Les verres bioactifs sont des matériaux particulièrement intéressants en régénération osseuse du fait de leur capacité à stimuler les cellules responsables de la croissance osseuse par les espèces qu’ils relarguent lors de leur dissolution et pour leur capacité à se lier à l’os. Au-delà de leur rôle comme matériau de comblement de défauts osseux, ils pourraient servir de support à la croissance en laboratoire de véritables greffons osseux cultivés à l’aide de seulement quelques cellules d’un patient. Afin d’être efficace, ce support doit posséder une architecture macroporeuse interconnectée pour permettre l’invasion cellulaire ainsi que la vascularisation, nécessaire à la survie des cellules. Ce travail de thèse a pour objectif la réalisation d’un tel support par l’ajout d’une étape de moussage au procédé sol-gel. Ce procédé a été utilisé pour la synthèse de matériaux aux porosités différentes permettant de déterminer une porosité plus prometteuse pour des essais in vivo qui ont montré l’invasion possible de cette mousse par des cellules osseuses. Ce procédé a de plus été rendu plus sûr par la mise au point d’une voie de synthèse alternative dans laquelle l’acide nécessaire au procédé de moussage, mais toxique, a été remplacé avec succès. Cette voie alternative a de plus permis l’organisation de la mésoporosité de la mousse. L’incorporation d’un élément d’intérêt biologique, le strontium, a été réalisé et son influence sur les propriétés et la réactivité du verre a été étudiée. Enfin, une voie de synthèse de nouveaux matériaux composites a été proposée : la grande bioactivité des verres bioactifs est conservée tout en ayant des propriétés mécaniques supérieures grâce à l’utilisation de la gélatine comme phase organique. / Bioactive glasses are very interesting materials for bone regeneration because of their ability to stimulate cells responsible for bone growth with ionic products released during dissolution and for their bone bonding ability. Beyond their role as bone filling materials, they can be used as support for growth of laboratory-made bone grafts cultivated from just a few cells of a patient. This support, named scaffold, has to be an interconnected macroporous architecture in order to allow cell invasion and vascularization which is essential to cell survival. The aim of this thesis work is the realization of such a scaffold using the sol-gel foaming process. This process has been used for the synthesis of materials with different properties that were compared for determination of the most promising for in vivo implantation and was indeed able to allow cell invasion. Moreover, this process was improved to be safer by replacement of hazardous catalyst. This new process also allowed the structuration of the mesoporosity inside the foams. Incorporation of a biologically active element (strontium) was realized and its influence on the glass properties and reactivity was evaluated. Finally, the synthesis of new composite materials has been proposed: the high bioactivity of bioactive glasses is preserved while better mechanical properties are obtained thank to the use of gelatin as organic phase.

This thesis reports on the chemical vapour deposition (CVD) growth of carbon nanostructures (mainly carbon nanotubes (CNTs)) on perovskite oxide surfaces with the aid of various catalysts. Two types of perovskite oxide, single crystal SrTiO3 (001) and polycrystalline BaSrTiO₃, have been used as catalyst supports (in metal-catalyst-involved CVD routes) or as catalysts (via metal-catalyst-free CVD routes) for the growth of carbon nanostructures. In metal-catalyst-involved cases, SrTiO₃ (001) single crystal has been proven, for the first time, to serve as a substrate for the growth of CNTs. Fe and Ni catalysts can be tailored in a controllable manner on SrTiO3 (001) surfaces prior to the CNT synthesis, forming truncated pyramid shaped nanocrystals with uniform size distributions. The growth of vertically aligned CNT carpets was realised with the aid of Fe on SrTiO₃ (001) surfaces, and it was further found that the CNTs grow via a base growth model. Furthermore, it is possible to grow helical carbon nanostructures on BaSrTiO3 substrates by introducing a Sn catalyst into the system. The synthesised helical carbon nanostructures follow a tip growth mode, where the structural and chemical aspects of catalyst particles gave rise to a wide range of carbon morphologies. CNTs were also grown on single crystal SrTiO₃ (001) and polycrystalline BaSrTiO3 substrates via metal-catalyst-free routes. The surface-roughness-tailored growth of CNTs was surprisingly achieved on a series of engineered SrTiO₃ (001) surfaces, where a correlation between the surface roughness/morphology of the substrates and the relevant catalytic activity was revealed. The growth of CNTs arises because the catalyst fabrication methods lead to the formation of SrTiO₃ asperities with nanoscale curvatures, over which the CNTs are generated throughout a lift-off process. Facet-selective growth of CNTs was observed on polycrystalline BaSrTiO₃ surfaces, where BaSrTiO₃ (110) facets lead to the growth of CNTs on them, whereas the (001) facets result in no growth at all. This observation was further analysed in the content of the adsorption and diffusion of carbon species on distinct BaSrTiO₃ facets, before reaching the conclusion that the formation of CNTs occurs through a metal-free, stack-up process driven by the assembly of the carbon fragments.

