Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie à l'état solide : Le Mans : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. en fin de chapitres.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 77 réf.

Thèse de doctorat : Sciences chimiques. Polymères : Bordeaux 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique : Lyon 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. en fin de chapitres.

Utilisation de nanoparticules pour délivrer des protéines dans les épithéliums respiratoires. Caractérisation des mécanismes impliqués. L’administration de médicaments par les voies respiratoires humaines est un domaine de la recherche en pleine expansion. Un effort croissant est porté sur le développement de systèmes innovants capables d’échapper aux mécanismes de clairance des voies respiratoires, d’améliorer la biodisponibilité des molécules d’intérêt, leur absorption dans la muqueuse et leur efficacité thérapeutique. Dans ce contexte, le but de ce travail était d’évaluer le potentiel de nanoparticules polysaccharidiques cationiques et poreuses (NP+) comme vecteurs de protéines à travers les voies respiratoires humaines. Les NP+ sont utilisées avec succès in vivo, comme vecteurs mucosaux dans de nombreuses applications telles que la vaccination, l’allergie, la thérapie anticancéreuse et la délivrance de molécules thérapeutiques. Cependant, les mécanismes d’interaction de ces nanoparticules avec les cellules épithéliales des voies respiratoires sont peu connus. Nous avons étudié l’endocytose, l’exocytose et la localisation intracellulaire de ces nanoparticules dans des cellules épithéliales bronchiques humaines. Leur toxicité a été évaluée sur ces cellules et plus particulièrement leur cytotoxicité et leur génotoxicité. Enfin, nous avons étudié et caractérisé les mécanismes de délivrance intracellulaire de protéines par ces nanoparticules et l’influence de leur composition interne sur ces mécanismes. Nos travaux montrent une endocytose rapide des NP+ par la voie des clathrines, ainsi qu’une importante exocytose par des mécanismes dépendant du cholestérol. Elles sont localisées dans les vésicules de clathrines, les endosomes précoces et pas dans les endosomes tardifs, ni dans les lysosomes. De manière ces nanoparticules s’associent quantitativement aux protéines et augmentent leur délivrance intracellulaire, tout en les protégeant de l’hydrolyse enzymatique à pH physiologique. De plus, la présence de lipides anioniques dans leur structure interne influence significativement les mécanismes d’interactions avec les cellules et de délivrance intracellulaire de protéines. Enfin, les études de toxicité ne montrent aucune cytotoxicité ni génotoxicité à des concentrations < 326 µg/cm2. Ces concentrations sont toutefois très élevées et difficilement atteignables in vivo. En conclusion, les NP+ ne sont pas toxiques sur les cellules épithéliales des voies respiratoires, elles interagissant fortement avec celles-ci et augmentent significativement la délivrance de protéines. Ce travail souligne l’intérêt de développer ce type de nanoparticules pour la délivrance de molécules d’intérêt pharmaceutique à travers les voies respiratoires humaines. / Drug delivery through the human respiratory tract is a promising field under investigation. A growing effort is focused on developing innovative delivery systems able to escape the clearance mechanisms of the respiratory tract, to improve molecules bioavailability, their absorption and their therapeutic efficacy, in the respiratory mucosa. In this context, the aim of this study was to evaluate the potential of polysaccharide cationic porous nanoparticles (NP+) as airway vectors for proteins. NP+ are successfully used as mucosal vectors in vivo, in many applications, including vaccination, allergy, cancer therapy and drug delivery. However, the mechanisms of NP+ interaction with airway epithelial cells remain poorly understood. We investigated the endocytosis, the exocytosis and the intracellular localization of NP+ in human bronchial epithelial cells. We assessed their toxicity on these cells, and particularly their cyto- and genotoxicity. Finally, we studied and characterized the mechanisms of intracellular delivery of proteins by these nanoparticles, and the influence of their inner composition, on these mechanisms. Our results showed a rapid uptake of NP+ via the clathrin endocytosis pathway, and a significant exocytosis via a cholesterol-dependent mechanism. Moreover, NP+ were located in clathrin vesicles, early endosomes but not in late endosomes nor lysosomes. Interestingly, these nanoparticles quantitatively associated proteins and increased their intracellular delivery, while protecting them from enzymatic degradation at physiological pH. Moreover, the presence of anionic lipids in their inner structure significantly influences their interaction with cells and the mechanisms of intracellular delivery. Finally, toxicity studies show no genotoxicity or cytotoxicity of these nanoparticles at concentrations below 326&#956;g/cm². However, these concentrations are very high and hardly realistic in vivo. In summary, NP+ are not toxic to airway epithelial cells, they strongly interact with these cells and significantly increase protein delivery. This work highlights the importance of developing this type of nanoparticles to deliver molecules via the human respiratory tract.

