Les nanoparticules d'argile sont des ressources naturelles largement disponibles et peu coûteuses présentant de nombreuses caractéristiques telles qu'une grande surface spécifique, une imperméabilité aux gaz, ainsi que des propriétés mécaniques et thermiques élevées. Elles ont donc attiré depuis plus de trois décennies une attention particulière, notamment pour le renforcement des matériaux à base de polymères. Cependant, les nanoparticules d'argile à l'état natif souffrent d'une incompatibilité, donc de faibles interactions interfaciales et de d'une mauvaise dispersion avec/dans la plupart des matériaux polymères organiques à cause de leur hydrophilie intrinsèque et des fortes interactions entre les feuillets constitutifs. Ainsi, l'un des principaux défis dans le développement de nanocomposites polymères à base d'argile (NAPs) avec des propriétés mécaniques avancées repose sur le contrôle au niveau à l'échelle moléculaire des propriétés interfaciales entre l'argile et la matrice polymère. En tenant compte des critères du développement durable, du génie civil et de l'économie verte, nous avons développé, dans la première partie de cette thèse, des nano-renforts réactifs et pré-exfoliés qui peuvent être incorporés dans une grande série de matrices (bio)polymères en donnant lieu à de fortes interactions avec les dites matrices et conduisant pour un à des comportements mécaniques améliorés. Afin de mieux répondre à ces spécificités, nous avons mis en oeuvre des approches vertes pour la préparation de ces nano-renforts génériques, à savoir la photopolymérisation a été utilisée comme faible consommateur d'énergie et une méthode rapide et peu énergivore pour la fonctionnalisation de surface des argiles, un protocole sans solvant a été utilisé pour préparer des nanocomposites ternaires, tandis que des biopolymères (amidon, cellulose) ou des précurseurs d'origine biologique (huiles végétales époxydées) ont servi de milieux de dispersion. Les résultats principaux issus de cette première partie peuvent être résumés comme suit : - La morphologie et la réactivité des nano-renforts d'argile sont aisément contrôlées en ajustant le temps de photo-polymérisation et en choisissant un monomère vinylique approprié. - Les méthodes de préparation permettent la préparation d'échantillons de à l'échelle des grammes. - La chimie surface des nano-renforts réactifs et pré-exfoliés peut être ajustée afin d'assurer la compatibilité avec les des biopolymères préformés thermoplastiques et des résines thermodurcissables, tels que l'amidon et les résines époxyde biosourcées, respectivement. - Les propriétés mécaniques des nanocomposites ternaires ainsi obtenus sont fortement améliorées comparés aux en comparaison des matrices polymères pures grâce à la dispersion homogène et fine des feuillets du nano-renfort dans la matrice polymère et aux fortes interactions interfaciales entre ces deux constituants / Clay nanoparticles (CNP) are abundantly available low-cost natural resources with numerous positive attributes such as large surface area, impermeability to gas, superior mechanical and thermal properties so that they have attracted over the last three decades significant attention, notably for the reinforcement of polymer-based materials. However, CNP suffer from incompatibility, hence weak interfacial interactions and poor dispersion with/in most of organic polymeric materials because of their intrinsic hydrophilicity and strong interlayer interactions. This limitation is one of the major reasons why polymer nanocomposites have to date remained mainly in laboratories. Thus, one of the key challenges in developing clay-based polymer nanocomposites (PCNs) with advanced thermo-mechanical, gas barrier...properties relies on the control at the molecular level of the interface properties of clay nanoplatelets-filled polymer resins. Taking into account the criteria for sustainable development, civil engineering and green economy, we have developed, in the first part of this thesis, reactive and pre-exfoliated clay nanofillers that may be further incorporated in a diverse set of biopolymer matrices and giving rise to strong energy interactions with the said matrices for improved mechanical behavior. To ensure a closer fit of these specifications we have implemented green approaches for the preparation of these generic nanofillers, namely photopolymerisation was used as a low energy consumption and fast method for the surface functionalization of native clays, solvent-free protocols were applied to prepare polymer nanocomposites, while biopolymers (starch, cellulose) or bio-based precursors (epoxidized vegetal oils) served as dispersion media. By controlling the preparation conditions, reactive clay nanofillers with adjustable interlayer spacing and chemical surface reactivity were prepared. Of particular interest is that the layered-like structure of the clay nano ller is preserved while the d-interlayer spacing can be increased though increasing the photopolymerization time, i.e. amount of polymer within the clay nanosheets. Our major results from the the first part can be summarized as follows: Morphology and reactivity of clay nanofillers are easily controlled though adjusting the photopolymerization time and selecting adequate vinyl monomer. - The newly preparation methods allow preparation of samples beyond the gram-scale. - Reactive and surface chemistry of pre-exfoliated clay nanofillers can be tuned to provide compatibility with both conventional preformed biopolymers and bio-based epoxy resins. - The mechanical properties of the resulting polymer nanocomposites are improved as compared to the neat polymeric matrices owing to the strong interface interaction between fillers and dispersion matrices

