Le traitement de maladies oculaires par voie topique est simple pour le patient. Il est préconisé dans plus de 90% des cas puisqu’il est généralement moins invasif que les traitements alternatifs. Cependant, l’efficacité des médicaments administrés par voie topique demeure limitée en raison de processus physiologiques qui entraînent une faible absorption. Les travaux réalisés au cours de cette maîtrise visent l’amélioration de la biodisponibilité des médicaments pour la thérapie oculaire grâce à un vecteur à base de nanoparticules d’or. L’intérêt de l’utilisation des nanoparticules d’or comme vecteur consiste à utiliser leurs propriétés mucoadhésives afin d’augmenter le temps de rétention des médicaments à la cornée, et ainsi, d’en permettre une plus grande absorption. Ce projet se divise en cinq volets. Le premier volet vise l’étude des connaissances actuelles sur les nanoparticules d’or en ophtalmologie, et souligne les caractéristiques qui mènent à la synthèse de nanoparticules non-toxiques. Le deuxième volet présente l’évaluation des propriétés mucoadhésives des nanoparticules d’or. Cela implique d’évaluer leur affinité pour les mucines, soit des protéines du film pré-cornéen. Afin d’obtenir des nanoparticules pouvant supporter les conditions nécessaires à leur usage in vivo, la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or ultrastables ont été réalisées. L’optimisation de l’encapsulation de médicaments dans la couronne périphérique de la nanoparticule constitue le quatrième volet. Finalement, l’étude de la cytotoxicité des nanoparticules d’or représente le cinquième volet. Les expériences ont démontré que nos nanoparticules d’or mucoadhésives et ultrastables supportent des conditions drastiques, dont l’autoclave, permettant leur stérilisation pour des usages in vivo. Des molécules actives utilisées en thérapie oculaire peuvent y être encapsulées. De plus, les nanoparticules ne semblent pas affecter les mécanismes biologiques. Ces données suggèrent l’amélioration potentielle de la thérapie oculaire grâce aux nanoparticules d’or. / Topical ocular therapy is a simple administration route used in more than 90% of cases when a patient need ocular treatment. It is generally less invasive than other available treatments which often involve intraocular injections and puncture wounds. However, efficiency of active molecules administered topically is limited considering that less than 0.02 % is successfully absorbed by the cornea. This master’s project aims the amelioration of ocular therapy by enhancing biodisponibility of active molecules thanks to a drug vector based on gold nanoparticles. Gold nanoparticles present mucoadhesive properties, leading to the increase of the retention time of drugs at the cornea, thus enhancing their absorption. This project is divided in 5 aspects. The first aspect aims to overview the actual knowledge on gold nanoparticles in ophthalmology and to highlight synthesis parameters leading to non-toxic nanoparticles. Second part presents the evaluation of gold nanoparticles’ mucoadhesive properties, which imply the evaluation of their affinity for pre-corneal film proteins, as mucins. To be used in vivo , gold nanoparticles must support sterilization, formulation treatments as well as physiological media. Third aspect presents the synthesis and characterization of ultrastable gold nanoparticles. Their capacity to encapsulate active molecules within their polymeric crown is evaluated as the fourth aspect. Finally, as the fifth aspect, the cytotoxicity of the nanoparticles was evaluated. The mucoadhesive ultrastable gold nanoparticles support drastic conditions, as autoclave sterilization predicting their use in vivo. Active molecules were successfully encapsulated within their ligands. Furthermore, they do not seem to cause any alteration of biological mechanism in cells. These results suggest potential improvement of ocular therapy thanks to gold nanoparticles.