Les nanoparticules fonctionnalisées continuent de susciter beaucoup d’interêt dans les applications biomédicales et les essais biologiques. Elles sont devenues un élément clé dans la recherche en nanobiotechnologie. Un des axes primordiaux des travaux de recherche est le développement de stratégies polyvalentes de fonctionnalisation de surface pour différentes nanoparticules allant de nanostructures de diamants à des nanoparticules d'oxyde de fer, des particules de silice et des nanocapsules lipidiques. Un des objectifs en particulier a été l’introduction de diverses fonctionnalisations sur les mêmes nanoparticules en utilisant soit des ligands dérivés de la dopamine ou soit par chimie « click » de Cu(I) catalysé. Il en résulte des nanostructures bien dispersées fonctionnalisées avec différents ligands à leurs surfaces. Les applications de ces nanostructures pour l'inhibition des infections virales et pour la délivrance de gènes ont été étudiées. En effet, l'inhibition de l'entrée du VHC a été identifiée comme étant une stratégie thérapeutique potentielle. Il a pu être démontré que différentes nanoparticules peuvent être efficacement conçues pour afficher les propriétés de lectine et se comporter donc comme des inhibiteurs efficaces d'entrée du virus in vitro. Les pseudo-lectines étudiées ici comprennent les nanoparticules dérivées du fer, de silice, du diamant et des nanocapsules lipidiques comportant toutes des fragments d’acide boronique attachés à leurs surfaces.Par ailleurs, le potentiel des nanoparticules de diamant pour la délivrance de gènes a été étudié. / Functionalized nanoparticles continue to attract interest in biomedical applications and bioassays and have become a key focus in nanobiotechnology research. One of the primal focuses of the research work was the development of versatile surface functionalization strategies for different nanoparticles ranging from diamond nanostructures to iron oxide nanoparticles, silica particles and lipid nanocapsules. One particular aim was the introduction of various functionalities onto the same nanoparticles using either dopamine-derived ligands or Cu(I) catalyzed “click” chemistry strategies. This resulted in well-dispersed nanostructures with different ligands present on the surface of the nanostructures. The possibilities to use such nanostructures for the inhibition of viral infections and for gene delivery were investigated. Indeed, inhibiting the entry of HCV has been identified as a potential therapeutic strategy. It could be demonstrated that various nanoparticles can be efficiently engineered to display “lectin-like” properties and indeed behave as effective viral entry inhibitors, in vitro. The pseudo-lectins investigated here include iron-, silica-, diamond-, (lipid nanocapsule)-derived nanoparticles all featuring surface-attached boronic acid moieties. In parallel to work on HCV entry inhibition, the potential of diamond nanoparticles as gene delivery system was investigated. Water dispersible and biocompatible polypegylated diamond particles were prepared using different dopamine ligands and their effect on gene delivery has been studied.

