La chimio-embolisation hépatique (CHE) est recommandée pour le carcinome hépatocellulaire (CHC) non curable. L'utilisation de plateformes de release au cours des CHE permet la libération lente de la chimiothérapie dans les artères tumorales et l'exposition prolongée des cellules tumorales tout en minimisant les effets systémiques. L’émulsion lipiodolée est l'une des plateformes les plus couramment utilisées pour la CHE du CHC. Cependant, la libération de chimiothérapie se produit trop rapidement car les émulsions lipiodolées sont très instables Tout d'abord, nous avons démontré qu’une meilleure stabilité (utilisation d’un tensioactif synthétique comme émulsifiant) améliore les propriétés thérapeutiques de l'émulsion lipiodolée dans un modèle de lapin porteur de tumeurs VX2. Une revue de la littérature indique également que l'émulsion lipiodolée doit être de type eau dans l'huile (w/o) pour une meilleure sélectivité tumorale. Ensuite, nous avons analysé les paramètres techniques qui formulent des émulsions w/o avec la meilleure stabilité et sans émulsifiant supplémentaire. Nous avons constaté que l'incorporation progressive de la chimiothérapie dans le Lipiodol aboutit à un type d’émulsion w/o beaucoup plus prévisible et à une plus grande stabilité. Nous avons également constaté qu’un ratio volumique élevé Lipiodol / chimiothérapie est un paramètre important pour la stabilité de l’émulsion. Ensuite, nous avons développé un nouveau concept d'émulsion pour CHE qui utilise des nanoparticules d'acide polylactique-co-glycolique (PLGA) (Nps) pour stabiliser le Lipiodol et la chimiothérapie (Emulsion de Pickering). L'analyse in-vitro a démontré que l'émulsion de Pickering est la seule plateforme de release (versus émulsion lipiodolée ou billes chargées) qui permet une libération lente et complète de diverses chimiothérapies (doxorubicine, irinotécan, oxaliplatine) mais aussi d'anticorps (anti-CTLA4), ce qui fait de l'émulsion Pickering une plateforme de release universelle, non seulement pour la CHE mais aussi pour l'immunothérapie intra-artérielle. Enfin, la CHE avec de l'oxaliplatine a été réalisé dans un modèle de lapin porteurs de tumeurs VX2 pour comparer l'émulsion de Pickering et l'émulsion lipiodolée. Grâce à son release lent, l'émulsion de Pickering a considérablement diminué l'exposition systémique, mais également augmenté de manière significative le ratio tumeur / foie de l'exposition à l’oxaliplatine. / Liver Trans-Arterial Chemo-Embolization (TACE) is recommended for non-resectable, intermediate Hepatocellular carcinoma (HCC). The use of drug delivery platforms during TACE allows slow release of chemotherapy into the tumors’ arterial supply and prolonged exposure of the tumor cells while minimizing systemic exposures. Lipiodol-emulsion is one of the most widely used drug delivery platforms for TACE of HCC. However, the release of chemotherapy occurs very rapidly because Lipiodol-emulsions have poor stability. First, we have demonstrated that high stability (using synthetic surfactant as emulsifier) improves the therapeutic properties of Lipiodol-emulsion in a VX2-tumor rabbit model. A literature review also indicates that Lipiodol-emulsion must be water-in-oil (w/o) for better tumor’ uptakes. Next, we analyzed technical parameters that formulate in-vitro w/o emulsions with better stability without any additional emulsifier. We found that progressive incorporation of chemotherapy in the Lipiodol results in much more predictable w/o type and higher stability and that higher ratio of Lipiodol/chemotherapy is also a critical parameter for stability. Then, we develop a new concept of emulsion for TACE that uses Polylactic-co-glycolic acid (PLGA) nanoparticles (Nps) to stabilize Lipiodol and chemotherapy (Pickering-emulsion). In-vitro analysis demonstrated that Pickering-emulsion is the only drug delivery system (versus Lipiodol-emulsion and drug eluding beads) that allows slow and complete release of various chemotherapies (doxorubicin, irinotecan, oxaliplatin) but also of antibodies (anti-CTLA4), making Pickering-emulsion an universal carrier, not only for TACE but also for trans-arterial immunotherapy. Finally, TACE with oxaliplatin were performed in a VX2-tumor rabbit model to compare in-vivo Pickering-emulsion and Lipiodol-emulsion. Thanks to its slow drug release, Pickering-emulsion significantly decreased the systemic exposure but significantly increased the tumor/liver ratio oxaliplatin exposure.