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Depuis ces dernières décennies, l'administration ophtalmique est devenue une voie privilégiée des molécules en vue d'une action locale. La sécurité, l'efficacité et l'acceptabilité de ces médicaments imposent une formulation stérile et facilement applicable pour l'amélioration de l'observance du patient. L'objectif de ce travail a été de développer une forme ophtalmique topique efficace, facilement applicable et contenant un principe actif (PA) d'intérêt. Les études d'encapsulation du PA dans des particules de polymères en vue de sa protection mettent en évidence la difficulté de formuler des vecteurs avec un PA hydrosoluble. Son instabilité en solution aqueuse a été démontrée lors des études de stabilité et a orienté le choix galénique vers des préparations semi-solides. L'absence, ou la faible quantité d'eau présente, améliore la stabilité du PA. L'association des cyclodextrines dans la formulation montre une nette stabilisation du PA dans les préparations semi-solides. Les études de caractérisation de ces formes mettent en évidence la stabilité du PA dans une pommade hydrophobe et dans une émulsion en présence de cyclodextrine. De plus, les essais de microbiologie démontrent l'intérêt de l'utilisation d'une émulsion dans l'efficacité de la forme pharmaceutique contre Staphylococcus aureus. Les formes ophtalmiques mise au point présentent un intérêt majeur dans le traitement d'infections oculaires localisées en remplacement des thérapeutiques actuellement sur le marché / Over the last few decades, ophthalmic administration has become a preferred route for molecules for local action. The safety, efficacy and acceptability of these drugs require a sterile and easily applicable formulation for improved patient compliance. The objective of this work was to develop an effective, easily applicable topical ophthalmic form containing a drug of interest. Studies of the encapsulation of API in polymer particles for protection show the difficulty of formulating vectors with a water-soluble API. The instability of the drug in aqueous solution has been demonstrated in stability studies and guided galenic choice to semi-solid preparations. The absence, or small amount of water, improves the stability of the API. The association of cyclodextrins in the formulation shows a marked stabilization of the drug in semi-solid preparations. Characterization studies of these forms demonstrate the stability of the drug in a hydrophobic ointment and in an emulsion in the presence of cyclodextrin. Moreover, microbiological tests demonstrate the advantage of using an emulsion in the efficacy of the pharmaceutical form against Staphylococcus aureus. The ophthalmic forms developed are major interest in the treatment of localized eye infections in place of the therapeutics currently on the market

Des résines polymères mésoporeuses ont été préparées à partir d’un série de diamide (BHPBn) comme porogènes. Ces composés s’auto-assemblent dans les solvants non polaires pour former des nanotubes d’un diamètre peu polydisperse et d’une dizaine de nm. Ces tubes sont formés dans un mélange monomère/réticulant et la suspension qui en résulte est photopolymérisée pour donner une résine contenant les tubes. Ces derniers sont extraits avec un solvant dissociant pour donner des pores. On obtient des résines avec des pores de 37 à 51 nm, selon le porogène, ainsi qu’on l’a mesuré par MET et par adsorption de N2. Ces diamètres des pores ne sont pas corrélés à ceux de BHPBn et toujours supérieur.Ces résines ont été fonctionalisées avec des carboxylates, des esters du N-hydroxysuccinimide ou d’époxydes. Des lipases ont été liées au résines par ces fonctions avec des taux de 69 mg par g de résine époxide et de 60 mg/g de résine COOSu. Les enzymes liées ont une activité de moins de 1 % de celle des enzymes libres, ce qui peut être expliqué par une dénaturation des enzymes sur la surface des pores qui est hydrophobe. / Mesoporous polymeric resins have been prepared with a series of diamides (BHPBn) as porogens. These compounds self-assemble in non-polar solvents into nanotubes with monodisperse diameters ranging from 21 to 34 nm. The tubes are formed in mixtures of monmers/crosslinkers, and the resulting suspension is photopolymerized to yield a resin embedding the tubes. The later are removed from the resin by leaching it with a dissociating solvent, yielding pores. One obtains resins with pore sizes comprised between 37 and 51 nm, depending on the porogen, as measured by TEM or by N2 adsorption. The pore sizes of the corresponding resin were not correlated to those of the starting porogen and always higher. The resins were successfully functionalized with carboxylic acids, N-hydroxysuccinimde esters (COOSu), or epoxide. Enzymes were attached to the resins via those functions, with rates of 69 mg per g of resin for epoxide resins and 60 mg/g for COOSu resins. The activity of the enzymes attached on the resins was measured and found less than 1 % of the activity of the free enzyme, which may be explained by a denaturation of the enzyme due to the hydrophobic nature of the pore surface.

