Structurer les matériaux composites, pour au moins une des phases, à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire former des matériaux nanocomposites, est une voie pour optimiser nombre de leurs propriétés. Le domaine de la propulsion et des propergols n’échappe pas à cette règle. C’est dans ce contexte que s’est déroulée cette thèse sur la synthèse de nanocomposites ‘nanoparticules métalliques/polymère’ en milieux fluides supercritiques (FSCs). Les principales étapes rencontrées dans l’élaboration de nanocomposites en milieu scCO2 ont été étudiées : i) Etude thermodynamique des systèmes polymère/scCO2, ii) Mesure de leur viscosité et iii) Synthèse de nanoparticules inorganiques dans des polymères en milieux FSCs. De plus, une partie importante de la thèse a concerné la synthèse de nanoparticules d’aluminium en milieux fluides supercritiques en vue de leur intégration dans des matrices polymères pour des applications propergols. / Structuring composite materials, at least for one phase, at the nanometer scale, that is to say synthesize nanocomposite materials, is an interesting way to optimize their properties. The field of propulsion and propellants follows this rule. This is the context of this PhD dealing with the synthesis of nanocomposites constituted of metallic nanoparticles and polymer in supercritical fluids. The main steps for the formation of nanocomposites in scCO2 have been studied: i) Thermodynamical study of polymer/scCO2 systems, ii) Viscosity measurements of polymer/scCO2 systems and iii) Synthesis of inorganic nanoparticles in polymers in supercritical fluids. Moreover, an important part of this work has concerned the synthesis of aluminum nanoparticles in supercritical fluids in order to incorporate them in polymer matrixes for applications to propellants.

Résumé : L'un des problèmes les plus difficiles auquel les technologies liées aux nanomatériaux font face est l'impact qu'elles ont sur la santé humaine et l'environnement. Il est donc primordial d'étudier les effets toxicologiques de ces technologies dont l'utilisation est très répandue dans divers domaines d'application. Par conséquence, dans ce projet, la cytotoxicité des matériaux présents dans la synthèse de nanotubes de carbone mono-parois (SWCNTs) par plasma thermique inductif (des matières premières au produit final) a été évaluée. Tout d'abord, l'influence du procédé plasma thermique inductif sur les propriétés physico-chimiques et cytotoxiques des matières premières (les catalyseurs commerciaux Co, Ni, Y203, Mo et le noir de carbone) a été déterminée. Un effet cytotoxique plus important a ainsi été révélé pour le Co commercial. De plus, bien que le procédé de plasma affecte les propriétés physico-chimiques de chaque catalyseur, seule la cytotoxicité du Ni a augmenté. La comparaison des particules de Ni après traitement par plasma avec les nanoparticules de Ni commerciales, a révélé que ces particules ayant pourtant une surface similaire avaient des cytotoxicités différentes. De plus, la toxicité des catalyseurs n'était pas principalement due à la libération d'ions. Afin d'évaluer la capacité du procédé de plasma thermique inductif à synthétiser des SWCNTs de haute qualité en utilisant des catalyseurs non toxiques, les effets du type et de la quantité de trois mélanges de catalyseurs (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, et Ni-Mo-Y203) sur la production de SWCNTs ont été examinés. Les calculs thermodynamiques, en phase gazeuse et dans la phase de solution liquide, ont également été réalisés. Les résultats ont montré que le type de catalyseur affecte la qualité des SWCNTs et une qualité similaire peut être produite lorsque la même quantité de Co a été remplacée par le Ni. L'influence des SWCNTs produits avec trois mélanges de catalyseurs sur le comportement des préostéoblastes marins MC3T3-E I a été évaluée. Les SWCNTs ont été ajoutés sur les cellules attachées ou les cellules ont été ensemencées sur des plaques recouvertes de SWCNTs. Les SWCNTs ajoutés sur les cellules attachées affectent considérablement la viabilité cellulaire. Toutefois, la viabilité des cellules ensemencées sur les SWCNTs a seulement légèrement diminué à 24 h, même pour celles ensemencées sur les SWCNTs produits avec Ni-Co-Y203. De plus, les cellules peuvent proliférer en présence des SWCNTs dans les 48 h. Ainsi, sauf perturbation mécanique membranaire, ces SWCNTs ne semblent pas induire de cytotoxicité sévère sur les préostéoblastes. Les SWCNTs ont donc été purifiés et leur influence sur la prolifération des préostéoblastes, l'activation de la voie des BMPs ou Smad et la différenciation ostéoblastiques induites par l'addition de BMP-2 et BMP-9 a été étudiée. Le prétraitement des cellules par des SWCNTs pendant 24 h a accéléré l'activation des Smad1/518 induite par les BMPs. Après 72 h d'incubation avec BMP-2 ou BMP-9, les préostéoblastes prétraités avec des SWCNTs exprimaient des gènes codant pour des marqueurs ostéogéniques comme ostérix et octéocalcine et présentaient une forte activité de la phosphatase alcaline. Fait intéressant, la BMP-9 a favorisé la différenciation des préostéoblastes prétraités avec les SWCNTs de manière plus importante que la BMP-2. Par conséquent, la combinaison de la BMP-9 avec les SWCNTs semble être une voie prometteuse pour ta régénération