L’utilisation de nanoparticules a permis de révolutionner divers secteurs industriels, notamment la cosmétique, l’alimentaire ou encore la pharmaceutique. Leur omniprésence dans les produits de consommation génère une forte inquiétude vis-à-vis de la santé des utilisateurs. Le dioxyde de titane est largement utilisé en tant qu’additif alimentaire, agent blanchissant ou filtre UV. Son utilisation importante expose l’être humain à un potentiel risque de toxicité. De nombreuses études épidémiologiques menées sur des animaux ont mis en lumière les effets néfastes d’expositions chroniques. Les méthodes existantes pour caractériser et quantifier les nanoparticules dans les fluides biologiques ne sont pas adaptées. Le sang et l’urine étant des matrices complexes, les outils d’analyse couramment utilisés manquent de sensibilité, de spécificité et de sélectivité. Afin de pallier ces limitations, il est indispensable de développer des méthodes rapides, simples, précises et robustes, basées sur des approches novatrices, afin de pouvoir détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans ces matrices biologiques. Ce projet s’inscrit dans une démarche globale de statuer quant à l’exposition humaine aux nanoparticules de dioxyde de titane. Ainsi, l’objectif et l’innovation de cette thèse résident dans le développement de méthodes rapides, simples, précises et robustes, pouvant être utilisées sur une base routinière afin de détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans divers fluides biologiques tels que l’urine et le sang. Un premier effort fut réalisé au niveau de la préparation d’échantillon, la majorité des techniques d’analyse nécessitant un échantillon en suspension. Le dioxyde de titane présente une forte tendance à l’agglomération et à l’agrégation, il doit au préalable être mis en suspension et stabilisé afin de garantir une mesure fiable de la taille, de la distribution des tailles et de la concentration. Le développement des méthodes analytiques repose sur l’utilisation de la Simple Particule ICP-MS, connue pour sa préparation d’échantillon minimale, sa rapidité et son applicabilité en routine. L’urine et le sang sont enrichis en nanoparticules de dioxyde de titane afin d’optimiser les différents paramètres d’analyse. Afin de garantir la fiabilité des méthodes et de pouvoir les utiliser en routine, une validation selon la norme ISO/CEI 17025:2017 est indispensable. Ainsi, cette thèse propose une méthodologie complète pour l’analyse des nanoparticules de dioxyde de titane dans l’urine et le sang. Pour accompagner le lecteur, une partie théorique sera consacrée aux propriétés physiques et chimiques de l’élément d’intérêt. De même, l’ensemble des stratégies permettant leur quantification sera détaillé afin de comprendre tous les tenants et aboutissants de cette thèse. / The use of nanoparticles has revolutionized many industrial sectors, including cosmetics, food and even pharmaceuticals. Their omnipresence in consumer products is raising major concerns about users’ health. Titanium dioxide is widely used as a food additive, whitening agent or UV filter. Its extensive use exposes humans to potential risk of toxicity. Many epidemiological studies on animals have highlighted the harmful effects of chronic exposure on various organs, sometimes leading to numerous diseases. In the case of the analysis of biological fluids, the existing methods of quantification are not suitable. Blood and urine being complex matrices, commonly used analytical tools suffer from a lack of sensitivity, specificity and selectivity. In order to overcome these limitations, it is essential to develop faster, simpler, more precise and robust methods based on innovative approaches to be able to detect and quantify titanium dioxide nanoparticles in these biological matrices. This project is part of a global vision to understand and assess human exposure to titanium dioxide nanoparticles. The aim of this thesis is to develop unique innovative methods that can be employed on a routine basis to detect and quantify those nanoparticles in various biological fluids such as urine and blood. Particular attention should be paid to the sample preparation, as most analytical techniques require particle suspension. Titanium dioxide having a strong tendency to agglomerate or aggregate, an approach to stabilize suspensions had to be optimized to ensure reliable size and concentration determination. Analytical methods were developed using an innovative technique, Simple Particle-ICP-MS, dedicated to monitoring individual nanoparticles. This specialized technique is a fast, robust, sensitive metrological tool requiring limited sample preparation. Urine and blood samples are spiked with titanium dioxide nanoparticles to optimize the detection parameters. To ensure the reliability of those methods and use them in a routine mode, validation according the ISO/CEI 17025:2017 guidelines is essential. Thus, this thesis presents a complete methodology for the analysis of titanium dioxide nanoparticles in urine and blood samples. To guide the reader, a theoretical part dealing with the physico-chemical properties of the element of interest will be provided. In addition, overall strategies on their quantification will also be detailed in order to demonstrate the novelty of this work.

Dans le cadre de ce projet, des nanoparticules à base d'oxyde de fer, de silice et de carbone (noir de carbone et différentes formes allotropiques de carbone) sont ajoutées à des mélanges de poudres métalliques de type FC0208 contenant également un lubrifiant dans le but d'étudier l'influence de la présence de ces nanoparticules sur l'écoulement des mélanges de poudres. Les travaux consistent à élaborer des mélanges en laboratoire contenant différentes teneurs en nanoparticules et de mesurer les caractéristiques propres à l'écoulement selon les normes MPIF définies. La séquence d'addition des constituants des mélanges de même que la quantité de nanoparticules et le temps de mélange sont les variables les plus importantes afin de contrôler la distribution des nanoparticules en surface des particules mères. Les mélanges sont élaborés dans des conditions contrôlées (température de mélange, humidité). Les propriétés mécaniques d'échantillons standards produits avec ces mélanges selon des conditions typiquement rencontrées en industrie sont également caractérisées. Il a été possible d'identifier un mélange, soit le mélange FC0208 avec graphite dopé (3,49%vol Monarch 880®) et 0,023%pds R812S® ajouté 5 minutes avant la fin (0.96%vol du lubrifiant) mélangé 30 minutes, permettant une nette amélioration de l'écoulement à 34,9 s/50 g et une densité apparente intéressante à 2,78 g/cm tout en montrant une bonne homogénéité par rapport à un mélange FC0208 conventionnel sans ajout de nanoparticules présentant un comportement cohésif