L'augmentation croissante de la demande en énergie et l'épuisement des combustibles fossiles exigent l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie ainsi que la recherche de ressources durables et renouvelables. Les condensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie qui se sont imposés comme une des solutions aux problèmes énergétiques en raison de leurs avantages, tels que le respect de l'environnement, et la charge et la décharge d'énergie très rapides. Des besoins se sont créés pour un système de stockage capacitif à faible coût et à haut rendement, il est donc nécessaire de développer des matériaux avec une forte permittivité diélectrique. A ce propos, les composites diélectriques à matrice polymère suscitent une attention croissante en raison de leurs bonnes performances diélectriques. Des composites à matrice polymère chargée de particules céramiques ont par exemple été utilisés dans certains condensateurs pour le stockage d'énergie. Pourtant, en pratique, l'applicabilité de tels dispositifs est sérieusement entravée par la faible permittivité diélectrique des matériaux d'une part, et par la détérioration des propriétés mécaniques en raison de la forte teneur en particules céramiques rigides dans la matrice polymère flexible d'autre part. En remplaçant ces particules céramiques par des particules conductrices dans la matrice polymère, des composites percolatifs peuvent être réalisés avec une permittivité diélectrique nettement accrue au voisinage du seuil de percolation. Parmi les charges conductrices, les nanotubes de carbone (NTC) ont été les plus étudiés. En effet, du fait de leur facteur d'aspect et de leur conductivité élevée, ces derniers peuvent conduire à des niveaux de percolation dans les composites pour une très faible quantité de charges. Un des plus grands défis pour l'utilisation des NTC dans les matériaux composites est de séparer les NTC les uns des autres afin de réaliser une dispersion uniforme dans les polymères. Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur l'augmentation de la permittivité diélectrique de matériaux composites à matrice polymère à base de NTC en optimisant à la fois la dispersion des nanotubes ainsi que le contrôle de la microstructure des matériaux composites finaux. L'augmentation de la permittivité diélectrique dans les composites précédents provient de la formation de microcondensateurs au sein du matériau. Toutefois, les NTC ont toujours tendance à s'agglomérer dans le composite, ce qui n'est pas bénéfique à la formation de microcondensateurs. Pour surmonter ce problème, nous avons proposé une microarchitecture hybride SiC-NTC comme charge conductrice. Ces hybrides mulit-échelles ont été produits par dépôt chimique catalytique en phase vapeur assisté par aérosol. L'organisation des NTC sur les particules de SiC peut être efficacement contrôlée en ajustant les différents paramètres de synthèse. Les résultats ont montré que les propriétés de surface asymétriques des micro-particules de SiC étaient plutôt favorables à la croissance des NTC sur SiC selon "une direction unique", alors que certaines conditions expérimentales particulières peuvent aboutir à une croissance "multi-directionnelle". Les particules hybrides de SiC-NTC ainsi obtenues ont également été incorporées dans le PVDF pour préparer des composites percolatifs. Il a été constaté que les hybrides SiC-NTC permettent d'améliorer considérablement la permittivité diélectrique du composite avec un chargement extrêmement faible en NTC. Les NTC sont orientés le long d'un axe sur chaque microplaque de SiC et séparés par une couche mince de polymère, donnant lieu à un réseau de microcondensateurs. Par conséquent, de grandes permittivités diélectriques de plus de 8700 et 2100 à 100 Hz peuvent être obtenues pour un faible taux de chargement de NTC de l'ordre de 2,30% et 1,48% en volume pour les composites à renforts "multi-directionnel" et "unidirectionnel" respectivement. / Ever-increasing energy requirement and exhaustion of fossil fuels demands improving efficiency of energy usage as well as seeking sustainable and renewable resources. Energy storage capacitors are devices that could take this responsibility, and have been the focus of increasing attention due to their advantages such as environment friendliness and very fast energy uptake and delivery. As the requirements grow for a low-cost and high-efficiency capacitive storage system, there is great need for the development of materials with high dielectric permittivity. Polymer composite dielectrics are arousing increasing attention due to their large tunability in dielectric performances. Polymer composites filled with ceramic particles have been used in some energy storage capacitors. Still, their applicability for practical devices is severely hindered by the low dielectric permittivity and deteriorated mechanical and processing properties due to the high content of rigid ceramic particles in the flexible polymer matrix. By replacing ceramic particles with conductive particles in the polymer composites, the percolative polymer composites can be made with the dielectric permittivity dramatically increased in the vicinity of the percolation threshold. Among the conductive fillers, carbon nanotubes (CNTs) have been most intensively studied, as their large aspect ratio coupled with high conductivity can lead to percolation levels in composites at much low loading. One of the greatest challenges for CNT usage in composites is to debundle pristine CNTs and realize uniform dispersion into polymers. This thesis focused on increasing the dielectric permittivity of CNT-based polymer composites by both carefully optimizing the dispersion of nanotubes as well as controlling the microstructure of the composites. The dielectric permittivity increment in the previous composite systems originated from the formation of microcapacitors. However, CNTs were always frizzy in the CNT/polymer composites, which was not beneficial in forming parallel pair electrodes of microcapacitors. To overcome this problem, we proposed a microarchitecture of hybrid SiC-CNT as conductive filler. Such micro/nano hybrids were produced by floating catalytic chemical vapor deposition. The organization mode of CNTs on SiC particles could be effectively tuned by adjusting synthesis conditions. The results showed that asymmetric surface properties of 6H-SiC were prone to led to “single-direction” growth of CNTs on SiC particles, while the competition between the substrate nature and the experimental conditions can resulted in a “multi-directions” hybrid structure. Resultant SiC-CNT hybrids were further incorporated into PVDF to prepare percolative composites. It was found that the SiC-CNT hybrid can significantly improve the dielectric permittivity of SiC-CNT/PVDF composite with an extremely low CNT loading. CNTs on each SiC microplate are oriented along an axis and separated by a thin polymer matrix, giving rise to a network of microcapacitors. As a result, a large dielectric permittivity of more than 8700 and 2100 at 100 Hz could be obtained at a low CNT loading of 2.30 vol% and 1.48 vol% in the “multi-directions” and “single-direction” composites respectively.