osseuse. // Abstract : One of the most challenging issues that the technologies related to nanomaterials face is the impact they have on human health and environment. It is therefore of great importance to investigate the toxicological impacts of these technologies prior to their widespread utilization in different fields of application. Therefore, in this study, the cytotoxicity of the materials present throughout the process of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) synthesis by induction thermal plasma (from the feedstock materials to the final product) was evaluated. First of all, the influence of the induction thermal plasma process on the physico-chemical and cytotoxic properties of feedstock materials (i.e. commercial Co, Ni, Y203, Mo catalysts and carbon black) was investigated. The strongest cytotoxicity was observed for commercial Co compared to other catalysts. Although the thermal plasma process affected the properties of all catalysts, only the cytotoxicity of Ni was increased. Comparing the properties and cytotoxicity of the plasma treated Ni particles with commercial Ni nanoparticles revealed that the particles with similar surface area had different cytotoxicities. Plus, the observed cytotoxicity of the catalysts was not mainly due to the release of ions. In order to evaluate the capacity of the RF induction thermal plasma process to produce high quality SWCNTs using non-toxic catalysts, the effects of the type and quantity of three catalyst mixtures (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, and Ni-Mo-Y203) on SWCNTs synthesis were examined. Thermodynamic calculations, in gas and particularly in liquid solution phases, were also performed. The results showed that catalyst type affected the quality of the SWCNT final product and similar quality SWCNTs was produced when the same amount of Co was replaced by Ni. Then, to investigate the cytotoxicity of the SWCNTs produced with the three catalyst mixtures, their effect was evaluated on the behavior of murine MC3T3-E1 preosteoblasts. Either SWCNTs were added on the attached cells or cells were seeded on the SWCNT-covered culture plates. SWCNTs which were added on the attached cells reduced cell viability drastically in a dose-dependent manner. However, the viability of the cells seeded on SWCNTs was only slightly decreased at 24 h, even on those produced with Ni-Co-Y203. Moreover, cells could proliferate within 48 h. Thus, except mechanical membrane disturbance, thermal plasma grown SWCNTs seemed to induce no severe cytotoxicity on MC3T3-El preosteoblasts. Consequently, SWCNTs were purified and their influence on the viability and proliferation of MC3T3-El preosteoblasts was determined. The impact of SWCNTs on Smad activation and cell differentiation induced by BMP-2 and BMP-9 was also studied. SWCNTs pm-treatment accelerated the Smadl/5/8 activation induced by both BMP-2 and BMP-9. It did not reduce the viability of preosteoblasts but slightly affected their proliferation at 48 h. Furthermore, after 72 h incubation with BMP-2 or BMP-9, preosteoblasts pm-treated with SWCNTs for 24 h could express genes encoding osteogenic markers such as osterix and osteocalcin and showed high alkaline phosphatase activity. Interestingly, BMP-9 favored the differentiation of preosteoblasts pre-treated with SWCNTs more remarkably than BMP-2. Therefore, combination of BMP-9 with SWCNTs seems to be a promising avenue for bone regeneration. [symboles non conformes]

Les matériaux poreux basés sur les polymères font l’objet de recherches nombreuses et variées depuis leur découvertes et jusqu’à aujourd’hui encore. Leurs propriétés uniques et remarquables, comme par exemple une fonctionnalisation aisée ou une large gamme de porosité accessibles, couplées à leur faible coût de production les rendent attrayant pour de nombreuses applications. Parmi elles, la catalyse supportée est en plein essor, spécialement depuis l’avènement des nanoparticules. Durant ce travail de thèse, nous avons développé différents matériaux polymères pouvant servir de support, se focalisant majoritairement sur trois types de matériaux : des matériaux polymères massiques, des matrices polymères poreuses en capillaire ainsi que des polystyrènes poreux provenant de la dégradation sélective de copolymères diblocs.Dans un premier temps, différentes stratégies ont été employées pour l’immobilisation et la génération de nanoparticules sur les matériaux massiques. L’un a consisté en la synthèse d’un monomère contenant un pont disulfure qui, après réduction, a permis la libération de groupement thiol permettant l’accrochage de nanoparticules d’or. La seconde a consisté à réduire de manière originale les nanoparticules en utilisant un gaz, l’hydrogène. Dans un seconde partie, la synthèse de différentes matrices polymères dans des capillaires a été réalisée. Tout d’abord, une matrice déjà connue de la littérature à base de N-acryloxysuccinimide a été utilisée, après modification via thiol-ène et substitution nucléophile par différentes amines, pour immobiliser des nanoparticules de cuivre ainsi que d’or, respectivement. D’autre part, une nouvelle matrice à partir de carbonate cyclique aura, elle, été utilisée après modification, pour l’immobilisation de nanoparticules de platine. Enfin à partir de copolymères diblocs