In this work, the modification of conducting substrates with thin (nanometer thick) aryl films via reaction with aryldiazonium salts was investigated. Two methods were used: modification by electro-reduction of the aryldiazonium salts and modification by spontaneous reaction of aryldiazonium the salts with the surface at open circuit potential. The majority of the studies were undertaken using p-nitrobenenze diazonium salt, which gives electro-active nitrophenyl (NP) films at the surface that can be detected and characterized by cyclic voltammetry. Films prepared spontaneously on carbon and gold electrodes at open circuit potential were characterized by electrochemistry, atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and water contact angle measurements. At both carbon and gold, spontaneous modification proceeds via electron transfer from the surface to the diazonium salt.Furthermore, on both types of surface, spontaneously prepared NP films were found to be loosely packed multilayers of less than 5 nm in thickness. The spontaneous reaction was utilized for the patterning of carbon, gold, silicon and copper surfaces by microcontact printing (μCP) with diazonium salts. The presence of spontaneously formed films upon printing was confirmed by cyclic voltammetry and AFM. The films were demonstrated to be useful for the tethering of further molecules to the surface. Patterns prepared by μCP were imaged using scanning electron microscopy (SEM) and condensation figures. The preparation of two-component systems, with different chemical functionalities attached to different, well-defined, regions of the surface, was demonstrated. The optimization of the long term activity of glucose oxidase hydrogels by covalent attachment of the hydrogels to modified carbon electrodes was investigated. Covalent attachment was demonstrated, but the resulting electrode-hydrogel surfaces did not show long-term activities superior to those for physisorbed hydrogels. It is suggested that the limiting factor for long-term hydrogel activity is not adhesion of the hydrogel to the surface, but degradation of enzymatic activity by H2O2.

Chapter 1 includes a review on dendrimers, their synthesis and applications, with a particular focus on urea-linked dendritic species. The synthetic strategy utilised in this body of work was based on the preparation of a number of branched synthetic building blocks possessing differing terminal functionality. These branched dendrons, bearing three terminal residues and based on the cheap starting material tris(hydroxymethyl)aminomethane (TRIS) 23, involved the coupling of 3.3 equivalents of an appropriately para-substituted benzoic acid chloride with BOC protected TRIS 24 in DCM in the presence of triethylamine. The p-nitro, p-methoxy and p-methyl benzoyl chloride starting materials were obtained commercially, whilst N-(4-carboxyphenyl)maleimide was synthesised according to literature procedures. The BOC protected dendrons (25–27, 34) were synthesized in yields ranging from 50–92%. Deprotection of the BOC protected dendrons 25 and 26 in DCM with TFA, followed by the addition of 1M Na2CO3 afforded the TFA salts 35 and 36, respectively. The corresponding free base amines 37 and 38 were obtained on further treatment of the TFA salts with sodium carbonate. Deprotection of the BOC protected dendrons 27 and 34 afforded the free amines 39 and 48 directly after treatment with sodium carbonate. Synthesis of functionalised branched molecules containing 6- and 9-peripheral functionalities was achieved by refluxing 2 or 3 equivalents of the free amine dendrons with the bi- or tri- functional isocyanate cores, 15 and 45, in refluxing DCM, in most cases the products precipitated from the reaction mixture after 18 h and were isolated simply by filtration, otherwise the removal of the solvent from the reaction mixture afforded the spectroscopically pure product. Conversion of the peripheral nitro functionalised species 14 and 21 to the corresponding amines occurred smoothly via hydrogenation using 5% Pd/C under elevated temperature and pressure (DMF, 55 ºC, 600 psi) and afforded the polyamine 6-mer 51 in 92% yield and the 9-mer 50 in 90% yield, respectively. Similarly, conversion of the methoxy coated 9-mer 42, to the corresponding phenolic compound (AlBr3, dodecane thiol, DCM) afforded the 9-mer polyphenol 52 in an 87% yield. All compounds prepared were fully characterised and crystal structures were obtained for 26 and 35. Chapter 2 includes a review on self-assembled monolayers of organosulfur compounds on gold, applications, patterning techniques and techniques for the characterisation of these surfaces. A number of surface monomers were successfully synthesized, to be used for various surface functionalisations, including the formation of an amine reactive N-hydroxysuccinimide (NHS) disulfide 53, via the DCC coupling of 11,11’-dithiobisundecanoic acid 54 with N-hydroxysuccinimide with an isolated yield of 30%. A novel protein-resistant monomer 58 was also synthesized from 11-undecanoic acid 55 via an acid chloride coupling with triethylene glycol monomethyl ether 58, and isolated in a 72% yield. A number of attempts