab. Those nanoparticles are made of a silver core surrounded by a fluorescent silica shell doped with fluorescein (Ag@SiO2). The metallic nanoparticle interacts strongly with the electromagnetic field of incident light at a certain frequency to create an oscillating electron cloud called a localized surface plasmon. The resonant frequency of the plasmonic band is affected by nanoparticle characteristics like shape, size and composition. Enhanced fluorescence is characterised by an increased luminescence and a shortened lifetime of fluorescence. The characterization of those properties is made in a cuvette and thus reflects the averaged properties of a heterogenous population of particles dispersed in a liquid. In this project, a microscopy platform enabling the acquisition, on the same particle, of the intensity, the fluorescence lifetime and the plasmonic band have been assembled. In addition, a method has been developed to localise nanoparticles on a solid substrate to complement the measurements mentioned above by information on the nanoparticles’ shape and size using scanning electron microscopy. The influence of the nano-objects’ morphology on the plasmonic band, the fluorescence intensity and the lifetime can then be studied. This platform regroups on a single microscope fluorescence lifetime imaging microscopy, dark field imaging and scattering spectroscopy.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le polyéthylène glycol (PEG) est un polymère reconnu comme généralement sécuritaire (GRAS) et son utilisation est très répandue dans plusieurs domaines, dont celui de la pharmaceutique. Ce polymère peut être conjugué à des protéines ou des vecteurs pharmaceutiques transportant des médicaments afin de prolonger le temps de circulation dans l'organisme. Bien que le PEG ait été considéré comme non immunogène, des études récentes montrent qu'environ 20 à 70 % de la population possèdent des anticorps capables de reconnaitre le polymère. Par un effet neutralisant, ces anticorps anti-PEG pourraient réduire l'efficacité et le temps de circulation de certains médicaments PEGylées. Ces travaux s'intéressent à comprendre les mécanismes derrière la réponse immunitaire anti-PEG des vecteurs pharmaceutiques et plus particulièrement des nanoparticules de polymère composé de PLGA-PEG. Notre hypothèse est que ces nanoparticules de polymère causent la production d'anticorps anti-PEG initier à l'aide de la cascade du complément. Lors de ces travaux, des anticorps anti-PEG étaient mesurés après sept jours, peu importe la voie d'administration des nanoparticules. L'isotype des anticorps dirigés contre le PEG mesuré est majoritairement des IgM. Les anticorps anti-PEG en circulation réduisent le temps de circulation de différentes architectures PEGylées, dont les nanoparticules et les liposomes. La présence des anticorps IgM anti-PEG altère les protéines retrouvées à la surface des nanoparticules. Des souris splénectomisées ont été utilisées dans plusieurs expériences afin d'investiguer le rôle de la rate dans la production des anticorps anti-PEG après l'administration de nanoparticules. Chez les souris qui ne possédaient pas de rate, la production des anticorps anti-PEG était abrogée lorsque les nanoparticules étaient administrées par voie intraveineuse. Par voie d'injection sous-cutanée, une petite quantité d'anticorps anti-PEG était mesurée après sept jours dans le plasma des souris splénectomisées. Ensuite, deux modèles de souris avec une cascade du complément abrogé (CVF) ou absence (C3[exposant -/-]) ont été utilisés pour investiguer le rôle de la cascade du complément sur la production des anticorps anti-PEG. La cascade du complément semble impliquée dans la production des anticorps anti-PEG lorsque les nanoparticules sont administrées par voie intraveineuse. Lors d'une injection sous-cutanée des nanoparticules, la concentration IgM anti-PEG mesurée après 7 jours est similaire entre le groupe témoin et le groupe ne possédant pas de cascade du complément active. Finalement, des