possédant différentes jonctions entre chaque bloc (un pont disulfure ainsi qu’un acétal), différents polystyrènes poreux ont été obtenus. Les copolymères possédant une jonction acétal à lui été utilisé pour l’immobilisation de nanoparticules d’or, permettant la mise en place des réactions de réduction de nitro, d’homocouplage boronique ainsi que de la mise en cascade de ces deux réactions / Porous materials based on polymers have been the subject of intense and various researches since their discovery until now. Their unique and remarkable properties, like their easy functionalization or their large porosity range reachable for instance, coupled with their low production cost makes them attractive for numerous applications. Among them, supported catalysis is booming, especially since the rising of nanoparticles. During this Ph.D. contribution, we have developed different polymeric materials, which could be used as support, focusing mainly onto three types: bulky materials, porous polymeric matrixes into capillaries and porous polystyrene arising from the selective degradation of diblocks copolymers.Firstly, different strategies have been employed for the immobilization and the generation of nanoparticles onto bulk materials. On the one hand, the synthesis of a monomer, bearing a disulphide bridge which can, after a reduction step, free a thiol moiety allowing us to anchor gold nanoparticles. On the other hand, a new route to reduce nanoparticle has been employed using gaseous hydrogen. In another part, the syntheses of different polymeric matrixes into capillaries have been made. First, we used an already known matrix, based on N-acryloxysuccinimide -after modification step via thiol-ene reaction and nucleophilic substitution by amines- to anchor copper or gold nanoparticles, respectively. Also, a new matrix based on cyclic carbonates has been used, after modification, to immobilized platinum nanoparticles. Finally, starting from diblocks copolymers possessing different junctions between both blocks (disulphide bridge or acetal), porous polystyrenes have been obtained. The copolymers bearing an acetal have been implemented to immobilized gold nanoparticles, catalysing several reactions like nitro reduction, boronic homocoupling as well as the cascade reaction of both

Le contrôle de l'organisation bidimensionnel de nanoparticules est primordial dans le défi que représentent l'enregistrement magnétique et l'augmentation de la capacité de stockage. Plus particulièrement, c'est ici la diminution de la taille des bits d'informations qui est ciblée. La conséquence serait alors une augmentation de la capacité de stockage de deux à trois ordres de grandeurs. Mais pour ce faire, il est nécessaire d'avoir une organisation bidimensionnelle de nanoparticules magnétiques de taille, forme et composition contrôlée. Via deux méthodes de synthèse, des nanoalliages de CoPt et Co33Pt67 de l'ordre de 2 nm ont été synthétisées. Ces derniers ont présenté alors des températures de blocage et des champs coercitifs ne permettant pas leurs utilisations dans des applications dans l'enregistrement magnétique. Cela s'explique par le fait qu'après synthèse, ces nanoparticules sont désordonnées chimiquement. Afin d'améliorer l'ordre chimique et donc les propriétés magnétiques, des recuits thermiques ont été effectués. Il a été montré que la mise en ordre a lieu vers 400°C et que, dans le cas de nanocristaux de Co33Pt67, la forme et la taille restent inchangées. Ces derniers pourraient être utilisés dans l'enregistrement magnétique à condition de pouvoir contrôler la distance interparticulaire. C'est pourquoi nous avons utilisé des molécules organiques capables de s'auto-assembler sur surface sur de longues distances et formant des réseaux nanoporeux aptes à servir de systèmes hôte et à capter les nanoparticules. Nous avons alors montré que des nanoparticules de platine possèdent une organisation quasi-hexagonale et monoclinique à moyenne distance. / The fine control of nanoparticles bi-dimensional organization remains a main challenge for magnetic recording applications. Although the current size for a data bit is around a few tens of nanometers, it could be reduced to the nanometer scale simply through using magnetic nanoparticles. Nonetheless, intrinsic parameters of the nanoparticles such as their sizes, shapes and chemical compositions have a direct incidence on their periodic arrangement. Two different chemical routes were used to synthesize 2 nm CoPt and Co33Pt67 nanoalloys. Due to the high chemical disordering of these nanocrystals, the blocking temperature and coercive fields were lower than wished for data storage applications. In order to exhibit a higher chemical ordering, in situ annealing of these nanocrystals was carried out. It has been shown that ordering occurred around 400°C. Plus, size and shape for Co33Pt67 were kept after annealing but not for equiatomic composition. Nevertheless, only poor mesoscopic ordering between nanoparticles is observed, as reported elsewhere. This hurdle could be overcome in using organic molecules able to self-assemble on graphite and forming a porous two-dimensional supramolecular template. Thus, such template was designed and used to demonstrate that 2 nm Pt nanoparticles can locally organize in quasi-hexagonal or monoclinic lattices.

