Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte général des solutions envisageables pour répondre aux problèmes du réchauffement climatique global et de la diminution des ressources fossiles. Il a été en majeure partie consacré à l'étude et au développement d'électrocatalyseurs moléculaires pour la réduction du dioxyde de carbone. Un tel procédé pourrait permettre de transformer et valoriser le CO2 en l'exploitant comme une matière première carbonée disponible en quantité non limitée, bon marché et peu toxique. Dans une première partie, un métallocavitand, dont la structure est basée sur un calix[4]arène fonctionnalisé par quatre complexes phénanthroline tris-carbonyl de rhénium(I), a été étudié en solution et sur déposé sur surface transparente conductrice. Le but de cette étude était de contrôler par un stimulus électrochimique la fermeture et l'ouverture du bord large du cavitand. La complexité des processus rédox de ces métallo-macrocycles nous a conduits à étudier en détails les propriétés électrochimiques de complexes de rhénium(I) modèles. Ces propriétés avaient précédemment été rapportées dans la littérature mais étaient sujettes à désaccords entre les différents auteurs. Finalement l'ensemble de cette étude nous a conduits à préciser et à mieux comprendre le mécanisme de la catalyse de réduction du CO2 par ce type de complexes. Dans une deuxième partie, qui représente la partie la plus conséquente de cette thèse, la synthèse, la caractérisation physico-chimique et l'étude spectro-électrochimique de complexes bipyridine tris-carbonyle de manganèse, analogues des complexes de rhénium évoqués ci-dessus, ont été entreprises. Le but était de développer un catalyseur innovant pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone, du type complexe métallique, en substituant les métaux rares utilisés actuellement par un métal non-noble et abondant : le manganèse. Les propriétés électrochimiques des nouveaux complexes de Mn synthétisés ont été caractérisées en détail. La simulation des voltammétries cycliques, associée à des études mécanistiques par spectro-électrochimie UV-vis, a permis d'accéder aux données cinétiques et thermodynamiques des différentes réactions chimiques associées aux réactions de transferts d'électron irréversibles. Ces complexes de manganèse se sont révélés être des électrocatalyseurs de la réduction du CO2 au moins aussi efficaces que les complexes analogues de rhénium, décrits jusque-là comme étant les meilleurs systèmes pour cette application. Les complexes de Mn ainsi préparés montrent une excellente sélectivité (rendements faradiques élevés et peu ou pas de H2) et une bonne efficacité pour l'électro-réduction du CO2 en CO en milieu hydro-organique. Les catalyses à l'échelle préparatrice fonctionnent avec des surtensions modérées. Les mécanismes mis en jeu lors de la catalyse ont été étudiés par spectro-électrochimie UV-vis et RPE (en onde continue et pulsée) associées à des caculs théoriques DFT. Un intermédiaire-clé a ainsi pu être mis en évidence et caractérisé. Enfin, l'étude des réactions de décarbonylation photo-induites dans ces complexes est rapportée. / This PhD takes place in the general context of possible solutions to global warming and peak oil issues. It mostly deals with the study and development of molecular electrocatalysts for carbon dioxide reduction. This process may open the way to the use and valorization of CO2 as a raw material. In the first part, a metallocavitand, which structure is based on a calix[4]arene modified by four phenanthroline tris-carbonyl rhenium(I) complexes, was studied in solution and deposited on a conductive transparent surface. The aim of this study was to control through an electrochemical stimulus the closing and opening of the wide rim of the cavitand. Complexity of the redox properties of the metallocavitand led us to investigate in detail the electrochemical properties of simpler examples of these rhenium(I) complexes. These properties were previously described in the