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Exploiting coordination bonding of aromatic carboxylic acids at metal surfaces, this thesis explores new directions in the design and application of self-assembled monolayers (SAMs). The SAMs are investigated using a multi-technique approach comprising of a complementary combination of scanning tunneling microscopy (STM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy. In addition, the X-ray standing wave technique (XSW) was used to characterise the substrates. The process of layer formation and the final structures of the SAMs are found to be strikingly dependent on the combination of molecule and substrate, which is discussed in terms of the intermolecular and molecule-substrate interactions, bonding geometries and symmetry of the organic molecules. This is illustrated by the dramatic difference between molecular adsorption on Ag and Cu for molecules such as biphenyl-3,4',5-tricarboxylic acid and biphenyl-4-acetic acid. In the case of self-assembly on Cu, the molecule-substrate interactions play a decisive role in the resulting SAM structure, whereas on Ag, the intermolecular interactions dominate over the weaker molecule-substrate binding. This exploration of the balance of interactions that lead to the formation of these SAM structures lays the foundation for a systematic design of the structures and properties of aromatic carboxylic acid based monolayers. Finally, different applications and properties of some SAMs were investigated, namely coordination of a Pd(II) complex to a pyridine/pyrazole terminated molecule adsorbed on Ag. Evidence of coordination of Pd(II) to single molecules was provided by STM, XPS and NEXAFS spectroscopy. Additionally, controlled STM tip induced modification of local areas of a 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene SAM on Ag was performed, opening an exciting prospect for nanoscale molecular manipulation.

Die Elektrochemie und die Spektroelektrochemie von selbst-organisiererten Monoschichten (selfassembled monolayers, SAMs) gebildet aus 2-Mercaptopyridin (2MP) und 4-Mercaptopyridin (4MP) wurden an polykristallinen Goldelektroden in wässrigen Elektrolytlösungen untersucht. Folgende Untersuchungsmethoden wurden angewandt: zyklische Voltammetrie, elektrochemische Impedanzmessungen (EIM) und oberflächenverstärkte Raman Streuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS). Die elektrochemischen Untersuchungen von 2MP und 4MP in wässriger saurer Lösung (0.5 M H2SO4) zeigten, dass 2MP stärker adsorbiert wird als 4MP aufgrund der Bildung eines S-Au-N Chelates, wobei die S-Au-Interaktionen bei 4MP stärker sind. Die Bildung eines Chelates im Falle von 2MP verringert die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Dimers. In sauren Lösungen wird das N-Atom von 2MP protoniert, was zu einer schwächeren Bindung von 2MP-Molekülen zur Substratoberfläche führt. Die Ergebnisse der SERS-Untersuchungen stimmen mit den Resultaten aus der zyklischen Voltammetrie überein. Man erhält eine Au-S-Streckschwingungsbande für 2MP zwischen 225 bis 250 cm-1 bei Abscheidung aus wässriger oder saurer Lösung und für 4MP bei ca. 263 cm-1 in beiden Lösungen. Die SERS-Experimente ergaben eine senkrechte Orientierung zur Goldoberfläche sowohl für 2MP als auch für 4MP. Die Thion-Thiol-Tautomerie von 2- Mercaptopyridinen wurde ebenfalls in Betracht gezogen. Die Unter- und Überpotentialabscheidung von Kupfer auf einer polykristallinen Goldelektrode in wässriger 0.1 M Schwefelsäure in An- und Abwesenheit von SAMs von 2- und 4- Mercaptopyridin wurde mit zyklischer Voltammetrie untersucht. Es zeigte sich, daß bei Vorhandensein der SAMs die Elektrodeposition von Kupfer verhindert wird, was auf starke Wechselwirkungskräfte zwischen dem Adsorbat (MP) und der Goldoberfläche zurückzuführen ist. 2MP zeigt eine grössere Inhibierung, was höchstwahrscheinlich auf die Bildung der Chelatstruktur zurückzuführen ist. Es wurden ebenso Untersuchungen zum Einfluss von 2MP und 4MP auf die abgeschiedene Kupfermonolage auf der Goldelektrode durchgeführt. Es zeigte sich, daß die Kupfermonolage teilweise durch 2MP oder 4MP ersetzt wird. Die Elektronenaustauschgeschwindigkeit für das Fe2+/Fe3+-Redoxsystem in An- und Abwesenheit von 2MP- oder 4MP-Monolagen wurde mit zyklischer Voltammetrie und elektrochemischen Impedanzmessungen (EIM) untersucht. Es stellte sich heraus, dass der Elektronenaustausch höchstwahrscheinlich