études en cytométrie en Flux avec des nanoparticules fluorescente administrée à des souris avec et sans complément nous ont permis d'identifier l'importance des protéines du complément sur l'interaction entre les cellules immunitaires et les nanoparticules. Les protéines du complément à la surface des nanoparticules semblent favoriser leur interaction avec les lymphocytes B splénique. Les protéines du complément ne semblent pas changer l'interaction des nanoparticules avec les cellules B des ganglions lymphatiques après une administration sous-cutanée. Ces résultats suggèrent que le différent mécanisme est impliqué lors de la production des anticorps anti-PEG, selon la route d'administration des nanoparticules. Des études supplémentaires sont requises pour comprendre les effets de ces anticorps anti-PEG en clinique. / Polyethylene glycol (PEG) is a polymer recognized as generally safe (GRAS) and its use is widespread in several fields. This polymer can be conjugated to proteins or pharmaceutical carriers carrying drugs to prolong circulation time in the body. Although PEG has been considered as non-immunogenic, recent studies show that approximately 20-70% of the population have antibodies that can recognize the polymer. Through a neutralizing effect, these anti-PEG antibodies could reduce the effectiveness and circulation time of certain PEGylated drugs. This work focuses on understanding the mechanisms behind the anti-PEG immune response of pharmaceutical vectors and more particularly of polymer nanoparticles composed of PLGA-PEG. Our hypothesis is that these polymer nanoparticles cause the production of anti-PEG antibodies to initiate with the help of the complement cascade. During this work, anti-PEG antibodies were measured after 7 days, regardless of the route of administration of the nanoparticles. The isotype of the antibodies directed against the PEG was IgM. Anti-PEG antibodies in circulation reduce the circulation time of different PEGylated architectures including nanoparticles and liposomes. The presence of anti-PEG IgM antibodies alters the proteins found on the surface of the nanoparticles. In addition, anti-PEG antibodies promote the activation of the complement cascade which helps eliminate subsequent doses of nanoparticles. Splenectomized mice have been used in several experiments to investigate the role of the spleen in the production of anti-PEG antibodies after the administration of nanoparticles. In mice without a spleen, the production of anti-PEG antibodies was abrogated when the nanoparticles were administered intravenously. By subcutaneous injection, a small quantity of anti-PEG antibodies were measured after seven days in the plasma of splenectomized mice. Two mouse models with an abrogated complement cascade (CVF) or absence (C3[superscript -/-]) were used to investigate the role of the complement cascade on the production of anti-PEG antibodies. The complement cascade seems to be involved in the production of anti-PEG antibodies when the nanoparticles are administered intravenously. During a subcutaneous injection of the nanoparticles, the anti-PEG IgM concentration measured after 7 days is similar between the control group and the group without an active complement cascade. Finally, Flow cytometry studies with fluorescent nanoparticles administered to mice with and without complement allowed us to identify the importance of complement proteins on the interaction between immune cells and nanoparticles. Complement proteins on the surface of the nanoparticles appear to promote their interaction with splenic B lymphocytes. The complement deposited on the nanoparticles does not appear to direct their interaction with the B cells of the lymph nodes after subcutaneous administration. These results suggest that different mechanisms are involved in the production of anti-PEG antibodies, depending on the route of administration of the nanoparticles. Further studies are required to understand the effects of these anti-PEG antibodies in the clinic.