Depuis plusieurs décennies, les polyesters aliphatiques (polycaprolactone (PCL), polylactide (PLA), polyglycolide (PGA)) et leurs copolymères ont été retenus pour des applications médicales grâce à leur biodégradabilité et leur biocompatibilité. Parmi leurs applications médicales, on s’intéresse ici à la délivrance des médicaments par des copolymères amphiphiles et à l’ingénierie tissulaire. Les polyesters aliphatiques souffrent cependant d’une hydrophobie importante et de l’absence de groupes fonctionnels. Pour pallier ces problèmes, plusieurs stratégies demodifications chimiques ont été proposées dans la littérature parmi lesquelles on cite : l’hydrolyse, la modification par plasma, la post-polymérisation alcyne azoture et la modification photochimique thiol-yne. Ces modifications servent à introduire des polymères hydrophiles (ex. le polyéthylène glycol) ou des groupes fonctionnels qui peuvent améliorer la biocompatibilité de polyesters. Dans ce manuscrit, on s’intéresse à la modification de la PCL et du PLA par voie photochimique thiol-yne qui présente l’avantage d’être rapide, versatile, applicable en solution comme en surface et de ne pas nécessiter l’utilisation d’un catalyseur métallique qui peut être nocif pour les applications médicales. Dans une première partie, la modification de la PCL a été faite en solution et des copolymères amphiphiles PCL-g-PEG ont été synthétisés. La stratégie de greffage « grafting to » en deux étapes a été choisie en partant de polymères commerciaux. Une optimisation des conditions de modification par voie anionique de PCL, suivi d’une photoaddition thiol-yne, nous a permis d’obtenir des copolymères avec des balances hydrophiles/hydrophobes contrôlées. L’impact de l’hydrophilie des copolymères sur la formation de nanoobjets, leurs concentrations d’aggrégation critique et leurs tailles a été étudié. L’encapsulation de curcumine comme agent anticancéreux et la cytotoxicité des nanovecteurs envers des cellules cancéreuses ont été vérifiées. Dans un second temps, ces copolymères ont été décorés par un peptide de ciblage et un peptide clivable enzymatiquement en vue de leur utilisation dans des traitements anticancéreux. L’effet biologique de ces copolymères encapsulant des principes actifs est vérifié in vitro sur des cellules cibles exprimant plus ou moins d’intégrines ou de métalloprotéases. Dans une seconde partie, des fibres PLA ont été modifiées en surface par des nanoparticules inorganiques afin de générer des hybrides covalents d’intérêts pour des applications en ingénierie tissulaire. De manière analogue aux modifications en solution, ces hybrides ont été obtenus en deux étapes par modification par voie anionique de nanofibres de PLA, suivi par un greffage covalent de nanoparticules d’oxyde de fer en suivant une stratégie photochimique thiol-yne. / For decades, aliphatic polyesters (polycaprolactone (PCL), polylactide (PLA), polyglycolide (PGA)) and their copolymers have been selected for medical applications because of their biodegradability and their biocompatibility. Among their medical applications, we are interested in drug delivery system based on amphiphilic copolymers and tissue engineering. However, aliphatic polyesters suffer from significant hydrophobicity and the absence of functional groups. To overcome these drawbacks, several strategies ofchemical modifications have been reported in literature among which we present: hydrolysis, plasma modification, post polymerization modification by copper catalyzed azide alkyne cycloaddition and thiol-yne post polymerization modification. These modifications have been used to introduce hydrophilic polymers (eg. polyethylene glycol) or functional groups on the polyester chains that can enhance the biodegradability of polyesters. In this manuscript, we are interested in modifying PCL and PLA chains by thiol-yne photochemical route. This method is rapid, versatile, applicable in solution as well as on surface and it does not require the use of a metallic catalyst which can be harmful for medical applications. First, PCL modification was done in solution and amphiphilic copolymers PCL-g-PEG were synthesized. The strategy “grafting to” in two steps has been selected starting from commercial polymers. Conditions optimization of anionic activation, followed by thiol-yne photoaddition, allowed us to obtain copolymers with controlled ratios hydrophilic/hydrophobic. The impact of copolymers hydrophilicity on nanoobjets formulation, critical micelle concentration and sizes was studied. Curcumin encapsulation as an anticancer agent and nanocarriers cytotoxicity towards cancer cells were verified. In addition, these copolymers were then decorated with a targeting peptide and an enzymatically cleavable peptide in the aim of using them in cancer treatment. The biological effect of anticancer loaded copolymer was verified in vitro on target cells expressing more or less integrins or metalloproteases. Second, PLA fibers were modified with inorganic nanoparticles and generate covalent hybrids for purposes in tissue engineering of neuronal cells. Analogously to the solution modification, these hybrids were obtained in two steps by anionic activation of PLA fibers, followed by covalent grafting of iron oxide nanoparticles according to a thiol-yne photochemical strategy.