über Defektstellen in der Monolage (Pinholes) erfolgt. In einer wässrigen Lösung verringert 4MP den Elektronenaustausch stärker als 2MP. Da die Packungsdichte bei 4MP größer ist als bei 2MP ist wahrscheinlich auch die Zahl der Pinholes geringer in der 4MP-Monolage. In saurer Lösung liegen die N-Atome protoniert vor. Man kann davon ausgehen, dass in saurer Lösung zwei Prozesse gleichzeitig ablaufen, die für den Elektronenaustausch entscheidend sind. Erstens kommt es zu einer Abstoßung zwischen der positiv geladenen Monolage und den positiv geladenen Redoxionen. Und zweitens erfolgt eine Abstoßung zwischen den positiv geladenen Molekülen der SAMs, was zu einer geringeren Packungsdichte führt. Der Ladungsaustausch wird dominiert durch den zweiten Effekt. Mit Hilfe von EIM wurden die Elektronenaustauschgeschwindigkeit und der Bedeckungsgrad bestimmt. Die korrosionshemmende Wirkung von 2MP und 4MP auf Stahl in 3.5 % wässriger NaCl-Lösung wurde mit Hilfe der EIM untersucht. 2MP zeigte eine grössere Hemmung als 4MP. / The electrochemistry and spectroelectrochemistry of the self-assembled monolayers (SAMs) prepared of 2-mercaptopyridine (2MP) and 4-mercaptopyridine (4MP) dissolved either in water or 0.1 M H2SO4 have been investigated at polycrystalline gold electrodes in aqueous electrolyte solutions using cyclic voltammetry, electrochemical impedance measurements (EIM) and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Electrochemical studies of 2MP and 4MP monolayers in aqueous acidic solution (0.5 M H2SO4) suggest that 2MP is adsorbed more strongly than 4MP due to the formation of S-Au-N chelate. However, the S-Au bond was found to be stronger in 4MP as compared with 2MP. The formation of the chelate in case of 2MP diminishes the probability of dimer formation. In the acidic solvent, the N-atom of 2MP molecule will be protonated leading to a weaker interaction of 2MP molecules with the substrate surface. The SERS results are in good agreement with the cyclic voltammetry results. The Au-S stretching band was obtained in the region from 215 to 245 cm-1 for 2MP deposited from water and acidic solvent and around 263 cm-1 for 4MP in both solvents. The SERS measurements showed also a perpendicular orientation of both 2MP and 4MP on the gold surface. In explaining the SERS results, the thione-thiol tautomerisations of the mercaptopyridines were also taken into consideration. The under- and overpotential deposition of copper on a polycrystalline gold electrode in aqueous 0.1 M sulfuric acid in the presence and in the absence of SAMs of 2- and 4-mercaptopyridine has been studied using cyclic voltammetry. In general, the presence of these SAMs has been found to inhibit the electrodeposition process of copper, suggesting very strong interactions between these adsorbates and the Au surface. 2MP shows a higher degree of inhibition, which is due to a stronger interaction probably due to the formation of the chelate structure. Studies have also been made of the influence of mercaptopyridines SAMs on the copper monolayer electrodeposited on the gold surface. The copper adlayer was found to be partially displaced by 2MP and 4MP monolayers. The rate of electron transfer for the Fe3+/2+ redox system on the gold electrode has been probed in the absence and presence of 2MP and 4MP monolayers by cyclic voltammetry and electrochemical impedance measurements (EIM). The charge transfer process was suggested to occur through the defects (pinholes) in the monolayer. In case of aqueous solvent 4MP decreases the electron transfer reaction stronger than 2MP. Since the packing density for 4MP is higher than that of 2MP the number of pinholes might be lower in 4MP monolayer. In acidic solvent the N-atoms of the mercaptopyridines will be protonated. It is proposed that two effects, which exist at the same time, are responsible for the electron transfer process in acidic solution. First, there will be a repulsive interaction between the positively charged monolayer and the positively charged redox probe. Second, there is a repulsion among the positively charged monolayer molecules that results in a less compact monolayer. The charge transfer is dominated due to the latter effect. With the EIM the rate of electron transfer and the surface coverage were determined. 2MP and 4MP were examined as steel corrosion inhibitors in 3.5% aqueous NaCl solution using EIM. 2MP shows higher inhibition efficiency than 4MP.