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / Des études récentes se sont concentrées sur la production d'énergie à partir de sources différentes des combustibles fossiles. Parmi ces autres sources, la production d'hydrogène vert par photocatalyseurs a attiré l'attention ces dernières années, en particulier l'utilisation de cadres métallo-organiques (MOF) qui a donné des résultats en matière de production d'hydrogène grâce à la surface élevée, à la taille adéquate des pores, à la grande stabilité et à la composition ajustable de ce type de matériaux. Néanmoins, ces matériaux souffrent de la recombinaison des charges électron-trou, de problèmes de stabilité et d'une faible absorption de la lumière. Pour améliorer les performances des MOF, de nombreuses méthodes de synthèse sont mises en place, ainsi que des stratégies qui impliquent l'utilisation de co-catalyseurs, la modification superficielle et le dopage, entre autres. L'une des stratégies explorées consiste à tirer parti des phénomènes de résonance plasmonique locale (LSPR) affichés par des nanoparticules de métaux nobles de tailles spécifiques. Ces nanoparticules améliorent les propriétés d'absorption de la lumière du MOF et génèrent des paires électron-trou qui peuvent être facilement transférées à des matériaux liés pour conduire des réactions d'oxydoréduction dans les centres actifs du matériau. Pour tirer parti de cet effet, il est important de contrôler la taille des nanoparticules, la méthode de liaison avec le photocatalyseur et la morphologie, entre autres. Le présent document donne un aperçu des différents matériaux utilisés pour la production d'hydrogène, des différentes techniques permettant d'améliorer les performances de ces matériaux, comme les matériaux à effet LPRS, les photocatalyseurs à atome unique et les MOF de porphyrine, afin d'identifier les opportunités et les défis liés à la mise en œuvre de ces matériaux pour la production photocatalytique d'hydrogène. / Recent studies have focused on the generation of energy from sources different than fossil fuels, among these other sources, the green hydrogen generation through photocatalysts has gained attention in recent years, particularly the use of metal-organic frameworks (MOFs) has shown results towards hydrogen generation thanks to the high superficial area, adequate pore size, high stability and the tuneable composition of these type of materials. Nevertheless, these materials suffer from electron-hole charge recombination, stability problems, and poor light absorption. To enhance the performance of MOFs multiple synthetic methods are implemented, as well as strategies that involve the use of co-catalysts, superficial modification, and doping, among others. One of the strategies explored consists in taking advantage of the local plasmonic resonance phenomena (LSPR) displayed by noble metal nanoparticles with specific sizes, these nanoparticles will improve the light absorption properties of the MOF and will generate electron-hole pairs which can be easily transferred to linked materials to conduct redox reactions in the active centers of the material. To take advantage of this effect is important to control the size of the nanoparticle, the linkage method with the photocatalyst, and the morphology, among other factors. Herein, this document provides an overview of the different materials used for hydrogen generation, the different techniques for enhancing the performance of these materials, and a more in-depth view of LPRS effect materials, single atom photocatalysts, and porphyrin MOFs, to identify the opportunities and challenges on the implementation of these materials for photocatalytic hydrogen generation.

La compréhension des fonctions du cerveau a toujours fasciné les scientifiques travaillant dans différents domaines de recherche et reste un sujet de recherche très vaste et complexe dont la maîtrise requière non seulement une étude approfondie des neurosciences mais aussi des outils facilitant cette étude. La conception de ces outils, tout comme le reste du matériel nécessaire aux études scientifiques, a connu de grands progrès suite aux avances technologiques des différents domaines d'ingénierie. Cependant, certaines molécules, notamment les neurotransmetteurs, qui sont impliquées dans le bon fonctionnement du cerveau et dont le dysfonctionnement est souvent associé aux pathologies neuropsychologiques restent très difficiles à discerner avec précision parmi d'autres molécules avec des propriétés physicochimiques semblables et surtout à cause de leur trop faible concentration dans les liquides physiologiques. Ce problème est encore plus en plus critique pour des applications in situ qui nécessitent une réponse rapide avec un minimum de matériel. Plusieurs méthodes de séparation et de détection moléculaire utilisées dans les autres domaines de recherche, malgré leur succès dans la détection de la plus part des neurotransmetteurs, ne conviennent pas au développement d'un outil de détection compact et réutilisable. Parmi ces méthodes, les plus représentatives sont basées sur des techniques telles que : 1. l'imagerie tomographique, la chromatographie en phase liquide à haute performance et les méthodes analytiques, qui utilisent la dérivatisation et dont la technologie actuelle ne permet pas la miniaturisation. 