were made to produce an acyl azide SAM monomer 59, with success finally achieved via the acid chloride coupling of 11,11’-dithiobisundecanoic acid 54 with 5-amino-1,3-benzenedicarbonyl diazide 62 to produce 59 with an isolated yield of ~ 30%. Gold surfaces were prepared on atomically flat silicon wafers using an argon-ion sputterer. SAM films were formed on the gold surfaces via traditional solution based self-assembly methodology. A UV patterning protocol was developed, and a successful patterning trial using the NHS terminated monomer to backfill the UV exposed areas of a dodecane thiol monolayer was achieved and visualized using AFM and fluorescence microscopy after treating the surface with aminofluorescein. The covalent attachment of green fluorescent protein to the monolayer surface via reaction with the NHS terminated monolayer was demonstrated. The fluorescence of the biomolecule was preserved. The formation of a monolayer using the acyl azide monomer 59, was characterised by contact angle and XPS analysis. However, preliminary studies into the activation of the acyl azide surface into the reactive isocyanate were unsuccessful. There is however, significant scope for further investigations into this interesting surface technology. Chapter 3 includes a review on heterobifunctional linker technology with a particular focus on amine and thiol reactive moieties and literature examples of heterobifunctional linkers of this type. Synthesis of heterobifunctional reagents such as 71 and 74 via a two step synthetic methodology involving the coupling of maleic anhydride with the parent amino-acids in acetic acid, followed by a one pot cyclisation and NHS esterification using DCC in DMF were successful, with overall yields of 9% and 32% respectively for the two reaction steps. The one pot extension of 74 with 6-aminohexanoic acid, followed by DCC, facilitated NHS esterification was achieved successfully in a yield of 30%. Attempts to extend 74 with the synthesised amino acid 88 were unsuccessful due to the insolubility of 88 in organic solvents. A different synthetic strategy was devised towards the synthesis of 85 with the coupling of 74 and mono BOC protected ethylene diamine 91 in DCM to give 93 in an isolated yield of 60%. Deprotection of the terminal amine was achieved via reaction with TFA in DCM however all attempts to prepare the free amine were unsuccessful. Subsequent attempts to couple 94 with both succinic anhydride and 92 were unsuccessful. A maleimide functionalized crown ether was synthesised as a molecule for protein modification via the reaction of 74 with 4’-aminobenzo-15-crown-5 97 to produce 98 in an 80% yield. All compounds were fully characterised with crystal structures obtained for 74, 79 and 89.

Avec une mortalité après pancréatectomie de l'ordre de 5 % et une morbidité aux alentours de 50 %, la chirurgie pancréatique est l'une des plus délicates des interventions digestives. L'une des complications les plus graves est l'apparition de fistules pancréatiques (FP), c'est-à-dire un défaut d'imperméabilisation au niveau des sutures, impliquant une fuite enzymatique dans le milieu péritonéal qui peut engager le pronostic vital du patient. A ce jour, aucun dispositif médical n'est indiqué dans la prévention de ces FPs. Ainsi, ce projet a pour ambition de concevoir et de valider un biomatériau constitué d'une matrice absorbante qui assurera la double fonction d'éponge et de réservoir d'agent antibactérien, sur laquelle un greffage chimique devrait conférer des propriétés bioadhésives thermorégulées. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation de la matrice absorbante, à base d'alginate et de chitosane, déjà développée lors d'une précédente thèse. Trois types de procédés de séchages ont été comparés : le séchage par évaporation, la lyophilisation et le séchage en milieu CO2 supercritique. Ces différents procédés conduisent à des matériaux de structures internes et de porosités différentes. L'impact de ces différences de structure a été évalué en termes de capacité de gonflement dans différents milieux, dont un milieu pancréatique simulé, mais aussi en termes de résistance enzymatique et de libération de principe actif. En tenant compte des résultats obtenus, le séchage par évaporation a été identifié comme le plus approprié pour la suite de l'étude. Dans une deuxième partie, du poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) a été synthétisé par polymérisation contrôlée (RAFT) afin d'être greffé sur la matrice absorbante. Le PNIPAM est un polymère thermosensible dont les propriétés bioadhésives sont directement dépendantes de la température. Ce polymère est généralement bioadhésif au-dessus de sa " lower critical solution température " (LCST), située aux alentours de 32 °C. Dans cette étude la masse molaire et la densité de greffage du PNIPAM sont les deux principaux paramètres étudiés pour son greffage sur les matrices. Enfin, les propriétés de surface des matrices greffées ont été caractérisées. Les matériaux ont montré, in vitro, des propriétés bioadhésives thermosensibles, avec une bioadhésion cellulaire observée principalement au-delà de la LCST. Les essais ex vivo ont