Les récentes avancées en microscopie de fluorescence (augmentation de résolution spatiale, correction des aberrations induites par l'échantillon...) ouvrent de nombreuses perspectives en imagerie biologique. Mais pour que ces techniques se répandent, il est nécessaire de réduire les contraintes qu'elles imposent sur la préparation des échantillons, sur les sondes fluorescentes, sur la complexité de mise en oeuvre ou la cadence d'acquisition. Pendant ma thèse, j'ai travaillé sur le développement et l'amélioration de quelques-unes de ces techniques. Dans un premier temps, deux systèmes d'illumination structurée ont été réalisés dans le but d'accélérer la cadence de réalisation de coupes optiques pour l'observation d'échantillons épais vivants. Une deuxième partie de mon travail a concerné la mise en place d'une nouvelle approche de reconstruction en illumination structurée afin de dépasser la limite de résolution imposée par le microscope. Cet outil permet de réduire le nombre d'images requises pour la reconstruction d'une image super-résolue, ce qui ouvre la voie à une augmentation de la cadence de réalisation de ces images. Un montage d'optique adaptative a également été développé afin de corriger les aberrations introduites par les échantillons épais, permettant une amélioration des capacités d'imagerie en profondeur. L'accent a été mis sur la protection de l'échantillon, grâce à l'utilisation de billes fluorescentes pour déterminer la correction à appliquer sans illuminer l'échantillon. Enfin, un instrument de mesure du rendement quantique de fluorescence dédié à la caractérisation de fluorophores infrarouges a été mis en oeuvre afin de pallier les limitations des méthodes de mesure classiques dans le proche infrarouge.

La nanomédecine activée à deux-photon est devenue l'un des principaux candidats à l'accomplissement de la sélectivité spatiotemporelle nécessaire pour la nanomédecine. En effet, la raison d'être de l'application médicale de nanotechnologie dans le domaine du traitement du cancer est de diminuer et supprimer les effets secondaires causés par les techniques actuelles telles que la chimiothérapie et la radiothérapie, à cause de leur manque de sélectivité. Parmi diverses nanoparticules (NPs), les nanoparticules de silice mésoporeuse (MSN) ont attiré une attention croissante dans la dernière décennie pour leur faible cytotoxicité, leur internalisation cellulaire et excrétion, et leur capacité de combiner de nombreuses fonctions à la fois pour le diagnostique et la thérapie de cancers via un seul nanovéhicule : l'ainsi appelée nanomédecine théranostique.Dans cette thèse, des MSN pour l'activation à un et deux-photon d'imagerie par fluorescence, de délivrance de principe actifs et d'acides nucléiques, et de photothérapie dynamique (PTD), seront présentées. Premièrement, le relargage contrôlé de molécules encapsulées dans des MSN fonctionnalisées avec des nanovalves est considéré par effet plasmonique. La photodégradation contrôlée de la silice soumise à l'effet photothermique de NPs d'or est ensuite étudiée. Deuxièmement, l'activation biphotonique est considérée pour la délivrance contrôlée de molécules anticancéreuses in-vitro par avec des nano-rotor et des nano-valves, ainsi que la fonctionnalisation de surface des NPs par des dérivés d'ammonium- azobenzene pour la délivrance d'acides nucléiques. Troisièmement, des MSN multifonctionnelles incorporant des photosensibilisateurs à deux-photon sont systématiquement étudiées en termes de leurs propriétés optiques et photophysiques; la sélection du meilleur matériau est suivie d'applications biomédicales in-vitro.De plus, deux types de nanomatériaux émergeant sont également élaborés pour la nanomédecine activée à deux-photon, des NPs de polysilsesquioxane pontés (BS) et d'organosilice mésoporeuse périodiques (PMO). Ces matériaux furent élaborés sans précurseur de silice (tétraéthoxysilane par exemple), et seulement à partir de bis- ou multi-organoalkoxysilane, afin d'obtenir le plus haut pourcentage de matière organique pour l'application ciblée. En conséquence, des NPs de BS et de PMO hybrides à base de disulfures se révélèrent être des outils biodégradables, et les NPs à base de photosensibilisateurs furent appliquées pour la PTD à deux-photon. Des NPs de BS et de cœur-coquille d'or-BS sont synthétisées pour d'efficaces imagerie et PTD à deux-photon, tandis que des NPs de PMO servirent de nano-plateformes théranostiques. En outre, diverse NPs de PMO multipodes à surface spécifique très élevées sont présentées pour la construction de structuration complexe à l'échelle nanométrique.Enfin, des nano-conteneurs d'MSN composées de cœur d'oxyde de fer (Fe3O4@MSN) sont décrites pour de multiples applications. D'une part, l'élaboration de NPs MSN (et PMO) magnétiques sensibles à deux-photon est étudiée en tant que perspective pour la délivrance de gène combinant l'imagerie par résonance magnétique. D'autre part, les conteneurs de Fe3O4@MSN sont misent en œuvre et appliqués pour la dépollution