<p>Extracellular matrix (ECM) creates high-resolution chemical patterns, by assembling simple molecules with nm-scale features (e.g., carbohydrates, nucleotides, amino acids) into complex structures up to micrometers and extending to even larger scales across tissues (e.g., glycans, DNA, proteins), capable of carrying out the diverse and complex cellular functions. Mimicking the complexity of such biological systems requires precise control over the chemical patterning on substrates that exhibit physiochemical properties similar to biological systems (such as hydrogels). Although hydrogels provide tunable physiochemical properties suitable for biological applications; it is a porous material where pore sizes can range from 30 nm to greater than 1000 nm. Due to this structural heterogeneity, chemical patterning below the length scale of this heterogeneity is very challenging.</p> <p>Here, we demonstrate a new assembly system for generating a nanostructured presentation of carbohydrates on the hydrogel surface. This approach is based on the striped phases assembly of functional alkanes where 1-nm resolution functional patterns are readily assembled on substrates such as highly ordered pyrolytic graphite (HOPG). In this assembly, molecules are stabilized by noncovalent interactions, including alkyl-pi interactions underlying the HOPG, van der Waals interaction between the adjacent alkyl chains, and hydrogen bonding between polar head groups. Topochemical polymerization converts internal diynes into conjugated polydiacetylenes (PDAs). PDAs can also be utilized to covalently attach the striped pattern to polyacrylamide hydrogels through free radical chemistry.</p> <p>Here, we synthesize new amphiphiles with carbohydrate headgroups (N-acetyl-D-glucosamine (GlcNAc), and D-glucuronic acid (GlcA)), assembled into striped phases on HOPG and covalently transfer to polyacrylamide hydrogels. GlcNAc binds to wheat germ agglutinin (WGA), a lectin that binds specifically in a multivalent fashion (dissociation constant KD in nm range) to GlcNAc. We show that GlcNAc striped phases generate highly selective interactions with wheat germ agglutinin (WGA) but do not induce specific binding with concanavalin A (another lectin molecule that does not target GlcNAc). We further demonstrate that WGA binding affinity can be modulated by shifting the position of diacetylenes that bring the polymer backbone closer to the GlcNAc, increasing the effecting local concentration of carbohydrates.</p> <p>We investigated the possibility of using sPDA for secondary functionalization with complex biological molecules (such as biotin and cRGD) to mimic the ECM composition closely. The unusual reactivity of the sPDA backbones during the covalent transfer of the striped phase monolayer to hydrogels illustrates the potential of sPDA reactivity azides. In this work, we show that the addition of substituted azide molecules to sPDA-functionalized hydrogels produces a decrease in the fluorescence of the sPDA monolayer. Since these reactions are occurring on porous hydrogel surfaces characterization using techniques such as IR or NMR is difficult. We carried out further solution-phase reactions using a soluble PDA where PDA UV-vis absorption spectra red-shift after the reaction between the PDA backbone and azide. These experiments support the hypothesis of sPDA and azide click reaction.</p>

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This thesis ventures with the extracellular matrix protein (ECM) fibronectin (FN) as an interface protein in the interaction between cells and materials to design microenvironment for future use in tissue engineering. It is studied the FN adsorption and conformations, cell behaviour to different FN conformation, cell adhesion, reorganisation and remodelling of FN at the material interface, the role of growth factors (GF) and their interactions with components of the extracellular matrix (ECM), the immunology cell response, and the stem cell fate influenced by the extrinsic signals coming from the engineered microenvironments using ECM's proteins. To investigate the FN response, in terms of adsorbed amount and conformation to different chemical properties of the material, model surfaces were used. Self assembled monolayers (SAM) with different percentages of two different chemical groups were used: CH3 and OH. FN adsorption, initial cell adhesion and signalling (focal adhesions, integrin expression and phosphorylation of FAK) is related with the reorganisation and secretion of FN and matrix degradation. It is shown that matrix degradation at the cell material interface depends on surface chemistry in metalloproteinase-dependent way. A direct relationship between FN activity at the cell-material interface and metalloproteinase 9 (MMP9) expression was found, being the product of a sequence of events that include integrin expression, focal adhesion formation, matrix reorganisation and focal adhesion kinase (FAK) phosphorylation. Two different materials with subtle variations in their chemical composition were employed as a drastically different FN conformation: from a globular conformation on PMA (poly (methyl acrylate)) to the formation of a well-interconnected FN network (similar to the FN physiological fibrillar network) triggered by PEA (poly (ethyl acrylate)). The formation of focal adhesions (vinculin), FAK expression and phosphorylation, specific integrin binding, protein and gene expression for ¿5 and ¿v was studied, seeking to correlate cell adhesion with matrix degradation. It is demonstrated that the material-driven FN fibrillogenesis on PEA triggers proteolytic activity: MMP activity is higher as a compensatory mechanism to the inability of cells to reorganise this FN network. Looking into the role of protein-material interactions and stem cell fate, and with the knowledge on PEA, we engineer different synergistic microenvironments to direct cell and stem cell fate. FN has a growth factor (GF) binding domain on its molecule (FNIII12-14) and has been demonstrated to produce a synergistic response when occurs at the same time the recognition of the cell binding domain (FNIII9-10). It is demonstrated that this domain is available on the