La fusion sélective par laser (SLM), en tant que technologie de fabrication additive émergente, permet la fabrication de pièces complexes et de conception avancée. Cette technologie est particulièrement adaptée aux applications biomédicales, telles que la production d'implants personnalisés. Les alliages de titane, en particulier le Ti6Al4V, sont largement utilisés dans les industries médicales en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leur biocompatibilité. Afin de développer une substitution osseuse spécifique, l'étude présente s'est concentré sur les propriétés mécaniques, le post-traitement, la conception légère et les propriétés biologiques d'un matériau en Ti6Al4V fabriqué par SLM. Les résultats les plus importants de ce travail sont répertoriés ci-après.La microstructure des échantillons de Ti6Al4V ainsi formée s’est avérée dominée par la phase martensite α aciculaire. Le traitement par compression isostatique à chaud (HIP) entraîne une réduction significative des défauts internes, tels que les pores résiduels et les fissures internes. L'échantillon fabriqué n’ayant pas subi de traitement possède une faible résistance à la fatigue et un comportement en ductilité peu satisfaisant. Au contraire, l'échantillon traité thermiquement (HT) présente une résistance à la traction réduite. Toutefois, le comportement à la traction et la résistance à la fatigue sont améliorés par rapport à l'échantillon n’ayant pas subi de traitement. Le traitement HIP a également entraîné une réduction de la résistance à la traction mais a amélioré la ductilité et le comportement à la fatigue grâce à l'élimination des défauts internes.Afin d'améliorer la résistance à la fatigue d'un matériau en Ti6Al4V fabriqué par SLM, une technologie avancée de traitement par attrition mécanique de surface (SMAT) a été appliquée au cours de ce travail. Les résultats indiquent qu'un traitement de type SMAT peut introduire une couche nanostructurée sur la surface de l'échantillon. La nanostructure peut entraîner une augmentation de la résistance mécanique et des contraintes résiduelles de compression dans la couche de surface. En conséquence, l’échantillon traité par SMAT a montré une amélioration significative de la résistance à la fatigue par rapport à celui non traité dans les régimes de fatigue à cyclage faible et élevé. De plus, une oxydation par micro-arc (MAO) a été proposée pour améliorer l'activité biologique en formant un film oxydé avec du calcium (Ca) et du phosphore (P) sur la surface du Ti6Al4V fabriqué par SLM. La microstructure, la morphologie et les compositions chimiques du film de MAO préparé pour différentes tensions ont été caractérisées. Les résultats montrent qu'un revêtement comportant une proportion de Ca et de P est formé en surface du matériau Ti6Al4V fabriqué par SLM, et que cette couche a bien adhéré au substrat après le traitement au MAO. On peut en conclure que le traitement par MAO peut améliorer l'activité biologique du Ti6Al4V fabriqué par SLM.Des unités octaédriques avec des tailles de pores de 500, 600 et 700 μm et un taux de porosité de 60% et 70% ont été conçues, puis les structures poreuses correspondantes ont été fabriquées par SLM. Les effets du diamètre des pores et de la porosité sur les propriétés mécaniques des échafaudages poreux en Ti6Al4V fabriqués par SLM ont été systématiquement étudiés. Afin d'évaluer les performances biologiques, des tests in vitro/vivo ont été menés pour étudier la prolifération, la différenciation des cellules et la croissance osseuse sur les échafaudages poreux de Ti6Al4V fabriqués par SLM. L'étude indique que l'échafaudage poreux avec une taille de pore de 500 μm et une porosité de 60% est relativement prometteur pour la reproduction des défauts osseux. / Selective laser melting (SLM), as an emerging additive manufacturing technology, enables manufacturing complex parts with advanced design. This technology is particularly suitable