La tuberculose (TB) est une maladie transmise par l'air causée par Mycobacterium tuberculosis (MTB) qui affecte habituellement les poumons, entraînant une toux sévère, de la fièvre et des douleurs thoraciques. En 2015, il a été estimé que plus de 9,6 millions de personnes dans le monde ont développé la tuberculose et que 1,5 millions sont morts de la maladie infectieuse dont 12% étaient co-infectés par le virus de l'immunodéficience humaine (VIH). En 2016, les statistiques ont atteint un total de 1,7 million de personnes décédées de la tuberculose avec environ 10,4 millions de nouveaux cas de TB diagnostiqués dans le monde. Le développement de systèmes de mesures rapides et fiables, ultra-sensibles, bon marché et facilement disponibles est essentiel pour lutter contre la tuberculose (TB) et la tuberculose multirésistante. Ce travail est une étude sur la faisabilité d'une part d'immunocapteurs électrochimique utilisant un antigène spécifique de Mycobacterium tuberculosis Ag85B pour détecter la tuberculose et d'autre part de biocapteurs utilisant l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) pour détecter les médicaments antituberculeux dans le sérum ou l’eau.L'immunocapteur a été développé en adoptant la méthode ELISA indirecte qui a été utilisée pour la détection des anticorps IgG dans les tests ELISA IgG contre la tuberculose. Il a été réalisé en électrodéposant par voltamétrie cyclique (CV) d’abord de l'acide polyamique (PAA) sur une électrode de carbone vitreux (GCE) puis des antigènes recombinants de Mycobacterium tuberculosis Ag85B (Ag). Les électrodes modifiées ont été caractérisées par CV et SWV. Le profil de réponse de l'immunocapteur à des anticorps de Mycobacterium tuberculosis a été étudié par SWV et la réponse linéaire était dans une gamme de 0,3 à 1,6 mg / mL avec une limite de détection (LOD) de 0,08 mg / mL.D'autre part, deux plates-formes pour le développement de biocapteurs pour la détection de médicaments antituberculeux, l'éthambutol (ETH) et la rifampicine (RIF), ont également été préparées. L’une était un composite PAA/AgNPs (nanoparticules d’argent) déposé par goutte sur GCE pour former une plate-forme GCE/PAA/AgNPs. Alors que l'autre plate-forme (GCE/PPy/AgNPs) a été formée par électrodéposition de pyrrole en présence de nanoparticules d'argent (PPy + AgNPs) sur GCE en utilisant la chronopotentiométrie. Les plateformes GCE/PAA/AgNPs et GCE/PPy/AgNPs ont ensuite été caractérisées en utilisant la voltamétrie cyclique alors que leurs morphologies l’ont été par microscopie à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (MEB). L'immobilisation de l'enzyme cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) sur les deux plates-formes a été réalisée par dépôt de gouttes. L'efficacité des biocapteurs GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 et GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 pour la détection de ETH et de RIF a été étudiée par DPV. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 a été capable de détecter les médicaments antituberculeux à leur concentration sérique maximale (2 à 6 μg/mL). Alors que le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 était capable de détecter l'ETH à des concentrations inférieures au taux sérique (2,5 ng/mL à 12,5 ng/mL). Par conséquent, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a la capacité de détecter ETH même à l'état de traces dans les systèmes aqueux. Ainsi, le biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 a une limite inférieure de détection de l'ETH (0,75 ng/mL) par rapport au biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 (1,3 µg/mL). La sensibilité du biocapteur GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 pour l'ETH était de 5 µA/ng.mL-1 alors que celle du biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était de 2,6 µA/µg.mL-1. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 était le seul biocapteur capable de détecter le RIF avec une limite de détection de 7,5 µg/mL. Le biocapteur GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 convient à la détection de l'ETH et du RIF aux taux sériques et aux systèmes aqueux. Alors que le GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 ne convient que pour la détection des médicaments antituberculeux à des niveaux traces dans l'eau. / Tuberculosis (TB) is an airborne disease caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB) that usually affects the lungs leading to severe coughing, fever and chest pains. In 2015 it was estimated that over 9.6 million people worldwide developed TB and 1.5 million died from the infectious disease of which 12 % were co-infected with human immunodeficiency virus (HIV). In 2016 the statistics increased to a total of 1.7 million people died from TB with an estimated 10.4 million new cases of TB diagnosed worldwide. The development of the fast and reliable point-of-care systems that are ultra-sensitive, cheap and readily available is essential in order to address and control the spread of the tuberculosis (TB) disease and multidrug-resistant tuberculosis. This work is the feasibly study on one part on the development of electrochemical immunosensor using a specific Mycobacterium tuberculosis Ag85B antigen to detect tuberculosis and on another part on the development of biosensors using cytochrome P450-2E1 (CYP2E1) enzyme to detect anti-TB drugs in aqueous systems. The immunosensor was developed by adopting the indirect ELISA method which was used for the detection of the IgG antibodies using the tuberculosis IgG ELISA. The