FN coated PEA, and exploiting these interactions between PEA, FN and GF, it is developed a microenvironment to control cell behaviour and tissue repair. It is studied the BMP2 binding and presentation, the effect of BMP2 presentation on MSC proliferation and differentiation. These systems allow not only enhanced activity of GF compared to soluble administration, but also reduce GF doses, improving safety and cost effectiveness. Finally, the immunological reaction of the microenvironment developed is studied using dendritic cells, beside the conformational structure of ECM protein importance in DC integrin-based activation it is studied, helping to establish the field of adhesion-based modulation of DC as a general mechanism that has previously not been defined. The microenvironment didn't induce any maturation in DC, while different FN conformation shows differences in DC morphology and citokine level production (IL-10 and IL-12). / En esta tesis se estudia la interacción de una proteina de la matriz extracelular, fibronectina (FN) como interfase en la interacción entre células y materiales, para diseñar microambientes con el propósito de ser usados en el futuro en ingeniería tisular. Se estudia la adsorción y conformación de FN y la relación con el diferente comportamiento celular: la adhesión celular, la reorganización y remodelado de la FN en la interfase célula-material, el papel que juegan los factores de crecimiento y sus interacciones con los componentes de la matriz extracelular, la respuesta immunológica y el destino celular de células madre influenciadas por las señales extrínsecas provenientes de microambientes elaborados a partir de proteínas de la matriz extracelular. Con el objetivo de investigar la respuesta a la FN en términos de conformación y cantidad absorbida a diferentes propiedades químicas del material, se usaron materiales modelo: monocapas autoensambladas (self-assembled monolayers, SAM). Las químicas estudiadas fueron CH3 and OH. La adsorption de FN, adhesion y señalización (adhesiones focales, expresión de interinas y fosforilación de quinasas de adhesiones focales (FAK)) se estudiaron en relación a la reorganización y secreción de FN y degradación de la matriz extracelular. Se demuestra que la degradación de la matriz extracelular en la interfase célula-material depende de la química de la superficie, a través de las metaloproteinasas. Se ha descubierto una relación directa entre la actividad de la FN que se encuentra en el material y la expresión de metaloproteinasa 9 (MMP9), a través de la expresión de integrinas, formación de adhesiones focales, reorganización de la matriz extracelular y fosforilación de FAK En el siguiente capítulo se emplean materiales poliméricos con una sutil diferencia en la composición química, provocando una diferencia drástica en la conformación de la FN: se pasa de una conformación globular en PMA (polimetil acrilato) a una conformación en forma de red interconectada en PEA (polietil acrilato). Con el propósito de relacionar la adhesión celular con la degradación de la matriz extracelular, se estudia la formación de adhesiones focales (vinculina), la expresión y fosforilación de FAK, la unión específica de integrinas y la expresión de las integrinas ¿5 and ¿v. Se demuestra que la formación de una red de FN sobre PEA induce la actividad proteolítica: la actividad de las MMPs es mayor, actuando como mecanismo compensatorio a la incapacidad de reorganización de la red de FN. Haciendo uso de la conformación de la FN sobre PEA, se estudiaron las interacciones entre la proteína-material y el destino celular de células madres. La FN posee un dominio de unión de factores de crecimiento (FNIII12-14) y se ha demostrado que se produce una respuesta sinérgica cuando el reconocimiento ocurre junto con el dominio de unión celular (FNIII9-10). En esta tesis se demuestra que el dominio de unión de factores de crecimiento está disponible en la conformación que adquiere sobre PEA y se diseñan microambientes para controlar el comportamiento celular y regeneración de tejido. Se estudia la unión y presentación de BMP2 y su efecto en la diferenciación de células madre mesenquimales. Los microambientes desarrollados, ademas de mejorar la actividad de los factores de crecimiento comparado con la administración soluble, también reduce la cantidad de factores de crecimiento que se tendría que administrar, mejorando la seguridad y efectividad. Finalmente se estudió la reacción inmunológica a los microambientes desarrollados usando células dendríticas, estudiando además la influencia de la estructura de la conformación de las proteínas en la activación de las células dendríticas a través de las integrinas. Los microambientes no indujeron ninguna maduración de células dendríticas, mientras que la conformación de la FN muestra control / En aquesta tesi s'estudia la interacció entre una proteïna de la matriu extracel.lular, fibronectina (FN) com interfase en la interaccio entre cèl·lules i materials, per a dissenyar microambients amb el propòsit d'utilitzar-se al futur en enginyeria tissular. S'estudia l'adsorció i conformació de la FN i la relació amb el diferent comportament cel·lular: l'adhesió cel·lular, la reorganització i remodelat de la FN a la interfase cèl·lula-material, el paper que juguen els factors de creixement i les seus interaccions amb els components de la matriu extracel·lular, la resposta immunològica i el destí cel·lular de cèl·lules mare influenciades pels senyals extrínseques provinents de microambients elaborats a partir de proteïnes de la matriu extracel·lular. Amb l'objectiu d'investigar la respostar a la FN en termes de conformació i quantitat absorbida a diferents propietats químiques del material, s'utilitzaren materials model: monocapes autoacoblades (self-assembled monolayers, SAM). Les químiques estudiades van ser CH3 and OH. L'absorció de FN, adhesió i senyalització (adhesions focals, expressió d'integrines i fosforilació de quinases d'adhesions focals (FAK)) es van estudiar en relació a al reorganització i secreció de la FN i degradació de la matriu extracel·lular. Es demostra que la degradació de la matriu extracelular en la interfase cèl·lula-material depèn de la química de