La radiothérapie basée sur l'utilisation des photons de haute énergie (rayons X) est l'approche la plus courante dans le traitement du cancer. Toutefois, elle est limitée par la tolérance des tissus sains. Par conséquent, il est d'un intérêt majeur de développer de nouvelles techniques et protocoles pour améliorer le ciblage dans les tumeurs. Dans cette perspective, la hadronthérapie (irradiation de la tumeur par des protons ou des ions carbone) est considérée comme l'une des techniques les plus prometteuses car le dépôt d'énergie est maximum en fin de parcours, ce qui permet de cibler la tumeur. Pourtant, l’utilisation de cette modalité reste limitée du fait de la dose reçue par les tissus sains situés à l'entrée du faisceau.Pour améliorer les performances des thérapies par radiation, une nouvelle stratégie basée sur la combinaison de nanoparticules métalliques (nano-médecine) avec des rayonnements ionisants a été développée par le groupe. En effet, les nanoparticules ont une chimie de surface remarquable qui permet de les fonctionnaliser avec des ligands qui les rendent plus futiles et moins reconnus des macrophages afin de les concentrer dans les tumeurs.Le but de mon travail a été de développer des nanoparticules à base de platine (NPs de platine pelylée et des nanoparticules bimétalliques) visant à améliorer l’effet des rayonnements ionisants (photons et ions carbone) dans les cellules.Une méthode originale de synthèse en une seule étape combinant la radiolyse et la PEGylation in situ a été optimisée. Cette méthode a permis d’obtenir des NPs stables, de taille homogène (cœur métallique proche de 3 nm).L'impact biologique de ces nouvelles NPs a été évalué sur deux lignées de cellules cancéreuses humaines. Il a été observé que les NPs, non-toxiques, ont un mode d’internalisation qui dépend de la lignée cellulaire. Celles-ci sont, dans tous les cas, localisées exclusivement dans le cytoplasme. Les NPs de platine développées dans ce travail permettent d’amplifier significativement la destruction des cellules cancéreuses, en particulier lorsqu’un faisceau médical d’ions carbone est utilisé comme rayonnement. Les mécanismes moléculaires à l’origine de cet effet ont été étudiés grâce à l’utilisation d’une nanosonde biologique. Ces expériences ont montré que les NPs sont responsables de l’augmentation de dommages nanométriques, qui peuvent être létaux pour les cellules. Cet effet est attribué à des processus électroniques d’activation et de reneutralisation de la NP qui engendre une forte perturbation dans le volume nanométrique qui l’entoure tel que la production groupée de radicaux fortement réactifs et toxiques.En conclusion, ce travail à l’interface de la physique, chimie et biologie montre les capacités des NPs à base de platine à améliorer l’éradication par radiation des cellules cancéreuses. / Radiotherapy based on the use of high energy photons (X-rays) is the most common approach in cancer treatment. However, its implementation is limited by the tolerance of healthy tissue. Therefore, it is of major interest the development of new techniques and protocols to improve the selectivity of radiation effects within the tumor. In this perspective, the hadrontherapy (tumor irradiation by protons or carbon ions) is considered as one of the most promising techniques due to the energy deposition of ions in depth which is maximum at the end of the track. However, the use of this modality remains restricted by the lower but significant damage induced to the normal tissue located at the entrance of the ion beam.To improve the performance of radiation therapies, a new strategy based on the combination of metallic nanoparticles (nanomedicine) with ionizing radiations was studied. These treatments have been developed by the group. Indeed, the nanoparticles present a remarkable surface chemistry that allows their functionalization with ligands which make them less recognized by macrophages allowing an important accumulation of these nano-agents selectively into the tumors.The goal of my work was thus to develop platinum based nanoparticles (mono- and bimetallic Pt NPs) to enhance the effect of radiations (photons and carbon ions) into the cells.A novel one-step method of synthesis combining radiolysis and in situ PEGylation has been optimized. This method enabled to obtain stable NPs with a uniform size (metallic core diameter close to 3 nm) and shape. The biological impact of these new Pt NPs was evaluated in two human cancer cell lines.It has been observed that non-toxic Pt NPs have an internalization pathway that strongly depends on the cell line. These are, in all cases, exclusively localized in the cytoplasm. The Pt NPs developed in this work significantly enhanced cancer cell killing, particularly when medical carbon ions are used to irradiate.The molecular mechanisms underlying this effect were investigated through the use of a bio-nanoprobe. These experiments showed that NPs are responsible for the increase of nanometric damage, lesions that can be lethal to cells. This effect is attributed to an electronic activation processes and to the reneutralisation of NPs, which generates a strong perturbation in the surrounding nanometer volume producing highly reactive and toxic free radical clusters.In conclusion, this work at the interface of physics, chemistry and biology shows the potential of platinum NPs to improve the eradication of cancer cells by radiation.

Ce travail porte sur le développement de nouvelles approches de caractérisation d'électrodes poreuses dédiées à la réduction de O2. Elles sont établies grâce à l'élaboration de structures poreuses modèles formées par combinaison contrôlée d'électrocatalyseurs de platine greffées d'une composante organique et de nanotubes de carbone. Deux nouvelles méthodes de caractérisation sont établies : d'une part, une méthode alternative à l'utilisation d'électrodes tournantes pour la détermination de la sélectivité de la réduction de O2 et d'autre part, la détermination d'une aire spécifique d'électrode poreuse nommée S-AO2 directement reliée à la réduction de l'oxygène et qui peut être exprimée en m2/g de catalyseur, en cm2/cm3 de couche active ou en cm2/cm3/g de catalyseur. Une détermination de ce paramètre est établie sur des structures poreuses exemptes de platine, réalisée à partir de nanotubes azotés, pour lesquels une étude des sites actifs en réduction de O2 est également présentée.

Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le développement de nouveaux catalyseurs pour les piles à combustible de type PEMFC. L'objectif est d'améliorer le transfert de charges et de matières au sein des électrodes afin d'améliorer la durabilité des matériaux. Nous avons développé des catalyseurs qui permettent la transposition de la phénoménologie du point triple à l'échelle moléculaire. Le greffage de polymères conducteurs protoniques à la surface de nanoparticules de platine a été réalisé afin d'obtenir des complexes catalytiques nano-composites, comportant le catalyseur au platine, un conducteur protonique et un conducteur électronique. L'ensemble des matériaux issus de cette première étape ont été caractérisé en demi-cellule électrochimique afin de déterminer les catalyseurs les plus actifs et les plus sélectifs. Les matériaux les plus prometteurs ont enfin été testés en mono-cellule PEMFC de 5 cm² et 25 cm² afin de déterminer d'une part les performances in situ et d'autre part la durabilité des matériaux. Les électrodes nano-composites, formulées sans Nafion®, ont des caractéristiques équivalentes aux systèmes commerciaux. En effet, elles fournissent une densité de puissance maximale de 1 W.cm-2 et une durabilité de 20 µV.h-1 sur 300 h. Ces électrodes formulées sans composé fluoré permettent le recyclage du platine par pyrolyse. / This research work is within the scope of new catalysts for PEM fuel cells. The objective is to decrease the platinum amount in the electrode and to promote mass and electronic transfers, in order to improve the durability of the systems. We developed catalysts that enable the implementation of the phenomenology of the triple phase boundary at the molecular scale. The fieldwork concerns the grafting of proton conducting polymers (PSS) on the platinum nanoparticles surface in order to obtain nanocomposite catalysts. All synthetized materials are characterized in electrochemical half-cell, in order to determine the most active and the most selective catalyst. Then, the best catalytic complexes are tested in PEMFC 5 cm² and 25 cm² single-cell to determine in situ performance and materials durability. The properties of the nanocomposites electrodes formulated without Nafion®, are equivalent to commercial systems. Indeed, they provide a maximum power density of 1 W.cm-2 and a durability of 20 µV.h-1 during 300 h. These electrodes formulated without fluorinated compound allow platinum recycling by pyrolysis.

Chimie organométallique résonne avec catalyse homogène, et chimie des surfaces avec catalyse hétérogène. Mais la frontière établie entre ces deux domaines est en réalité très mince. Leur rapprochement aboutit dans les années 1990 au développement d’une nouvelle science : la chimie organométallique de surface, qui souligne leur complémentarité. L’objectif de cette science, dans laquelle s’inscrit ce travail de thèse, est de créer des catalyseurs hétérogènes à partir de composés organométalliques. Notre objectif est d’apporter une contribution à la compréhension de la formation de nanoparticules de platine - métal incontournable en catalyse hétérogène - sur des supports de silice amorphe, et ce grâce à la chimie organométallique. Au cours de ce travail, une palette de catalyseurs Pt/SiO2 a été préparée à partir de trois précurseurs de platine : le composé classique H2PtIVCl6.xH2O et deux composés organométalliques PtII(η 4-C8H12)Cl2 et Pt0(η 2-C7H10)3 , et de trois supports : une silice commerciale (Davison), une silice mésoporeuse SBA-15 synthétisée au laboratoire et unesilice naturelle, la diatomite. De plus, l’étude du catalyseur de référence au platine « EuroPt-1 » a permis de développer une méthodologie de suivi operando par Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier par Réflexion Diffuse (DRIFTS) de l’adsorption du monoxyde de carbone (CO) sur les différents sites d’une nanoparticule de platine. En conclusion, les catalyseurs préparés à partir de Pt0(η 2-C7H10)3 s’avèrent être plus actifs qu’EuroPt-1 pour la réaction d’oxydation du CO, ce qui démontre le potentiel d’utilisation des composés organométalliques dans le domaine de la catalyse hétérogène. / Organometallic chemistry resonates with homogeneous catalysis, and surface chemistry with heterogeneous catalysis. But the frontier between these two fields is very thin. In the 90’s, these fields approached each other and led to the development of a new science: organometallic surface chemistry, which underlines their complementarity. The goal of this science, with which this work is associated, is to create heterogeneous catalysts from organometallic compounds. Our goal is to contribute to the understanding of platinum nanoparticle formation - platinum being an important metal in heterogeneous catalysis - onto amorphous silica supports, thanks to organometallic chemistry. During this work, various Pt/SiO2 catalysts were prepared fromthree platinum precursors: the classical one, H2PtIVCl6.xH2O and two organometallic compounds PtII(η 4-C8H12)Cl2 et Pt0(η2-C7H10)3, and involved three supports: a commercial silica (Davison), a mesoporous silica SBA-15 synthesized in the laboratory, and a natural silica, the diatomite. Moreover, the study of the standard platinum reference catalyst “EuroPt-1” lead to the development of a methodology of operando Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS) of carbon monoxide (CO) adsorption on the different sites of a platinum nanoparticle. Catalysts prepared from Pt0(η 2-C7H10)3 are more active than EuroPt-1 for the CO oxidation reaction, and this work shows the potential of organometallic precursors in the domain of heterogeneous catalysis.