2. l'électrochimie, dont la sensibilité et la sélectivité sont limitées et dont surtout l'application se limite aux molécules actives aux réactions redox. 3. La colorimétrie, utilisant principalement des marqueurs non-cyclables. Pour des analyses ex situ qui ne nécessitent pas une réponse immédiate, ces techniques peuvent convenir pour réaliser la détection d'un neurotransmetteur donné. Cependant, pour comprendre le fonctionnement du système nerveux au niveau cellulaire, les recherches en neurosciences et en pathologie neuronale bénéficieraient d'un système autonome permettant de faire des mesures continues in situ. Même si ces méthodes fonctionnent au niveau cellulaire, le défi réside dans le fait elles sont difficilement miniaturisables avec les technologies actuelles. Cette thèse de doctorat comporte deux volets de recherche et ses contributions ont été présentées dans cinq conférences internationales et trois articles de journaux publiés ou soumis. L'objectif du premier volet de recherche est de développer une méthode de détection de neurotransmetteurs basée sur la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon de nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées avec un aptamère spécifique à la molécule cible. L'objectif du deuxième volet de recherche est de concevoir un système compact basé sur la spectroscopie visible pour la détection du déplacement bathochrome de la bande plasmon des nanoparticules d'or utilisées comme biocapteurs de la molécule cible. Les deux volets ont alors pour objectifs spécifiques de : 1. Échantillonner un volume prédéterminé d'une solution inconnue, la mélanger avec un volume adéquat de nanoparticules d'or fonctionnalisées et détecter de façon autonome la concentration de dopamine dans la solution inconnue 2. Réutiliser les nanoparticules d'or ultrastables fonctionnalisées pour des utilisations futures. À ce jour, mis à part mes travaux de recherche, aucune méthode de détection de neurotransmetteurs ou autre molécule, atome ou ion n'utilise des nanoparticules d'or ou autre nano-objets plasmoniques réutilisables. La contribution majeure de ce projet, réalisé dans le premier volet de recherche, est la mise au point d'une méthode de détection moléculaire basée sur des nanoparticules d'or ultrastables et réutilisables qui ne s'agrègent pas dans conditions non supportables par d'autres types de nanoparticules d'or. Pour concrétiser l'objectif de détection de la dopamine in situ, le système optofluidique a été développé dans le deuxième volet de recherche et, en plus d'avoir une résolution spectrale comparable à un spectrophotomètre commercial, son module fluidique permet un échantillonnage automatique dans un volume 11 × 9 × 6 cm³. / Understanding the functions of the brain has always fascinated scientists working in different domains and it remains a very broad and complex subject of research requiring not only a depth study of neuroscience but also adequate tools to facilitate this study. The design of these tools, as well as the rest of the scientific equipment, has known great advances due to technological advances in the various fields of engineering. However, some molecules, such as neurotransmitters, which are involved in the adequate brain functions and whose dysfunction is often associated with neuropsychological pathologies remain very difficult to detect with precision among other molecules with similar physicochemical properties due to their very low concentration in physiological fluids. This problem is even more critical for in situ applications which require a quick response with limited equipment. Despite their success in the detection of most neurotransmitters, most molecular separation and detection methods used in other research fields, are not suitable for the development of compact and reusable detection systems. Among these methods, the most representative are based on techniques such as: 1. Tomographic imaging, high-performance liquid chromatography, and derivatization-based analytical methods that are not suitable for miniaturization with current technology. 2. Electrochemistry whose sensitivity and selectivity are limited and whose application is mainly limited to redox-active molecules. 3. Colorimetry based on non-reusable markers. For ex situ analyzes which do not require an immediate response, at least one of these techniques is suitable for the detection of a given neurotransmitter. However, to understand how the nervous system works at the cellular level, research in neuroscience and neuronal pathology may benefit from an autonomous system able to make continuous measurements in situ. Although these methods actually work at the cellular level, the challenge lies in the fact that they are difficult to miniaturize with current technologies. This project has two parts and its contributions have been presented in five international conferences and three published or submitted journal articles. The aim of the first part of the project was to develop a neurotransmitter detection method based on the measurement of the bathochromic shift of aptamer modified ultrastable gold nanoparticles' plasmon band as a response to the concentration of the target molecule. The aim of the second part is to design a compact system based on visible spectroscopy for the detection of the possible bathochromic shift of the plasmon band of the gold nanoparticles used as a probe for the target molecule. The specific objectives of this project include: 1. Sample a predetermined volume of an unknown solution, mix it with an adequate volume of functionalized gold nanoparticles and automatically detect the dopamine concentration in the unknown solution. 