literature ; however, there was disagreement in the interpretation of the results. Finally this study led us to a more precise and better understanding of the mechanism of the reduction of CO2 by a complex of this kind. In the second part, which is the main part of this PhD, synthesis, physico-chemical characterization and spectro-electrochemical study of bipyridine tris-carbonyl manganese complexes, analogues of the rhenium complexes mentioned above, were undertaken. The aim was to develop an innovative catalyst for the electrochemical reduction of carbon dioxide, based on a metallic complex, by substituting rare and noble metals currently used by a non-noble and abundant metal: manganese. Electrochemical properties of newly synthesized manganese complexes were investigated in detail. Simulations of cyclic voltammetry, associated with mechanism studies by UV-vis spectro-electrochemistry, allowed us to determine kinetic and thermodynamic properties of the different chemical reactions coupled with the irreversible electron transfers. These manganese complexes proved to electrocatalyse the reduction of carbon dioxide at least as efficiently as the analog rhenium complexes which were, until now, the best system for this application. These manganese electrocatalysts exhibit a very good selectivity (high faradic yields and no or very little H2) and a good efficiency for reduction of CO2 to CO in aqueous-organic media. Preparative scale electrolysis operates at low overpotential. Mechanisms of the different catalytic pathways were studied using UV-vis and EPR (continuous wave or pulsed) spectro-electrochemistry associated with DFT calculations. A key-intermediate was evinced and investigated. Finally the study of photo-induced decarbonylation reactions of these complexes is also described.

La réalisation de micro et nanomatériaux avec des propriétés contrôlées nécessite le développement de nouvelles voies d’élaboration dites ascendantes « ou Bottom-up ». Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à maîtriser la formation d’agrégats de particules colloïdales et de cellules, avec des applications potentielles dans les domaines des biocapteurs, de la microélectronique, de l’optique et de l’ingénierie tissulaire. L’approche proposée pour assembler les particules en structures organisées se base sur l’emploi de la diélectrophorèse, reposant sur l’application d’un champ électrique non- uniforme. L’un des inconvénients de cette technique tient au caractère réversible des assemblages ainsi formés, l’annulation du champ électrique entrainant la redispersion des colloïdes. Afin d’apporter une solution à ce problème, il est possible de recourir à un couplage chimique pour maintenir la cohésion des structures formées dans le milieu liquide. Afin de mieux maîtriser le comportement diélectrophorétique et les réactions chimiques exploitées, des travaux de caractérisation électrique et chimique des particules manipulées ont été réalisés. D’autre part, différents types de microélectrodes ont été étudiées pour la génération du champ électrique nécessaire à l’assemblage. Une nouvelle filière technologique a été développée pour la réalisation de microélectrodes transparentes en ITO et leur intégration en système microfluidique, basée sur l’exploitation du pouvoir isolant d’une fine couche de PDMS micro-structurée. La méthode a été appliquée à la fabrication de microélectrodes « verticales » puis à la réalisation de matrices d’électrodes quadripolaires. Ces dernières ont permis d’obtenir des assemblages permanents de particules de polystyrène fluorescentes présentant des groupements carboxyliques en surface, en combinant l’emploi de la diélectrophorèse négative et l’utilisation d’un agent de couplage chimique (Jeffamine). Des agrégats de cellules HEK 293 ont également été réalisés par diélectrophorèse négative. Nous avons démontré qu’il était possible, sous certaines conditions, de préserver le caractère permanent des agrégats cellulaires après coupure du champ. / The design