development of immunosensor was achieved using glassy carbon electrode (GCE) modified with polyamic acid (PAA) in which Mycobacterium tuberculosis recombinant antigen Ag85B (Ag) was immobilized. PAA was electrodeposited on glassy carbon electrode (GCE) using cyclic voltammetry. The modified electrodes were characterized by cyclic and square wave voltammetry. The response profile of the immunosensor at Mycobacterium tuberculosis antibodies was studied by square wave voltammetry and the linear response was in a range of 0.3 to 1.6 mg/mL with a detection limit (LOD) of 0.08 mg/mL. On the other hand, two platforms for the development of biosensors for the detection of ethambutol and rifampicin (anti-TB drugs) were also prepared. Two platforms were prepared whereby polyamic acid-silver nanoparticles composite (PAA/AgNPs) was drop-coated on GCE to form GCE/PAA/AgNPs platform. While the other platform (GCE/PPy/AgNPs) was formed by electrodeposition of polypyrrole-silver nanoparticles composite (PPy/AgNPs) on GCE using chronopotentiometry. The GCE/PAA/AgNPs and GCE/PPy/AgNPs platforms were then characterized using cyclic voltammetry while their morphologies were obtained by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The immobilization of cytochrome P450-2E1 enzyme (CYP2E1) on both platforms was achieved by means of drop coating. The efficiency of the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 and GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensors for the detection of ethambutol (ETH) and rifampicin (RIF) was studied by differential pulse voltammetry (DPV). The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect anti-TB drugs at their peak serum levels (2 – 6 µg/mL). Whereas the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor was able to detect ethambutol at concentrations lower than the serum level (2.5 ng/mL to 12.5 ng/mL). Therefore, GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor has an ability to detect ethambutol even at trace levels in aqueous systems. Thus, the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor have lower limit of detecting ETH (0.75 ng/mL) than GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor (1.3 µg/mL). The sensitivity of GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 biosensor for ETH was 5 μA/ng.mL-1while the sensitivity of GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was 2.6 μA/μg.mL-1. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor was the only biosensor that was able to detect RIF with a limit of detection of 7.5 µg/mL. The GCE/PPy/AgNPs/CYP2E1 biosensor is suitable for the detection of ETH and RIF at serum levels and aqueous systems. While the GCE/PAA/AgNPs/CYP2E1 is suitable for only detecting anti-TB drugs at trace levels in water.

Cette thèse de doctorat étudie l’auto-assemblage de copolymères di-blocs et de nanoparticules métalliques à l’interface air-eau. Les nanoparticules métalliques peuvent interagir fortement avec la lumière grâce à l’oscillation collective des électrons de conduction. Ce phénomène, qu’on appelle le plasmon de surface localisé, offre d’importantes perspectives dans l’élaboration de matériaux optiques. Cependant, la force et la fréquence du plasmon de surface varient significativement en fonction de plusieurs paramètres dont l’arrangement des nanoparticules. Les copolymères à blocs, quant à eux, ont la capacité de former des domaines de morphologies définies à la surface de l’eau et représentent une voie simple pour organiser les nanoparticules en deux dimensions. Avec la technique Langmuir-Blodgett, il a été possible de former des monocouches composites de nanoparticules et de copolymères, et de les transférer sur des substrats solides. Les films composites Langmuir-Blodgett ont été caractérisés par microscopie à force atomique et par microscopie électronique en transmission. Plusieurs auto-assemblages, incluant des agrégats, des systèmes cœur-satellites, des cercles et des lignes de nanoparticules ont été observés. Les caractéristiques structurales de ces assemblages peuvent être ajustées avec précision en modifiant l’organisation des copolymères et la longueur des ligands thioalcanes à la surface des nanoparticules. De plus, une procédure de recroissance in situ a été développée pour augmenter la taille des nanoparticules incorporées sans altérer l’ordre des monocouches. Les propriétés optiques des auto-assemblages ont ensuite été étudiées expérimentalement et comparées à des simulations théoriques par l’approximation aux dipôles discrets. Une attention particulière a été portée aux nanocercles qui sont des structures hautement symétriques et compliquées à obtenir avec d’autres méthodes. Enfin, la thèse se termine par une série d’expériences préliminaires destinées à évaluer l’utilité de ce type de monocouches pour des applications de détection. / The present Ph. D. thesis treats the investigation of the self-assembly of block copolymers and metallic nanoparticles at the air-water interface. Metallic nanoparticles interact strongly with light because of the collective oscillation of the conduction electrons. This phenomenon is called the localized surface plasmon resonance and offer significant promise in the development of optical materials. However, the strength and frequency of the surface plasmon depend on several parameters, including details of the arrangement of the nanoparticles. As block copolymers can form nanodomains at the surface of water, they represent a simple way to organize nanoparticles in two dimensions. With the help of