2. Reuse functionalized ultrastable gold nanoparticles for future uses. So far, apart from this project, there is any detection method for neurotransmitters or any other molecule, atom, or ion based on reusable gold nanoparticles or any other reusable plasmonic nano-objects. The major contribution, realized in the first part of this project, is the development of a new molecular detection method based on ultrastable and recyclable gold nanoparticles which do not aggregate under the most difficult conditions for other types of gold nanoparticles. Furthermore, to achieve the objective of detecting dopamine in situ, the optofluidic system developed in the second part of this project, not only has a spectral resolution comparable to the commercial laboratory spectrophotometer but also contain a fluidic module to allow automatic sampling and the whole system have a volume of only 11 × 9 × 6 cm³.

En raison de leur petite taille, les nanomatériaux présentent des propriétés différentes par rapport à leur homologue à l’échelle macroscopique. Une oscillation collective des électrons de conduction, le plasmon, est observée lorsqu’une nanoparticule métallique (par exemple: Ag, Au, In, Cu) est irradiée à une fréquence spécifique. Dans le cadre de ces travaux de maîtrise, la conception de deux types de capteurs utilisant la plasmonique a été accomplie. Le premier capteur aura pour but de détecter des complexes immuns alors que le second aura pour but de détecter de subtiles variations chimiques. Il est possible d’utiliser la plasmonique pour étudier les variations d’indice de réfraction. La reconnaissance spécifique d’un antigène par un anticorps greffé sur une nanoparticule métallique induit un changement d’indice de réfraction local, affectant ainsi la fréquence du plasmon qui peut être mesurée en spectrophotométrie. Au cours de ce projet de maîtrise, un substrat lamellaire supportant des nanocubes d’argent immobilisés par un film de polydopamine a été préparé pour la détection rapide des complexes immuns. La répétabilité, la sélectivité et la sensibilité de ce biocapteur ont été étudiées. En raison de sa sensibilité et rapidité de mesure, ce type de substrat pourrait devenir un outil intéressant pour contrer la fraude alimentaire. En plus de pouvoir sonder le milieu environnant, les nanoparticules plasmoniques peuvent augmenter la fluorescence intrinsèque de fluorophores positionnés à proximité, ce qui a pour avantages d’augmenter la sensibilité du signal analytique et d’améliorer la photostabilité du fluorophore. La deuxième partie de cette maîtrise porte sur la conception d’une fibre optique supportant des nanoparticules fluorescentes dans le but de détecter de faibles variations chimiques dans un réseau synaptique. Pour ce faire, une nanoarchitecture plasmonique ionosensible a été développée, puis greffée au bout d’une fibre optique. Finalement, une preuve de concept a pu être réalisée afin de montrer l’efficacité et l’applicabilité de ces capteurs fibrés / Due to their relatively small size, nanomaterials display properties different from bulk material. The collective oscillation of conduction electrons, called plasmon, is observed when a metallic nanoparticle (e.g. Ag, Au, In, Cu) is irradiated at a specific wavelength. In this research project, two sensors based on plasmonic properties have been developed and characterized. The first one aims to detect immunocomplexes, while the other one aims at detecting subtle chemical variations. The first sensor will use plasmonics to detect refractive index variations. Specific recognition of an antigen by its corresponding antibody induces a local refractive index and thus affects the plasmon’s frequency, which is measured using spectrophotometry. Throughout this project, a lamellar substrate supporting silver nanocubes coated with a thin film of polydopamine has been prepared for the rapid detection of immunocomplexes. Properties such as repeatability, selectivity, and sensitivity have also been studied. Due to its sensitivity and speed of measurement, this type of substrate could become an interesting tool to fight meat fraud. In addition to being able to detect the surrounding environment, plasmonic nanoparticles can increase the intrinsic fluorescence of a fluorophore positioned nearby, which increases the intensity of the analytical signal and improves the fluorophore’s photostability. The second part of the project will focus on the conception of a fiber optic probe supporting fluorescent nanoparticles in order to detect small chemical variations in synaptic networks. For this purpose, an ionosensitive plasmonic nanoarchitecture has been developed and grafted to the end of a fiber optic. Finally, a proof of concept was done to show the efficiency and applicability of these fibered sensors.