La technologie photovoltaïque (PV) est considérée une solution très prometteuse à la crise de l'énergie. Bien que le marché du PV soit actuellement dominé par des dispositifs à base de minéraux, ces systèmes présentent des coûts de production élevés et de nombreux problèmes environnementaux. Ces aspects limitent leur application. Les cellules solaires organiques à base de polymères (OPV) sont de prometteuses sources d'énergie renouvelable en raison de leur faible coût de production et grâce à leur nature déformable. En raison de ses propriétés électroniques et de la haute mobilité d'électrons, de petites molécules dérivées du fullerène C60 sont largement utilisées dans la production OPV à grande échelle. Toutefois, les propriétés morphologiques des dérivés du C60 diminuent la stabilité des dispositifs. En effet, le C60 subit facilement le phénomène d’auto-agrégation lors de l'utilisation de la cellule. L'aptitude au traitement du C60 peut être améliorée en l’incorporant dans un polymère. Ces systèmes sont déjà décrits dans la littérature, mais reposent en général sur une synthèse en plusieurs étapes qui pourraient affecter les propriétés électroniques du C60 ainsi que donner des produits insolubles en raison de la réaction de réticulation. L'objectif de ce travail est de préparer des polymères innovants basés sur le fullerène (C60) pour les dispositifs photovoltaïques et électroniques, à l'aide d’une chimie du C60 bien connue et en se basant sur des procédés fiables. À l'Université de Pau (au sein de l’équipe EPCP), après les synthèses de petites molécules qui ont étés utilisées en tant que co-monomères, deux différentes voies de synthèse ont été exploitées afin d'obtenir oligo- et polyfullerènes contenant le C60 dans leur chaîne principale. La première voie exploitée, est basée sur la réaction « Atom Transfer Radical Addition Polymerisation » (ATRAP), qui a déjà été utilisée pour la préparation de main-chain polyfullerenes. Avec cette méthode, des composés très solubles ayant des poids moléculaires variables ont été préparés. La deuxième voie a été découverte dans ce travail de thèse et exploite une chimie du C60 bien connue pour obtenir des « main-chain » polyfullerènes qui présentent un haut poids moléculaire et qui sont bien solubles dans les solvants courants. Des études préliminaires ont été effectuées dans le but de comprendre les effets des paramètres de réaction et la cinétique de la polymérisation. Les matériaux ont été caractérisés par chromatographie d’exclusion stérique, SEC, spectroscopie RMN, et à travers spectroscopie UV-vis et IR. Des analyses thermiques (TGA et DSC) complètent les caractérisations. Le C60, ainsi que son dérivé, [6,6] -phényl-C61-butyrique ester méthylique d'acide (PCBM), ont été exploités en tant que monomères dans les réactions de polymérisation. Un séjour de neuf mois (cotutelle) à l'université de Tübingen, en Allemagne, a permis d'étudier les matériaux synthétisés par spectroscopies XPS et UPS. Le but de ces études était d'obtenir une meilleure compréhension des niveaux énergétiques des oligo- et polyfullerènes. Des couches minces de composés ont été déposées sur différents substrats par des procédés en solution (doctor blade ou spin coating) pour obtenir des échantillons ex-situ pour les analyses. Des échantillons de couches actives contenant des polyfullerène ont également été préparés lors d'un court séjour (une semaine) à BELECTRIC OPV GmbH, Nuremberg (Allemagne). Les échantillons ont été analysés par microscopie optique et microscopie AFM dans le cadre d’une étude sur la stabilité thermique de la couche active à l'Université de Tübingen. Ces études ont été réalisées aussi grâce à la collaboration avec des chercheurs de BELECTRIC OPV GmbH, qui ont intégré les composés dans des dispositifs et réalisé des expériences complémentaires et comparables. Comme tendances générales, les composés améliorent la stabilité des dispositifs quand les derniers sont soumis à un stress thermique. / Photovoltaic technology (PV) makes it possible to directly convert sunlight into electricity and it is seen as a very promising solution to the current energy crisis. Although the PV market is dominated by inorganic-based devices, those systems present high production costs and deployment issues that limit their application. Polymer-based organic solar cells (OPVs) are promising sources of renewable energy due to their facile, low cost production, and formable nature. Due to its electronic properties and high electron mobility, small molecule fullerene (C60 ) derivatives are widely used in large scale OPVs. However the morphological properties of C60 derivatives decrease device stability as C60 easily undergoes self-aggregation during OPV use. The processibility of C60 can be improved by incorporating it into a polymer. These systems are already described in literature but have in general a multistage synthesis that could affect the electronic properties of C60 as well as give insoluble products due to reticulative reactions. The objective of the work here presented was to prepare innovative polymers based on C60 for photovoltaic and electronic devices using reliable, well-known C60 chemistry. At the University of Pau (EPCP Lab), after the syntheses of small molecules to be used as co-monomers, two synthetic routes were used in order to obtain main- chain oligo- and polyfullerenes. The first route is based on the atom transfer radical addition polymerization (ATRAP), which has already been used for the preparation of main-chain polyfullerenes. With this method, soluble compounds with various molecular weights were prepared. The second route was discovered in this work and exploits a well-known fullerene chemistry to prepare soluble polyfullerenes with reasonably high molecular weights. Preliminary studies to understand the effect of the reaction parameters (reagents, reagents concentration, temperature, time and solvent) and the kinetics of the polymerisation were performed. Material characterisations were carried out via GPC chromatography, NMR spectroscopy, and UV-visible and IR spectroscopies. Thermal analyses (TGA and DSC) were also run to complete the characterisations. Both C60 and its derivative, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), have been exploited as monomers in the reactions. A nine-month (cotutelle) stay at Tübingen University, Germany, permitted a study of the synthesized materials by means of XPS and UPS spectroscopies. The aim of these studies was to obtain a better understanding of the energy levels pictures of the oligo- and polyfullerenes. Thin films of the compounds were deposited on different substrates via solution processes (doctor blade or spin coating) to obtain ex-situ samples for characterisation. Samples of polyfullerene-containing active layers were prepared during a short stay (1 week) at BELECTRIC OPV GmbH, Nuremberg (Germany), and analysed by optical microscopy and AFM microscopy during thermal-degradation studies at Tübingen University. These studies were completed thanks to collaborations with researchers at BELECTRIC OPV GmbH, who have incorporated the compounds into devices and performed complementary and comparable experiments. As general trends, the compounds are found to improve the stability of the devices upon thermal stresses.