for biomedical applications, such as the production of personalized implants. Titanium alloys, and particularly Ti6Al4V, are widely used in medical industries because of their excellent mechanical properties and biocompatibility. In order to develop a specific bone substitution, the present research focuses on mechanical properties, post-treatment, light design and biological properties of SLM Ti6Al4V. The most important advances of this work are listed below.The microstructure of SLM Ti6Al4V samples was found to be dominated by acicular martensitic phase. Hot Isostatic Pressing (HIP) treatment resulted in a significant reduction of internal defects, such as residual pores and internal cracks. Untreated samples showed a poor fatigue resistance and low ductility. Heat treated samples (HT) exhibited a reduced tensile strength. However, the tensile behavior and fatigue resistance were improved in comparison with untreated samples. HIP treatment also reduced the tensile strength but improved ductility and fatigue behavior by eliminating internal defects.In order to improve the fatigue resistance of SLM Ti6Al4V, an advanced Surface Mechanical Attrition (SMAT) treatment technology was applied in the frame of this work. The results indicate that SMAT can introduce a nanostructured layer on the surface of samples. This nanostructure may result in an increase in mechanical strength and provide residual compressive stresses in the surface layer. As a result, SMAT samples demonstrated a significant improvement in fatigue strength in comparison with untreated samples, in both low and high cycling fatigue regimes. In addition, micro-arc oxidation (MAO) was performed to enhance the biological activity by forming an oxidized film with calcium (Ca) and phosphorus (P) on the surface of SLM Ti6Al4V. The microstructure, morphology and chemical compositions of the MAO film prepared with different voltages were characterized. The results show that a coating with Ca and P was formed on the surface of SLM Ti6Al4V, and that it bonded well to the substrate after MAO treatment. It can be concluded that MAO treatment can improve the biological activity of SLM Ti6Al4V parts.Octahedral scaffold structures with a pore size of 500, 600 and 700 μm and porosity levels of 60% and 70% were designed, and corresponding porous structures were manufactured by SLM. The effects of pore diameter and porosity level on mechanical properties of SLM Ti6Al4V porous scaffolds, were systematically studied. In order to evaluate biological performances, in vitro / vivo tests were conducted to study proliferation, cell differentiation and bone growth on SLM Ti6Al4V porous scaffolds. The study indicates that porous scaffolds with a pore size of 500 μm and a porosity level of 60% is promising for the reproduction of bone defects.

Dans les biotechnologies, les particules magnétiques sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, de thérapies ou de diagnostics : " Drug delivery ", traitements de cancers, IRM, etc. Inscrit dans le démarrage d'un nouvel axe de recherche du laboratoire SPINTEC, le travail de thèse a mis en œuvre des particules élaborées par une approche de type "top-down". Les matériaux utilisés sont antiferromagnétiques synthétiques (SAF). L'intérêt des nanoparticules magnétiques dans les domaines biomédicaux a été présenté en introduction. L'étude réalisée à SPINTEC a tout d'abord consisté à caractériser et modéliser différents matériaux SAF, et développer les procédés technologiques permettant la fabrication des particules. Ensuite le travail a été consacré à l'observation et la modélisation du comportement des particules en suspension dans un champ magnétique appliqué. Un modèle des phénomènes d'autopolarisation et d'agglomération des particules SAF a permis de déterminer une susceptibilité seuil en dessous de laquelle les particules restent dispersées en solution, évitant les phénomènes d'agglomération.