the Langmuir-Blodgett technique, it has been possible to form composite monolayers composed of nanoparticles and block copolymers, which are transferable on solid substrate. The Langmuir-Blodgett composite films have been characterized both by atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Several self-assemblies, including aggregates, core-satellite structures, nanorings, and particle lines have been observed. The structural characteristics of these assemblies can be tuned precisely by modifying the copolymer organization and the capping ligand length at the nanoparticle surface. In addition, an in situ regrowth procedure has been developed to increase the size of the incorporated nanoparticles without losing the order of the monolayers. Then, optical properties of the self-assemblies have been investigated experimentally and compared to theoretical calculations by the discrete dipole approximation. Particular attention has been paid to the nanoring structures, which are highly symmetrical and complicated to obtain with other fabrication procedures. Finally, the thesis presents a series of preliminary experiments intended to assess the usefulness of the monolayers for sensing applications.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Les nanomatériaux attirent l’attention dans le domaine biomédical en raison de leurs propriétés liées à leur taille. Les nanoparticules métalliques, plus particulièrement, possèdent un plasmon de surface localisé leur conférant une signature d’extinction de la lumière caractéristique. Bien que l’argent possède de meilleures propriétés plasmoniques, l’or est habituellement préféré pour des applications médicales, puisqu’il est stable en conditions biologiques en plus d’être biocompatible. Ce projet a donc pour objectif d’exploiter les propriétés des nanoparticules d’or dans le cadre de deux applications : le relargage contrôlé de médicaments et la détection d’analytes en milieu cellulaire. Dans un premier temps, des nanobâtonnets d’or possédant une bande plasmonique dans le proche infrarouge sont utilisés afin de développer des nano-véhicules pour le transport actif de médicaments. Ces bâtonnets sont entourés d’une couche de polymère thermosensible permettant l’encapsulation et le transport de biomolécules jusqu’au site biologique d’intérêt. Un laser dans le proche infrarouge est utilisé comme stimulus externe pour déclencher le relargage des molécules bioactives en causant une augmentation locale de température autour des nanobâtonnets. Ces nouveaux modules sont développés en collaboration avec le Dr. Patrick Mathieu à l’Institut universitaire de cardiologie et de pneumologie de Québec pour étudier la décalcification des valves cardiaques. Le second projet vise à développer un outil micrométrique pour la détection d’adénosine 5’-triphosphate dans l’environnement des cellules, et ce, en collaboration avec les groupes des professeurs Jean-François Masson de l’Université de Montréal et Joachim Spatz de l’Université d’Heidelberg en Allemagne. Cet outil consiste en une micropipette de verre recouverte de nanoparticules d’or fonctionnalisée avec un aptamère fluorescent qui possède une grande affinité pour l’ATP. Lorsque l’aptamère se lie à sa cible, il se replie sur lui-même, rapprochant ainsi le fluorophore de la surface plasmonique. En microscopie de fluorescence, il est possible de mesurer l’extinction de fluorescence résultant de ce changement de conformation pour quantifier la concentration d’ATP localement. / Nanomaterials have attracted a great deal of attention in the fields of biology and medicine because of their unique properties arising from their small size. Metallic nanoparticles, more precisely, can interact with light in various ways as a result of their localized surface plasmon. Even though silver is the best plasmonic material, gold is usually preferred for medical applications because it is both more stable in biological conditions and biocompatible. Therefore, the objective of this project is to take advantage of the properties of gold nanoparticles in two distinct applications: controlled drug delivery and detection of biomolecules in cell cultures. First, gold nanorods with a plasmon in the near-infrared region are used to develop new nanocarriers for active drug transport. These nanorods are covered with a thermosensitive polymeric shell allowing the encapsulation of bioactive molecules. A near-infrared laser is used as an external stimulus to trigger the release of the drug ¬once the nanocarriers have reached the desired biological location by locally increasing the temperature of the gold nanorods. These new modules are developed in collaboration with Dr. Patrick Mathieu from the Quebec Heart and Lung Institute of Université Laval in order to study the decalcification of heart valves. The second project aims at developing a micrometric tool for the detection of adenosine 5’-triphosphate in the vicinity of live cells, in collaboration with the groups of Prof. Jean-François Masson of Université de Montréal and Prof. Joachim Spatz of Heidelberg University in Germany. This tool consists of a glass micropipette covered with gold nanoparticles and functionalized with a fluorescent ATP-selective aptamer. Upon binding to its target, the aptamer changes conformation to form a hairpin, which brings the fluorophore closer to the plasmonic surface. Using fluorescence microscopy, it is possible to measure the fluorescence quenching resulting from this change of conformation, and thus to quantify the concentration of ATP locally.