Dans cette thèse, la fonctionnalisation de surface de nanocristaux de cellulose (NCC) par estérification et polymérisation ATRP a été envisagée, dans le but de développer de nouveaux matériaux avancés. Une méthode pratique permettant de caractériser les polymères greffés en surface des NCC a d’abords été développée, à partir des analyses DLS, DSC et TGA. L’efficacité des méthodes SI-ATRP et SI-ARGET ATRP pour initier le greffage de polystyrène (PS) ou poly(4-vinylpyridine) (P4VP) à la surface des NCC a ensuite été comparée. Les nano-hybrides P4VP-g-NCC pH-responsifs, ont alors été utilisés pour stabiliser des nanoparticules d’or (AuNPs), dans le but de produire des catalyseurs recyclables. L’activité catalytique des matériaux Au@P4VP-g-CNC obtenus – testée avec la réduction du 4-nitrophenol – a été améliorée de manière significative par rapport aux AuNPs seuls. Des polymères UV-responsifs de poly(cinnamoyloxy ethyl methacrylate) (PCEM) ont également été greffés à la surface des NCC, pour produire des particules UV-absorbantes. Les nano-hybrides PCEM-g-CNC obtenus se sont avérés efficaces comme stabilisants UV/thermiques et agents de renforts dans les films PVC. Finalement, une méthode facile pour préparer des colloidosomes à partir d’émulsions de Pickering inverses stabilisées par des NCC modifiés par des groupes cinnamates a été proposée. Des colloidosomes aux parois robustes et permettant un relargage lent de molécules encapsulées comme la rhodamine B ou l’acide désoxyribonucléique fluorescent ont alors été obtenus. / In this thesis, the surface functionalization of cellulose nanocrystals (CNC) by esterification and ATRP reactions was envisaged, with the objective to develop novel advanced materials. A convenient method to characterize the polymers grafted on CNC by Si-ATRP has been first developed, based on DLS, DSC and TGA analyses. The efficiency of the SI-ATRP and SI-ARGET ATRP methods to initiate the grating of polystyrene (PS) or poly(4-vinylpyridine) (P4VP) at the CNC surface were then compared. The pH-responsive P4VP-g-CNC nano-hybrids were subsequently utilized to stabilize gold nanoparticles (AuNPs), in view of producing recyclable catalysts. The catalytic activity of the Au@P4VP-g-CNC material – tested with the reduction of 4-nitrophenol – was significantly improved compared with single AuNPs. UV-responsive poly(cinnamoyloxy ethyl methacrylate) (PCEM) polymers were also grafted on CNC, to produce particles with UV absorbing properties. The PCEM-g-CNC nano-hybrids obtained turned out to be efficient UV/thermal stabilizers and reinforcing agents in PVC films. Finally, a facile method to prepare colloidosomes from w/o inverse Pickering emulsions stabilized by cinnamate-modified CNC was proposed. Colloidosomes with robust shells and allowing the slow release of encapsulated molecules such as rhodamine B or fluorescent deoxyribonucleic acid were then obtained.