Ce travail de thèse a appréhendé les mécanismes de stockage/libération, d’un point de vue élémentaire et isotopique, du calcium (Ca) et du strontium (Sr) sur ou dans des phases minérales communes des sols (minéraux primaires, minéraux argileux, oxy-hydroxydes, carbonate pédogénétiques). Une méthode de mesure robuste du δ88Sr a dû être développée et validée par la mesure de matériaux de références internationaux, pour la plupart jamais mesuré dans la littérature. Les résultats montrent que l’adsorption du Ca sur des minéraux phyllosilicatés génère un fractionnement isotopique par prélèvement préférentiel de l’isotope léger (40Ca) dans nos conditions expérimentales lorsque les minéraux possèdent une charge structurale et une surface spécifique importante et/ou un espace interfoliaire ouvert à l’adsorption de cations hydratés. Une étude sur des rhizolithes en milieu naturel a mis en avant que l’utilisation des isotopes du Ca et du Sr permet un traçage de source et de mécanismes efficaces dans les thématiques touchant au stockage de ces deux éléments dans les sols. / This PhD thesis examined the mechanisms of storage and release, from and elementary and isotopically point of view, of calcium (Ca) and strontium (Sr) onto or into mineral phases commonly encountered within soils (primary minerals, clay minerals, oxy-hydroxides, pedogenic carbonate). A robust δ88Sr measurements method had to be developed in the laboratory and validated by the measurement of international reference materials, mostly never measured in the literature. The results of this work show that Ca adsorption onto phyllosilicate minerals generates a quantifiable isotopic fractionation by preferential uptake of the light isotope (40Ca) under our experimental conditions when the minerals have a significant structural charge and specific surface area and/or an interlayer space open to hydrated cations adsorption. A study on rhizoliths in natural environment has also highlighted that the combination of Ca and Sr isotopes allows an effective tracing of sources and mechanisms in the problematic related to the storage of these two elements within soils.