La thèse de doctorat “Modes de basse fréquence de petites nanoparticules (nanocristaux métalliques) et de grosses nanosphères (virus) : une étude par diffusion inélastique de la lumière” est dédiée à l'investigation des propriétés acoustiques de différents nano-objets: nanoparticules métalliques (D<30 nm) d'une part et colloïdes/particules virales (D~200 nm) d'autre part. La diffusion inélastique de la lumière (Raman/Brillouin) est utilisée comme instrument de recherche principal pour étudier les vibrations de nanoparticules et pour déterminer leurs paramètres élastiques et mécaniques. Dans le premier chapitre de ce travail, la théorie d'élasticité continue est utilisée afin de présenter une analyse qualitative et de nomenclature des vibrations de sphères solides; plusieurs modèles théoriques, permettant de décrire le comportement vibrationnel de nanoparticules dans un milieu environnant, et comment celui-ci dépend de l'anisotropie inhérente à une structure cristalline interne, sont discutés. Le deuxième chapitre est consacré à la description physique de la diffusion inélastique de la lumière provenant des fluctuations de polarisabilité induite par les vibrations. Deux types de diffusion inélastique de la lumière sont décrits: la diffusion Brillouin, associée au couplage de la lumière incidente (photon) avec les ondes acoustiques (phonon) dans un matériau massif, et la diffusion de Raman provenant de l'interaction entre un photon incident et des vibrations localisées, comme les vibrations de « petites » (D<) nanoparticules. La description détaillée et les principes d'opération des instruments spectroscopiques (tandem Fabry-Pérot) utilisés pour réaliser ces recherches (diffusion inélastique aux basses fréquences, entre 3 et 300 GHz) sont donnés. Le troisième chapitre se focalise sur l'étude des modes basse fréquence de petites nanoparticules métalliques. Trois systèmes sont étudiés : des nanoparticules d'alliage AuAg et de Cu insérées dans une matrice vitreuse et des nanocristaux d'Au déposés sur une surface. Le système AuAg permet d'étudier un spectre Raman remarquablement riche présentant des contributions des modes fondamentaux et des harmoniques d'ordre élevé. Les données expérimentales s'accordent relativement bien avec les calculs théoriques, étayant ainsi la compréhension des ingrédients essentiels de la diffusion Raman par les modes de nanoparticules. L'étude des nanocristaux d'Au déposés a permis de caractériser l'effet de la qualité nanocristalline à travers la levée de dégénérescence partielle des modes de nanoparticules du fait de l'anisotropie élastique. L'étude de la dépendance des spectres Raman en longueur d'onde permet de différencier mono-nanocristaux et nanoparticules polycristallines. Les effets de matrice et de nanocristallinité sont intégrés dans l'étude des nanoparticules de Cu formées dans une matrice vitreuse, où l'influence des conditions de recuit sur les nanoparticules produites a été étudiée. Différentes températures de recuit, par rapport à la température de transition vitreuse de la matrice, conduisent à des profils Raman basses fréquences très différents. Alors qu'un recuit proche de la température de transition vitreuse entraîne la formation de petites nanoparticules de haute cristallinité, un recuit opéré très au-dessus de Tg conduit à la formation de grosses nanoparticules, sans signature d'anisotropie élastique. Le quatrième chapitre rapporte l'exploration d'une éventuelle exploitation de la diffusion inélastique de la lumière pour la caractérisation de gros virus, comme illustré dans le troisième chapitre pour le cas des petites nanoparticules. Afin de mieux appréhender la relaxation des règles de sélection, puisque la longueur d'onde de la lumière devient comparable à la taille des nanoparticules, le comportement des virus a été comparé à celui de polymères colloïdaux. La Diffusion de Rayons X aux Très Petits Angles (USAXS) et la Microscopie à Force Atomique (AFM) sont utilisées pour garantir la bonne comparaison morphologique entre les virus et des colloïdes de polystyrène. La comparaison des spectres Raman/Brillouin de culots concentrés de virus et de colloïdes de polymère, ainsi que leur évolution en fonction de leur état d'hydratation, permet de discuter l'existence des modes de basse fréquence dans les nanoparticules virales.