Pour mieux comprendre les processus moléculaires à la base de la communication synaptique, il est nécessaire de pouvoir observer et contrôler l’activité synaptique avec une grande précision temporelle (ms) et spatiale (échelle nanométrique). Mon projet propose d’utiliser une technique de stimulation optique localisée basée sur l’excitation plasmonique de nanoparticules d’or (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) afin de produire une stimulation synaptique localisée sur une seule synapse. NALOS peut être réalisé en utilisant un microscope confocal équipé d’un laser infrarouge femtoseconde pour stimuler des nanoparticules d’or déposées sur les neurones en culture. Il a été démontré qu’il est possible d’induire avec NALOS une augmentation transitoire de Ca2+ intracellulaire sur une dendrite, mesurée avec l’aide de GCaMP6s, un indicateur de Ca2+ génétiquement encodé1 . Afin de mieux comprendre les effets physiologiques de NALOS sur les neurones, la première partie de mon projet vise à caractériser le mécanisme sous-jacent à la technique. Pour ce faire, nous avons varié la puissance de la stimulation laser sur les nanoparticules d’or pour caractériser les différentes réponses calciques transitoires intracellulaires obtenues ainsi que la possible formation de trous sur la membrane. Nous avons ensuite identifié les principaux récepteurs et canaux ioniques pouvant être stimulés avec NALOS en utilisant différents antagonistes. Nous avons ensuite appliqué NALOS pour générer une stimulation synaptique. Pour y parvenir, nous avons stimulé localement un axone et observé la réponse calcique reliée à une stimulation synaptique par relâchement naturel de glutamate via des vésicules de la zone active présynaptique. Cet outil permettra donc de stimuler et d’observer, une synapse à la fois, des changements structurels et moléculaires reliés à la communication synaptique. / To better understand the molecular processes underlying synaptic communication, it is necessary to be able to observe and control synaptic activity with high temporal (ms) and spatial (nanoscale) precision. My project proposes using a localized optical stimulation technique based on the plasmonic excitation of gold nanoparticles (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) to produce synaptic stimulation localized at a single synapse. NALOS can be performed using a confocal microscope equipped with an infrared femtosecond laser to stimulate gold nanoparticles deposited on cultured neurons. It has been shown that NALOS can induce a transient stimulation of intracellular Ca2+ on a dendrite, measured with the help of GCaMP6s, a genetically encoded Ca2+ indicator1 . For a better understanding the physiological effects of NALOS on neurons, the first part of my project aims to characterize the mechanism underlying this technique. To do this, we varied the power of laser stimulation on gold nanoparticles to decipher the different intracellular transient Ca2+ responses obtained as well as to investigate the possible formation of holes on the membrane. We then determined the main receptors and ion channels that can be stimulated with NALOS. We then applied NALOS to generate synaptic stimulation. To do this, we locally stimulated an axon and look at the Ca2+ response related to synaptic stimulation by natural release of glutamate via vesicles of the presynaptic active zone. This tool will thus make it possible to stimulate and observe, one synapse at a time, structural and molecular changes related to synaptic communication

Le glaucome est la seconde cause de perte de vision dans le monde. L’augmentation de la pression intraoculaire constitue un important facteur de risque associé au glaucome. Actuellement, des médicaments permettant de réduire la pression intra-oculaire sont administrés chez les patients présentant une pression intraoculaire élevée. De plus, seule une petite fraction des médicaments (<0,06%) peuvent atteindre leurs sites d’action dans la chambre antérieure de l’oeil. En effet, le film précornéen ainsi que le drainage lacrymal rapide empêchent la pénétration du médicament dans l’oeil. Pour résoudre ce problème majeur en ophtalmologie, nous proposons d’utiliser des nanoparticules d’or. Notre hypothèse est que les nanoparticules d’or sont mucoadhésives et relarguerons plus lentement leur contenu médicamenteux dans la cornée, augmentant ainsi le temps de résidence des molécules administrées. Cela permettrait d’augmenter l’efficacité du traitement. Objectifs : Dans un premier temps, plusieurs nanoparticules d’or stables et biocompatibles ont été synthétisées. Ensuite, leurs propriétés mucoadhésives et d’encapsulation ont été étudiées. Finalement, les nanoparticules produites ont été testées dans un modèle de souris in vivo en comparaison avec le travoprost. Matériels et méthodes : Plusieurs différents types de nanoparticules ont été synthétisées en utilisant une méthode de Brust modifiée dans