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.

Les trois dernières décennies ont vu l’émergence de l’électronique organique ainsi que son établissement en tant que domaine scientifique interdisciplinaire et dans notre vie quotidienne. On dénombre actuellement deux défis scientifiques majeurs dans ce domaine. Le premier est de s’attacher à augmenter l’efficacité des dispositifs par l’utilisation de nouveaux matériaux, plutôt le deuxième consiste en l’intégration de fonctionnalités multiples un seul dispositif. Atteindre ces objectifs nécessite la compréhension des mécanismes fondamentaux de la physico-chimie, gouvernants les propriétés de base de l’électronique organique tels l’injection ou le transfert de charge et le transport. Ces travaux de thèse rapport le développement de systèmes complexes, auto assemblés, dont les propriétés électriques et optiques au sein de dispositifs organo-électroniques peuvent être modulées en réponse aux stimuli extérieurs. Ce but a été obtenu par le développement des briques élémentaires et par l’étude de leurs propriétés physico-chimiques afin de modéliser tous les mécanismes impliqués. / In the last three decades Organic Electronics emerged and established itself as an interdisciplinary field of science and as part of our daily life. Presently, the greatest scientific challenges in this field of research are two: the former relies on the improvement of devices efficiency which can be accomplished by using new materials, whereas the latter consist in the integration of multiple functionalities in a single device. To accomplish these goals one needs to develop a deep understanding on the fundamental physical-chemistry ruling the properties which are on the basis of organic electronics such as charge injection, charge transfer and transport. This PhD project reports the developing of efficient multicomponent electroactive self-assembled systems whose electro- and optical properties can be modulated, in devices, as a response to multiple external and independent stimuli. This goal has been achieved by engineering of the proper building blocks and the study of the the physico-chemical properties to be able to model all the mechanisms involved.

Les interactions des glucides sont impliquées dans plusieurs processus biologiques normaux ou bien pathologiques (la communication cellulaire, l'adhésion et l'entrée de pathogènes dans la cellule ou encore de carcinomes métastatiques). Souvent, ces interactions ont une forte spécificité mais une affinité faible. In vivo, cette faible affinité est résolue par la présentation de copies multiples des ligands glucidiques à des multiméres de récepteurs protéiques (lectines). Globalement, l'interaction observée est alors largement supérieure à la somme des interactions individuelles. Ce phénomène est connu comme « l'effet cluster glycosidique ». Ces interactions ont encouragées le développement des recherches interdisciplinaires dans les domaines de la glycochimie et de la glycobiologie. Les nanoparticules d'or, fonctionnalisées avec des glucides (glyco-nanoparticules, GNPs) constituent un nouvel outil pour étudier ce phénomène. Leur synthèse est assez simple, et ils montrent plusieurs propriétés physicochimiques comme la modification de la densité de présentation, le control de la taille de la particule, et ils ont aussi des propriétés électroniques, magnétiques et optiques, liées aux effets quantums. Nous présentons la synthèse et la caractérisation des GNPs fonctionnalisées avec du mannose et du galactose dans le but d'étudier les interactions avec des protéines multivalentes (les lectines Con A, BclA et PA-IL), en utilisant des techniques biophysiques comme la résonance plasmonique de surface, et le microcalorimétrie isotherme de titration. Ces techniques ont montrées que l'affinité des lectines varie avec la densité de présentation des ligands chez les GNPs. Les GNPs sont un outil novateur pour développer des nouvelles méthodes de diagnostiques ou thérapeutiques dans les domaines de la glycobiologie, des biotechnologies et de la science des matériaux.