of micro and nanomaterials with controlled properties requires the development of new bottom- up assembly approaches. The work presented in this manuscript aims to control the formation of aggregates of colloidal particles and cells, with potential applications in the fields of biosensors, microelectronics, optics and tissue engineering. The proposed approach for assembling colloids into organized structures is based on the use of dielectrophoresis, a phenomenon observed when polarizable particles are placed in a non-uniform electric field. One of the drawbacks of this technique is the reversibility of the assemblies thus formed, the cancellation of the electric field causing the redispersion of the colloids. As a solution to this problem, we proposed to use a coupling agent to maintain the cohesion of the structures formed in the liquid medium. In order to better control the dielectrophoretic behavior and the chemical reactions exploited, electrical and chemical characterizations of the manipulated particles were carried out. Moreover, different types of microelectrodes have been studied for the generation of the electric field required for the assembly. A new approach has been developed for the fabrication of transparent micro patterned ITO microelectrodes and their integration in microfluidic systems, based on the exploitation of a thin micro-structured PDMS membrane used as an insulating layer. The method has been applied to the fabrication of "vertical" microelectrodes and of quadrupolar electrode arrays. The latter were used to obtain permanent assemblies of carboxylic acid functionalized, fluorescent, polystyrene particles, by combining negative dielectrophoresis with the use of a chemical coupling agent (Jeffamine). HEK 293 cell aggregates were also produced by negative dielectrophoresis. We have demonstrated that it was possible, under certain conditions, to preserve the permanent character of the cell aggregates after field removal.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine neue, kostengünstige und effiziente Strategie zur selektiven Beschichtung gedruckter Muster auf Papier entwickelt. Mittels Phagen-Display werden Peptide identifiziert, die materialspezifische Adsorption zeigen und effektiv zwischen Cellulose als Hauptbestandteil von Papier und dem Toner eines mit einem handelsüblichen Laserdrucker gedruckten Musters unterscheiden können. Diese genetisch selektierten 12mer Peptide können selektiv entweder nicht bedruckte Cellulose oder gedruckte Tonerstrukturen beschichten. Es werden vielfältige Adsorptionsuntersuchungen einzelner Peptide an den jeweiligen separaten Oberflächen und an gedruckten Mustern durchgeführt und diskutiert. Des Weiteren wird eine Ligationschemie mit Triazolindion genutzt, um z. Bsp. Farbstoffe oder funktionale Peptide selektiv auf einer Oberflächenbeschichtung zu lokalisieren. Diese Methodik bietet einen einfachen Zugang zur Funktionalisierung von Mustern auf papierbasierten Materialien, wodurch neue Wege zur Realisierung kostengünstiger diagnostischer oder biomedizinischer Geräte aufgezeigt werden können. / Within the scope of this thesis, a new, cost-effective and efficient strategy for the selective coating of printed patterns on paper is developed. Phage display biopanning identifies peptides that show material selective adsorption, effectively distinguishing between cellulose of paper and printed toner of standard office laser printers. These genetically selected 12mer peptides can selectively coat either non-printed cellulose or printed toner patterns. Numerous adsorption studies of individual peptides on the respective separated surfaces and on printed patterns are carried out and discussed. Furthermore, triazolindione ligation chemistry is exploited to introduce e.g. dyes or functional peptides selectively to the coatings. The strategy offers an easy access toward patterned functionalization of paper based materials, which potentially is of relevance for low cost diagnostics or biomedical devices.