Les particules des polymères avec des propriétés magnétiques sont utilisées dans des applications thérapeutiques in vivo, comme des agents de libération contrôlée de principes actifs, pour des applications ex vivo, dans l'extraction de cellules cancéreuses dans le corps, et finalement pour le diagnostic in vitro. La nécessité de matériaux biocompatibles et intelligents, comme agent d'encapsulation de nanoparticules magnétiques, conduit à l'utilisation de polymères hydrophiles, biodégradables, biocompatibles et dans certains cas stimulables. Dans les applications thérapeutiques, cette technologie est basée sur le déplacement des particules en appliquant un champ magnétique et sur la concentration du médicament dans la zone d'intérêt. Cette étape est suivie par la libération du médicament, en utilisant les propriétés des polymères stimulables. Ainsi, cette thèse est consacrée à l'étude de la préparation de nanoparticules composées d'une matrice polymère sensible aux stimuli et des particules d'oxyde de fer (γ-Fe2O3 et Fe3O4). Tout d'abord, nous avons étudié l'obtention de nanogels à base de poly(NVCL-co-AA) en utilisant la polymérisation par précipitation. La poly (N-vinylcaprolactama) (PNVCL)et un polymère qui possède une température critique inférieure de solubilité (LCST), proche de la température physiologique (35-38°C). Ce polymère est connu pour avoir une bonne biocompatibilité plus haute, par rapport à des autres polymères sensibles à la température. En plus, le poly (acide acrylique) (PAA) est un polymère qui présente la sensibilité au pH. Dans cette étape, on a étudié l'influence de quelques paramètres de synthèse sur les diamètres des particules, la distribution de la taille des particules et la sensibilité à la température des nanogels. La sensibilité au pH a été également évaluée en fonction de la concentration d'AA ajouté dans les synthèses. Ensuite, nous avons effectué l'étude de l'incorporation de nanoparticules magnétiques stabilisées par le dextran dans les nanogels de PNVCL réticulé en utilisant la technique de polymérisation en mini-émulsion inverse. Les nanogels magnétiques thermosensibles ont été caractérisés en termes de taille (DP), distribution de la taille des particules (DTP) en utilisant la diffusion de la lumière. Le caractère thermosensible des nanogels magnétiques a également été étudié en mesurant le diamètre hydrodynamique en fonction de la température. Les propriétés magnétiques (aimantation spécifique et la magnétisation) ont été examinées en utilisant un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). L'analyse par infrarouge (GTIR) et par diffraction des rayons X ont montré qualitativement l'incorporation des nanoparticules magnétiques dans la matrice polymère. L'efficacité d'encapsulation de nanoparticules d'oxyde de fer a été étudiée par l'analyse thermo-gravimétrique (TGA) et par les mesures d'aimantation. Les caractéristiques morphologique des nanogels magnétiques et stimulables ont été examinées par la microscopie électronique en transmission (TEM).

Dans les biotechnologies, les particules magnétiques sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, de thérapies ou de diagnostics : « Drug delivery », traitements de cancers, IRM, etc. Inscrit dans le démarrage d'un nouvel axe de recherche du laboratoire SPINTEC, le travail de thèse a mis en œuvre des particules élaborées par une approche de type «top-down». Les matériaux utilisés sont antiferromagnétiques synthétiques (SAF). L'intérêt des nanoparticules magnétiques dans les domaines biomédicaux a été présenté en introduction. L'étude réalisée à SPINTEC a tout d'abord consisté à caractériser et modéliser différents matériaux SAF, et développer les procédés technologiques permettant la fabrication des particules. Ensuite le travail a été consacré à l'observation et la modélisation du comportement des particules en suspension dans un champ magnétique appliqué. Un modèle des phénomènes d'autopolarisation et d'agglomération des particules SAF a permis de déterminer une susceptibilité seuil en dessous de laquelle les particules restent dispersées en solution, évitant les phénomènes d'agglomération. / In the biotechnologies, the magnetic particles are more and more used in different applications, therapy or diagnostics such as: drug-delivery, cancer treatments, MRI …This thesis, which marks the beginnings of a new research area at SPINTEC laboratory, implemented particles made by an approach top-down. The used materials are synthetic antiferromagnetic (SAF). The interest for the magnetic nanoparticles was shown in the introduction. The study made at SPINTEC was first of all the characterization and modeling of different SAF materials, and the development of the technological processes for making the particles. Then the work was devoted to observation and modeling of the behavior of the particles in suspension in the applied magnetic field. A model of self-bias and agglomeration of SAF particles allowed to determine a susceptibility threshold below which the particles remain dispersed in solution, avoiding the agglomeration phenomena.

