La cellulose est l’une des bio-ressources les plus abondantes sur terre ; elle forme des microfibrilles où alternent régions cristallines, de taille nanométrique, et régions amorphes. L’utilisation des nanocristallites de cellulose, appelés nanowhiskers, comme renforts dans des composites à matrice polymère thermoplastique a fait l’objet de nombreuses publications. En revanche, l’utilisation de nanowhiskers comme éléments structurants d’hydrogels n’a pas été vraiment explorée, en dépit d’un intérêt potentiel pour la formulation d’hydrogels verts innovants. L’objectif de la thèse était d’étudier les relations entre état structural à différentes échelles et propriétés rhéologiques de systèmes hydrocolloïdaux constitués d’hydrogels d’agarose chargés de nanowhiskers de cellulose issus de tunicier, un animal marin. Les travaux expérimentaux menés au cours de cette thèse ont montré que l’effet renfort apporté par les nanowhiskers à la matrice agarose pouvait être marqué, et qu’il pouvait être modulé en faisant varier la densité de charges électriques à la surface des nanowhiskers. Aux fractions volumiques étudiées, inférieures à 0,2%, les résultats ont montré que les nanowhiskers ne percolaient pas et l’effet renfort a été attribué à des modifications topologiques du réseau d’agarose, et à un transfert des contraintes efficace entre la matrice et les charges, qui interagissent via des liaisons hydrogène. Les résultats obtenus au cours de cette thèse permettent d’améliorer la connaissance des mécanismes qui gouvernent les propriétés renfort apportées par l’ajout de nanocharges cellulosiques à une matrice hydrogel, et donnent des pistes réalistes pour une formulation maîtrisée d’hydrogels verts innovants ayant de bonnes propriétés mécaniques. / Cellulose is the most abundant organic compound on Earth; it is composed of microfibrils, containing nanocrystalline regions, and amorphous regions. Cellulose nanocrystallites, called nanowhiskers, have been studied as reinforcement agents in polymer composites with thermoplastic matrix in numerous publications. However, the use of nanowhiskers to reinforce hydrogels has not really been explored up to now, despite potential interest in the formulation of green innovative hydrogels. The aim of this PhD thesis was to study the relationship between the structural state, on different length scales, and the rheological properties of hydrocolloid systems consisting of agarose hydrogels filled by cellulose nanowhiskers from tunicate, amarine animal. The experimental work performed in this thesis has shown that the reinforcing effect provided by the nanowhiskers could be marked, and could also be modulated by varying the density of electrical charges on the surface of nanowhiskers. Within the volume fraction range studied, that is less than 0.2%, the results have shown that the nanowhiskers could not percolate, and reinforcement effect was attributed to topological modifications of the agarose network, and to an efficient stress transfer between the matrix and the fillers, which interact via hydrogen bonds.The results obtained in this thesis improve the understanding of the mechanisms that govern there inforcement effect provided by the addition of cellulose nanofillers in a hydrogel matrix; they could also help to design innovative green hydrogels having good mechanical properties.