In dieser Arbeit sollte eine Derivatisierungsmethode entwickelt werden, die die duale Quantifizierung funktioneller Gruppen an Oberflächen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Fluoreszenz ermöglicht. Verschiedene Farbstoffe, die robuste Fluoreszenzeigenschaften mit hohen Fluorgehalten für XPS kombinieren, wurden auf ihre selektive Reaktion mit Aminogruppen getestet und der Prototyp einer tiefergehenden Analyse auf einer Oberfläche unterzogen. Durch Fluoreszenzlöschung konnten die Möglichkeiten der bimodalen Analyse nur begrenzt abgeschätzt werden, obwohl in XPS und Fluoreszenz intensive Signale gemessen wurden. Die Herstellung der Modelloberflächen mittels Gasphasenabscheidung von Silanen konnte durch Kontaktwinkelmessungen schrittweise optimiert werden. Die Kombination zweier Monoalkoxysilane ermöglichte die Herstellung von Oberflächen mit variabler Funktionalgruppendichte. Nach Reaktion mit dem dualen Marker ließen sich die Messungen aus XPS und Fluoreszenz mindestens über eine Größenordnung korrelieren. Durch Synchrotron-XPS (SR-XPS) und Röntgenfluoreszenz unter Totalreflektion (TXRF) konnte eine absolute und rückführbare Quantifizierung erzielt werden. Weitere Modelloberflächen auf Basis von Trialkoxysilanen zeigten, dass bei anwendungsnahen Proben Fluoreszenzlöschung auftritt. Diese konnte in einem gewissen Maße mittels Fluoreszenzlebensdauer berechnet werden. Darüberhinaus konnte mit der Photometrie eine unabhängige Methode gefunden werden, die die Quantifizierung des Farbstoffs an der Oberfläche in hoher Präzision ermöglicht und mit Hilfe der XPS auch der funtionellen Gruppen. Die Cavity Ring-Down Spektroskopie (CRDS) wurde als Laserbasierte Methode zur empfindlichen und ortsaufgelösten Messung der Absorption auf transparenten Substraten untersucht und erste vielversprechende Ergebnisse gewonnen. Weiterhin wurde ein modulares Farbstoffsystem entwickelt, das sowohl Variation der spektralen als auch der Bindungseigenschaften erlaubt. / This work aimed on the development of dual-mode labelling method that combines X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) with fluorescence measurements for surface functional group quantification. Label dyes combining robust fluorescence properties with high fluorine contents were investigated towards their selective reaction with surface amino groups and the lead candidate subjected to detailed analysis on a surface. Fluorescence quenching precluded a detailed investigation of the capabilities of dual-mode labelling, despite providing sufficient signal in XPS and fluorescence scanning. The fabrication of surfaces using vapour deposition (VD) of silanes in toluene was optimized under aid of contact angle measurements. Binary mixtures of mono-alkoxy silanes were used to prepare surfaces with variable functional group density. Treatment with the label dye showed that XPS and fluorescence provide a linear overlap in signal generation over at least one order of magnitude. The combination of synchrotron radiation XPS (SR-XPS) and total reflection X-ray fluorescence spectroscopy (TXRF) provided an absolute and traceable quantification . Different model surfaces based on trialkoxy silanes showed strong fluorescence quenching. A fluorescence lifetime based correction was developed to account for such quenching effects. Additionally, the application of spectrophotometry provided a independent method of quantification for the surface bound dye and in combination with information obtained from XPS, to determine the surface functional group density. With cavity ring-down spectroscopy (CRDS), a laser based technique for highly sensitive and spatially resolved absorption measurements on transparent substrates could be developed and applied in a proof-of-concept. A modular system for the fabrication of label dyes with adjustable spectral properties and different binding sites was investigated using prototype candidates to prove the general applicability of such systems.