Les otolithes, croissances aragonitiques de l'oreille interne des poissons téléostéens, peuvent être utilisés comme traceurs des variations de l’environnement rencontrées par un individu au cours de sa vie. Un ensemble d’otolithes de Sciaenidae et d’Ariidae archéologiques et modernes a été étudié dans le but d'améliorer les méthodes de reconstruction paléo-environnementale utilisant les otolithes et les autres biominéraux carbonatés stratifiés. L'incorporation du strontium, l'élément lié à l'environnement le plus facilement accessible, a été étudiée par analyses ponctuelles et par cartographie de spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS). Une approche multivariée de cartographie rapide de l'environnement chimique a été mise en place pour déterminer le mode d’incorporation du Sr sur une superficie de 0,25 mm² avec une résolution micrométrique. Ces résultats démontrent pour la première fois avec une résolution latérale micrométrique sur des distances millimétriques que le Sr se substitue aléatoirement au calcium dans le réseau de l'aragonite, indépendamment de la concentration en Sr, de l’âge de l’individu ou de la période géologique. D’autre part, des cartes élémentaires sur des zones atteignant 2,6 mm² ont été collectées à des résolutions latérales micrométriques avec plusieurs techniques d'émission de rayons X (émissions provoquées par les particules des rayons X (PIXE) et fluorescence des rayons X par rayonnement synchrotron (SR-µXRF)). Ces cartes permettent l'examen détaillé de l'histoire de la vie d'un individu et de la taphonomie de l'échantillon avec une haute résolution temporelle, tout en identifiant les défauts ou les éléments abiogéniques. Enfin, la diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron (SR-XRD) a été utilisée pour cartographier la texture cristalline sur des sections complètes d'otolithes afin d’approfondir notre connaissance de la structure interne et de la croissance des otolithes. Ces développements fournissent des outils précieux pour de futures études des biominéraux, mais plus généralement pour les sciences des matériaux. La sélection et la mise en œuvre de ces méthodes ont été réalisées dans le but d’exploiter au maximum leur fort potentiel pour l'étude des biocarbonates stratifiés, tout en tenant compte des approches existantes et en cherchant à en améliorer certains aspects tels que la profondeur d'information, la résolution latérale, la sensibilité, et les dégâts d’irradiation provoqués par les faisceau. Ce travail démontre la stabilité et l'homogénéité de l'incorporation du Sr par substitution aléatoire au Ca dans l’aragonite biogénique des otolithes modernes et archéologiques. Des cartes multi-élémentaires ont été collectées à l'aide de la SR-µXRF dans un temps raisonnable de quelques heures, et permettent de distinguer une contamination ou des défauts dans l'échantillon, mais également de corréler les cartes obtenues à des observations microscopiques des sections pour fournir une résolution temporelle. Les orientations préférentielles des cristallites composant les sections d'otolithes ont été analysées par la méthode d’acquisition rapide « flyscan », permettant de réduire le temps de mesure à quelques minutes au lieu des quelques heures nécessaires auparavant. / Otoliths, aragonitic growths in the inner ear of teleost fishes, can be used as proxies for the water conditions experienced by an individual over its lifetime. A set of archaeological Sciaenidae and Ariidae otoliths and modern counterparts was studied with the objective of improving palaeoenvironmental reconstruction methodologies using otoliths and other incremental carbonate biominerals. The incorporation of strontium, the most accessible environment-related element, was studied by X-ray absorption spectroscopy (XAS) point analyses and mapping. A fast multivariate chemical environment mapping approach was implemented to determine the mode of Sr incorporation over an area of 0.25 mm² with micrometric resolution. XAS results demonstrate for the first time with a micrometric lateral resolution over millimetric distances that strontium randomly substitutes for calcium in the aragonite lattice, independent of strontium concentration, or individual or geological age. Elemental maps on areas up to 2.6 mm² were produced with micrometric lateral resolution X-ray emission techniques (Particle-induced X-ray emission (PIXE) and synchrotron X-ray fluorescence (SR-µXRF)). These maps permit the detailed examination of an individual’s life history and sample taphonomy with a high temporal resolution while also identifying defects or abiogenic elements. Synchrotron X-ray diffraction (SR-XRD) was used to map the crystal texture on complete otolith sections and may deepen understanding of otolith internal structure and growth processes, as well as providing a valuable tool for future studies of biominerals and advanced materials. The selection and implementation of methods were carried out with a view to maximise the potential contribution to the study of stratified biocarbonates, considering and seeking to complement existing approaches in aspects including information depth, lateral resolution, sensitivity, and beam damage. This work demonstrates the stability and homogeneity of Sr incorporation by random substitution for Ca in biogenic aragonite in both modern and archaeological otoliths. Multielemental maps were collected using SR-µXRF in a reasonable time scale of a few to several hours, with the ability to distinguish contamination and defects in the sample, as well as to correlate the maps to microscopic observations of the sections to provide temporal resolution. The preferential orientations of crystallites composing the otolith sections were analysed using the rapid acquisition ‘flyscan’ method, which reduces measurement time to minutes rather than hours.