la superficie, a través de les metal·loproteïnases. S'ha descobert una relació directa entra l'activitat de la FN que es troba en el material i l'expressió de metaloproteinasa 9, a través de l'expressió d'integrines, formació d'adhesions focals, reorganització de la matriu extracel·lular i fosforilació de FAK. Al següent capítol es fan servir materials polimèrics amb una subtil diferència en la composició química, provocant una diferència dràstica en la conformació de la FN: es passa d'una conformació globular en PMA (polimetil acrilat) a una conformació en forma de xarxa interconnectada en PEA (polietil acrilat). Amb el propòsit de relacionar l'adhesió cel·lular amb la degradació de la matriu extracel·lular, s'estudia la formació d'adhesions focals (vinculina), l'expressió i fosforilació de FAK, la unió específica d'integrines i l'expressió de les integrines ¿5 and ¿v. Es demostra que la formació d'una xarxa de FN sobre PEA indueix l'activitat proteolítica: l'activitat de les MMPs és més gran, actuant com a mecanisme compensatori a la incapacitat de reorganització de la xarxa de FN. Fent ús de la conformació de la FN sobre PEA, es van estudiar les interaccions entre la proteïna-material i el destí cel·lular de cèl·lules mares. La FN posseeix un domini d'unió de factors de creixement (FNIII12-14) i s'ha demostrat que es produeix una resposta sinèrgica quan el reconeixement ocurreix juntament amb el domini d'unió cel·lular (FNIII9- 10). En aquesta tesi es demostra que el domini d'unió de factors de creixement està disponible a la conformació que adquireix sobre PEA i es dissenyen microambients per controlar el comportament cel·lular i regeneració de teixit. S'estudia la unió i presentació de BMP2 i el seu efecte en la diferenciació de cèl·lules mare mesenquimals. Els microambientes desenvolupats, a més de millorar l'activitat dels factors de creixement comparat amb l'administració soluble, també redueix la quantitat de factors de creixement que s'hauria d'administrar, millorant la seguretat i efectivitat. Finalment es va estudiar la reacció immunològica als microambients desenvolupats usant cèl·lules dendrítiques, estudiant a més la influència de l'estructura de la conformació de les proteïnes en l'activació de les cèl·lules dendrítiques a través de les integrines. Els microambients no van induir cap maduració de cèl·lules dendrítiques, mentre que la conformació de la FN mostra controlar la morfologia de les cèl·lules dendrítiques i / Llopis Hernández, V. (2017). Material-driven fibronectin fibrillogenesis to engineer cell function [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90412

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl. / The work presented in this thesis aims to extend the use of surface plasmon resonance (SPR) biosensors to generate more rapid, cost efficient and simple to use diagnostic tools to diagnose or follow serious medical conditions. This task required the development of a new SPR instrument that relies on an inversion prism (dove) and is able to reach a limit of detection (LOD) in the 10-6 refractive index unit (RIU) range, a value comparable to more complex commercial instruments. The developed SPR instrumentation is inexpensive, robust and very simple to manipulate. The other work presented in this thesis is based on reducing nonspecific interactions between the surface of SPR sensors and components in biological matrices such as urine, cell lysate, serum and whole blood. These nonspecific interactions induce SPR responses that have typically prohibited the use of SPR in these complex matrices. Amino acidshavebeen investigated for reduction of nonspecific binding (NSB) because they offer a wide variety of physico-chemical properties capable of tuning the physical properties of surfaces in a self-assembled monolayer (SAM) format. Initially, the attachment of one of 19 physiological 20 amino acids to 3-mercaptopropionic acid (3-MPA) allowed the formation of amino acid SAMs. Exposure of these surfaces to bovine serum revealed nonspecific interactions ranging from 400 ng/cm² to 800 ng/cm². Detection assays for β-lactamase (an enzyme produced by drug resistant bacteria at a micromolar level) demonstrated that the amino acid SAM is suitable for SPR biosensing. By using a solid phase approach, peptides were of 2 to 5 residues were synthesized to investigate NSB properties. The result of this study showed that adding amino acids decreased nonspecific interactions up to a peptide length of 5 amino acids. The best performing peptide, 3-MPA-(Serine)5-OH, resulted in low nonspecific adsorption of bovine serum proteins to a level of 180 ng/cm². This value is similar to nonspecific adsorption obtained under identical conditions for one of the best reported surfaces: polyethylene glycol-based SAMs at 100 ng/cm². The 3-MPA-(Serine)5-OH based SAM was used to calibrate β-lactamase, leading to its direct quantification in crude cell lysate. The detection limit for this analyte was 10 nM. A third generation of peptide, which is binary patterned, decreased significantly nonspecific adsorption to a level as low as 23 ± 10 ng/cm², a value comparable to the best surfaces known. This surface SAM allowed the calibration of matrix metalloproteinase-3 (MMP-3), a potential indicator of cancer. Direct quantification assays of MMP-3 in whole blood serum were achieved with the binary patterned peptides developed. The LOD for MMP-3 was 0.2nM over a 50 nM linear domain. A fourth generation of peptide based surfaces was developed, reducing the level of nonspecific adsorption of blood serum proteins to 12 ± 11 ng/cm2. These new surfaces were modified to attach His-tagged biomolecules enabling rapid screening of small ligands targeting the Cluster of differentiation-36 (CD36). Finally, the electroformation of peptide monolayers was studied to determine the optimal conditions needed to form an ultralow biofouling surface. It was demonstrated that the difference in potential applied during the formation of a peptide based layer influences the kinetics of formation and the arrangement of this layer. An optimal layer of 3-MPA-HHHDD-OH could be obtained in less than 6 min by applying a potential of 200mV vs Ag/AgCl to the SPR sensor.