In vitro, la formation de structures de type tubulaire avec des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) a été étudiée en combinant la fonctionnalisation de la chimie des matériaux et le développement de la géométrie tridimensionnelle. Le polycarbonate (PC) a été utilisé comme modèle pour le développement de l'échafaud. Le film de polysaccharide naturel, basé sur un dépôt alternatif couche par couche (LbL) d’acide hyaluronique (HA) et de chitosane (CHI), a d’abord été appliqué sur une surface PC et caractérisé en termes de croissance d’épaisseur microscopie à balayage lascar (CLSM). Cette première fonctionnalisation se traduit par un revêtement complet de la couche PC. Une biofonctionnalisation supplémentaire avec un peptide adhésif (RGD) et deux peptides angiogénétiques (SVV et QK) a été étudiée, immobilisant ces peptides sur le groupe carboxylique de HA précédemment déposé, en utilisant la chimie bien connue du carbodiimide. La version marquée de chaque peptide a été utilisée pour caractériser l’immobilisation et la pénétration des peptides dans les couches de polyélectrolytes, aboutissant à une greffe réussie avec une pénétration complète dans toute l’épaisseur du LbL. Des tests in vitro ont été effectués à l'aide de cellules HUVEC pour évaluer leur efficacité d'adhésion et leur activité métabolique sur la LbL avec et sans immobilisation de peptides, ce qui a permis d'améliorer l'activité préliminaire lorsque des combinaisons de peptides sont utilisées. Enfin, les micro-canaux PC (μCh) ont été développés et caractérisés pour la première fois, et les autres expériences ont été réalisées sur un micromètre de 25 μm de largeur, fonctionnalisé avec une architecture (HA / CHI) 12,5 (PC-LbL) avec des peptides RGD et QK -RGD + QK) ou avec des peptides RGD et SVV (PC-RGD + SVV). Notre première expérience de tubulogénèse a montré de manière surprenante la formation de structures de type tubulaire déjà après 2h d'incubation en utilisant la combinaison double-peptides, mais uniquement avec PC-RGD + QK. Les tubes étaient également présents après 3 et 4 heures de culture. L'expérience de co-culture avec des péricytes humains dérivés du placenta (hPC-PL) montre comment la stabilisation des tubes a été améliorée après 3 et 4 heures également pour l'échantillon de PC-RGD + SVV. Globalement, notre matériel bio-fonctionnel avec les peptides PC-RGD + QK et PC-RGD + SVV permet la formation d'une structure de type tubulaire à la fois dans une expérience de monoculture et de co-culture. / In vitro, tubular-like structures formation with human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) was investigated by combining material chemistry functionalization and three-dimensional geometry development. Polycarbonate (PC) was used as a template for the development of the scaffold. Natural polysaccharide’s film based on alternate layer-by-layer (LbL) deposition of hyaluronic acid (HA) and chitosan (CHI), was first applied to PC surface and characterized in terms of thickness growth both, in dry conditions using ellipsometry, and confocal lascar scanning microscopy (CLSM). This first functionalization results in a complete coating of the PC layer. Further biofunctionalization with one adhesive peptide (RGD) and two angiogenetic peptides (SVV and QK) was investigated, immobilizing those peptides on the carboxylic group of HA previously deposited, using the well-known carbodiimide chemistry. The labeled version of each peptide was used to characterize the peptides’ immobilization and penetration into the polyelectrolytes layers, resulting in a successful grafting with complete penetration through the entire thickness of the LbL. In vitro tests were performed using HUVECs to assess their adhesion efficiency and their metabolic activity on the LbL with and without peptide immobilization, resulting in a preliminary improved activity when peptide-combinations is used. Finally, PC micro-channels (μCh) were first developed and characterized, and the rest of the experiments were performed on μCh of 25μm width, functionalized with (HA/CHI)12.5 architecture (PC-LbL) with RGD and QK peptides (PC-RGD+QK) or with RGD and SVV peptides (PC-RGD+SVV). Our first tubulogenesis experiment surprisingly showed the formation of tubular-like structures already after 2h of incubation using the double-peptides combination but only using PC-RGD+QK the tubes were present also after 3 and 4 hours of culture. The co-culture experiment with human pericytes derived from placenta (hPC-PL) demonstrates how the stabilization of the tubes was improved after 3 and 4 hours also for the PC-RGD+SVV sample. Globally our bio-functional material with PC-RGD+QK and PC-RGD+SVV peptides allow the formation of tubular-like structure in both mono and co-culture experiment.