Les oxydes de métaux de transition sont d'un grand intérêt en raison du large éventail de propriétés qu'ils présentent. Ils ont potentiellement de nombreuses applications technologiques dans le domaine de l'électronique, reposant en partie sur le développement de dispositifs pour la technologie de l'information nécessitant de les contacter avec des métaux. Ce travail de thèse, basé principalement sur l'utilisation de la spectroscopie de photoémission, porte sur une étude détaillée de l'interface Fe/SrTiO₃ réalisée à température ambiante, dans laquelle nous nous sommes intéressés en particulier aux propriétés structurales et électroniques. Nous montrons que le fer est épitaxié, que sa croissance est en îlots et que les films couvrent entièrement le substrat pour le dépôt de quelques monocouches atomiques. Nous mettons en évidence une réaction du métal avec le substrat lors de la formation de l'interface qui se manifeste par la présence de titane réduit à l'interface. Nous associons cette réduction du titane à la présence de lacunes d'oxygène à l'interface Fe/SrTiO₃. Alors que la hauteur de barrière Schottky attendue pour une jonction abrupte Fe/SrTiO₃(001) est d'environ 1 eV pour les électrons, nous montrons que la présence des lacunes d'oxygène à l'interface abaisse la hauteur de barrière Schottky à environ 0,05 eV. La création de lacunes d'oxygène lors du dépôt de fractions de monocouche de fer sur le SrTiO₃ conduit aussi à une métallisation de la surface du semi-conducteur. Ce mécanisme est relié à la création d'états donneurs chargés positivement associés aux lacunes d'oxygène pendant le dépôt. Pour déterminer le profil de bande dans le substrat nous avons résolu l'équation de Poisson à une dimension dans une approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité modifiée, en tenant compte de la couche d'accumulation d'électrons. Confrontant ces calculs avec nos résultats de photoémission nous trouvons que le potentiel de surface présente des inhomogénéités spatiales parallèlement à la surface. / Transition metal oxides are of great interest because of the wide range of properties they exhibit. They have potentially many technological applications in the field of electronics, especially based on the development of devices for information technology requiring contacting these oxides with metals. This thesis work, mainly based on photoemission spectroscopy, is a detailed study of the Fe/SrTiO₃ interface grown at room temperature in which we focus in particular on structural and electronic properties. We show that iron has an epitaxial growth with an island morphology and that films completely cover the substrate for the deposition of few atomic monolayers. We demonstrate that the metal reacts with the substrate during the formation of the interface which results in the presence of reduced titanium at the interface. We associate this reduction of titanium with the presence of oxygen vacancies at the Fe/SrTiO₃ interface. While the expected Schottky barrier height for a Fe/SrTiO₃(001) abrupt junction is about 1 eV for electrons, we show that the presence of oxygen vacancies at the interface lowers this Schottky barrier height to about 0.05 eV. The creation of oxygen vacancies during the deposition of fractions of iron monolayer on SrTiO₃ also leads to the metallization of the semiconductor surface. This mechanism is related to the creation of positively charged donor states associated with oxygen vacancies during deposition. To determine the band profile in the substrate, we solved the one-dimensional Poisson equation in a modified approach of the density functional theory taking into account the electron accumulation layer. By comparing these calculations with our photoemission results, we find that the surface potential has spatial inhomogeneities parallel to the surface.