de métaux lourds via la fonctionnalisation d'un ligand de type acide diéthylène triamine penta acétique. L'augmentation de l'efficacité de la dépollution est étudiée par la fonctionnalisation de la surface extérieure et/ou des pores des Fe3O4@MSN. / Two-photon actuated nanomedicine has become one of the main proponents for the achievement of the spatiotemporal selectivity needed for nanomedicine. Indeed, the raison d'être of the medical application of nanotechnology in the field of cancer treatment is to lower and suppress the side effects caused by current techniques such as chemotherapy and radiotherapy, due to their lack of selectivity. Among various nanoparticles (NPs), mesoporous silica nanoparticles (MSN) have attracted increasing attention over the past decade for their low cytotoxicity, cellular internalization and excretion, and the ability to carry multiple features for both the diagnosis and therapy of cancers in a single nanovehicle: the so-called theranostic nanomedicine.In this dissertation, I will describe MSN for one and/or two-photon-actuated fluorescence imaging, drug-delivery, gene delivery and photodynamic therapy (PDT). First, plasmonically-triggered cargo delivery via MSN nanovalves and designed mesoporous silica photodegradation is presented. Then, in-vitro two-photon-triggered drug delivery with azobenzene-functionalized MSN such as nanoimpellers and fluorescent nanovalves, along with preliminary studies of gene delivery via ammonium-functionalized nanoimpellers are discussed. Multifunctional MSN incorporating a two-photon photosensitizer are systematically studied in terms of the resulting optical and photophysical properties of the NPs, and then used for in-vitro biomedical applications.Furthermore, two kinds of emerging nanomaterials are also designed for two-photon actuated nanomedicine, bridged silsesquioxane (BS) and periodic mesoporous organosilica (PMO) NPs. These nanomaterials are elaborated without silica precursor (e.g. tetraethoxysilane) and solely with bis- or tetra-organoalkoxysilanes, thus providing materials with the highest organic content for the targeted applications. Consequently, disulfide-based hybrid BS and PMO NPs were elaborated as biodegradable nanomedical tools, and photosensitizer-based BS and PMO NPs were used for efficient in-vitro PDT. BS and gold-BS core-shells NPs are constructed for ultrabright two-photon imaging and efficient PDT, while two-photon functionalized PMO NPs serve as theranostic nanocarriers. Besides, versatile multipodal ethylene-benzene PMO NPs with very high surface areas are presented as a promising strategy for the design of structural complexities at the nanoscale.Finally, iron oxide core MSN shell (Fe3O4@MSN) nanocontainers are described for versatile applications. The design of two-photon-sensitive magnetic MSN and PMO core-shell nanovehicles is presented as a perspective for gene delivery and magnetic resonance imaging. Furthermore, Fe3O4@MSN containers are constructed for heavy metal removal of twelve of the most toxic metal ions through the diethylene triamine pentaacetic acid (DTPA) ligand. The enhancement of the pollutant removal efficiency is studied by selective surface and/or porous DTPA functionalizations.

Dans une première partie de ce travail, nous avons développé de nouveaux outils pour la micromanipulation d'ADN en pinces magnétiques. Cet appareil permet d'appliquer une force contrôlée à une molécule d'ADN tout en mesurant son extension. Nous avons amélioré la résolution spatiale du dispositif, limitée par le bruit de photons affectant la détection optique, et la mesure de force, limitée par la résolution temporelle de la microscopie vidéo. Nous avons donc couplé une imagerie haute-fréquence par ondes évanescentes aux pinces magnétiques et l'avons appliqué à un nouveau principe de séquençage d'ADN démontrant une résolution sub-nanométrique. Pour mesurer de hautes forces, nous avons mis au point un protocole de modulation de l'exposition vidéo qui permet d'échantillonner correctement les fluctuations browniennes du système senseur magnétique-brin d'ADN et de restaurer leur niveau au-delà de la fréquence de coupure du système d'acquisition. Dans une seconde partie, nous proposons une imagerie photothermique, en champ large et en temps réel, de nanoparticules métalliques pour le marquage de moteurs moléculaires uniques. Nous avons démontré la possibilité d'imager rapidement des nanoparticules d'or uniques par effet photothermique, cependant des améliorations restent à produire pour visualiser des nanoparticules de taille adaptée aux applications biologiques. Dans cette optique, nous avons aussi exploré un nouveau mode de chauffage périodique et spatialement étendu: les interactions électromagnétiques entre champ radio-fréquence et nanoparticules métalliques. Finalement, nous avons appliqué le principe de démodulation optique utilisé pour la photothermie à l'identification sélective d'espèces biochimiques résonantes, visualisées en microscopie de fluorescence.