laquelle un mélange de solvants contenant de l’acétonitrile permet au polymère de bien stabiliser la nanoparticule en formation. Les nanoparticules sont stabilisées par des polyéthylènes glycol (PEG) de différents poids moléculaires : 800, 2000 et 6000 Da. Les nanoparticules sont caractérisées par spectroscopie UV visible, diffusion dynamique de la lumière, microscopie électronique en transmission et analyse élémentaire. Un médicament couramment utilisé dans le traitement du glaucome, le travoprost (TV), a été encapsulé dans les nanoparticules d’or (GNP) en chauffant le mélange pour évaporer le solvant contenant le travoprost et forcer le médicament à s’insérer dans les cavités à la fois hydrophiles et hydrophobes formées par la couronne de PEG. L’encapsulation a ensuite été évaluée par spectroscopie UV-visible et chromatographie en phase liquide à haute performance. La mucoadhésion a été évaluée par spectrométrie de fluorescence. Enfin, un modèle de glaucome utilisant des injections de microbilles chez la souris a été utilisé pour comparer le temps d’action du travoprost utilisé en clinique et notre solution de GNP médicalisée. Résultats : Le diamètre du coeur métallique des GNP est de 2,2 nm à 5,2 nm et le diamètre hydrodynamique a été mesuré entre 8,5 et 18,9 nm, selon la méthode de synthèse et le PEG qui a été utilisé. Il a aussi été observé qu’une petite quantité de GNP (77 pmol) peut encapsuler 0,004% travoprost (concentration utilisée sur le marché). De plus, 77 pmol de GNP réduisent de 17% à 27% la fluorescence des mucines en fonction du PEG utilisé, suggérant la possibilité de l’adhésion aux muqueuses comme la cornée. En fonction du protocole développé, le travoprost du marché semble avoir une durée d’action supérieure à celle des solutions médicamenteuses de GNP préparées. Conclusion : Nos résultats montrent que les GNP peuvent efficacement encapsuler le TV et interagir avec les mucines. Plus d’analyses sont nécessaires pour comprendre les résultats inattendus obtenus in vivo. Les propriétés de mucoadhésion des GNP pourraient éventuellement mener à l’amélioration de l’efficacité des traitements pharmacologiques dans une gamme étendue de maladies ophtalmiques. / Glaucoma is the second cause of blindness worldwide. Elevated intraocular pressure (IOP) is the highest risk factor associated with glaucoma. Currently, hypotensive drugs can be administered topically to decrease the elevated IOP in patients. However, only a small fraction of the drugs (<0.06%) can reach their site of action in the anterior chamber of the eye. The corneal barrier and rapid drainage prevent drug penetration in the eyeball. To solve this major issue in ophthalmology, we propose to use gold nanoparticles (GNP). Our hypothesis suggests that GNP can be mucoadhesive and thus increase the residence time of glaucoma medication on the cornea, leading to the improvement of the drug efficacy. Objective: Firstly, several biocompatible and stable GNP will be synthesized. Secondly, their mucoadhesion and encapsulation properties will be studied. Lastly, the prepared medicated GNP will be analyzed in vivo with a mouse model, in comparison with marketed travoprost formulation. Methodology: Several GNP were synthesized using a modified one-step Brust method. The modification involves the use of acetonitrile to stabilize GNP during polymer capping. GNP were capped with thiolated polyethylene glycol (PEG) of different lengths: 800, 2000 and 6000 Da. GNP were then characterized by UV-visible spectroscopy, dynamic light scattering, transmission electron microscopy and elemental analysis. A commonly used glaucoma medication, travoprost (TV), was encapsulated in the GNP by heating the mixture to remove TV solvent and entrapping the drug in the PEG hydrophobic pockets. The encapsulation was thus evaluated by UV and high-performance liquid chromatography. Mucoadhesion was evaluated by spectrofluorimetry. A microbead injection glaucoma model was used to compare the duration of action of the marketed travoprost and the medicated GNP solution. Results: The core diameter of GNPs were found to be 2.2 nm to 5.2 nm whereas the hydrodynamic size was found to be between 8.5 and 18.9 nm depending on the PEG used. It was also found that as little as 77 pmol of GNP can encapsulate 0.004% travoprost (marketed concentration). Moreover, 77 pmol of GNPs quenched by 17% to 27% mucins fluorescence depending on the PEG used, thus suggesting their possible binding to mucosae such as the cornea. According to the developed protocol, marketed travoprost appears to have a longer duration of action than the prepared medicated GNP. Conclusion: Our results show that GNP can efficiently encapsulate TV and interact with mucins. More analysis is needed to understand the unexpected in vivo results. The mucoadhesive properties of GNP could lead to the improvement of the efficacy of pharmacological treatments in a large spectrum of ophthalmic diseases.