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

De par leur faible coût, leurs propriétés mécaniques ajustables et leur potentielle transparence, les matériaux polymères sont des candidats de choix pour le packaging biomédical. Cependant, il est souvent nécessaire d'améliorer leurs propriétés barrière à O2 et H2O afin de garantir une conservation optimale du produit conditionné. Dans ce contexte, l'approche choisie a été d'associer une phase inorganique à la matrice polymère. Ainsi, après un choix des systèmes polymères les plus adaptés aux conditionnements pharmaceutiques souples d'une part et rigides d'autre part, nous avons étudié deux voies d'optimisation des propriétés barrière : le dépôt de couches minces organosiliciées à la surface du polymère et la voie nanocomposites. Le but est d'établir pour ces deux types de systèmes hétérogènes les relations Structure/Morphologie/Propriétés. Le dépôt de couches minces organosiliciées a été effectué par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Nous avons étudié deux types de monocouches, la première de type céramique SiOx et l'autre de type SiCH. La combinaison de ces couches sous forme d'empilements sur le substrat polymère permet, outre l'augmentation conséquente des propriétés barrière, une meilleure conservation des propriétés fonctionnelles sous des sollicitations de type thermique ou mécanique. Les nanocomposites ont été préparés par voie fondu à partir d'un poly(propylène) et de charges oxyde de zinc ou doubles hydroxydes lamellaires. Nous avons étudié les effets d'un agent compatibilisant et de modifications de surface des charges. Les propriétés barrière sont reliées à l'état de dispersion des charges et aux interactions charges/matrice / Due to their good handling properties, potential transparency and low cost, polymers are key components for the biomedical industry. However, high barrier properties towards gases or vapors are required for packaging applications in order to retain the quality of the product. To achieve the improvements in barrier properties of polymers, two different ways based on the combination of an inorganic phase with the polymer material were studied. The aim was to establish Structure/Morphology/Properties relationships. Thin inorganic coatings deposited on polymer substrates are of particular interest for improving barrier properties. In the current work, thin transparent silicon based layers were deposited on flexible polymer films by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Monolayers (SiOx type and SiCH type) and piles with an alternation of these different monolayers were studied. The interest of multilayer barrier coatings was highlighted for higher barrier properties and resistance to solicitations such as thermal treatment or mechanical deformation. The second approach consisted in preparing poly(propylene) based nanocomposites with inorganic nanoparticles such as zinc oxide and layered double hydroxides. The transport properties of these materials depend on the quality of the filler dispersion in the polymer, but also on the interface between the fillers and the polymer matrix. Thus, the influence of a compatibilizer and of the nanoparticle surface modification was investigated on the properties of the nanocomposites

Cette thèse présente le développement de nanoparticules hybrides avec un coeur inorganique et une couronne organique pour des applications médicales. Des nanoparticules d’oxyde de fer ont été obtenues par synthèse polyol, en contrôlant leurs cristallinités, leurs morphologies (monocoeur ou multicoeur) et leurs tailles (de 4 à 37 nm). Leurs propriétés ont été évaluées et comparées pour de possibles applications théranostiques : en thérapie pour le traitement du cancer par hyperthermie magnétique, pour le diagnostic en tant qu’agents de contraste pour l’IRM. Les surfaces des nanoparticules ont été modifiées par greffage de polymères/polypeptides pour apporter de la stabilité en milieux biologiques et de nouvelles fonctionnalités. Le poly(éthylène glycol) (PEG) a été greffé pour ses propriétés de furtivité, le poly(2-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) et des polypeptides dérivés de l’élastine (ELPs) pour leurs propriétés thermosensibles, et la sonde fluorescente DY700 pour permettre le suivi des nanoparticules in vitro et in vivo. Les propriétés magnétiques et thermosensibles de ces nanoparticules coeur-couronne ont été étudiées avec un instrument unique combinant l’hyperthermie magnétique et un système de diffusion dynamique de la lumière. Ainsi, les variations de température, de diamètre et d’intensité diffusée ont pu être mesurées simultanément. Les propriétés de nanoparticules monocoeur et multicoeur greffées avec du PEG, et des nanoparticules monocoeur greffées avec un ELP contenant un peptide pénétrant ont d’abord été évaluées in vitro. Leurs internalisations dans des cellules de tumeur cérébrale humaine (glioblastome) ont permis d’étudier leurs cytotoxicités après traitement par hyperthermie magnétique, et ont montré une baisse de viabilité cellulaire jusqu’à 90 %. In vivo, l’injection intraveineuse de ces nanoparticules dans des souris a abouti à une accumulation dans