cependant montré une bioadhésion sur organe plus importante en dessous de celle-ci. Cette étude a permis de mettre au point des biomatériaux absorbants aux propriétés de surface thermorégulées. Une compréhension plus fine des relations propriétés de surface/propriétés d'usage permettrait d'optimiser les propriétés de bioadhésion thermorégulée. / Pancreatic surgery, which leads to 5 % of mortality and around 50 % of morbidity, is one of the most critical digestive operations. The most serious complication is the appearance of pancreatic fistulas (PFs), i.e. enzymatic leaks from the surgical sutures to the peritoneal environment that can lead to the life threatening of the patient. To date, no medical device is indicated for the prevention of these FPs. The aim of this project is to design and validate a biomaterial constituted of a matrix that will ensure the dual function of absorbent and antibacterial agent reservoir, on which a chemical grafting should confer thermoregulated bioadhesive properties. The first part of this work is devoted to the optimisation of the absorbent matrix, based on alginate and chitosan, already developed during a previous thesis. Three types of drying processes were compared: drying by evaporation, lyophilisation and drying in supercritical CO2 medium. These different processes led to materials with different internal structures and porosities. The impact of these structures was evaluated in terms of swelling capacity in various media, including a simulated pancreatic environment, but also in terms of enzymatic resistance and release of an active molecule. Taking into account the obtained results, drying by evaporation was identified as the most appropriate process. In a second part, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) was synthesised by controlled polymerisation (RAFT) in order to be grafted onto the absorbent matrix surfaces. PNIPAM is a thermosensitive polymer with bioadhesive properties which depend on the temperature. This polymer is usually bioadhesive above its lower critical solution temperature (LCST), around 32 ° C. In this study, the molar mass and the grafting density of PNIPAM are the two main parameters studied for the surface modifications. Finally, the surface properties of the grafted matrices were characterised. In vitro, the materials showed thermosensitive bioadhesive properties, with a cellular bioadhesion mainly observed above the LCST. However, ex vivo tests exhibited higher bioadhesion on porcine organs at lower temperatures. This study led to the development of absorbent biomaterials with thermoregulated surface properties. Further understanding of the relationship between surface properties and in vivo bioadhesion would allow the optimisation of the thermoregulated surface properties.

The present PhD thesis, entitled: "Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and a toxicological approach" focuses on the study of protection and controlled release of natural bioactive agents, derived from essential oil components (EOCs), encapsulated in mesoporous silica particles (MSPs). In addition, this thesis evaluatesthe silica-based supports to reduceundesirable sensorial propertiesandfor ensuring a low-health risk. The first section of the thesis shows the effect of encapsulation of EOCs in mesoporous silica supports. This study evaluates the efficiency of free and encapsulated EOCs to reduce the viability of cancer colon cell lines. This sectionalso shows the selectivity of encapsulated EOCs against cancer linesandtheir effect onnormal (non-cancer) colon cells. Results indicate that EOCs effect can be enhanced and sustained in time when EOCs are encapsulated. Moreover, EOCs' encapsulation shows promising specificity indices, reaching to double effect on colon cancer cells above normal cells. On the other hand,the encapsulation supports and their surface functionalization allows the odour masking of high volatility EOCs. Therefore, the delivery system based on MSPs represents an excellent alternative to promote controlled EOCs release, taking advance of their bioactive properties and solving the technical disadvantages related to volatility and unpleasant odours. Finally, samples used for garlic components encapsulation were immobilised in nanofibers to provide homogeneous and easy-to-handle hybrid system for controlling delivery.The developed 'composite' has potential applications on food, pharmacology, medical or engineering fields. The second sectionof the thesis evaluates the toxicity of the mesoporous silica supports through in vitro and in vivo assessments. Cell viability allows to identify the cytotoxic impact based on the kind of silica-based support, and their features (doses range, size and surface structure changes). Furthermore, the use of Caednorhabditis elegansmodel,shows the in vivo effects afterMSPs ingestion. The toxicological study confirms that size and surface structure, are decisiveMSPs' featuresfor reducing the toxicity risks for health. In summary, the present thesis evaluates the mesoporous silica-based particles as supports for EOCs encapsulation and identifies the main MSPs' features forreducingthe health-toxicity