Deux types de photocatalyseurs ont été développés et étudiés. Nous avons modifié TiO2 en surface par des nanoparticules métalliques et nous avons synthétisé des sulfures et oxydes de cuivre. Les nanostructures ont été caractérisées par différentes techniques: HRTEM, SEM, XRD, XPS, HAADF-SEM, et TRMC. Leur activité photocatalytique a été étudiée pour la dégradation des polluants modèles: le phénol, la rhodamine B et l’orange de méthyle.Nous avons modifié la surface de TiO2 par des nanoparticules mono- et bimétalliques (induites par radiolyse ou par réduction chimique) afin d'améliorer son activité photocatalytique. Les meilleurs résultats en terme d'activité photocatalytique ont été obtenus avec la réduction par THPC (tétrakis (hydroxy méthyle) de chlorure de phosphonium) et par réduction radiolytique des ions métalliques déposés par de l'urée. La modification en surface de TiO2 par des nanoparticules de Au, Cu et Au-Cu permet l'augmentation de son activité sous la lumière UV. Le dépôt d’une très faible quantité de métal (0,5%) peut augmenter l’activité de TiO2, le coût de préparation des photocatalyseurs est donc relativement faible.Nous avons également développé la synthèse radiolytique de nanostructures de Cu2O et CuS de différentes morphologies. Leur activité photocatalytique a été étudiée. Les nanostructures de Cu2O sous forme d’octaèdres tronqués présentent une activité photocatalytique très élevée sous lumière visible. D’autre part, les nanotubes de CuS présentent à la fois une grande capacité à absorber des colorants et une activité photocatalytique élevée sous lumière visible. / Photocatalysis is recently extensively studied because it implies a variety of potential industrial applications ranging from the hydrogen generation of water splitting to the treatment of waste water. Among all the semiconductors, TiO2 has attracted the most attention. But the rate of the electron-hole recombinations is very important and TiO2 is active only under UV light. Various methods are developed to enhance the photoactivity of TiO2. Other semiconductors like copper oxides and copper sulfides also attracted attention due to their lower band-gaps which allow applications in solar photocatalysis. In this work, different kinds of photocatalysts were developed and studied: surface modified TiO2 with metal nanoparticles and copper sulfides and oxides. The nanostructures were characterized by different techniques: HRTEM, SEM, XRD, XPS, HAADF-SEM, and TRMC. Their photocatalytic activity was studied for degradation of model pollutants: phenol, rhodamine B and methyl orange. Different chemical and radiolytic methods have been investigated to modify the surface of TiO2 by mono- and bimetallic (Au, Cu and Au-Cu) nanoparticles in the aim to improve its photocatalytic activity. The best results in term of photocatalytic activity have been obtained with reduction of THPC (tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium chloride) and with radiolytic reduction after deposition with urea. Titania surface modification with Au, Cu and bimetallic Au-Cu NPs enables the increase of the photocatalytic activity under UV light. We have found that very small amounts of metal (0.5% wt.) can activate titania for photocatalytic applications, thus the costs of photocatalyst preparation are relatively low. Radiolytic syntheses of non-TiO2 photocatalysts including Cu2O and CuS nanostructures with different morphologies have been developed. The photocatalytic activity of the synthesized photocatalysts has been studied. Truncated octahedral Cu2O exhibit an excellent photocatalytic activity under visible illumination. CuS nanotubes (NTs) exhibit both a high ability to adsorb dyes and a photocatalytic activity under visible light.