Le graphène est une nanoparticule bidimensionnelle d'épaisseur atomique présentant des propriétés uniques, qu'elles soient mécaniques, électriques ou thermiques. Ceci ajouté à une faible densité et une très grande surface spécifique, fait que l'ajout de graphène et de nanoparticules dérivées (oxyde de graphène, graphite exofilé) pour renforcer des matrices polymères est devenu un sujet d'études d'intérêt majeur dans le domaine des nanocomposites. Cependant, l'influence de la variation de la viscoélasticité de la matrice due à l'ajout de graphène ainsi que la mécanique interfaciale reste aujourd'hui peu étudiée. De plus, il n'existe aujourd'hui pas de procédé permettant d'obtenir des nanocomposites présentant du graphène dans le plan orienté dans une matrice polymère afin de réaliser un renforcement à deux dimensions. Ce travail de thèse est composé principalement de trois projets portant sur ces problèmes.La première partie de ce travail se concentre sur la façon d'utiliser l'approche micromécanique viscoélastiques pour soustraire l'effet de changement de Tg pour corriger la rigidité apparente de nanocomposites d'oxyde de graphène. On a ainsi trouvé que l'oxyde de graphène rigidifie « indirectement » les matrices polymères en augmentant de manière significative la Tg de la matrice, ce qui modifie largement la viscoélasticité du matériau. Le mécanisme de renforcement est ainsi largement causé par cet effet plutôt que du fait de la rigidité de l'oxyde de graphène lui-même.La deuxième partie se concentre sur l'utilisation d'un procédé de mise en œuvre innovant, la coextrusion multinanocouches, ou assemblage forcé, pour créer des films nanocomposites constitués de couches alternées de polymères et de polymères chargés de nanoplaquettes de graphène orientées. Cette orientation est induite par le nanoconfinement imposé par le procédé. La morphologie des couches (35 ~ 40 nm d'épaisseur) contenant du graphène orienté a été étudiée par microscopie électronique. Les propriétés mécaniques des matériaux ont été déterminées et le renforcement bidimensionnel a pu être corrélé à une orientation (imparfaite) des nanoplaquettes de graphène dans les films stratifiés.La troisième partie se concentre sur l'utilisation de la méthode de l'inflation de nano-bulle pour obtenir les réponses mécaniques d'un « nano-sandwich » (nanofilm de polymère / feuille de graphène / nanofilm de polymère). Aux petites déformations, des renforts mécaniques significatifs ont été observées pour le système PEMA / graphène, tant à l'état caoutchouteux qu'à l'état vitreux. Les mécanismes d'interface entre le graphène et les polymères ont été étudiés et un glissement interfacial a été observé. / Graphene is an atomically thick, two-dimensional nano-sheet with advanced mechanical, electrical, and thermal properties. As a result, the addition of graphene and graphene derivative nanoparticles to polymer matrices has been a major strategy towards development of new materials in the field of composites. However, from a fundamental point of view, the origins of the advanced properties of graphene-based nanocomposites have been little investigated. In particular, changes in the viscoelastic properties of the polymer matrix due to specific interactions between the polymer and the graphene reinforcing elements can cause higher than expected apparent reinforcement. In addition, there is little work on characterizing the strength of the interface between the graphene used for reinforcement and the polymer matrixes. From a more engineering point of view, the design of polymer nanocomposites made of in-plane oriented graphene to create a two-dimensionally reinforced structure has also not been previously undertaken. The present dissertation is composed of three major works focusing on these problems.The first part focuses on how to use a viscoelastic micromechanics approach to account for the effects of glass transition temperature Tg changes to correct the apparent stiffening of graphene oxide nanocomposites. It is found that graphene oxide stiffens the polymer matrices by increasing the Tg, which significantly modifies their thermo-viscoelasticity. This leads to apparent reinforcements that are not due to the stiffness of the graphene oxide itself, and largely explains anomalously high moduli reported in the literature for such graphene oxide/polymer matrix nanocomposites.The second part focuses on a forced assembly multi-layer co-extrusion method to create films made of alternating layers of neat polymer / oriented graphene nanoplatelet filled polymer. The morphology of the layers (35 ~ 40 nm thick) containing oriented graphene was established by electron microscopy. Mechanical properties of the materials were determined and the two-dimensional stiffening could be related to the oriented graphene nanoplatelets in the layered films. Taking into account the change of Tg, more than 100% intrinsic reinforcement was estimated for 2 wt % of graphene in the nanolayers. The results were analyzed and interpreted via an analytical model based on Mori-Tanaka analysis.The third part focuses on extending a nano-bubble inflation method to the investigation of a novel graphene nano-sandwich with the purpose of investigation of the graphene / polymer interface. At small strains, significant mechanical reinforcement was observed for both graphene-reinforced rubbery and glassy PEMA layers. The interfacial mechanics between graphene and polymer layers was investigated and a “yield-like” interfacial slip was observed in the mechanical response of the nano-sandwich structures.