impact. Results of this thesis show that MSPs improve the EOCs activity and help to solve technical problemsof EOCs' volatility.Moreover, these results open up a suitable and safety option for oral delivery devices. / La presente tesis titulada: "Componentes de aceites esenciales encapsulados en soportes mesoporosos de sílice: una evaluación de sus propiedades bioactivas y un enfoque toxicológico" se centra enla evaluación de las propiedades funcionales y organolépticas de agentes naturales bioactivos, derivados de componentes de aceites esenciales, encapsulados en materiales mesoporosos de sílice; a la vez que evalua la toxicidad de los soportes utilizados,con el fin de proponer nuevos sistemas de liberación controlada por vía oral. La primera sección de esta tesis muestra el efecto de la encapsulación de los compuestos de aceites esenciales (EOCs, por sus siglas en inglés) en soportes mesoporosos de sílice. Por un lado, seevalúa la eficiencia de los EOCs libres y encapsulados para reducir la viabilidad en líneas celulares de cáncer de colon. Además, se evalúa la selectividad de los EOCs frente a células de colon normales (líneas no tumorales). Por otro lado, seestudia la capacidad de enmascaramiento de olor de los soportes. Los resultados obtenidos, evidencian en primer lugar, que los EOCs encapsulados mejoran su actividad frente a células de cáncer,en comparacióncon la respuesta de los compuestos sin encapsular. La encapsulación hace que el efecto de los EOCs sea sostenido en el tiempo, y muestra índices de especificidad prometedores, cuandose evalua el efecto toxico de los EOCsfrente a células de cáncer de colon y células normales. Los resultados de esta primera sección, indican que los soportes basados en partículas de sílice mesoporosa (MSPs, por sus siglas en inglés) protegen y liberan eficientemente los compuestos, sino que, a la vez que la funcionalización de la superficie de las MSPs permite enmascarar el olor de los compuestos de mayor volatilidad, y con mayores inconvenientes a nivel sensorial (p.e. compuestos derivados del ajo). Por lo tanto, el sistema de encapsulación se plantea como una excelente alternativa para (i) promover la liberación controlada de EOCs, (ii) aprovechar y mejorar el efecto de sus propiedades bioactivas en células de cáncer de colón y (iii) controlar las desventajas técnicas relacionadas con la volatilidad y limitaciones organolepticas. Por último, se ha comprobado que los soportes empleados en la encapsulación de los compuestos derivados de ajo, mantienen su funcionalidad luego der ser inmovilizados en nanofribras de nylon.Con esto, se busca desarrollar un nuevo sistema de 'composite';un material híbrido y homogéneo, fácil de manejar, que libera controladamente los compuestos encapsulados desde soportes tipo fibras (composites).Estoexpande el abanico de aplicaciones de los EOCs en laindustria alimentaria y farmacológica. La segunda sección de esta tesis, evalúa la toxicidad de los soportes de sílice mesoporosa (MSPs) mediante ensayos in vitro e in vivo. En primer lugar, la viabilidad celular permite identificar el impacto citotóxico de los MSPs sobre líneas celulares de colón. En particular, se evalúa los soportes mesoporosos de sílice, tipo MCM41, en función de (i) las dosis empleadas, (ii) la diferencia de tamaño (micro y nanopartículas) y (iii) el efecto que la funcionalización de la superficie genera en la viabilidad celular. Por otro lado, empleando el modelo Caednorhabditis elegans, yadministrando por vía oral las MSPs,se evalua la influencia de las características de laspartículas (MSPs) en función de la esperanza de vida (lifespan) y la calidad con la que viven y envejecen (healthspan) los nematodos. Los resultados de este estudio,muestran que el tamaño y la estructura de la superficie de las partículas, son parámetros determinantesal momento de diseñar soportes de bajoriesgo toxicológico. En resumen, la presente tesis ha evaluado las características de la sílice mesoporosa, micro y nanoparticulada, como soporte de encapsulación para mejorar la actividad y las aplicaciones de los compuestos de aceites esenciales, al mismo tiempo / La present tesi titulada: "Components d'olis essencials encapsulats en suports mesoporosos de sílica: una avaluació de les seves propietats bioactives i un enfocament toxicològic" se centra en estudis de protecció i alliberament controlat d'agents naturals bioactius, derivats de components d'olis essencials, encapsulats en materials mesoporosos de sílica. Els components d'olis essencials encapsulats milloren les seves propietats funcionals i redueixen els problemes sensorials per aplicacions futures, garantint, al mateix temps, la baixa toxicitat dels suports desenvolupats. La primera secció de la tesi mostra l'efecte d'encapsulació dels components d'olis essencials (EOCs, per les seves sigles en anglès) en suports mesoporosos de sílica sobre la millora de les seues propietats bioactives i el camuflament de problemes sensorials. Este estudi avalua l'eficiència dels EOCs lliures i encapsulats per a reduir la viabilitat en línies cel¿lulars de càncer còlon. A més, la selectivitat dels EOCs es va provar enfront de cèl¿lules de còlon normals (no