Les résonances de plasmon de surface sont des phénomènes liés à l'oscillation collective des électrons de conduction à la surface d'un métal sous l'influence d'une onde électromagnétique. Leur étude et leurs applications connaissent actuellement un grand essor. L'extrême sensibilité des conditions de résonance des plasmons aux variations du milieu environnant a conduit à la création de dispositifs de biocapteurs ultrasensibles et résolus en temps réel permettant de grandes avancées dans le domaine biomédical. Mais leur sensibilité et leur fonction peuvent être accrues par l'utilisation de structures nanométriques où le champ électromagnétique local est fortement amplifié. Dans ce contexte, cette thèse constitue un travail préliminaire à la réalisation de biopuce à résonance de plasmon de surface localisé. Elle porte d'une part sur l'étude et la mise au point de procédés innovant de fabrication de structures d'or périodiques sur différents substrats et dont les dimensions sont de l'ordre de la centaine de nanomètres. D'autre part, elle expose le développement et l'optimisation d'un banc expérimental de mesure en optique linéaire, permettant de réaliser des mesures angulo spectrales absolues à angle d'incidence et polarisation variables. Ces développements sont illustrés par les mesures réalisées sur nos structures. Ces travaux se placent en amont de la réalisation de systèmes de détection biologiques. Menés dans le cadre d'un partenariat pluridisciplinaire, ils posent des bases solides et nécessaires à la conception et l'étude de ce type de senseur et plus généralement à l'étude en champ lointain des phénomènes de résonances plasmoniques sur des structures nanométriques.

Des zéolithes de type BETA stabilisées sous forme de suspension colloïdale ont été fonctionalisées par la formation de nanoparticules d’argent confinées dans le volume microporeux. L’argent a été introduit dans la charpente zéolithique par échange ionique, puis les nanoparticules d’argent ont été formées par réduction chimique au moyen de la triéthyleamine. L’étude a portée sur deux types d’échantillons, 1Ag-BEA et 2AgBEA, se différentiant l’un de l’autre par le rapport Si:Al de la charpente zéolithique, égale à 12 et 8.5, respectivement. Un protocole pour la préparation de nanoparticules d’argent stables dans les zéolithes BETA a été établit. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par ICP, diffraction X, thermogravimétrie, microscopie électronique à balayage et microscopie électronique à transmission (HRTEM). Les spectres d’absorption UV-Vis des suspensions colloidales, et les images HRTEM confirment la formation de nanoparticules d’argent de taille sub-nanométrique confinées dans les nanocristaux de zéolithe. La réponse plasmonique ultrarapide des suspensions colloïdales a été étudiée par spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde. Les spectres d’absorption transitoires ont été mesurés après excitation par une impulsion laser de 100 fs, à 400 nm. L’analyse des spectres d’absorptions a permis d’identifier les différentes étapes de la relaxation des électrons chauds formées par absorption de l’énergie lumineuse dans la bande de conduction. La dynamique du couplage électron-phonon a été étudiée, et analysée dans le cadre du modèle à deux températures (TTM). L’analyse des résultats montre qu’une partie importante de l’énergie initialement injectée ne relaxe pas vers le réseau de phonon de la nanoparticule. Finalement, la réactivité de ces matériaux vis-à-vis du monoxyde de carbone a été caractérisée par spectroscopie FT-IR in-situ. Ces mesures ont permis notamment de confirmer la dispersion des nanoparticules d’argent dans la matrice. Ce résultat est important en vue d’application de ces matériaux dans le domaine de la plasmonique chimique. / BEA-type zeolites stabilized in colloidal suspensions were functionalized with silver nanoparticles confined in their microporous volume. Silver was introduced into the zeolitic framework by ion-exchange. Silver nanoparticles were then formed via chemical reduction using triethylamine as a reducing agent. The study was performed on two samples: 1Ag-BEA and 2Ag-BEA, having different Si : Al ratio of 12 and 8.5, respectively. A protocol for the preparation of stabilized silver nanoparticles in BEA zeolite was established. The prepared silver-containing BEA suspensions were characterized by ICP, X-ray diffraction, thermogravimetry, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy (HRTEM). The UV-vis absorption spectra of the colloidal suspensions and the HRTEM pictures reveal the formation of ultra-small silver nanoparticles confined in the zeolite nanocrystals. The ultra-fast plasmonic response of the colloidal suspensions was investigated by using femtosecond transient absorption spectroscopy. The transient absorption spectra were recorded after excitation of the sample by 100 fs laser pulses at 400 nm inducing the formation of hot electrons in the conduction band. Assignment of the absorption spectra to the steps of hot electron relaxation was identified. The dynamics of electron-phonon coupling was analyzed in the frame of two-temperature model TTM. Results show that, a part of the energy initially injected inside the conduction band doesn’t relax to the phonons of silver nanoparticles. In addition, the reactivity of Ag-BEA to carbon monoxide was characterized by in-situ FTIR spectroscopy. These measurements were used to confirm the dispersion of silver nanoparticles in the matrix of BEA. The photoactivity and reactivity of Ag-BEA samples make them attractive for plasmonic chemistry applications.