Les thérapies par irradiation sont utilisées pour traiter la plupart des cas de cancer. Une limitation majeure est l’induction de dommages dans les tissus sains. Par conséquent, l’amélioration du ciblage tumoral est un défi majeur. L'addition de nanoparticules (NPs) est proposée comme une nouvelle stratégie pour amplifier les effets des radiations dans les tumeurs (radiosensibilisation ). Les nanoparticules de Z élevé (platine, or, gadolinium) se révèlent être de bons candidats. Afin de développer de nouveaux nanoagents et d’améliorer les plans de traitement, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux impliqués. Il a été observé que les radiosensibilisateurs augmentent l'effet létal des radiations (ions rapides ou rayons gamma). Ceci est attribué à une cascade d'événements multi-échelle qui comprend l'activation des NPs, leur relaxation, suivi de la production de radicaux responsables de la mort cellulaire (dans les eucaryotes). Il n'est pas encore clair laquelle des étapes, entre l’excitation/relaxation électronique des NPs ou la réponse biologique joue le rôle prédominant. Par conséquent, le défi de ma thèse était de tester les effets de radiosensibilisateurs (NPs d'or, de platine ou à base de gadolinium) sur des cellules autres que des cellules eucaryotes. Pour la première fois, l’effet des NPs a été testé sur la bactérie la plus radiorésistante jamais rapportée, D. radiodurans. Les NPs ont également été testées sur E. coli. Des études à l'échelle moléculaire ont été utilisées pour comprendre les mécanismes élémentaires. En résumé, ce travail montre que les NPs radiosensibilisantes amplifient les effets des rayons γ dans les bactéries radiosensibles et radiorésistantes. Ceci est attribué à la production de grappes de radicaux et à l’induction de dommages nanométriques dans l'ADN mais également dans les protéines de réparation. Finalement la radiosensibilisation est un phénomène «universel» qui peut être induite dans tout organisme vivant. En d'autres termes, les mécanismes élémentaires liés à l’excitation/relaxation de la NP jouent un rôle majeur par rapport à la réponse biologique de la cellule. Enfin, un ensemble de méthodes ont été optimisées pour évaluer la toxicité et observer l’internalisation des NPs dans les bactéries. / Radiation therapies are used to treat most of the cancer cases. One major limitation is the damage induced in the healthy tissues and tumor targeting is a major challenge. The addition of nanoparticles (NPs) is proposed as a novel strategy to amplify the radiations effects in the tumors (radiosensitization). The high-Z nanoparticles (platinum, gold, gadolinium) are found to be good candidates. To develop new nanoagents and improve treatment planning, a deeper knowledge of the fundamental mechanisms is required. It was found that radiosensitizers enhance the lethal effect of radiations (fast ions and gamma rays). This is attributed to a multiscale cascade of events, which includes the NPs activation and relaxation, the production of water radicals up to the biological impact in mammalian cells. It is not clear yet what from the early stage processes or from the (eukaryotic) cell response is the key stage of the radiosensitization. Hence, the challenge of my thesis was to probe the effects of radiosensitizers (gold, platinum and gadolinium based nanoparticles) on cells other than eukaryotic cells. For the first time, their effect was tested on the most radioresistant bacterium ever reported Deinoccocus radiodurans (D. radiodurans). For comparison, the nanoparticles were tested on the radiosensitive bacterium E.coli. Additional studies at molecular scale were used to understand the elementary mechanisms. In summary, this work demonstrates that the radiosensitizing nanoparticles amplify the effects of -rays in radiosensitive and also radioresistant bacteria. This is attributed to the production of radical clusters and to the inducetion of nano-size biodamages in DNA but also in repair proteins. Finally, this work proves that the radiosensitization is a “universal” phenomenon that can take place in all living organisms. In other words, it tells that elementary mechanisms play a major role compared to the biological response of the cell. A set of standardized methods for evaluating the cellular uptake and the toxicity of the potential nanodrug was established throughout this study.