canceroses). Els resultats han demostrat que l'efecte dels EOCs pot ser millorat i sostingut en el temps quan els EOCs estan encapsulats. Encara més, l'encapsulació dels EOCs mostra índexs d'especificitat prometedors, arribant a duplicar la toxicitat en l'efecte en les cèl¿lules de càncer de còlon amb comparacio en les cèl¿lules normals. Els resultats també mostren que els suports basats en partícules de sílice mesoporoses (MSPs, per les seves sigles en anglès) no sols protegixen i alliberen EOCs eficientment, sinó que, a més, la funcionlització en superfície de les MSPs permet emmascarar l'olor dels EOCs d'alta volatilitat, que té una aplicació limitada a causa dels seus problemes sensorials(p.e. compostos derivats de l'all). Per tant, el sistema de subministrament proposat resulta una excel¿lent alternativa per a (i) promoure l'alliberament controlat de EOCs, (ii) avançant en les seues propietats bioactives en cel¿lulas de càncer còlon i (iii) controlant els desavantatges tècnics relacionats amb la volatilitat i la disseminació desagradable de les olors. Finalmet, les mostres utilitzades per encapsulació de compostos d'all es van immobilitzar en nanofibres per a proporcionar un sistema híbrid homogeni i fàcil de manejar amb administració controlada i característiques bioactives, per aplicacions potencials en l'àrea d'alimentació, farmacologia, medicina o enginyeria. La segona secció avalua la toxicitat del suports de sílice mesoporosa per mitjà d'avaluacions in vitro e in vivo. La viabilitat cel¿lular permet identificar l'impacte citotòxic basat en el tipus de suport base de sílice i les seues característiques (rang de dosi, grandària i canvis en l'estructura superficial).A més, utilitzant el model in vivo Caednorhabditis elegants, s'ha estudiat la influència de les característiques de la sílice mesoporosa, administrant micro i nanopartícules de base sílice, no sols en l'esperança de vida, sinó també en el comportament dels nematodes durant el seu envelliment. Aquest estudi ha demostrat que la grandària i l'estructura superficial, són decisius per a reduir el risc de toxicitat dels suports de sílice mesoporosa i obrir la possibilitat d'utilitzar estos materials en aplicacions d'ingesta oral. En resum, la present tesi ha avaluat les característiques de les partícules de sílice mesoporosa, com a suports d'encapsulació per a millorar l'activitat i les aplicacions dels EOCs, alhora que es va avaluar el seu principal risc tòxicologic. En conseqüència, els resultats obrin una opció adequada i de seguretat per als dispositius d'administració oral. / Acosta Romero, C. (2017). Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and toxicological approach [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90653 / TESIS

Cette thèse se focalise sur le design, la synthèse et la caractérisation photophysiques de complexes de platine(II) neutres contenant un ligand chromophore tridenté et un ligand auxiliaire monodenté avec des groupes fonctionnels différents. De tels complexes montrent des changements drastiques de leurs propriétés de photoluminescence à cause de leur auto-assemblage, déclenché par l’établissement de faibles liaisons non covalents tels que l’empilement p-p et des interactions métallophiliques. Il a été démontré que ces complexes de platine(II) peuvent être attaché de manière covalente à des surfaces de silice et d’or mais aussi encapsulé dans des particules de polymère. Les propriétés d’autoassemblage de complexes de platine(II) amphiphiles ont également été étudiées en détails. Comprendre le comportement d’un complexe de platine dans un mélange de solvant nous a permis d’en apprendre plus sur le co-assemblage supramoléculaire de deux complexes de platine(II) différents. Cette approche conduit à la formation de fibres solvatochromiques avec des propriétés photophysiques spécifiques et réversibles. Les composés étudiés et leur auto-assemblage sonti ntéressant pour le développement de nouveaux matériaux fonctionnels aux applications sensoriels et réactives à certains stimuli. / This thesis focuses on the design, synthesis and the photophysical characterisation of luminescent neutral platinum(II) compounds containing a tridentate chromophoric ligand and a monodentate ancillary moiety with different functionalities. Such complexes exhibited drastic changes to their photoluminescence properties upon self-assembly, triggered by the establishment of weak noncovalent p-p stacking and metallophilic interactions. It was demonstrated that these platinum(II) complexes can be covalently attached to silicon and gold substrates but also encapsulated into polymer particles. The self-assembly properties of amphiphilic platinum(II) complexes have also been intensively studied. Understanding the behaviour of one complex in a solvent mixture allowed further investigation into the supramolecular co-assembly of two different platinum(II) complexes. This approach leads to the formation of solvatochromic fibers with specific and reversible phototophysical properties. The investigated compounds and their assemblies were useful for the development of novel functional materials for sensing or stimuli-responsiveness applications.