Le microscope à force atomique (AFM) permet de caractériser avec une excellente résolution spatiale les surfaces d’échantillons de différentes natures et peut être mis en œuvre dans des milieux variés. Cette versatilité a favorisé le développement d’un grand nombre de techniques dérivées, destinées à investiguer diverses propriétés physiques locales. Le LGEP a ainsi réalisé un module, le Résiscope, capable de mesurer la résistance électrique locale à la surface d’un échantillon polarisé en continu, sur une gamme de 11 décades. Mise au point en mode contact, où la pointe exerce en permanence une force sur l’échantillon, cette technique fonctionne très bien sur des matériaux durs, mais trouve ses limites sur des échantillons mous ou fragiles puisque dans certaines conditions, la pointe peut altérer leur surface. Pour de tels échantillons, un mode contact intermittent, dans lequel la pointe vient à intervalles réguliers toucher très brièvement la surface, est plus approprié, mais complique la réalisation des mesures électriques. Le but de la thèse consistait à lever cette difficulté en modifiant le Résiscope pour pouvoir l’associer au « Pulsed Force Mode », mode intermittent où la pointe oscille à une fréquence de 100Hz à 2000Hz.Différentes évolutions matérielles et logicielles ont été apportées pour permettre le suivi temporel détaillé du signal de résistance électrique à chaque établissement/rupture de contact (indispensable pour passer en revue les phénomènes liés à l’intermittence), de même que pour pouvoir travailler à des vitesses de balayage acceptables. Pour l’imagerie, les meilleurs contrastes ont été obtenus grâce à une électronique de synchronisation et de traitement prenant en compte les valeurs de résistance électrique à des moments bien précis. Pour tester ce nouveau système, nous avons dans un premier temps comparé les courbes de résistance et de déflexion que nous obtenons par ce mode avec celles considérées classiquement dans le mode approche-retrait. Nous avons ensuite étudié l’influence des principaux paramètres (fréquence et amplitude d’oscillation, force d’appui, type de pointe, etc.) sur les mesures topographiques et électriques, en utilisant le HOPG comme matériau de référence. Ces essais ont notamment permis de mettre en évidence un retard quasi systématique du signal électrique par rapport au signal de déflexion (autre que le temps de mesure propre au Résiscope), dont nous n’avons pu élucider l’origine. Une fois ces connaissances acquises, nous avons étudié deux types d’échantillons organiques, l’un à caractère académique – des monocouches auto-assemblées d’alcanethiols (SAMs), l’autre à finalité plus applicative – des couches minces formées d’un réseau interpénétré de deux constituants (P3HT:PCBM) destinées aux cellules photovoltaïques. Dans les deux cas nous avons montré la pertinence de l’outil Résiscope en mode intermittent pour obtenir des informations qualitatives et quantitatives. Parallèlement à ces travaux sur matériaux fragiles, nous avons mené une étude annexe sur un phénomène de croissance de matière à caractère isolant constaté dans des conditions particulières sur différents matériaux durs, qui a été interprété comme la formation de polymère de friction sous l’effet des nano-glissements répétés associés à la déflexion du levier.Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE avec la société Concept Scientifique Instruments, adossée au projet ANR « MELAMIN » (P2N 2011). / The atomic force microscope (AFM) allows to characterize with excellent spatial resolution samples of different types of surfaces and can be implemented in various environments. This versatility has encouraged the development of a large number of derivative technics, intended to investigate various local physical properties. The LGEP thus achieved a module, the Résiscope, capable of measuring the local electrical resistance on the surface of a sample polarized continuously, on a range of 11 decades. Developed in contact mode, where the tip continuously exerts a force on the sample, this technic works well on hard materials, but finds its limits on soft or fragile samples since under certain conditions, the tip can alter the surface. For such samples, an intermittent contact mode, in which the tip comes at regular intervals touch very briefly the surface, is more appropriate, but complicates the achievement of electrical measurements. The aim of this thesis was to overcome this difficulty by changing the Résiscope to be able to join the "Pulsed Force Mode", intermittent mode where the tip oscillates at a frequency of 100Hz to 2000Hz. Different hardware and software changes have been made to permit the detailed temporal monitoring of the electrical resistance signal to each make / break contact (necessary to review the phenomena related to intermittency), as well as to be able to work in acceptable scan speeds. For imaging, the best contrasts were obtained through an electronic timing and treatment taking into account the electrical resistance values at specific times.To test this new system, we have initially compared resistance and deflection curves we get by this mode with those considered classically in the force-distance curves mode. We then investigated the influence of main parameters (frequency and amplitude of oscillation, setpoint, coating of the tips, etc.) on the topographical and electrical measurements, using the HOPG as reference material. These tests resulted to highlight a nearly systematic delay of the electrical signal