les tumeurs. L’injection intratumorale suivie du traitement par hyperthermie magnétique a conduit à des élévations de température locales d’environ 10 °C, avec un effet significatif sur l’activité des tumeurs. / This thesis reports the development of hybrid nanoparticles made of an inorganic iron oxide core and an organic shell for medical applications. Iron oxide nanoparticles (IONPs) were produced by the polyol pathway, leading to a good control over their crystallinity and morphology (monocore or multicore). IONPs with diameters in the range of 4 to 37 nm were produced. Their properties as MRI contrast agents were assessed and compared, for possible theranostic applications. They can be used for treating cancer by magnetic hyperthermia, and as contrast agents for MR imaging. The surface of the IONPs was modified to bring stability in biological conditions, as well as new functionalities. Poly(ethylene glycol) was grafted for its stealth property, poly(2-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) and elastin-like polypeptides (ELPs) for their thermosensitive capabilities, and a DY700 fluorescent probe was grafted for tracking nanoparticles in vitro and in vivo. The magnetic and thermosensitive properties of the nanoparticles were studied using a unique set-up combining magnetic hyperthermia with dynamic-light scattering. This set-up allowed measuring the elevations of temperature of the samples as well as variations in diameter and backscattered intensity. Monocore and multicore IONPs grafted with PEG, and monore IONPs grafted with a diblock ELP were tested in vitro. Their interactions with glioblastoma cells were studied, from the internalization pathway inside the cells to their cytotoxic effect (up to 90 %) under magnetic hyperthermia. In vivo, nanoparticles intravenously injected in mice accumulated in the tumors. Intratumoral administration followed by magnetic hyperthermia treatment led to elevations of temperature of up to 10 °C, with a significant effect on the tumor activity.

L’utilisation de plasmas, qu’ils soient thermiques ou basse pression, dans le domaine biomédical remonte aux années 1970. Au cours de ces dernières années, les développements concernant des jets de plasma froid à pression atmosphérique, ont permis un élargissement des domaines d’applications biomédicales des plasmas. Au sein du GREMI, un type de jet de plasma a été développé : le Plasma Gun. Le plasma généré par le Plasma Gun se propage sur de longues distances à l’intérieur de capillaires. L’optimisation des traitements visés nécessite une étude approfondie des décharges créées par le Plasma Gun. La caractérisation du Plasma Gun a mis en évidence la génération de Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams ou PAPS, ces derniers se propageant du réacteur jusque dans l’air ambiant où ils génèrent une plume plasma. Ces PAPS présentent deux modes de propagation, au cours desquels une connexion entre le front d’ionisation et le réacteur est présente en permanence. Ces deux modes nommés respectivement Wall-hugging et Homogène, diffèrent principalement par la morphologie et la vitesse de propagation des PAPS qui leur sont associés. Chacun de ces modes présentent donc des caractéristiques qui leur sont propres mais certaines propriétés de propagation leur sont communes, telles que la possibilité de division ou de réunion de PAPS, ainsi que du transfert de PAPS à travers une barrière diélectrique ou via un capillaire métallique creux. L’étude de la plume plasma, propagation des PAPS dans l’air ambiant, a souligné l’importance de la longueur des capillaires sur la longueur du jet plasma. De plus, la génération du plasma a une très forte influence sur l’écoulement du gaz et la structuration du jet lors de son expansion dans l’air. / The use of plasmas, thermic or low pressure, in biomedical goes back up to 1970s. During these last years, atmospheric pressure cold plasma jets have been developed, allowed an increase of biomedical applications of plasmas. In GREMI, a plasma jet was developed : the Plasma Gun (PG). The plasma generated by the PG propagates on long distances inside capillaries. The optimization of the aimed treatments requires a detailed study of the discharges created by the PG. The characterization of the PG highlights the generation of Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams or PAPS, these last ones propagating from the reactor to the capillary outlet (ambient air) where they generate a plasma plume. These PAPS present two propagation modes, during which a connection between the ionization front and the reactor is present permanently. These two modes named respectively Wall-hugging and Homogeneous, differ mainly by the morphology and their propagation velocity. These modes have common characteristics, such as the possibility of division or meeting of PAPS, as well as the transfer of PAPS through a dielectric barrier or via a hollow metal capillary. The study of the plasma plume underlined the importance of the length of capillaries on the length of the plasma jet. Furthermore, the generation of the plasma has a very strong influence on the gas flow and the jet structuration during air expansion.