La formation de biofilms bactériens pathogènes est un problème important, particulièrement dans les secteurs médicaux et agro-alimentaires. La formation contrôlée de biofilms de la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) est sélectionnée ici comme méthode potentielle pour prévenir la contamination de surfaces par des bactéries pathogènes. Nous avons étudié le développement de biofilms de LGG ainsi que leur possible contrôle en combinant des approches physico-chimiques et de fonctionnalisation de surface. L’impact des conditions environnementales sur la cinétique de croissance des biofilms et sur leur composition biochimique a été analysé par des mesures in situ et en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) sous conditions de flux. Ces données ont été complétées par des images de microscopie en épifluorescence permettant d’obtenir des informations sur la distribution et la forme des cellules bactériennes sur la surface à des étapes clé du développement du biofilm. Compatible avec les mesures ATR-FTIR, un cristal de séléniure de zinc a été choisi comme substrat, nu ou fonctionnalisé avec des monocouches auto-assemblées d’alcane-thiols (SAMs). Différents groupes fonctionnels ont été étudiés : méthyl (-CH3), hydroxyle (-OH) ou amine (-NH2) pour obtenir respectivement des substrats hydrophobe, hydrophile ou chargé positivement. La cinétique d’auto-assemblage des SAMs, leur organisation et l’énergie de surface ont été étudiées en combinant ATR-FTIR, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford à hautes énergies et mesures d’angles de contact. L’analyse des spectres ATR-FTIR des biofilms de LGG enregistrés in situ et en temps réel pendant 24 heures a montré un rôle important du milieu nutritif sur la composition biochimique et le métabolisme bactériens. Les propriétés du substrat ont un impact faible sur la composition biochimique des biofilms, mais ont un rôle crucial sur leur force d’attachement à la surface. Ce travail pluridisciplinaire a fourni des informations sur l’influence de l’environnement, et particulièrement des caractéristiques du support, sur les propriétés des biofilms aux échelles moléculaire et cellulaire. La méthodologie développée dans ce travail peut notamment être utilisée dans la recherche des conditions les plus favorables à la croissance des biofilms de bactéries probiotiques. / Biofilm formation by pathogenic bacteria brings concerns, particularly in food and medical sectors, and is associated with high sanitary risks and economic losses. Biofilms of probiotic bacteria can potentially be used to prevent the surface contamination by pathogenic species. This work was focused on the investigation of the development of biofilms of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and the possible control of their formation by combining surface functionalisation and physico-chemical approaches. The effect of different environmental conditions on the kinetics of the biofilm growth and on its biochemical composition was analysed by in situ and real time measurements with infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (ATR-FTIR) under flow conditions. These data were complemented by epifluorescence images providing information on the surface distribution and the shape of the bacterial cells at specific stages of the biofilm development. Compatible with ATR-FTIR measurements, a zinc selenide (ZnSe) crystal was chosen as a substrate, bare or functionalised with self-assembled monolayers (SAMs). SAMs were formed from alkanethiols terminated by methyl (-CH3), hydroxyl (-OH) or amine (-NH2) groups to obtain hydrophobic, hydrophilic and positively charged substrates, respectively. The kinetics of self-assembly of the alkanethiols onto ZnSe, the organisation of the molecules, their areal density and the surface energy of thus obtained surfaces were studied preliminarily to the biofilm cultivation by means of ATR-FTIR spectroscopy, high energy Rutherford backscattering spectrometry, and contact angle measurements. The analysis of the ATR-FTIR spectra of LGG biofilms recorded in situ and in real time during 24 hours revealed an important role of the nutritive medium in the biosynthesis of nucleic acids, phospholipids, polysaccharides and lactic acid. Substrate properties had low impact on the biochemical composition of LGG biofilms, but had a critical role in the strength of attachment of cultivated biofilms. The findings of this multidisciplinary work provide a fundamental understanding of how the direct environment, including a support surface, influences the properties of bacterial biofilms at the molecular and cellular scales, based on which favourable conditions for the enhancement of probiotic biofilm growth and its mechanical stability can be chosen.