Nous avons étudié la chimie de surface de carbones poreux fonctionnalisés avec des oximes et amidoximes d’une part, et avec de la guanidine d’autre part. Nous avons axé ces travaux sur la compréhension et la quantification de ces fonctionnalisations par analyse thermique et plus particulièrement par thermo-désorption programmée en température couplée à la spectroscopie de masse (TPD-MS). Par la suite, nous avons évalué l’intérêt de la fonctionnalisation par la guanidine des carbones mésoporeux pour deux applications : le piégeage du CO2 et la capacité à synthétiser et stabiliser des nanoparticules métallique. Pour la première application, des tests d’adsorption du CO2 à 0°C et 20°C à 1 bar ont été réalisés sur un carbone mésoporeux oxydé sous air en présence ou non de guanidine. L’intensité des interactions (physisorption versus chimisorption) a été sondée par des calculs de chaleurs isostériques d’adsorption. Pour la seconde applications, nous avons utilisé des carbones mésoporeux oxydés en présence ou non de guanidine pour synthétiser des nanoparticules d’argent de taille inférieure à 2 nm et relativement monodisperses en taille. Des particules bimétalliques d’AgCu ont également été obtenues au sein de ces matrices carbonées mésoporeuses imprégnées par la guanidine. On a pu mettre ici en évidence un rôle bénéfique de la guanidine sur le taux de cuivre réduit. Des suivis thermiques par MET in situ ont également été réalisés afin d’évaluer la stabilité thermique de ces nanoparticules et de mieux appréhender l’intérêt de la fonctionnalisation sur les phénomènes de frittage de ces nanoparticules. Finalement, des tests catalytiques pour l’époxydation sélective du styrène ont aussi été effectués sur le matériau Ag/C. Les résultats préliminaires sont très prometteurs pour un procédé de préparation de catalyseur très simple à mettre en œuvre. / In this work, we studied the surface chemistry of porous carbons functionalized firstly with oximes and amidoximes and then with guanidine. We focused this work on the understanding and quantification of these functionalization with thermal analysis and more particularly by Temperature Programmed Desorption/Mass Spectrometry (TPD-MS). Subsequently, we evaluated the interest of guanidine functionalization of mesoporous carbons for two applications : the capture of CO2 and the ability to synthesize and stabilize metal nanoparticles. For the first application, CO2 adsorption tests at 0 ° C. and 20 ° C. at 1 bar were carried out on a mesoporous carbon oxidized under air in the presence or absence of guanidine. The intensity of interactions (physisorption versus chemisorption) was probed by isosteric adsorption heat calculations. For the second applications, we used oxidized mesoporous carbons with or without guanidine to synthesize silver nanoparticles less than 2 nm in size and relatively monodisperse in size. Bimetallic AgCu particles were also obtained from these mesoporous carbon matrices impregnated with guanidine. A beneficial role of guanidine on the reduced copper content has been shown here. In situ TEM has also been carried out in order to evaluate the thermal stability of these nanoparticles and to understand the interest of the functionalization on the sintering of these nanoparticles. Finally, catalytic tests for the selective epoxidation of styrene were also performed on these materials. The preliminary results are very promising for a catalyst preparation process and very simple to implement.

Actuellement, il n’existe pas de techniques fiables pour la détection de marqueurs du cancer ou le suivi de l’administration de médicaments tels que les anticorps monoclonaux. Cette détection est essentielle pour réaliser un diagnostic précoce et ainsi améliorer le pronostic de survie des patients, et d’autre part adapter la posologie et un traitement personnalisé à chaque patient. L’objectif majeur de ce travail a été de concevoir et de développer des systèmes dits biocapteurs répondant à ces problématiques : d’une part, la détection et la quantification de l’activité des métalloprotéinases matricielles (MMP) en tant que nouvel outil de diagnostic de la progression et du développement tumoral; et d’autre part, le dosage d’un anticorps anti-VEGF, le bevacizumab, impliqué dans les biothérapies antiangiogéniques. La quantification de l’activité métalloprotéasique a été rendue possible grâce à la conception d’un biocapteur basé sur un édifice supramoléculaire. Celui-ci est constitué de substrats peptidiques fluorogéniques des MMP et d’une surface fonctionnalisée par des cyclodextrines. Une