Les produits de la forêt dans les applications architecturales ou décoratives extérieurs sont souvent défavorisés par leur durabilité limitée et la préservation de leur apparence. La demande pour des revêtements extérieurs pour le bois à haute durabilité, la technologie verte et les nouvelles règlementations environnementales en matière d’émission des COV (composés organiques volatils) poussent l'industrie à développer des nouvelles formulations de peintures à base d’eau qui possèdent des performances équivalentes ou supérieures à celles des peintures à base de solvant organique. En effet, ce projet a comme but l’amélioration de la durabilité du bois en usage extérieur en utilisant des revêtements nanocomposites à base d’eau qui contiennent des absorbeurs UV inorganiques à taille nanométrique. Des nanoparticules de ZnO et TiO2 modifiées en surface contre la dégradation photocatalitique ont été choisies afin d’être dispersées sous forme de poudre et sous forme de dispersions aqueuses dans une formulation commerciale à base d’eau de teinture acrylique latex fournie par Sico Ltd. Montréal – Akzo Nobel, Canada. La durabilité des teintures nanocomposites appliquées sur de l’épinette noire a été étudiée par le vieillissement accéléré. La dégradation des revêtements nanocomposites due au vieillissement artificiel a été déterminée par le changement de l’apparence (couleur et brillance), la perte en épaisseur, le changement de la température de la transition vitreuse (Tg) et le changement de propriétés mécaniques (l’adhérence, l’abrasion, dureté, module d’élasticité). Le développement des produits de photo-oxydation à la surface des revêtements vieillis a été démontré par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. La microscopie à force atomique a été employée pour visualiser la dégradation des surfaces de revêtements soumis au vieillissement artificiel afin d’établir leur mécanisme de dégradation. La qualité de la dispersion des nanoparticules dans les films nanocomposites ainsi que la tenue du film sur le substrat en bois ont été vérifiés par la microscopie électronique à balayage et à transmission. Les études thermiques effectuées par la calorimétrie différentielle à balayage et l’analyse thermogravimétrique ainsi que la perméabilité aux vapeurs d’eau ont servi à mieux caractériser les nouveaux revêtements nanocomposites. En conclusion, une protection efficace contre les UV est directement reliée à la dispersion homogène des nanoparticules dans le revêtement nanocomposite. La compatibilité avec la matrice acrylique de dispersant utilisée pour la prédispersion de nanoparticules et le type de modification à la surface de nanoparticules sont très importants pour prévenir l’agrégation des nanoparticules dans le revêtement sec. Finalement, une série de revêtements nanocomposites à haute performance a été sélectionnée. Les résultats obtenus confirment l’avantage de l’utilisation des absorbeurs inorganiques UV de taille nanométrique dans les revêtements extérieurs et par conséquent, de nombreuses possibilités de l’application de la nanotechnologie se sont ouvertes dans la reformulation des teintures à base d’eau destinées au bois. / The forest products designated to architectural or exterior decorative applications are often disadvantaged by their limited durability and appearance preservation. High performance exterior wood coatings demand, green technologies and the VOCs environmental legislations push industry to develop waterborne formulations that pose equivalent or superior performance as the solventborne ones. Consequently, the main objective of this project is to improve the exterior wood durability by using waterborne nanocomposite coatings that contain nanosized inorganic UV absorbers. Surface modified ZnO and TiO2 nanoparticles against photocatalytic choose to disperse under powder and water-based dispersions into a commercial waterborne acrylic stain formulation for deck from Sico Ltd. Montreal – Akzo Nobel, Canada. The durability of nanocomposite coatings supported by black spruce wood was studied by artificial aging. Nanocomposites coatings degradation was followed by appearance (gloss and color measurements), thickness, glass transition temperature (Tg) and mechanical properties (adhesion, abrasion, hardness and elastic modulus) changes. Photo-oxidation products growth on the degraded surface of aged wood coatings was monitorized by Fourier Transform - Infrared Spectroscopy. Atomic force microscopy was used to visualise the aged coatings degraded surface in order to establish their mechanism of degradation under artificial exposure. The nanoparticles dispersion quality in the dry nanocomposites films and also films adherence on the wood substrate were verified by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The thermal analysis (DSC and TGA) and water vapour permeability were employed for a better characterization of the new nanocomposite coatings. In conclusion, an efficient UV protection is directly connected with an homogeneous dispersion of the nanoparticles in nanocomposite coating. Dispersant compatibility that was used to predisperse the nanoparticles and modification type of nanoparticles are crucial in preventing nanoparticles agglomeration in the dry coating. Finally, a series of high performance nanocomposites coatings was selected. The obtained results confirm the advantage of using inorganic nanosized UV absorbers in exterior coatings and consequently various possibilities of nanotechnologies applications are open into reformulating waterborne coating for wood.