Dans une opération de mise en forme, les propriétés volumiques des matériaux ne sont pas les seules garantes de la réussite du procédé. Les aspects surfaciques, en lien notamment avec les propriétés tribologiques des corps en contact (tôle, lubrifiant, outils) se révèlent tout aussi importants. Il convient en ce sens de maîtriser et optimiser autant que faire se peut les conditions de contact lors d’un glissement entre la tôle et l’outillage afin d’assurer la réussite de l’opération de formage.Ces travaux de thèse portent sur la caractérisation d’une solution alternative de lubrification, nommée AFULudine, par fonctionnalisation de surface à base de molécules organiques ; solution ayant pour ambition de se substituer aux huiles minérales chlorées, performantes dans le travail des aciers inoxydables mais particulièrement nocives pour l’environnement et difficiles d’application.Les caractérisations physico-chimiques de surface (IR, électrochimie, MEB) montrent le greffage effectif d’une couche de molécules chimisorbées en surface de l’oxyde métallique, avec une cinétique de l’ordre de quelques secondes. Celle-ci est recouverte d’amas cristallisés et formés en un second temps pendant la phase d’évaporation du solvant. Des analyses morphologiques des cristaux sont réalisées montrant que leur densité et leur structure sont intimement liées au bon comportement tribologique de la surface fonctionnalisée.Le comportement tribologique des tôles (substrat en acier inoxydable ferritique K41 – 1.4509) ainsi traitées a été investigué à la fois grâce à un tribomètre d’étirage-plan permettant de découpler les influences de différentes conditions de sollicitations, telles que la pression de contact, la montée en température des outils ou encore l’influence de la déformation plastique à coeur du matériau, mais aussi en conditions réelles, à l’aide d’une presse d’emboutissage semi-industrielle. De manière plus fondamentale, la formation et la stabilité du tribofilm créé à l’interface a été analysé par l’utilisation d’un micro-tribomètre linéaire en géométrie sphère/plan couplé à de la microscopie électronique et des analyses EDS. / During forming processes, bulk properties of material are not the only guarantee in a process achievement. Surfacicalaspects, mainly coupled with tribological properties of bodies in contact (metal sheet, lubricant, tool) prove to be alsosignificant. It is therefore necessary to control and optimize the contact conditions during a sheet/tool sliding in order toguarantee the success of a forming process.The present work concerns a green lubricant solution characterization, named AFULudine, produced by thefunctionalization of the metallic surface with organic molecules. This solution was developed in substitution to the usualmineral oils, effective in stainless steel stamping but deterious for environment.Physicochemical surface characterization (IR, electrochemistry, SEM) show that the grafting of chemisorbed molecules ontothe surface occures in few seconds. This layer is covered by physisorbed and crystallised species which appear during thesolvent evaporation time. Morphological analyses of these crystals show that both density and structure determine thetribological behavior of the functionalized surface.Sheets tribological behavior (stainless steel ferritic grade, 1.4509 - K41) after treatment, has been investigated thanks to astrip drawing tribometer, allowing to dissociate the influence of various sollicitations conditions (such as contact pressure,tools temperature or plastic deformation of the material) and on an industrial scale with an Erichsen press. Fundamentally,tribo-layerʹs formation and stability have been analysed with the use of a linear micro-tribometer (ball on plane type)coupled with electronic microscopy and EDS analyses.

Les matériaux poreux représentent une solution idéale en ingénierie tissulaire car leur structure peut offrir un environnement tridimensionnel aux cellules similaire à leur matrice extracellulaire tout en maintenant de bonnes propriétés mécaniques. Une première partie de cette thèse consiste à développer des matériaux poreux en polyuréthane (PU), dont l’architecture est contrôlée pour favoriser au mieux la survie et la croissance des cellules. Ces matériaux sont combinés à des traitements de surface (revêtement de polydopamine (PDA) et traitement plasma) pour augmenter notamment l’adhésion des cellules. Nous avons pu démontrer que le diamètre des interconnexions (i.e. l’ouverture connectant deux pores adjacents) impacte profondément la survie et l’organisation des cellules à long terme dans le matériau. Le revêtement de PDA s’est révélé efficace pour des cellules de type fibroblaste, alors que le traitement plasma favorise la colonisation des cellules souches mésenchymateuses (MSCs). Par ailleurs, nous avons étudié l’influence de la formulation du PU sur les capacités d’adhésion des cellules au matériau. Nous avons démontré que pour un ratio donné entre les réactifs, l’adhésion des cellules peut être exclue ou permise. Finalement, nous avons mis un gel de peptides auto-assemblés dans les pores du matériau pour fournir aux cellules un environnement similaire à leur matrice extracellulaire. Nous avons pu montrer que le gel permet d’augmenter la prolifération des MSCs. / Porous materials are an ideal solution in tissue engineering since they can provide a three-dimensional environment to the cells that is close to their extracellular matrix while keeping suitable mechanical properties. In the first part of this Thesis we develop porous materials made from polyurethane (PU) whose architecture is controlled to allow cells colonisation and growth. These materials are subsequently surface-treated (polydopamine (PDA) coating and plasma treatment) to enhance the adhesion of the cells. We were able to show that the interconnection diameter (i.e. the aperture connecting two adjacent pores) has an important impact on the long-term cell survival and organization in the material. Polydopamine coating was shown to be efficient for fibroblasts, whereas plasma treatment promoted mesenchymal stem cells (MSCs) colonisation. Besides, we also studied the influence of the PU formulation on the adhesion capacity of the cells. We demonstrated that at a given ratio between the reactants, cell adhesion could be allowed or prevented. Finally, we put a hydrogel of self-assembled peptides inside the pores of the material to provide an environment close to the extracellular matrix for the cells. We could show that the gel increases the proliferation ability of MSCs. In summary, this Thesis puts forward the important interplay between material properties and morphology of porous scaffolds.