détection par fluorescence a alors permis d’évaluer l’efficacité et la spécificité de ce système à quantifier l’activité des MMP in vitro et ex vivo en conditions de biopsie tumorale. D’autre part, nous avons conçu des biocapteurs basés sur un mime peptidique du VEGF, permettant le dosage du bevacizumab. L’utilisation de ce mime en remplacement du VEGF humain a été démontrée, et plusieurs systèmes supramoléculaires fonctionnalisés par ce peptide ont été synthétisés, en vue de la conception d’une plateforme de détection régénérable des interactions peptide/protéine par transduction acoustique. / Nowadays, there are no reliable techniques for detecting biomarkers of cancer or for monitoring therapeutic drugs such as monoclonal antibodies in blood samples. This detection is essential in order to highlight the early onset of a disease prior to the appearance of clinical symptoms and therefore ensure a greater therapeutic effect, but also to provide a personalized treatment for each patient. The major goal of this thesis work was to design and develop plateforms of detection called biosensors answering these problematics: on one hand, detection and monitoring of matrix metalloproteinases (MMP) activities as a new tool for the diagnosis of tumoral progression, and on the other hand, quantification of an anti-VEGF antibody named bevacizumab, involved in antiangiogenic therapies. Monitoring of MMP activities was made possible by the design of a biosensor based on a supramolecular assembly between fluorogenic susbtrates of MMP and cyclodextrins functionalized surface. Fluorescence detection has enabled to evaluate the efficacity and specificity of this system to quantify MMP activities in vitro and ex vivo in tumoral biopsy conditions. On the other hand, we have designed biosensors based on a cyclopeptide mimicking human VEGF for the monitoring of bevacizumab. The ability of this peptide to substitute the human protein has been demonstrated and several supramolecular assemblies functionalized by this peptide have been synthesized in order to create a regenerable biosensor screening peptide/protein interactions by acoustic transduction.

Les nanoparticules de silice sont des plateformes idéales pour la conception d’outils de bioimagerie afin d’étudier les mécanismes de transfert de gènes par des lipoplexes. L’objectif de notre étude est le développement d’une modification chimique de surface permettant d’obtenir des colloïdes de silice chargés positivement susceptible de lier de l’ADN par des interactions électrostatiques. Deux stratégies pour la génération de groupements ammonium quaternaires sur des nanoparticules de silice sont présentées a) une silanisation directe par l’utilisation d’un agent de couplage silanique contenant un groupement ammonium quaternaire et b) un procédé en deux étapes mettant en jeu une modification de surface chimique par des aminosilanes primaires et secondaires suivie d’une alkylation des amines par l’iodomethane. Différentes méthodes physico-chimiques (essais de cosédimentation, des expériences de microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation et d’imagerie MET et Cryo-MET) ont été utilisées pour mettre en évidence et caractériser les interactions entre les biomolécules et les surfaces quaternisées. Des études préliminaires ont montrées les capacités de marquage de lipoplexes par de telles nanoparticules. / Silica nanoparticles are ideal platforms for the conception of bioimaging tools serving for the elucidation of the mechanisms of gene transfection via lipoplex structures. The purpose of the present study is the development of a chemical surface modification for the generation of quaternary ammonium groups on silica nanoparticles permitting the obtainment of highly positively charged silica colloids which strongly attract DNA by electrostatic interactions. Two modification strategies to generate quaternary ammonium groups on silica are presented a) a direct silanization using quaternary ammonium groups containing silane derivatives and b) a modification of silica nanoparticles via a first modification with an amine group containing silane derivative and a subsequent quaternization of the amine groups via an alkylation with iodomethane. Different physicochemical methods were employed (cosedimentation assays, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring measurements, TEM and Cryo-TEM imaging) to analyze interactions between quaternized surfaces, DNA and lipids. A preliminary study was carried out which shows the capacity of the synthesized nanoparticles to label DNA in lipoplexes.