Cette thèse approfondit l'étude de nanoparticules d'or de 5 nm de diamètre recouvertes de diamideéthanethioldiethylènetriaminepentacétate de gadolinium (DTDTPA:Gd), un agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM). En guise de ciblage passif, la taille des nanoparticules a été contrôlée afin d'utiliser le réseau de néovaisseaux poreux et perméable des tumeurs. De plus les tumeurs ont un drainage lymphatique déficient qui permet aux nanoparticules de demeurer plus longtemps dans le milieu interstitiel de la tumeur. Les expériences ont été effectuées sur des souris Balb/c femelles portant des tumeurs MC7-L1. La concentration de nanoparticules a pu être mesurée à l'IRM in vivo . La concentration maximale se retrouvait à la fin de l'infusion de 10 min. La concentration s'élevait à 0.3 mM dans la tumeur et de 0.12 mM dans le muscle environnant. Les nanoparticules étaient éliminées avec une demi-vie de 22 min pour les tumeurs et de 20 min pour le muscle environnant. Les nanoparticules ont été fonctionnalisées avec le peptide Tat afin de leur conférer des propriétés de ciblage actif La rétention de ces nanoparticules a ainsi été augmentée de 1600 %, passant d'une demi-vie d'élimination de 22 min à 350 min. La survie des souris a été mesurée à l'aide de courbes Kaplan-Meier et d'un modèle mathématique évalue l'efficacité de traitements. Le modèle nous permet, à l'aide de la vitesse de croissance des tumeurs et de l'efficacité des traitements, de calculer la courbe de survie des spécimens. Un effet antagoniste a été observé au lieu de l'effet synergétique attendu entre une infusion de Au@DTDTPA:Gd et l'irradiation aux rayons X. L'absence d'effet synergétique a été attribuée à l'épaisseur du recouvrement de DTDTPA:Gd qui fait écran aux électrons produits par l'or. De plus, le moyen d'ancrage du recouvrement utilise des thiols qui peuvent s'avérer être des capteurs de radicaux. De plus, contrairement a ce qui était escompté, un effet chimiothérapeutique de ces nanoparticules a été observé in vitro et in vivo . Par contre, le mécanisme précis de cet effet est encore à être expliquer, mais on sait déjà que les nanoparticules d'or affectent les fonctions des macrophages ainsi que l'angiogenèse.

En 1971, Le Dr. Américain Judah Folkman a publié une hypothèse selon laquelle la croissance tumorale dépendait de l'angiogenèse. Le défit des recherches actuelles est de trouver un moyen pour affamer la tumeur en inhibant son angiogenèse. L'angiogenèse est un processus physiologique complexe qui fait intervenir de nombreux récepteurs, parmi lesquels se trouve le récepteur du mannose-6-phosphate / Insulin-like growth factor II (RM6P/IGFII). Le but de ce travail a donc consisté en la synthèse de nano-objets mannosylés et de nouveaux analogues du Mannose-6-Phosphate (M6P) puis en l'évaluation de leur activité angiogénique par la méthode de la « CAM » sur des embryons de poulet et dans le modèle des explants d'aorte de rat. Dans un premier temps des nanoparticules d'or ont été préparées, fonctionnalisées avec les dérivés du M6P ayant montré des résultats intéressants au cours de travaux antérieurs réalisés au sein du laboratoire. Par la suite des analogues originaux tels que un borate, un acide boronique, un pyrophosphate, un pyrophosphonate ainsi que l'analogue rétroisotère du M6P ont été synthétisés. D'autre part, il a été montré que le RM6P/IGFII pouvait lier deux molécules de M6P ou une molécule d'oligosaccharide diphosphorylée par monomère. De ce fait, des molécules bidentées, des composés de type bolaforme et des trisaccharides difonctionnalisés ont été élaborés puis leur activité biologique a été valuée. / In 1971, the American Dr. Judah Folkman published the hypothesis : tumor growth depends on angiogenesis. The challenge of current research is to find a way to starve tumors by inhibiting angiogenesis. Angiogenesis is a complex physiological process that involves many receptors, among which is the receptor for mannose-6-phosphate / Insulin-like growth factor II (RM6P/IGF-II). The aim of this work was the synthesis of mannosyl nano-devices and new analogues of Mannose-6-Phosphate (M6P). Evaluation of their angiogenic activity was made by the 'CAM essay' on embryo of chicken and in the model of the explantations of rat's aorta. First, gold nanoparticles functionnalized with M6P analogues were prepared. Those analogues have been chosen among the most interesting candidates as described previously in our laboratory. Secondly, original analogues such as a borate, a boronic acid, a pyrophosphate, a pyrophosphonate as well as the retroisotere analogue of the M6P were synthetized. The RM6P/IGFII can bind two molecules of M6P or a diphosphoryled oligosaccharide molecule by monomer (receptor). Therefore, bidentate molecules, difunctionnalized bolaform compounds and difunctionnalized trisaccharides were synthesized and their biological activity evaluated.