Current strategies for designing biomaterials involve creating materials and interfaces that interact with biomolecules, cells and tissues.  This thesis aims to investigate several bioactive surfaces, such as nanocrystalline diamond (NCD), hydroxyapatite (HA) and single crystalline titanium dioxide, in terms of material synthesis, surface functionalization and characterization. Although cochlear implants (CIs) have been proven to be clinically successful, the efficiency of these implants still needs to be improved. A CI typically only has 12-20 electrodes while the ear has approximately 3400 inner hair cells. A type of micro-textured NCD surface that consists of micrometre-sized nail-head-shaped pillars was fabricated. Auditory neurons showed a strong affinity for the surface of the NCD pillars, and the technique could be used for neural guidance and to increase the number of stimulation points, leading to CIs with improved performance. Typical transparent ceramics are fabricated using pressure-assisted sintering techniques. However, the development of a simple energy-efficient production method remains a challenge. A simple approach to fabricating translucent nano-ceramics was developed by controlling the morphology of the starting ceramic particles. Translucent nano-ceramics, including HA and strontium substituted HA, could be produced via a simple filtration process followed by pressure-less sintering. Furthermore, the application of such materials as a window material was investigated. The results show that MC3T3 cells could be observed through the translucent HA ceramic for up to 7 days. The living fluorescent staining confirmed that the MC3T3 cells were visible throughout the culture period. Single crystalline rutile possesses in vitro bioactivity, and the crystalline direction affects HA formation. The HA growth on (001), (100) and (110) faces was investigated in a simulated body fluid in the presence of fibronectin (FN) via two different processes. The HA layers on each face were analysed using different characterization techniques, revealing that the interfacial energies could be altered by the pre-adsorbed FN, which influenced HA formation. In summary, micro textured NCD, and translucent HA and FN functionalized single crystalline rutile, and their interactions with cells and biomimetic HA were studied. The results showed that controlled surface properties are important for enhancing a material’s biological performance.

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d’une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d’une bibliothèque d’acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d’obtenir les complexes d’europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d’excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d’europium(III) et deterbium(III) respectivement. D’autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d’élaboration par microémulsion inverse s’est révélé efficace pour l’incorporation des complexes électriquement neutres, mais n’a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu’à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d’un vecteur ciblant la PSMA, l’un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n’ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l’évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d’une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l’organisme, mais n’a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes. / The aim of this project was the design of a luminescent nanoprobe allowing the early prostate cancer detection.The first part of this project was the synthesis, through a click chemistry approach, of a library of 4-triazolyl dipicolinic acid substituted in position 4 of the triazole by a wide range of substitutive groups. These diacids were used to synthesise the corresponding europium(III) and terbium(III) complexes, which showed excellent optical properties, with photoluminescence quantum yield under UV excitation reaching 60% for europium(III) complexes and 36% for terbium(III) complexes. Moreover, these phosphores have been efficiently excited in biphotonic regime through the transitions S0 ®S1 and S0 ®T1. The more interesting chelates were selected for their further embedding into silica nanoparticles. The water-in-oil emulsion process showed a great efficiency for the incorporation of electrically neutral complexes, but did not allow the embedding of negatively charged ones. The resulting nanohybrids showed optical properties typical of lanthanides, presenting photoluminescence quantum yields up to 30%. The nanoparticles surface was then functionalised by amino groups, which were used to graft a spacer then a prostate tumour cells vector, giving us a luminescent nanoprobe model. The third section of this work was devoted to the study of new analogues of NAAG, the natural substrate of the PSMA, one of the prostatic cancer signals. Although the synthesis of the two target compounds, selected from more than 20 structures by molecular modelling, was uncompleted, they are now within easy reach. The last part describes the preliminary results obtained in vitro and in vivo with the nanoprobes. These studies were focused on the nanoparticles cytotoxitcity assessment, depending on the surface functionalisation, and on their distribution, in healthy and in prostatic tumour bearing mice. This study revealed the fast elimination of the nanoparticles by the organism, but did not show any concentration of nanoprobes in tumoral area.