L’oxyde de zinc dopé de type n est un excellent candidat pour la réalisation de films transparents et isolants thermiques grâce à ses propriétés d’absorption et de réflexion limitées aux domaines UV et IR. La synthèse en milieu polyol de particules nanostructurées d’oxyde de zinc dopé par du gallium a été utilisée afin de maîtriser la morphologie des cristallites. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que le maximum d’efficacité d’absorption IR est atteint pour un taux de dopant de 2,6 % molaire. Des suspensions de haute transmission dans le visible et absorption infrarouge significative ont été obtenues par l’encapsulation des particules avec un matériau fluoré d’indice de réfraction intermédiaire entre l’oxyde et le milieu dispersant, ainsi que par l’optimisation de l’état de dispersion de suspensions colloïdales grâce à l’adsorption de thioalcanes en surface des cristallites de ZnO dopés. / Thanks to its absorption / reflexion properties limited to the UV and the IR range, n-doped zinc oxide is a promising candidate for the elaboration of transparent and insulating films in smart windows. Nanostructured particles of Ga-doped zinc oxide were elaborated by polyol process. Polyol process was used in order to control the size and the morphology of the particles. Both experimental and theoretical data show that a maximum of IR absorption efficiency is obtained for a doping rate of 2.6 molar percent. Colloidal suspensions with high transmission in the visible range combined with significant absorption of the near infrared range were obtained using two strategies. The first one is the encapsulation of the Ga-doped ZnO particles by a fluoride shells with an intermediate refractive index between ZnO and the dispersion medium. The second one is the optimization of the dispersion state of nano-colloidal suspensions thanks to the adsorption of thioalkanes on the Ga-doped ZnO crystallite surfaces.

Cette étude porte sur le développement de nanoparticules pour différentes applicationsbiologiques. Trois systèmes de nanoparticules ont été mis au point : des clusters de nanoparticulesmagnétiques pour l’extraction par magnétophorèse d’objets biologiques, des agents de contrastemultimodaux (IRM, fluorescence dans le proche infrarouge) pour le diagnostic de l’athérosclérose etdes nanoparticules de silice fluorescentes doublement marquées pour la détection de tumeurs in vivo.Au cours de cette étude, une stratégie de greffage de surface de silice par des macromolécules depoly(oxyde d’éthylène) (PEG) permettant d’atteindre de hautes densités de greffage. Cette PEGylationpermet, d’annuler les interactions non spécifiques dans le cadre de l’extraction magnétique rendantainsi ce système plus efficace, et de conférer aux nanoparticules des propriétés de furtivité vis-à-vis dusystème immunitaire dans le cadre du marquage de tumeurs. Le contrôle du nombre de biomoléculesgreffées régiosélectivement sur les nanoparticules (Annexine A5, ou fragments d’anticorps) ainsi quel’étude des interactions biomoléculaires par des techniques de biophysique (SPR, QCM-D) ont permisd’optimiser la propriété de reconnaissance des nano-objets pour leurs cible respective. Enfin, les nanoobjetsont été évalués dans le cadre de leur application. / The aim of this study was the design of nanoparticles for three different biologicalapplications: magnetic nanoparticles cluster for magnetic extraction of biological materials,multimodal contrast agents (MRI and near infrared fluorescence imaging) for atherosclerosisdiagnosis, and fluorescent silica nanoparticles with two different dyes for in vitro and in vivo tumorlabeling. One part of the project dealt with the developement of a new grafting method ofpoly(ethylene oxide) macromolecules onto nanoparticle’s silica surfaces (PEGylation) in order toobtain a high grafting densities. The obtained results have shown that this PEGylation reduces the nonspecificprotein adsorption allowing a better extraction and sorting efficiency, and also permitsnanoparticles to escape the surveillance of the immune system for in vivo tumor labeling. Therefore,the biomolecular recognition of the nanoparticles has been optimized by controlling the number ofconjugated biomolecules and by studying this biomolecular recognition using biophysical methods(SPR, QCM-D). Finally, the different nano-objects were evaluated in the context of their respectiveapplication.