Les nanomatériaux représentent un sujet de recherche en plein essor dans des domaines variés : D'une part, la miniaturisation augmente la vitesse de transmission et le stockage de l'information dans les technologies de la communication. D'autre part, la réduction en taille des matériaux révèle des propriétés physiques (optiques, électriques, etc.) nouvelles et étonnantes qui ouvrent la voie à de nombreuses applications (dispositifs nanoélectroniques, capteurs moléculaires etc.). Un grand défi consiste à fabriquer ou intégrer des nanostructures fonctionnelles afin d'exploiter leurs propriétés physiques intrinsèques. Dans ce contexte, nous avons développé une nouvelle approche de nanofabrication à partir de nanomatériaux colloïdaux basée sur l'assemblage par forces de capillarité. Cette technique consiste à contrôler l'évaporation en milieu confiné d'une suspension colloïdale sur un substrat lithographié grâce à un dispositif thermoélectrique associé à un système d'aspiration d'air. Les phénomènes physiques mis en jeu pendant l'assemblage ont été étudiés aussi bien à l'échelle macro- que nano-scopique. Ainsi, la température et le débit d'aspiration se sont révélés être des paramètres complémentaires pour le contrôle de l'évaporation, le déplacement de la ligne de contact, l'angle de contact et le mouvement colloïdal. De cette manière, des colloïdes de taille et nature (or et polystyrène allant de 50 nm à 1 μm) variées ont été assemblés dans des structures complexes. En particulier, des objets métalliques déterministes ont été crées afin d'étudier leurs interactions plasmoniques. Des dimères d'or de distance inter-particule variable ont démontré un fort couplage plasmonique.

L'objectif de cette thèse est de contrôler les propriétés optiques des nanoparticules d'or greffées de polymère en modulant les propriétés structurales de la couche protectrice de polymères. Des nanoparticules greffées de polymères thermosensibles avec une large gamme de masse molaire et différents degrés d'hydrophobicité sont synthétisées par la méthode de " grafting-to ". La DNPA est utilisée pour caractériser les propriétés structurales de la couche protectrice de polymère. Les spectres d'absorption sont modélisés en utilisant la théorie de Mie. Nous démontrons que la sensibilité de la SPR à la propriété diélectrique du solvant diminue progressivement avec la fraction volumique de la couche de polymère jusqu'à devenir quasi-nulle; dans ce dernier cas de figure, la SPR est dite " gelée " par la couche de polymère. Un déplacement significatif de la bande de SPR vers le rouge est induit (un changement de couleur se produit) dû à une transition de collapse de la couche de polymère avec la température. La gamme de température pour induire ce déplacement dépend du degré d'hydrophobicité du polymère et de la salinité. Une partie important de cette thèse est également consacrée aux propriétés des nanoparticules d'or greffées de polymères à l'interface air-eau. La technique de Langmuir est utilisée pour former des films minces dont la distance entre particule est contrôlée par la compression, la longueur des chaînes du polymère greffé et la température. Les propriétés structurales des films minces sont étudiées en déterminant la conformation de la couche de polymère greffée et l'organisation du cœur de l'or par la réflectivité de neutron et de X, respectivement. Les mesures de réflectivité nous permettent également d'évaluer et d'améliorer la stabilité des films minces pour un meilleur control de la distance entre particule, aspect important pour l'optimisation de la SPR. Enfin, les propriétés optiques des nanoparticules d'or à l'interface sont mesurées par des mesures de transmission.

La phosphinine, analogue phosphoré de la pyridine, possède des propriétés pi-acceptrices marquées qui en font un ligand de choix pour la stabilisation de complexes riches en électrons. Cette caracteristique particulière est au cœur du présent travail doctoral. Il a semblé en effet intéressant d'étudier en détail le comportement de la phosphinine vis-à-vis comportement vis-à-vis de la réduction, au sens le plus large du terme, c'est à dire apport d'électrons certes, mais aussi apport d'un groupement fonctionnel lui-même riche, par exemple par attaque nucléophile. Trois axes d'étude ont été retenus: la réduction électronique d'entités phosphinine, l'addition nucléophile sur la phosphinine et l'utilisation de la phosphinine comme ligand pour des nanoparticules d'or. Le premier axe traite de la réduction électronique de la phosphinine et des travaux sur d'autres molécules (phosphoré ou non) qui s'y rapportent. Des espèces comportant des interactions liantes à nombre déficitaire d'électrons sont synthétisées et caractérisées. Puis des complexes riches en électrons de biphosphinines et de diphosphabutadiènes font l'objet d'une étude théorique et synthétique. Dans un second temps, sont présentés les résultats obtenus sur la chimie des anions de phosphinine. Nous avons étudié leur chimie de coordination et isolé des complexes de type eta5 ou eta2. Ces anions ont également ouvert l'accès au premier cation phosphininium connu. Enfin, la phosphinine a été utilisées pour la stabilisation de nanoparticules d'or. Les particules ainsi obtenues possèdent des propriétés originales qui ont été exploitées pour fabriquer des capteurs ou pour synthétiser des nanoparticules de type Janus.