Gold nanoparticules (GNPs) are of great interest for several applications in nanomedicine ; espacially in imaging and sensing, drug delivery or photothermal therapy because of their unique physical and chemical properties. For all theses applications, a better understanding of the interaction of GNPs with biomolecules and their uptake into cells is of great importance. Thus the main objective of this thesis was to study the toxicity of GNPs in biological media based on their sizes, shapes and surface chemistries. Cytotoxicity studies on human cells were done in vitro in presence of six GNP samples having spherical and flower shapes. We compared the cytotoxic effects and showed that it was largely higher for flower-shaped GNPs than spherical ones. Further we built-up the optical assembly and the set-up of the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). Followed by the set-up, the sensitivity, the resolution and other parameters were determined during the characterization of the FCS sytem. Then FCS was used to characterize fluorescent molecule-conjugated GNP, wich were fabricated in the interest of biomedical applications. In the next step, we characterized the diffusion behavior of MitoTracker dye labeled mitochondria by FCS in order to be able to compare in future the mitochondrial diffusion after incubating with GNPs, wich is described as the perspectives. / Les nanoparticules d'or (NPO) sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications en nanomédecine (en particulier pour l'imagerie, la détection de pathologies, la délivrance de médicaments ou la thérapie photothermique) en raison de leurs propriétés physiques et chimiques. Pour toutes ces applications, une meilleure compréhension de l'interaction des NPO avec les biomolécules et leur absorption dans les cellules est d'une importance primoridale. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse était d'étudier la toxicité des NPO dans les milieux biologiques en fonction de leurs tailles, leurs formes et leurs chimies de surface. Des études de cytotoxicité sur des cellules humaines ont été réalisées in vitro, en présence de six types différents de NPO de forme sphérique et de nano-fleur. Nous avons comparé les effets cytotoxiques et montré qu'ils étaient largement supérieurs pour les NPO en forme de nano-fleur par rapport au NPO sphériques. En outre, nous avons mis en place un système de corrélation de spectroscopie de fluorescence (CSF). La sensibilité, la résolution et les principaux paramètres du système ont été déterminés lors de sa caractérisation. La CSF a ensuite été utilisée pour caractériser des NPO fluorescentes fabriquées pour des applications biomédicales. Nous avons également caractérisé la diffusion de Mitotracker, un marqueur des mitochondries par CSF afin d'être en mesure de comparer la diffusion mitochondriale après incubation de NPO.

L’objectif de ce projet est d’étudier l’interaction de nanoparticules polymères avec les membranes, soit directement sur des cellules entières ou grâce à des modèles membranaires biomimétiques, dans l’optique de valider leur utilisation dans le cadre d’applications biologiques. Des nanoparticules (NPs) polymères cœur/enveloppe avec un diamètre inférieur à 100 nm ont été synthétisés. Cette taille a été choisie afin de leur permettre de pénétrer à travers les membranes plasmiques. Des nanoparticules ayant la même composition chimique mais avec un diamètre hydrodynamique supérieur, de l’ordre de 250 nm, ont été également préparées afin de mettre en évidence l’effet de la taille des particules sur le processus d’internalisation cellulaire. Dans cette thèse, une méthode innovante de synthèse monotope a été développée pour obtenir des NPs coeur-enveloppe, compatibles en milieu aqueux et présentant à leur surface des résidus iniferter. Le coeur est composé de polystyrène avec une taille d’environ 30 nm. Un large éventail de fonctionnalités peut être greffé sur la surface du coeur par polymérisation radicalaire contrôlée en faisant varier différents types de monomères. L’épaisseur de l’enveloppe peut être ajustée en fonction de la concentration en monomère et du temps de polymérisation. Les nanoparticules synthétisées ont été caractérisées par diffusion dynamique de la lumière, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, par analyse micro-élémentaire et par microcopie à transmission électronique. Les interactions des NPs à coeur polystyrène et avec des enveloppes de charge neutre et négative ont été étudiées avec des cellules kératinocytes épidermiques humaines néonatales (NHEK), des fibroblastes primaires humains et les cellules HACaT de kératinocytes humains. Les études de cytotoxicité réalisées en utilisant un marquage à l’iodure de propidium et un test à la lactate déshydrogénase n’ont relevé aucune toxicité sur les lignées testées. Cependant, le suivi de la prolifération cellulaire par impédance électrique de substrats cellulaires a indiqué que les nanoparticules anioniques induisent une forte diminution de la prolifération des kératinocytes. L’internalisation