L'élaboration de nanomatériaux fonctionnels destinés à une large gamme d'applications est l'un des domaines les plus étudiés de la chimie des matériaux modernes. L'intérêt des chercheurs porte sur la conception de nanomatériaux multifonctionnels combinant dans un unique système les propriétés de différents matériaux et présentant diverses réponses physiques lorsque soumis à différents stimuli. Ce travail décrit la combinaison des propriétés optiques de l'or et des propriétés magnétiques de polymères de coordination tels que les analogues de Bleu de Prusse, pour obtenir des hétérostructures nanoscopiques magnéto-optiques présentant une architecture de type cœur-coquille. Dans un premier temps, nous avons préparé une série de nanoparticules à base d'un analogue du Bleu de Prusse tel que Ni3[Fe(CN)6]2 de différentes tailles et de manière contrôlée, afin de mieux comprendre l'évolution de leurs caractéristiques physiques avec la réduction de la taille jusqu'à une l'échelle nanométrique. Deuxièmement, nous nous sommes focalisés sur la conception de nano-objets hétérostructurés composés par un cœur d'or décoré par une coquille uniforme d'analogue du Bleu de Prusse K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4- suivant une approche rationnelle et innovante. Ces nanoparticules cœur-coquilles d'Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4- présentent à la fois les propriétés optiques du cœur d'or et le comportement paramagnétique provenant de la couche de polymère de coordination cyano-ponté. Une étude a été menée sur le mécanisme de croissance de ce système complexe. Les propriétés optiques peuvent être modulées en contrôlant la taille du cœur d'or et l'épaisseur de la couche d'analogue de cyanometallate, en modifiant les paramètres de synthèse. Nous avons ensuite étendu cette approche de synthèse à d'autres hétérostructures contenant un cœur d'or et une coquille de K+/Co2+/[FeII(CN)6]4-. Nous avons également recherché une voie originale pour obtenir des nanoparticules creuses d'analogue du Bleu de Prusse en dissolvant le cœur d'or par lixiviation.Des propriétés magnétiques différentes, telles que le ferromagnétisme ou le superparamagnétisme, peuvent être apportées par la croissance additionnelle d'une seconde coquille d'analogue du Bleu de Prusse sur les nanoparticules de Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4-. Pour cela, différents analogues du Bleu de Prusse ont été sélectionnés. Les nanoparticules avec une double-couche d'analogues du Bleu de Prusse présentent les propriétés optiques dues au cœur d'or. Des propriétés de ferromagnétisme ont bien été ajoutées, démontrant la multifonctionnalité de ces nano-objets. En particulier, une étude a été menée sur une série de nanoparticules d'Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4-@K+/Ni2+/[CrIII(CN)6]3- de différentes tailles de manière à démontrer l'influence de l'architecture cœur-coquille sur la nature des propriétés magnétiques. Finalement, nous avons évalué les potentialités de ces nanoparticules pour l'imagerie médicale par scintigraphie. Des nanoparticules composées de Bleu de Prusse ou de type Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4-@K+/Fe3+/[FeII(CN)6]3- ont été préparées, puis greffées par des molécules organiques (dextrane commercial, biopolymères ou bicouches lipidiques) pour assurer leur dispersion en milieu aqueux. Ces nanoparticules ont été chargées en ions 201Tl+ et leur comportement in vivo a été déterminé par tomographie SPECT-CT, de manière à établir l'influence de la composition chimique, de la morphologie et de la fonctionnalisation de ces nanoparticules sur leur biodistribution dans l'organisme. / One of the most studied fields of modern material chemistry concerns the elaboration of functional nanomaterials reserved for a wide range of applications. For several years, researchers have been particularly attracted by the design of multifunctional systems combining in a single system the properties of different materials and exhibiting diverse physical responses when subjected to various stimuli. This work describes the combination of both optical properties of gold and magnetic properties of coordination polymers such as Prussian Blue analogous to form magneto-optical nano-heterostructures presenting an intricate core-shell architecture.Firstly, we have synthesized a series of Prussian Blue Analogous nanoparticles such as Ni3[Fe(CN)6]2 presenting different and controlled sizes, in order to better understand the evolution of their characteristics upon the size reduction from the micro- to the nanoscale.Secondly, we focalized on the design of heterostructured nano-objects composed by a gold core coated with a uniform K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4- Prussian Blue analogous shell based on a new and rational approach. These core-shell Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4- nanoparticles exhibit both optical properties of the gold core and paramagnetic properties originating from the cyano-bridged coordination polymer layer. Using several techniques, we have investigated the growing mechanism of such intricate system. The optical responses of these nanoparticles can be modulated by controlling the gold core size and the Prussian Blue analogous shell thickness by modifying the experimental parameters. Then we extended the used synthetic approach to other gold core containing heterostructures with K+/Co2+/[FeII(CN)6]4- shell. We have also investigated an original way to design hollow nanoparticles by etching the gold core.The implement of different magnetic behavior, such as ferromagnetism or superparamagnetism, can be achieved by the subsequent growing of a new Prussian Blue Analogous shell on the Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4- nanoparticles. In this aim, several Prussian Blue analogous were selected to form the second layer. These double-layered nanoparticles exhibit optical properties originating from the gold core. Additionally, ferromagnetic properties have been successively implemented, proving the multifonctionality of these nano-objects. Particularly, a study on the evolution of the magnetic properties according to the shell thickness of the Prussian Blue analogous was performed on a series of different–sized Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4-@K+/Ni2+/[CrIII(CN)6]3- nanoparticles in order to demonstrate the influence of the core-shell architecture on the nature of the magnetic properties.Finally, we evaluated the potential of these nanoparticles for the medical imaging by scintigraphy. Simple Prussian Blue and core-shell Au@K+/Ni2+/[FeII(CN)6]4-@K+/Fe3+/[FeII(CN)6]3- nanoparticles were synthesized and post-synthetically grafted by organic molecules (commercial dextran, biopolymers or lipidic bilayer) to ensure their dispersibility in aqueous media. These nanoparticles have been loaded by radioactive 201Tl+ ions in order to investigate their behavior in the living organism by using SPECT-CT tomography in vivo and establish the influence of the nanoparticles composition, the morphology and the functionalization on the nanoparticles biodistribution and kinetic.