Le ranelate de strontium (RS) est un traitement anti-ostéoporotique agissant sur la formation osseuse via les ostéoblastes et la résorption osseuse via les ostéoclastes grâce au Calcium Sensing Receptor (CaSR). L’activité physique (EXE) est bien connue pour améliorer les propriétés osseuses. Dans ce travail, nous avons étudié ① l’effet de différentes activités physiques (tapis roulant et impact). Nous avons observé que 10 impacts par jour pendant 8 semaines à 45cm de hauteur ont eu des effets bénéfiques sur l’os (paramètres de microarchitecture et biomécanique, marqueurs du remodelage). ② L’étude du RS et de l’EXE sur l’os de rate ovariectomisée a montré que le RS a des effets comparables à l’EXE et que le RS+EXE ont des effets cumulatifs sur l’os (paramètres de microarchitecture et biomécanique, marqueurs du remodelage). ③ Enfin, une étude in vivo sur des MLO-Y4 a montré la présence des CaSR sur la membrane des ostéocytes et leur nombre est modulé en fonction de la concentration en RS. De plus, le RS a un effet sur la différenciation des CSM lors d’une différenciation ostéogénique en favorisant la différenciation ostéocytaire et elle est modulée par la concentration en RS. En conclusion, ce travail a démontré l’importance d’une pratique d’un exercice physique et du traitement du RS contre l’ostéoporose : maintien de la balance du remodelage osseux du côté de la formation. L’effet cumulatif du RS+EXE s’explique par le fait que le RS agit sur les ostéoblastes, ostéocytes et ostéoclastes via les CaSR et l’EXE sur les mécanorécepteurs des ostéocytes. / Strontium ranelate (SR) is an anti-osteoroporotic treatment acting on bone formation via osteoblasts and bone resorption via osteoclasts thanks to Calcium Sensing Receptor (CaSR). Physical activity is well known to improve bone properties. In this work, we studied ① different physical acticities (treadmill and impact). We observed that 10 impacts per day during 8 weeks from 45cm of height had beneficial effects on bone (microarchitecture and biomechanical parameters, bone remodeling markers). ② The study of SR and EXE effects on bone ovariectomized rats showed that RS had similar effects to EXE and SR+EXE had cumulative effects on bone (microarchitecture and biomechanical parameters, bone remodeling markers). ③ Finally, an in vivo study on MLO-Y4 showed CaSR presence on osteocyte with their number depending on SR concentration. Moreover, RS had positive effects on CSM differentiation in favor of osteocyte differentiation and it is modulated by SR concentration. In conclusion, this work has demonstrated the importance of taking physical exercise as well as SR treatment for osteoporosis: maintaining the bone remodeling in favor of bone formation. The cumulative effect of SR+EXE is explained by the fact the SR acts on osteoblasts, osteocytes and osteoclasts via CaSR and the EXE on osteocyte mechanoreceptors.

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration < 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration < 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.

Le projet de thèse s’inscrit dans le Projet Investissement d’Avenir (PIA) DEMETERRES, dont l’objectif est le développement de méthodes et de technologies pour la décontamination et la remédiation des sols et effluents contaminés après un accident nucléaire. L’objectif de cette thèse est de mieux appréhender les interactions de 137Cs et 90Sr avec les différentes composantes des terres agricoles et ainsi être capable de prédire l’état chimique dans lequel ces éléments se trouveraient dans les sols en cas d’accident nucléaire. Une base de données dans le formalisme des échangeurs d’ions multi-sites a été mise en place, représentant les comportements d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans les illites et smectites (deux des principaux minéraux argileux) vis-à-vis des cations majeurs environnementaux H+, Na+ et Ca2+. Cette base de données a par la suite été utilisée pour tenter de prédire le comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans des échantillons de sols agricoles français (Pusignan, Etoile-sur-Rhône et Herqueville). De bonnes simulations du comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ ont été obtenues sur Pusignan et Etoile-sur-Rhône. Dans le cas d’Herqueville, la suppression de la MON n’a pas amélioré l’accord entre les simulations et les expériences, tandis que l’élimination de l’aluminium échangeable a lui permis une meilleure simulation de l’adsorption de Sr2+, mais pas de Cs+. Ces travaux permettent de simuler efficacement le comportement d’adsorption de Cs et Sr dans des sols et ainsi d’appuyer les stratégies de décontamination et remédiation après un accident nucléaire / This study is part of the DEMETERRES project, which aims to develop new methods and technologies in the field of decontamination and remediation of contaminated soils and effluents after a nuclear accident. The objective of this PhD is