cellulaire des NPs a été confirmée par microscopie confocale qui n’indique pas leur colocalisation avec les endosomes précoces, les lysosomes et l’actine. De plus, les données obtenues par triage cellulaire par cytofluorométrie soutiennent qu’un mécanisme énergétiquement-dépendant est mis en œuvre pour l’internalisation des NP neutres, ce qui semble être moins le cas pour les nanoparticules négatives. Les membranes biomimétiques ont été employées afin d’étudier les spécificités des interactions entre nanoparticules et lipides dans des conditions contrôlées. L’étude sur des modèles de vésicules géantes couplée à de la spectroscopie de fluorescence a révélé que les nanoparticules coeur/enveloppe sont capables d’interagir profondément dans la région hydrophobe de la membrane, mais uniquement quand la bicouche lipide est en phase fluide désordonnée. Le mode de pénétration des NPs au travers de la bicouche des vésicules semblent engendrer la formation de pores. Un effet plus prononcé de rigidification de la bicouche a pu être observé lors de l’interaction de nanoparticules chargées négativement avec les bicouches de phosphatidycholines. Cet effet pourrait être attribué à un changement de l’orientation des têtes phosphocholines du à des interactions électrostatiques. En conclusion, les nanoparticules polymère que nous avons synthétisées apparaissent être des outils polyvalents pour les études d’interaction cellulaire et d’imagerie. Ces nanomatériaux peuvent être éventuellement être employés pour la délivrance de médicaments en incorporant les molécules actives dans une enveloppe polymère thermosensible par exemple. / This project’s aim was to study polymeric nanoparticle-membrane interactions using both live cells and biomimetic models with the idea to validate such nanoparticles for use in bio-applications. Core-shell polymeric nanoparticles below 100 nm, as this small size is capable of penetrating plasma membranes, were synthesised. Nanoparticles (NPs) with the same chemical composition but with hydrodynamic diameters of ~250 nm, were also prepared in an effort to highlight any effect of NP size on cell internalisation. In this thesis, an innovative method is presented for the synthesis of water-compatible, iniferter-bound polystyrene core shell NPs (~30 nm) using a one-pot synthetic method. A plethora of functionalities could be added to the nanoparticles via shell grafting from the surface of the polystyrene core in the presence of additional monomers via controlled living radical polymerisation. Shell thickness could be tuned as a function of monomer’s concentration and polymerisation time. The nanoparticles were fully characterised by dynamic light scattering, Fourier transform infra-red spectroscopy, microelemental analysis and transmission electron microscopy. Further, the interactions of polystyrene core NPs possessing neutral and anionic shells were investigated using neonatal human epidermal keratinocytes (NHEK), human primary fibroblasts and HaCaT cells. Cytotoxicity studies performed using propidium iodide and lactate dehydrogenase indicated no evidence of cytotoxicity in either cell line. However, cell proliferation monitored by electric cell substrate impedance sensing (ECIS) protocols indicated that anionic nanoparticles induced a dramatic decrease in cell proliferation in keratinocytes. The cellular internalisation of NPs was confirmed by confocal microscopy and no co-localisation was found with early endosomes, lysosomes or actin. Additionally, fluorescence activated cell sorting (FACS) data support the theory that an energy-dependent mechanism is employed for neutral NP internalisation but less so for negatively charged NPs. Biomimetic membrane models were used to investigate specific nanoparticle-lipid interactions under controlled conditions. Employing giant vesicles coupled with fluorescent spectroscopy techniques revealed that core-shell nanoparticles interact deep in the hydrophobic region of bilayers only when the membrane is in the fluid phase. Their mode of entering artificial cells (i.e giant vesicles) appears to cause the formation of pores. Anionic nanoparticles interact with the choline moiety of phosphatidylcholine and confer a rigidifying effect on phosphocholine containing bilayers. Therefore we conclude that the polymeric nanoparticles that we synthesized are versatile tools for cell interaction and imaging studies. These nanomaterials could eventually be applied to drug delivery studies by incorporation of the drug in for instance a thermoresponsive polymeric shell. Furthermore, it is clear that NPs coated with anionic and neutral polymeric shells present a lower toxicity profile than previously reported cationic nanoparticles. Both nanoparticles increase the order lipid bilayer vesicles composed of POPC (the most common glycerophospholipid) in animal and plants. Anionic nanoparticles in particular exhibit a rigidifying effect on POPC lipid bilayers and their mode of entry into cells may be due to the formation of pores which was determined to not induce cell death.