Les liquides ioniques (LIs) à base d'imidazolium présentent une très grande organisation en réseaux 3D et sont constitués de microdomaines polaires et apolaires, dû à la présence des canaux ioniques et au regroupement des chaînes alkyles lipophiles. L'objectif de ce travail est d'utiliser leurs propriétés de solvatation, liées à cette organisation, pour générer et stabiliser in situ des nanoparticules métalliques (NPs) d'une taille contrôlée et prévisible. Cette approche a trouvé de nombreuses applications dans des domaines tels que la catalyse et la microélectronique. Le phénomène de croissance cristalline des NPs (ruthénium, nickel et tantale) générées in situ lors de la décomposition sous H2 des complexes organométalliques, est contrôlé i) par la taille des poches apolaires, dans lesquelles le complexe se dissout, ii) par les conditions expérimentales (température, agitation) et iii) par la nature du métal et du complexe précurseur. Le mécanisme de stabilisation des NPs, jusqu'alors mal compris, dépend du mécanisme de formation des NPs, qui pourrait entraîner la présence de ligands hydrures ou carbènes N-hétérocycliques (NHC) à leur surface. Cette présence a été démontrée par marquage isotopique et analysée en RMN ainsi qu'en spectrométrie de masse. Les LIs sont également des milieux intéressants en catalyse. Des études sur l'influence du LI sur l'activité des catalyseurs homogènes ont souligné l'importance cruciale des paramètres physico-chimiques des LIs, et particulièrement de la viscosité, qui intervient ainsi dans la loi cinétique. Enfin, une étude approfondie de l'effet de la taille des NPs sur l'activité catalytique et la sélectivité pour l'hydrogénation, réalisée en milieu LI, a confirmé l'importance du contrôle de la taille des NPs pour les applications catalytiques

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.

Ces travaux de thèse visent à développer de nouveaux catalyseurs associant les activités prometteuses des nanoparticules de Rh(0) et l'effet de confinement des supports mésoporeux pour des applications en hydrogénation asymétrique dans l'eau. Des particules ont été préparées par réaction de RhCl3 avec NaBH4, directement, au sein de supports mésostructurés silicique (SBA-15) ou aluminosiliciques (Al-SBA-15) avec assistance de sels d'ammonium quaternaires. Une première série de matériaux a été obtenue en testant 13 molécules d'agents stabilisant " libres " variant par leur longueur de chaîne, tête polaire ou contre-ion. Dans ce cas, les structures incluant 12 à 16 atomes de carbone ont conduit aux meilleures dispersions métalliques. De fortes interactions électrostatiques, avec Al-SBA-15, ont été mises en évidence pour C16H33N(CH3)2(CH2CH2OH)+ Cl-. Dans un second temps, des sels d'ammonium équivalents ont été greffés de façon covalente (via leur chaîne carbonée) sur SBA-15 ou Al-SBA-15 en procédant par attaque nucléophile de groupements chloropropyle (co-condensation) par la N,N-diméthyléthanolamine. Les conditions de mise en oeuvre de la réaction de substitution ont du être optimisées afin de minimiser les réactions parasites entre l'amine et les groupements silanols libres. Les nanoparticules de Rh(0) des deux séries catalysent l'hydrogénation du diphénylméthane à température ambiante et sous 1 bar de H2. L'utilisation de sels d'ammonium dotés de centres asymétriques a également été étudiée aboutissant à des matériaux aptes à catalyser l'hydrogénation du pyruvate d'éthyle et du m-méthylanisole dans l'eau sous 40 bar de H2 avec dégagement de légers excès énantiomériques.