Les nouvelles stratégies pour la conception de nanomatériaux ont créé de nouvelles opportunités pour la recherche biomédicale et les applications cliniques. En raison de leur taille, les nanoparticules présentent des propriétés physiques et chimiques distinctives comparativement aux matériaux macroscopiques. Ces propriétés intéressantes ont poussé l’utilisation des nanotechnologies dans plusieurs applications biomédicales telles que l’imagerie cellulaire et la détection de molécules biologiques d’intérêt. Le marquage multiplex d’échantillons biologiques pour des expériences d’imagerie et de décompte cellulaire représente un avantage substantiel pour le diagnostic de maladies et d’infections. Dans le premier volet de ce projet, l’identification de différentes cellules a été réalisée par imagerie optique grâce à l’utilisation de nanocapteurs ayant des signatures spectrales distinctives. Les nanoparticules hybrides constituées d'un noyau métallique (Ag, Au ou In) entouré d’une coquille de silice fluorescente permettent une détection bimodale en produisant simultanément une signature de diffusion et un effet de couplage appelé « fluorescence exaltée par un métal ». Grâce à cette architecture composite, l’absorptivité, la luminosité et la photostabilité des chromophores organiques sont grandement améliorées. Par la suite, des anticorps spécifiques à un récepteur cellulaire d’intérêt ont été greffés à la surface des nanoparticules et la discrimination de différents nanocapteurs dans le même échantillon biologique a été réalisée. Dans le deuxième volet du projet, des nanoparticules or-silice ont été utilisées comme outil de diagnostic afin d’évaluer la qualité des produits sanguins. Le métabolisme des globules rouges demeurant actif pendant l’entreposage, des lésions précoces peuvent survenir et la qualité des produits utilisés pour de fins de transfusion peut en être affectée. De récentes études suggèrent que la prévalence de certains micro-ARNs serait modulée par les conditions d’entreposage des produits sanguins. Ainsi, le développement de nanocapteurs exploitant les micro-ARNs en tant que biomarqueurs pourrait permettre le suivi de la qualité des produits sanguins pendant leur entreposage. / Recent advances in the design of nanomaterials have created new opportunities in biomedical research and clinical applications. Due to their size, nanoparticles exhibit new physical and chemical properties compared to macroscopic materials. These remarkable properties have prompted the use of nanotechnologies in several biomedical applications such as cellular imaging and the detection of biological molecules. Multiplex cells labeling of biological media represents a substantial advantage for the diagnosis of diseases, infections, and cell abnormalities. In the first part of this project, the identification of different cells in biological products was achieved by optical imaging through the use of nanosensors having different spectral signatures. These hybrid nanoparticles composed of a metallic core (Ag, Au or In) surrounded by a fluorescent silica shell simultaneously provide a scattering signature and a coupling effect called “metal-enhanced fluorescence”. In this metallic architecture, the absorptivity, brightness and photostability of organic chromophores are greatly enhanced. Specific blood cells antibodies were conjugated onto the surface of the nanoparticles and different nanosensors were discriminated in the same biological sample by optical imaging. In the second part of this project, biocompatible gold-silica nanoparticles were used as a diagnostic tool to evaluate the quality of blood products. Since the metabolism of labile blood products, such as globular pellets, platelet concentrate and plasma, remains active during storage, early lesions as well as changes in the structure and the function of the products are directly related to their quality. Recent studies suggest that the prevalence of some micro-RNAs is modulated by the storage conditions of blood products. The development of biocompatible nanosensors exploiting micro-RNAs as biomarkers would allow the facile monitoring of the quality of labile blood products.

Depuis les dix dernières années, l’innovation des traitements d’oncologie a fait une utilisation croissante de la nanotechnologie. De nouveaux traitements à base de nanoparticules (NPs) sont notamment rendus au stade de l’essai clinique. Possédant des caractéristiques physico-chimiques particulières, les NPs peuvent être utilisées afin de bonifier l’effet thérapeutique des traitements actuels. Par exemple, l’amélioration de la curiethérapie (c.-à-d. radiothérapie interne) nécessite le développement de nouvelles procédures permettant de diminuer la taille des implants, et ce, tout en augmentant l’homogénéité de la dose déposée dans les tumeurs. Des études théoriques et expérimentales ont démontré que l’injection de NPs d’or à proximité des implants traditionnels de curiethérapie de faible débit de dose (par ex. 125I, 103Pd) permettrait d’augmenter significativement leur efficacité thérapeutique. L'interaction entre l’or et les photons émis par les implants de curiethérapie (c.-à-d. l’effet de radiosensibilisation) génère des rayonnements divers (photoélectrons, électrons Auger, rayons X caractéristiques) qui augmentent significativement la dose administrée. Dans le cadre de cette thèse, l’approche proposée était de développer des NPs d’or radioactives comme nouveau traitement de curiethérapie contre le cancer de la prostate. L’aspect novateur et unique était de synthétiser une particule coeurcoquille (Pd@Au) en utilisant l’isotope actuellement employé en curiethérapie de la prostate: le palladium-103 (103Pd, 20 keV). Dans ce cas-ci, la présence d’atomes d’or permet de produire l’effet de radiosensibilisation et d’augmenter la dose déposée. La preuve de concept a été démontrée par la synthèse et la caractérisation des NPs 103Pd@Au-PEG NPs. Ensuite, une étude longitudinale in vivo impliquant l’injection des NPs dans un modèle xénogreffe de tumeurs de la prostate chez la souris a été effectuée. L’efficacité thérapeutique induite par les NPs a été démontrée par le retard de la croissance tumorale des souris injectées par rapport aux souris non injectées (contrôles). Enfin, une étude de cartographie de la dose générée par les NPs à l’échelle cellulaire et tumorale a permis de comprendre davantage les mécanismes thérapeutiques liés aux NPs radioactives. En résumé, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse font office de précurseurs relativement au domaine de la nanocuriethérapie, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de NPs pour la radiothérapie. / The last decade saw the emergence of new innovative oncology treatments based on nanotechnology. New treatments using nanoparticles (NPs) are now translated to clinical trials. NPs possess unique physical and chemical properties that can be advantageously used to improve the therapeutic effect of current treatments. For instance, therapeutic efficiency enhancement related to internal radiotherapy (i.e., brachytherapy), requires the development of new procedures leading to a decrease of the implant size, while increasing the dose homogeneity and distribution in tumors. Several theoretical and experimental studies based on low-dose brachytherapy seeds (e.g., 125I and 103Pd) combined with gold nanoparticles (Au NPs) showed very promising results in terms of dose enhancement. Gold is a radiosensitizer that enhances the efficiency of radiotherapy by increasing the energy deposition in the surrounding tissues. Dose enhancement is caused by the photoelectric products (photoelectrons, Auger electrons, characteristic X-rays) that are generated after the irradiation of Au NPs. In this thesis, the proposed approach was to develop radioactive Au NPs as a new brachytherapy treatment for prostate cancer. The unique and innovative aspect of this strategy was to synthesize core-shell NPs based on the radioisotope palladium-103 (103Pd, 20 keV), which is currently used in low-dose rate prostate cancer brachytherapy. In this concept, the administrated dose is increased via the radiosensitization effect that is generated through the interactions of low-energy photons with the gold atoms. The proof-ofconcept of this approach was first demonstrated by the synthesis and characterization of the core-shell NPs (103Pd@Au-PEG NPs). Then, a longitudinal in vivo study following the injection of NPs in a prostate cancer xenograft murine model was performed. The therapeutic efficiency was confirmed by the tumor growth delay of the treated group as compared to the control group (untreated). Finally, a mapping study of the dose distribution generated by the NPs at the cellular and tumor levels provided new insights about the therapeutic mechanisms related to radioactive NPs. In summary, the studies presented in this thesis are precursors works in the field of nanobrachytherapy, and could pave the way for a new generation of NPs for radiotherapy.

Les nanoparticules (NPs) d’or ont récemment montré leur efficacité pour le rehaussement localisé de dose en radiothérapie. Parallèlement, les NPs d’or radioactives contenant l’isotope 198Au (émission β- de 0,96 MeV) sont de plus en plus considérées comme sources radioactives en curiethérapie du cancer de la prostate. La synthèse de ces NPs repose toutefois sur des techniques complexes avec des étapes multiples, limitant leur production sur demande dans les centres de radio-oncologie. Le besoin est apparu de concevoir une technique de synthèse rapide, efficace et automatisable qui assure la radioprotection de l’expérimentateur. Ce mémoire présente cette nouvelle technique, basée sur l’électrochimie plasma-liquide à pression atmosphérique. Un réacteur à décharge par barrière diélectrique (DBD) a été développé et permet, en moins de 30 minutes d’opération, de réduire en NPs plus de 99% des ions d’or en solution aqueuse. Ce système est compact, automatisable et présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes à microplasma déjà existants. La croissance des NPs d’or par plasma est mesurée dynamiquement in situ et post-synthèse. Ces études ont révélé de nouvelles informations sur le mécanisme de synthèse par électrochimie plasma. La caractérisation des NPs par microscopie électronique montre que leur taille est adéquate pour leur utilisation en radiothérapie. La technologie DBD présente aussi un potentiel intéressant en hydrométallurgie: elle permet de récupérer sous la forme de NPs les ions du groupe du platine en solution aqueuse. L’étude des interactions plasma-liquide montre également une sélectivité quant aux réactions électrochimiques induites. Par exemple, des NPs constituées exclusivement d’or sont produites en traitant par plasma d’argon un mélange binaire d’or et de différents métaux du groupe du platine. Un concept préliminaire de mise à l’échelle industrielle de la technologie DBD montre que celle-ci pourrait s’inclure avantageusement dans les procédés de raffinage des métaux nobles. / Gold nanoparticles (Au NPs) have recently shown their efficiency for the localized enhancement of dose in radiotherapy. Meanwhile, radioactive Au NPs doped with the 198Au isotope (β- emission of 0.96 MeV) are increasingly considered as radioactive sources for brachytherapy treatments of prostate cancer. However, the synthesis of these Au NPs still relies on complex techniques with numerous steps, limiting their production upon demand in radiation oncology centers. Thus, there is a need to develop a technique for the rapid, efficient and automated synthesis of Au NPs that ensures the radioprotection of the user. This thesis presents a new technique, based on plasma-liquid electrochemistry at atmospheric pressure, meeting this need. A dielectric barrier discharge (DBD) reactor was developed and allows, in less than 30 minutes of operation, the reduction into Au NPs of more than 99% of gold ions in an aqueous solution. This system is compact and automatable, and it shows many advantages compared to existing microplasma systems. The growth of Au NPs by plasma electrochemistry is measured dynamically in situ and post-synthesis. These studies revealed new information on the synthesis mechanism by plasma electrochemistry. Characterization of the Au NPs by electron microscopy shows that their size is suitable for use in radiotherapy. The DBD technology also shows interesting potential in hydrometallurgy: it allows the recovery of platinum group metal ions within an aqueous solution by precipitating them into NPs. The study of plasma-liquid interactions also showed selectivity in the induced electrochemical reactions. For example, NPs made exclusively of gold are produced by treating a binary mixture of gold and various platinum group metals with argon plasma. Finally, the preliminary concept of an industrial scale DBD-based technology shows that it could be included advantageously in noble metal refining processes.