Les réseaux ordonnés de nanoparticules métalliques possèdent des propriétés uniques qui peuvent mener à d'importantes applications dans les domaines de l'optique, de l'électronique et de la catalyse. La formation de structures ordonnées périodiques par les copolymères blocs est bien connue. La séparation de phase à l'intérieur des copolymères blocs étalés à l'interface air-eau offre une avenue intéressante à la préparation de surfaces organisées. Par exemple, le polystyrène-b-polyméthacrylate de méthyle et le polystyrène-b-polyvinilpyrolidone forment des réseaux ordonnés de micelles de surfaces bien définies lorsqu'ils sont étalés à l'interface air-eau. Ces structures sont conservées lors du transfert de la mono couche à un substrat solide par la technique Langmuir-Blodgett. Ce projet consiste à organiser des nanoparticules métalliques sur ces surfaces de copolymères ordonnée. Pour parvenir à cette fin, plusieurs stratégies sont employées. Une des approches consiste à l'organisation de nanoparticules d'or fonctionnalisées par un groupement amine sur une surface de PS-b-PMMA dont les micelles de polystyrène sont sulfonées. L'autre approche consiste à organiser les nanoparticules fonctionnalisées avec du polystyrène et des thioalcanes à la surface de ces mêmes copolymères blocs. L'organisation de ces nanoparticules sur les domaines de polystyrène est visible sur une distance de plusieurs millimètres.

Les nanoparticules ultrafines d’oxyde ou d’hydroxyde de fer utilisées en imagerie par résonance magnétique (IRM) permettent de rehausser le signal vasculaire. Dans ce projet, des nanoparticules magnétiques ultrafines (&lt; 10 nm) à base de fer sont synthétisées à l’aide d’une méthode de réduction par électrochimie plasma-liquide (EPL). Simple et rapide (t &lt; 5 min.), cette méthode consiste à projeter un plasma d’argon à la surface d'une solution aqueuse contenant des ions métalliques et des molécules de ligand. Une fois purifiées par chromatographie ou par dialyse, la suspension de nanoparticules permet d'obtenir un contraste positif en IRM. Une préparation de ces nanoparticules a été injectée in vivo (modèle de la souris), permettant de démontrer un fort rehaussement du signal vasculaire. Cette technologie pourrait avantageusement être appliquée dans les centres hospitaliers, afin de produire un agent de contraste biocompatible sur place et sur demande. / Ultra-small iron oxide and hydroxide nanoparticles can be used to enhance vascular signal in magnetic resonance imaging. In this project, ultra small iron hydroxide magnetic nanoparticles (&lt; 10 nm) are synthesized with a plasma-liquid electrochemical method. Rapid and simple (t &lt; 5 min.), this technique consists of an argon microplasma directed to an aqueous solution containing metal ions and ligand molecules. Synthesizing nanoparticles directly in water is advantageous in the context of biomedical applications. After purification with size-exclusion chromatography or dialysis, the nanoparticle suspension allowed to obtain positive contrast enhancement in MRI. Finally, the prepared nanoparticles were injected in vivo (in the mouse model) enabling a high increase of vascular signal. This technology could be favourably installed in hospitals, in order to produce a biocompatible MRI contrast agent, on site and on demand.