relative to the deflection signal (other than the Resiscope measure time), which we were not able to elucidate the origin. Once these knowledge acquired, we studied two types of organic samples, one in academic nature - Self-Assembled Monolayers of alkanethiols (SAMs), the other more applicative purpose – formed of thin layers of an interpenetrating network of two components (P3HT:PCBM) for photovoltaic cells. In both cases we have shown the relevance of the Resiscope tool in intermittent mode to obtain qualitative and quantitative information. In addition to these work on fragile materials, we conducted an annex study on a phenomenon of growth material of insulating nature found in special conditions on various hard materials, which has been interpreted as the friction polymer formation as a result of repeatedly nano-sliding associated with the deflection of the cantilever. These investigations were conducted under a CIFRE agreement with the Concept Scientific Instruments company, backed by the ANR MELAMIN» (P2N 2011) project.

Les mono-couches auto-assemblées (SAMs) sont des systèmes de choix pour le développement de plateformes moléculaires aux propriétés physico-chimiques contrôlées. Il s’agit de monocouches organisées de molécules bi-fonctionnelles. Ces molécules se composent d’une fonction terminale modulable, séparée d’un groupement d’ancrage par un espaceur adapté. Ainsi, les propriétés des SAMs peuvent être ajustées pour le développement de systèmes électroniques moléculaires ou de capteurs (bio)-chimiques. De plus, des structurations chimiques supplémentaires peuvent être induites par irradiation.Les méthodes d’irradiation les plus courantes impliquent des particules de haute énergie. Les dommages induits résultent de plusieurs mécanismes en compétition (ionisations, excitations, dissociations). Dans cette thèse, les électrons lents (0-20 eV) sont utilisés comme particules primaires, et les processus d’interaction électron-SAM sont étudiés afin d’identifier les résonances d’attachement électronique. Aux énergies concernées, des processus dissociatifs sélectifs et efficaces peuvent être mis à profit pour proposer des stratégies d’irradiation menant à des modifications chimiques contrôlées et optimisées.Des SAMs modèles de thiols sur or sont étudiées par une technique de spectroscopie vibrationnelle de forte sensibilité de surface, la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons lents (HREELS). Elle permet à la fois de caractériser les SAMs et de sonder les processus d'interaction électron-molécule. Les résultats obtenus concernent les : 1) SAMs aromatiques modèles de terphénylthiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), stabilisables par réticulation sous irradiation. Une caractérisation vibrationnelle poussée de la SAM avant et après irradiation, en portant une attention particulière au comportement des modes d’élongation ν(CH), a permis d’opposer les processus de réactivité induite à 1, 6 et 50 eV.2) SAMs d’acide mercaptoundécanoïque (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), les fonctions acides terminales permettant par exemple le greffage de peptides. L’interface SAM / environnement (COO-/COOH, eau résiduelle) a été caractérisée grâce à la forte sensibilité des modes d’élongation ν(OH) aux liaisons hydrogène. La démarche mise en place peut être facilement transposée à d’autres systèmes. / Self-Assembled Monolayers (SAMs) are good candidates to develop molecular platforms with controlled physico-chemical properties. A SAM is an ordered monolayer of bi-functionnal molecules. These molecules consist of an adjustable terminal function, separated from a headgroup by a chosen spacer chain. Thus, SAMs properties can be adjusted for the development of molecular electronic systems or (bio)-chemical sensors. Furthermore, additional chemical structuration can be induced by irradiation.Most current methods of irradiation involve high energy particles. The induced damages result from several competitive mechanisms (ionisations, excitations, dissociations). In this thesis, low energy electrons (0-20 eV) are used as primary particles, and the interaction processes between electrons and SAMs are studied in order to identify electron attachment resonances. At the associated energies, selective and effective dissociative processes can be induced to propose irradiation strategies leading to controlled and optimized chemical modifications.Model SAMs of thiols on gold are studied by a vibrational spectroscopy technique of strong surface sensibility, high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). It allows at the same time to characterize SAMs and to probe electron-molecule interaction processes. The result obtained deal with : 1) Aromatic model SAMs of Terphenyl-thiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), which can be stabilized by cross-linking under irradiation. Induced reactive processes at 1, 6 and 50 eV were compared and opposed, thanks to an advanced vibrational characterization of the SAM before and after irradiation, and by paying a particular attention to the stretching mode ν(CH) behaviour.2) Mercaptoundecanoic acid SAMs (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), whose terminal functions allow for example the peptide anchoring. The interface SAM / environment (COO-/COOH, residual water) was characterized thanks to the strong sensitivity of the stretching modes ν(OH) to hydrogen bonding. The approach that was developped can be easily transposed to other systems.

