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.

L'objectif de cette étude est de développer des « outils vecteur d'ADN » à base de polymères. Les nanoparticules développées ont été formulées par nanoprécipitation ou par double émulsion et évaporation de solvant, et on été caractérisées physicochimiquement comprenant la détermination de la taille, le potentiel zêta et la quantité d'ADN adsorbée à leur surface. La cytotoxicité et l'efficacité de transfection des différents vecteurs d'ADN ont été étudiées sur différentes lignées cellulaires. Pour améliorer le franchissement des membranes cellulaires, la technique d'internalisation photochimique a été utilisée. L'association des vecteurs à cette méthodologie n'a pas atteint les résultats escomptés, les vecteurs synthétisés représentent à nos yeux une alternative prometteuse en thérapie génique pour élaborer des outils stables, efficaces pour le transport d'acides nucléiques dans les cellules et utilisables directement au chevet du patient / The aim of this study is to develop non-viral delivery systems for DNA. Nanoparticles were prepared by using nanoprecipitation and double emulsion methods. The nanoparticles were characterized physicochemical. Cytotoxicity and transfection efficiency of nanoparticles were performed in different cell lines. Cytotoxicity tests based on mitochondrial activity revealed that all type of nanoparticles had limited cytotoxicity, but depending on both the cell type and the nanoparticles concentration. In order to increase transfection efficiency, photochemical internalization was used to improve endosomal release of nanoparticles. All the results revealed the difficulty to elaborate an efficient DNA vector presenting a low cytotoxicity

EXPOSITION PENDANT LA GESTATION A DES NANOPARTICULES MANUFACTUREES : IMPACT SUR LE DEVELOPPEMENT PULMONAIRE DE LA DESCENDANCELe développement de l’utilisation des nanoparticules (NP) comme les NP d’argent (Ag), de dioxyde de titane (TiO2) et de dioxyde cérium (CeO2) conduit à s’intéresser à leurs potentiels effets toxiques. Des travaux ont montré que l’exposition de souris par voie pulmonaire aux NP peut induire une réponse inflammatoire et la fibrose pulmonaire. En revanche, il existe très peu de données concernant l’impact de l’exposition à des NP sur la descendance. Le but de cette étude est d’évaluer les conséquences d’une exposition de souris à des NP par voie respiratoire sur le développement pulmonaire de la descendance, ainsi que de déterminer le mécanisme d’action induisant les altérations du développement pulmonaire. Pour cela, trois NP de même taille et forme ont été utilisées : TiO2, Ag, et CeO2, afin d’évaluer l’impact des propriétés physico-chimiques des NP sur le développement pulmonaire. Des souris femelles gestantes ont été exposées aux NP par voie pulmonaire une fois par semaine. Des analyses pulmonaires de la descendance ont été réalisées à différentes étapes du développement pulmonaire, avant (17,5 jours post-coït) et après la naissance (14,5 et 49,5 jours post-délivrance). Les résultats montrent qu’après exposition pulmonaire pendant la gestation, les NP induisent une altération de développement pulmonaire de la descendance quelle que soit la nature de la NP utilisée. Ces résultats étaient accompagnés d’une diminution de l’efficacité placentaire associée à la présence des NP dans le placenta et à la diminution de l’expression de VEGF-alpha et MMP-9 à l’âge foetal, et FGF-18 au stage de l’alvéolisation pulmonaire. Compte tenu de l’utilisation croissante de NP, ces résultats suscitent des inquiétudes quant à la santé de l’Homme en particulier en cas d’exposition des femmes enceintes, dont le foetus en développement est susceptible d’avoir un retentissement pulmonaire de l’exposition à ces NP.Mots-clés : nanoparticules, gestation, développement pulmonaire / EXPOSURE TO MANUFACTURED NANOPARTICLES DURING GESTATION: IMPACT ON THE RESPIRATORY TRACT OF THE OFFSPRINGDue to several commercial applications of nanoparticles (NPs), such as silver (Ag), titanium dioxide (TiO2) and cerium dioxide (CeO2), knowledge of the toxicity of those NPs is of great importance. It has been shown that exposure to NPs may lead to an inflammatory response and pulmonary fibrosis. However less is known on the effect of exposure to NPs on the offspring. Therefore the aim of this study is to assess the impact of exposure by the respiratory route to various NPs during pregnancy on lung development of the offspring, and to determine the key parameters involved in lung alterations. We used three NPs: TiO2, Ag, and CeO2, to assess the impact of NPs physico-chemical properties on the potential effects on lung development. Pregnant mice were exposed weekly to 100 μg NPs or saline by nonsurgical intratracheal instillation. Analysis of the lungs of the offspring was performed at different times of lung development, before (17.5 gestational day) and after birth (14.5 and 49.5 post-delivery day). Results showed that after pulmonary exposure during pregnancy, all nanoparticles induced a long-lasting impairment of lung development of the offspring. This was accompanied by a decreased placental efficiency which was associated with the presence of NP in placenta and a decreased pulmonary expression of VEGF-alpha and MMP-9 at the fetal stage, and FGF-18 at the alveolization stage. In view of the growing use of these nanoparticles, this result raise concerns for public health and pregnant women and their developing fetus particularly for those at high risk of occupational or domestic exposure.Keywords: nanoparticles, pregnancy, lung development