to obtain a better knowledge of 137Cs and 90Sr interactions onto agricultural soils and to better predict the chemical state of these elements in soils after a nuclear accident. A database in the multi-sites ion exchanger formalism has been built, reflecting the adsorption behaviours of Cs+ and Sr2+ onto illite and smectite (two major clay minerals) with regards to major environmental cations: i.e. H+, Na+, and Ca2+. It was used to predict the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto French agricultural soil samples (Pusignan, Etoile-sur-Rhône and Herqueville). Good simulations of the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto Pusignan and Etoile-sur-Rhône are obtained. In the case of Herqueville, the removal of NOM does not improve the agreement between experimental results and simulations, but the removal of exchangeable aluminum allows a better representation of the adsorption results of Sr2+ onto Herqueville, but not for Cs+. This work allows efficiently simulating the adsorption of Cs and Sr onto soils and support decontamination and remediation strategies after a nuclear accident

Le titanate de baryum et de strontium (BaSrTiO3) est un matériau diélectrique de synthèse à forte permittivité possédant la propriété d'être accordable lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Ceci est lié à sa structure cristalline à maille perovskite. Son intégration dans des dispositifs capacitifs est donc prometteuse pour l'industrie de la microélectronique. Il est déposé en couches minces par pulvérisation cathodique à partir de cibles pressées à froid au sein du laboratoire. L'étude de la croissance du matériau, dopé ou non, et de ses propriétés électriques à 100 khz ont permis d'envisager une montée en fréquence. Les évolutions de la permittivité diélectrique complexe et de l'accordabilité du matériau ont ainsi pu être étudiées sur un dispositif spécifique dans une gamme de fréquences allant de 1 à 60 ghz. L'utilisation d'un logiciel de simulation numérique par éléments finis (ELFI) dans le cadre de l'étude à haute fréquence permet de remonter aux caractéristiques propres du matériau, et ainsi d'interpréter plus finement les résultats issus de l'étude en basse fréquence. L'ensemble des connaissances acquises permet finalement de développer des dispositifs à capacité variable qui sont actuellement en cours d'élaboration au sein du laboratoire. / The barium and strontium titanate (BST) is a human made dielectric material with a high dielectric constant which is tunable once submitted to an electric field. This is due to its crystalline structure based on a perovkite mesh. Its integration into capacitive devices is thus fully promising for microelectronic industry. The material is deposited by RF magnetron sputtering from cold pressed targets made in the laboratory. Studying the growth of the material, doped or not, and its electrical properties at 100 kHz has allowed increasing frequency. The variations of the complex permittivity and tunability have thus been studied on a range of frequencies from 1 to 60 GHz. Using the numerical simulation software Elfi enables one to get a good estimation of the intrinsic properties of BST and a sharper explanation of the results obtained at low frequencies. This knowledge finally allows engineering in varactor devices, which is now in progress.

Les vésicules matricielles sont des organites extracellulaires impliques dans les processus de minéralisation. Nous avons détermine le mode d’action du strontium, ion contenu dans le principe actif d’un médicament antiostéoporotique sur les vésicules matricielles. Nous avons montre que le strontium agit en fonction de la concentration aussi bien sur la formation de l’hydroxyapatite que sur les activités phosphomonoéstérase et phosphodiestérase de la phosphatase alcaline tissu non spécifique. Pour des faibles concentrations (comprises entre 25 et 100^M), le strontium augmente l’activité phosphodiestérase et inhibe partiellement l’activité phosphomonoestérase. La balance entre la production de PPi, inhibiteur de la minéralisation et la production de Pi, essentiel a la formation d’hydroxyapatité pourrait être affectée par le strontium. / The matrix vesicles are extracellular organelles implicated in the process of mineralization.We determined the mode of action of strontium, ion contained in the active principle of an antiosteoporotic drug on the matrix vesicles. We showed that the action of strontium is concentration dependent on the hydroxyapatite formation and on phosphomonoesterase and phosphodiesterase activities of the tissue non specific alkaline phosphatase. At low concentration (between 25 and 100^M), strontium increased phosphodiesterase activity and inhibited partly phosphomonoesterase activity. The balance between the production of PPi, inhibitor of mineralization and the production of Pi, essential in the formation of hydroxyapatite could be affected by the strontium.