Mon travail de thèse porte sur l'élaboration, la caractérisation stationnaire et dynamique ainsi que sur l'étude photophysique de nanoparticules d'or fonctionnalisées. Synthétisées à partir de la réduction d'un sel d'or de degré d'oxydation 1, les nanoparticules d'or sont stabilisées par des molécules (ou ligands) possédant pour la première fois une fonction phosphole. Nous avons examiné le ligand 1,2,5-triphenylphosphole TPP et le ligand xanthénique XTPDP possédant deux fonctions phosphole. Nous avons montré que ces ligands sont très fluorescents (Фém(TPP) = 0,9 ; Фém(XTPDP) = 0,8). La première partie du travail a consisté à obtenir des nanoparticules d'or fonctionnalisées pures, exemptes de ligand libre et à étudier leur stabilité dans le temps.Alors que les nanoparticules d'or fonctionnalisées par le TPP sont peu stables, les nanoparticules d'or fonctionnalisées par le XTPDP ont montré une grande stabilité probablement due à l'interaction simultanée des deux fonctions phosphole du XTPDP. La spectroscopie d'absorption et la microscopie électronique montrent que ces NPs sont sphériques, monodisperses, et d'une taille de 3,8 nm. Par spectrofluorimétrie, nous avons montré que ces NPs présentent une luminescence appréciable à 510 nm malgré une inhibition due à la structure plasmonique. Etant assurés d'avoir trouvé une méthode d'élaboration reproductible de nanoparticules d'or pures exemptes de ligands fluorescents, il devenait possible de procéder à l'étude dynamique des nanoparticules. Les techniques optiques dynamiques utilisées, à savoir l'absorption transitoire par spectroscopie femtoseconde et la spectroscopie d'émission par comptage de photons à l'échelle picoseconde, ont montré une photophysique complexe de ces nanoparticules. Ces techniques nous ont également permis d'étudier le ligand libre ce qui constitue la première étude photophysique de phospholes. Les mesures ont montré une différence entre les spectres des nanoparticules fonctionnalisées et ceux du ligand libre. Ceci démontre que la nanoparticule d'or fonctionnalisée par le XTPDP est une entité très différente de la nanoparticule et du ligand seul. Les mesures dynamiques nous ont également permis de mettre en évidence une interaction rapide à l'état excité de l'ordre de quelques picosecondes entre l'or et le ligand organique au sein de la nanoparticule. L'ensemble de nos résultats montre que nous avons élaboré, caractériser et étudier de nouveau nano-objets luminescents. On peut donc envisager de les utiliser comme sondes luminescentes et de les intégrer dans des architectures moléculaires plus sophistiquées.

Cette thèse comporte trois parties principales : la première concerne la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules (NPs) d'or de forme sphérique et cylindrique. Les NPs d'or sont obtenues par réduction d'un sel métallique. En faisant varier certains paramètres de synthèse tels que la concentration en sels et/ou la concentration en réducteur, on peut facilement ajuster la taille de NPs sphériques. Bien qu'il existe diverses méthodes permettant de préparer des NPs cylindriques, il subsiste un problème de reproductibilité basée sur la pureté des produits de synthèse. Les différentes analyses de CTAB nous ont permis de proposer des solutions à ce problème. La fonctionnalisation de la surface des NPs d'or permet d'apporter à ces dernières de nouvelles propriétés tout en conservant leurs propriétés intrinsèques. Le but de cette fonctionnalisation est de modifier la surface des NPs en fonction des applications visées. Nous présentons ainsi différentes études de fonctionnalisation par des polyélectrolytes (PEI et PSS), des couches oxydes de SiO2, et de TiO2 et par le TDBC. La réponse optique des NPs d'or étant sensible à l'indice de réfraction du milieu environnant, il est possible de suivre et de quantifier cette fonctionnalisation par spectroscopie d'absorption. Dans une seconde partie, nous avons développé une voie de synthèse simple permettant de préparer le cœur coquille Au@TDBC sans ajout supplémentaire de sels ou de bases et à température ambiante. Etant donné qu'il est possible de moduler la taille des particules, l'optimisation du couplage fort entre les transitions électroniques du TDBC et les modes plasmon de résonances des Nps d'Au a été obtenu correspondant à une énergie de Rabi de 220 meV valeur qui n'a pas encore été obtenue avec un tel système. Dans une troisième partie, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la méthode de Stöber pour fonctionnaliser les NPs avec des couches d'oxyde de SiO2 et de TiO2. L'utilisation des systèmes Au@TiO2 est une perspective intéressante en photocatalyse car le contact entre le métal et le semi-conducteur devrait entrainer une nette augmentation de l'efficacité photocatalytique. En effet, le métal agit comme un réservoir de photoélectrons améliorant le transfert de charges interfaciales tout en retardant la recombinaison des paires électrons-trous photo excités du semi-conducteur.