Abstract : The objectives of this work were to prepare and characterize films of benzylic amide macrocycles and rotaxanes obtained by functionalisation of an acidterminated self-assembled monolayer (SAM) on gold, and thus to probe the aptitude of these surfaces for applications in the field of the nanotechnologies. We initially studied the self-assembled monolayer of 11-mercaptoundecanoic acid and focused on its composition, structure and organization. We show that the molecules of alcanethiol are oriented with the acid group pointing out from the surface. The film is highly ordered with defect density below 0.2%. We investigated the functionalisation process with the covalently bound Mac-OH macrocycle, with the physisorbed Mac-pyridine macrocycle and with the naphtalimide rotaxane. The latter is also anchored to the SAM through a non-covalent interaction. We focused on the comprehension of both quantitative as qualitative characteristics of the films, such as the degree of functionalisation, their stability with respect to external constraints, their order and homogeneity, their structure and their orientation. By combining techniques such as X-ray photoemission spectroscopy, infrared reflection-absorption spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemical and contact angle measurements, we demonstrated that the films of macrocycles reach a high degree of functionalisation. The layers are homogeneous and a preferential orientation of the macrocycle molecules with the plan of the ring tilted with respect to the surface and with the alkyl chains pointing-out from the films is observed. In addition, we studied the possibility of using the macrocycle films for molecular recognition, employing the Fc-Gly-Gly molecule as a model target. Through similar experiments and analysis, films of naphtalimide rotaxane were proven to give a good functionalisation of SAM. The molecule adsorbs with a preferential orientation of the linear axis parallel to the surface and the macrocycle unit normal to it. We characterized the fluorescent properties of the molecule due to the naphtalimide group and showed that when adsorbed on a gold substrate the presence of the self-assembled monolayer prevents total quenching. <br> Résumé : Les objectifs de ce travail étaient de caractériser des films de macrocycles et de rotaxanes de type amide benzylique obtenus par la fonctionnalisation de monocouches auto-assemblées d'alcanethiols, ayant un groupe acide terminal, sur une surface d'or, et ainsi de mettre en évidence certaines des potentialités de ces surfaces en vue d'applications éventuelles dans le domaine des nanotechnologies. Nous avons d'abord étudié la monocouche auto-assemblée de l'acide 11-mercaptoundecanoïque et particulièrement les aspects tels que la composition, la structure et l'organisation du film et nous avons mis en évidence que les molécules d'alcanethiol sont orientées dans le film avec le groupe acide vers l'extérieur de la surface, de façon à pouvoir interagir avec les molécules à greffer, et que le degré d'ordre de la monocouche est très élevé, en montrant celle-ci une fraction de défauts inférieure au 0.2% de l'aire totale du film. L'étude de la fonctionnalisation successive avec le macrocycle Mac-OH, lié de façon covalente, et le macrocycle Mac-pyridine ainsi que la rotaxane naphtalimide, ancrés à travers une interaction non-covalente à la monocouche auto-assemblée, a porté une attention particulière à la compréhension d'aspects tels que le degré de recouvrement de la surface, la stabilité vis-à-vis de contraintes externes, l'ordre et l'homogénéité, ainsi que la structure des films et l'orientation des molécules. Grâce à la combinaison de techniques telles que l'XPS, l'IRAS, les techniques électrochimiques, les mesures d'angle de contact et l'AFM, nous avons mis en évidence que les films de macrocycle atteignent un recouvrement élevé et homogène de la monocouche autoassemblée et qu'une orientation des molécules de macrocycle, avec une inclinaison du plan de l'anneau par rapport à la surface et pointant leurs chaînes alkyles vers l'extérieure du film, est observée. Ensuite, nous avons abordé la possibilité d'impliquer les films de macrocycle en tant que récepteurs moléculaires d'une molécule modèle, la Fc-Gly-Gly. Par une caractérisation similaire, les films de la rotaxane naphtalimide ont montré d'atteindre un recouvrement élevé de la surface de la monocouche avec une orientation privilégiée des molécules avec l'axe parallèle et le macrocycle perpendiculaire à la surface pour pouvoir interagir, à travers les fonctions pyridine du macrocycle, avec la monocouche. De plus, nous avons caractérisé les propriétés fluorescentes de la molécule, résidantes dans son groupe naphtalimide, lorsqu'elle est adsorbée sur un substrat métallique, l'or, affectées par la présence de la monocouche auto-assemblée.