L'objectif de cette étude consiste à développer des électrodes modifiées à base des nanomatériaux à visées électroanalytiques. Pour ce faire, différentes méthodes de modification des électrodes ont été proposées à savoir la fonctionnalisation chimique, par adsorption et par électropolymérisation, en se servant des interactions électrostatiques et covalentes entre les surfaces des électrodes et les nanomatériaux (les nanoparticules magnétiques, les nanoparticules d'or, les polyoxométallates et les nanotubes de carbone). Les électrodes modifiées préparées ont permis de réaliser des dispositifs de détection (capteurs et biocapteurs) caractérisés par des performances analytiques intéressantes en termes de sensibilité et limite de détection. Des biocapteurs d'urée, à base d'électrodes semiconductrices, fonctionnalisées par des nanoparticules magnétiques portant l'enzyme uréase, ont permis d'obtenir de grandes sensibilités de détection de l'urée. Des capteurs chimiques pour la détection sensible de l'ion nitrite ont été obtenus en fonctionnalisant des électrodes de carbone vitreux et de diamant dopé au bore par des polyoxométallates. La combinaison de deux types des nanomatériaux (nanotubes de carbone et polyoxométallates hybrides) a permis l'obtention d'une structure originale qui présente les propriétés conductrices des nanotubes et électrocatalytiques des polyoxométallates. Ces structures originales ont permis la réalisation de biocapteurs enzymatiques de haute sensibilité pour la détection du glucose et du catéchol / The objective of the study consists in the development of modified electrodes, based on nanomaterials for electroanalytical applications. In this aim, different methods of modification of the electrodes have been proposed: chemical functionalization, adsorption and electropolymerization, using the electrostatic and covalent interactions between electrode surfaces and nanomaterials (magnetic nanoparticles, gold nanoparticles, polyoxometallates and carbon nanotubes). The prepared modified electrodes have allowed the obtaining of detection devices (sensors and biosensors) characterized for their interesting analytical performances in terms of sensitivity and detection limit. Urea biosensors, based on semi-conducting electrodes, functionalized with magnetic nanoparticles coated with urease enzyme, have allowed the sensitive detection of urea. Chemical sensors for the sensitive detection of nitrite ion have been obtained through functionalization of glassy carbon electrodes and boron doped diamond electrodes with polyoxometallates. The combination of both types of nanomaterials (carbon nanotubes and hybrid polyoxometallates) have allowed the obtaining of an original structure that presents conductive properties of nanotubes and electrocatalytic properties of polyoxometallates. These original structures have allowed the fabrication of enzymatic biosensors with a high sensitivity for the detection of glucose and catechol

Les nanoparticules métalliques (NPs) présentent des propriétés optiques (PO) uniques provenant de l’oscillation collective de leurs électrons. Cet effet se traduit par l'émergence d'une bande plasmon dont les caractéristiques peuvent être modulées par la taille, la forme, la nature des NPs et le milieu hôte. Il existe de nombreuses méthodes pour la préparation de ces NPs, l'une d'entre elles est l'ablation laser en milieu liquide (ALML). Cette technique offre certains avantages comme la simplicité, l’adaptabilité et des NPs dépourvues de contamination. Ses principaux inconvénients sont la productivité et le contrôle de la taille et de la forme des NPs. Ce travail est consacré à l'élaboration de NPs d’Ag par l’ALML et à l'étude théorique de leurs PO. Nous donnons dans ce manuscrit, les résultats de l'optimisation des