En ingénierie tissulaire, la survie in vivo de cellules souches implantées au sein d’un biomatériau est limitée par les conditions d’un environnement ischémique qui se caractérise par un déficit en oxygène et en nutriments. Récemment, dans le cadre d’un projet de recherche dédié au développement d’un hydrogel composite à base de fibrine, biomatériau conçu pour améliorer la survie de cellules souches post-implantation, il a été mis en évidence la nécessité de contrôler dans le temps et l’espace la disponibilité du glucose au sein de ce matériau. Cet apport in situ de glucose est réalisé par dégradation contrôlée de l’amidon, un polymère de glucose. Cette production est assurée par action enzymatique d’un catalyseur spécifique de l’hydrolyse de l’amidon, l’amyloglucosidase (AMG).Toutefois, il convient de maitriser différents paramètres tels que la fuite de l’AMG en dehors de l’hydrogel ou encore sa perte d’activité au cours du temps. Dans ce contexte, l’encapsulation de l’AMG dans des nanoparticules d’un polymère biodégradable et biocompatible, ici l’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA), devrait permettre le contrôle des paramètres susmentionnés.Des nanoparticules de type core-shell contenant l’AMG (NPe) ont été synthétisés par l’adaptation d’un protocole de double émulsion (water-oil-water). Différentes méthodes ont été développées pour déterminer les propriétés physico-chimiques et biochimiques des nanoparticules produites. Le protocole de synthèse a été optimisé afin de produire des nanoparticules reproductibles et stériles utilisables dans des hydrogels implantables in vivo.Le cahier des charges de l’hydrogel enrichi en amidon et en NPe impose un apport continu du glucose pendant 1 mois. La stabilité des nanoparticules a été étudiée en solution et dans les hydrogels. La production de glucose grâce à ces NPe a été investiguée en solution et en hydrogel mettant en avant l’intérêt de ces nanoparticules au sein du dispositif. / In tissue engineering, the in vivo survival of stem cells located within a biomaterial is limited by an ischemic environment characterized by a low supply of oxygen and nutrients. Recent studies on fibrin based hydrogels (designed to improve stem cells survival after implantation) have highlighted the need to control the spatiotemporal availability of glucose within a biomaterial scaffold. Glucose release occurs through the degradation of starch, a glucose polymer, at a rate controlled by the action of the enzyme amyloglucosidase (AMG), a specific catalyst for the hydrolysis of starch.In order to eventually be of clinical impact, critical parameters must be tuned, such as the AMG leakage outside the hydrogel and its loss of activity over time. In this context, AMG encapsulation within nanoparticles of a biodegradable and biocompatible polymer, here poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), is a promising means toward controlling the above parameters.The AMG-containing core-shell type nanoparticles (NPe) were synthesized by an adaptation of the double emulsion technique (water-oil-water). Different methods have been developed to determine the physicochemical and biochemical properties of the resulting nanoparticles. The synthesis was optimized to produce sterile and reproducible nanoparticles appropriate for in vivo implantable hydrogels.Nanoparticle stability and glucose release were investigated in solution and in hydrogels. A key specification of the hydrogel system, enriched in starch and NPe, is the continuous supply of glucose over 1 month. Glucose production was observed to meet this specification, highlighting the potential advantages of this approach.

Les nanoparticules d'oxydes dopés par des lanthanides sont d'un intérêt particulier pour leur luminescence propre à la nature des ions dopants et non à la taille du matériau. La voie colloïdale est souvent la méthode la mieux adaptée pour obtenir des objets nanométriques, individualisés, bien cristallisés et dispersables dans un milieu donné avec une fluorescence optimisée. Toutefois, elle reste difficile à réaliser pour ces matériaux de température de cristallisation élevée et conduit à des nanocristaux dont les propriétés physiques sont généralement altérées par les défauts cristallins. Ce travail de thèse a ainsi été consacré à l'élaboration de nanoparticules YVO4:Ln parfaitement monocristallines et à l'étude de leurs propriétés optiques. Les nanocristaux formés sont issus d'une synthèse colloïdale suivie d'un traitement thermique dans une matrice de silice mésoporeuse. Les particules obtenues sont monocristallines, nanométriques (40 nm) et stables dans l'eau. Les spectres de luminescence des particules YVO4:Ln sont semblables à ceux des matériaux microniques. Avec un dopage par Eu3+, les rendements de luminescence atteignent 40%. Cette valeur, plus faible que pour le massif (68%), s'explique par la limitation induite par un indice de réfraction plus faible que dans le monocristal massif. Avec un codopage par Yb3+ et Er3+, le phénomène d'upconversion a été observé et étudié pour la 1ère fois en solution aqueuse. Ces nanoparticules sont des convertisseurs relativement efficaces de photons infrarouges en photons visibles. Les particules YVO4:Eu ont par ailleurs été fonctionnalisées pour être utilisées comme sondes biologiques.

Thèse doctorat : Matériaux Polymères et Composites: Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 293-306.

Thèse de doctorat : Surfaces et interfaces : Paris 12 : 2003. / Version électronique uniquement consultable au sein de l'Université Paris 12 (Intranet). Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. en fin de chapitres.