Le traitement de maladies oculaires par voie topique est simple pour le patient. Il est préconisé dans plus de 90% des cas puisqu’il est généralement moins invasif que les traitements alternatifs. Cependant, l’efficacité des médicaments administrés par voie topique demeure limitée en raison de processus physiologiques qui entraînent une faible absorption. Les travaux réalisés au cours de cette maîtrise visent l’amélioration de la biodisponibilité des médicaments pour la thérapie oculaire grâce à un vecteur à base de nanoparticules d’or. L’intérêt de l’utilisation des nanoparticules d’or comme vecteur consiste à utiliser leurs propriétés mucoadhésives afin d’augmenter le temps de rétention des médicaments à la cornée, et ainsi, d’en permettre une plus grande absorption. Ce projet se divise en cinq volets. Le premier volet vise l’étude des connaissances actuelles sur les nanoparticules d’or en ophtalmologie, et souligne les caractéristiques qui mènent à la synthèse de nanoparticules non-toxiques. Le deuxième volet présente l’évaluation des propriétés mucoadhésives des nanoparticules d’or. Cela implique d’évaluer leur affinité pour les mucines, soit des protéines du film pré-cornéen. Afin d’obtenir des nanoparticules pouvant supporter les conditions nécessaires à leur usage in vivo, la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or ultrastables ont été réalisées. L’optimisation de l’encapsulation de médicaments dans la couronne périphérique de la nanoparticule constitue le quatrième volet. Finalement, l’étude de la cytotoxicité des nanoparticules d’or représente le cinquième volet. Les expériences ont démontré que nos nanoparticules d’or mucoadhésives et ultrastables supportent des conditions drastiques, dont l’autoclave, permettant leur stérilisation pour des usages in vivo. Des molécules actives utilisées en thérapie oculaire peuvent y être encapsulées. De plus, les nanoparticules ne semblent pas affecter les mécanismes biologiques. Ces données suggèrent l’amélioration potentielle de la thérapie oculaire grâce aux nanoparticules d’or. / Topical ocular therapy is a simple administration route used in more than 90% of cases when a patient need ocular treatment. It is generally less invasive than other available treatments which often involve intraocular injections and puncture wounds. However, efficiency of active molecules administered topically is limited considering that less than 0.02 % is successfully absorbed by the cornea. This master’s project aims the amelioration of ocular therapy by enhancing biodisponibility of active molecules thanks to a drug vector based on gold nanoparticles. Gold nanoparticles present mucoadhesive properties, leading to the increase of the retention time of drugs at the cornea, thus enhancing their absorption. This project is divided in 5 aspects. The first aspect aims to overview the actual knowledge on gold nanoparticles in ophthalmology and to highlight synthesis parameters leading to non-toxic nanoparticles. Second part presents the evaluation of gold nanoparticles’ mucoadhesive properties, which imply the evaluation of their affinity for pre-corneal film proteins, as mucins. To be used in vivo , gold nanoparticles must support sterilization, formulation treatments as well as physiological media. Third aspect presents the synthesis and characterization of ultrastable gold nanoparticles. Their capacity to encapsulate active molecules within their polymeric crown is evaluated as the fourth aspect. Finally, as the fifth aspect, the cytotoxicity of the nanoparticles was evaluated. The mucoadhesive ultrastable gold nanoparticles support drastic conditions, as autoclave sterilization predicting their use in vivo. Active molecules were successfully encapsulated within their ligands. Furthermore, they do not seem to cause any alteration of biological mechanism in cells. These results suggest potential improvement of ocular therapy thanks to gold nanoparticles.