paramètres d'élaboration conduisant à l'obtention de distributions en NPs reproductibles et contrôlées. Les PO de ces NPs sont mesurées et comparées à des modèles physiques spécifiques basés sur la théorie des milieux effectifs (EMT). L'EMT, telle que le modèle de Maxwell-Garnett, permet de décrire les PO de NPs monodisperses. Cependant, les voies de préparation classiques conduisent inévitablement vers des NPs montrant une distribution de forme et de taille qui induit des changements drastiques sur leurs PO. Le modèle SDEMT est proposée pour le calcul de la fonction diélectrique effective et du coefficient d'absorption de solutions colloïdales de NPs métalliques. Contrairement à Maxwell-Garnett, ce modèle donne une meilleure description des spectres d'absorption et d’ellipsométrie mesurés sur des échantillons contenant des NPs d’Ag et d’Au / Metal nanoparticles (NPs) exhibit unique optical properties (OP) coming from the collective oscillations of their electrons. This effect is translated by the emergence of a band of plasmon, the characteristics which can be modulated by the size, the shape and the nature of the NPs as well as by the environment of the host. There are many methods for the preparation of NPs, and one of them is the pulsed-laser ablation in liquid (PLAL). This technique offers some advantages such as simplicity, versatility and surface NP without contamination (reducing agent residues and/or stabilizers). Its main drawbacks are the lacks of productivity and control of the NP size and shape. This work is devoted to elaboration of Ag NPs by PLAL and theoretical investigation of their OP. We give here the results about the optimization of elaboration parameters leading to obtaining reproducible and controlled distributions of Ag NPs. The OP of these NPs are measured and compared to specific physical models based on the effective medium theory (EMT). Classical EMT such as Maxwell Garnett approximation allows describing the OP of monodisperse NPs. However, conventional preparation routes unavoidably conduct to NPs showing a shape and a size distribution which induces drastic changes in the OP. A SDEMT model which considers the shape dispersion is proposed for the calculation of the effective dielectric function and absorption coefficient of colloidal solution of metal NPs in water. Contrary to the conventional theory, this model gives a better description of the measured absorption and ellispometry spectra of sample containing Ag and Au NPs

Le silicium s’avère intéressant pour améliorer la quantité d’énergie pouvant être stockée par un accumulateur Li-ion lorsqu’il est utilisé à l’anode. Sa capacité de charge théorique exceptionnelle (4200 mAh g[indice supérieur -1]) classe cet élément au tout premier rang parmi les matériaux pouvant être utilisés. Toutefois, la forte expansion volumique liée à sa lithiation limite son utilisation. Il existe par contre certaines méthodes permettant de minimiser l’impact négatif de cette expansion. Toutefois, ces méthodes impliquent une synthèse en deux étapes et nécessitent l’utilisation d’un substrat. L’approche présentement étudiée consiste en la production simultanée de nanotubes de carbone et de nanoparticules de silicium par carboréduction thermique de la fumée de silice dans un réacteur plasma à induction. La matrice carbone/silicium ainsi formée semble être un bon candidat comme matériau d’anode ; sa granulométrie et sa composition sont analysées par microscopie électronique, par diffraction des rayons X, par analyse de surface spécifique et par analyse thermogravimétrique. De plus, l’utilisation de la fumée de silice comme source de silicium constitue une approche économiquement viable, cette dernière étant un sous-produit de la production de silicium métallurgique et étant peu valorisée.

Au cours de cette thèse, plusieurs approches de fonctionnalisation anti-bactérienne passive, de type"bactériostatique" utilisant des espèces hydrophobes, et active (selon un standard ISO), de type"bactéricide" utilisant des nanoparticules d'argent métallique ou des espèces à base d'ammoniumquaternaire, ont été testées sur des tissus textiles. Des solutions liquides ont été élaborées par voie sol-gelet photochimique, en association ou non. Elles ont tout d'abord été caractérisées d'un point de vuephysico-chimique, morphologique et structural, afin d'optimiser leur formulation et les caractéristiquesdes espèces en solution vis-à-vis de différents cahiers des charges industriels. Ce travail d'optimisation aen particulier conduit à des solutions stables permettant leur utilisation reproductible au cours du temps.Les solutions ont ensuite été imprégnées sur des échantillons textiles, par un dispositif simplifié de "padcoating"mis au point au cours de la thèse, afin de tester la fonction anti-bactérienne des textiles traités.Selon la nature des espèces imprégnées, l'optimisation des solutions conduit à une fonctionnalité antibactériennepassive ou active respectant l'aspect visuel du textile et ne dénaturant pas son toucher. Destests de lavage de laboratoire ou de lavage ménager en conditions réelles ont également montré unaccrochage notable des espèces imprégnées sur les textiles. Des options ont finalement été proposées pouraccroître cet accrochage afin de répondre à des conditions de lavage industriel. En conclusion, ce travail met en évidence le potentiel des approches d'élaboration par chimie douce en vue de fonctionnaliser des textiles, en permettant en particulier de proposer des méthodologies originales et simplifiées en adéquation avec des impératifs industriels.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Des nanoparticules d’or fonctionnelles ont été synthétisées avec pour objectifs l’élaboration de nanomatériaux pour applications biomédicales et propriétés physiques originales. L’étude de la fonctionnalisation a conduit à utiliser le chimie “click” entre des nanoparticules d’or portant des ligands thiolates azoturés et des alcynes terminaux en utilisant un catalyseur au cuivre (I) renforcé par un ligand polyazoté, ce qui a permis d’introduire des fonctions très variées. En particulier le récepteur folate a été greffé de cette façon pour la synthèse de nouveaux vecteurs du docétaxel, un puissant agent anti-cancéreux dont l’étude est menée en collaboration. Des nanoparticules d’or fonctionnelles ont aussi servi de support pour le greffage de complexes du fer (II) à transition de spin, ce qui a permis de réaliser l’étude en 2D par différentes techniques physiques en collaboration. Enfin un nouveau ligand azoté a été mis au point pour la synthèse de nanoparticules d’or originales. / The thesis concerns functionalizations and applications of gold nanoparticles (AuNPs). In the aspects of functionalization of AuNPs, we concentrated on efficiently functionalized AuNPs by “Click” chemistry. In the aspects of applications, the PEG capped AuNPs was prepared to encapsulate vitamins, which has a potential use in hydrophobic part of human body; the folate functionalized AuNPs was used for docetaxel delivery for cancer therapy; the novel synthesis of triazole stabilized AuNPs used for biosensors; and the citrate capped AuNPs introduced into the silica thin films to check the SERS effect and spin crossover of iron complexes.

Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques des composés à transition d'état de spin. Plus précisément, nous avons caractérisé le transition photo-induite de ce type de composé. Pour réaliser ces études, nous avons développé des montages basés sur la technique pompe-sonde résolue en temps. Nous avons alors caractérisé la cinétique de la transition photo-induite de composé du Fe(II) montant ainsi qu'un processus thermique est à l'origine de la transition et amorce un processus de type "nucléation/croissance". De plus, ces études ont été faites pour des poudres composées de particules dont la taille a été réduite. Par ailleurs, nous avons étudié les propriétés optiques de nanoparticules synthétisées sous forme de micelles. / This work deals with the study of optical properties of spin-state transition compounds. More precisely, we characterized the photo-induced transition of this complex. To make these studies, we have used two home-built experimental set ups based on time resolved pump-probe techniques. We have shown that thermal mechanism induces nucleation/growth process. Besides, we have studied the effect of particle size on the photo-induced transition. Finally, we have studied the optical properties of nanoparticles.