De nos jours, les nanomatériaux inorganiques sont devenus des objets importants pour de nombreuses applications. En même temps la pureté du matériau employé est le facteur clé, et souvent les méthodes de synthèse chimiques ne peuvent assurer l'absence d'une contamination résiduelle. Dans ce contexte, nous avons investigué et développé la synthèse par laser de nanoparticules d'or et de silicium en contrôlant leurs taille et composition. Cette technique se révèle être une approche entièrement physique de la fabrication des nanoparticules pures et exemptes d'agents tensioactifs et de sous-produits toxiques. L'approche engagé comprend deux étapes : 1) la génération de la suspension de micro- et nanoparticules par broyage mécanique, et par ablation préliminaire d'une cible solide ; 2) la fragmentation laser ultra-rapide de colloïdes en suspension qui aboutit à la formation de nanoparticules stables, non agrégées, cristallines et avec une faible dispersion de taille. Ce travail se concentre sur la synthèse de nanoparticules d'or de taille contrôlable entre 7 et 50 nm en absence de ligands. De plus, cette technique nous permet d'obtenir des nano-alliages bimétalliques et d'effectuer un couplage in situ de nanoparticules d'or avec des molécules organiques. Ensuite nous montrons la possibilité d'ajuster la taille moyenne et l'épaisseur de la couche d'oxyde des nanoparticules de Si en variant la concertation des particules initiale, le pH et la quantité d'oxygène dissoutes. Enfin, nous démontrons les propriétés optiques et plasmoniques des nanoparticules obtenues au cours de ce travail et leur potentiel pour les applications catalytiques et biomédicales. / Inorganic nanomaterials are of a major interest for numerous applications, specifically bioimaging, biomedicine, catalysis, and also surface enhanced Raman scattering spectroscopy. In most cases, the purity of the employed material is a key factor. Often the conventional chemical ways of synthesis cannot provide the desirable cleanliness. The aim of this thesis is to investigate and develop a laser-based synthetic concept for the fabrication of Au and Si-based nanoparticles with controlled parameters, free of surfactants and toxic by-products. The engaged approach includes two steps: 1) the generation of a raw suspension of micro- and nanoparticles by either mechanical milling or preliminary ablation of a target; 2) ultrafast laser-induced fragmentation from the suspended colloids leading to the formation of stable, non-aggregated, low-size dispersed and crystalline nanoparticles. In particular, we focus on the technique of the synthesis of bare Au nanoparticles with tunable size between 7 and 50 nm in the absence of any ligands. Moreover, this technique allows performing the in situ coupling of the Au nanoparticles with organic molecules and alloying at the nanoscale. Furthermore, we show the possibility of tuning the mean size and the thickness of the oxide shell of Si nanoparticles by varying the initial concentration of microparticles, the pH and the amount of dissolved oxygen. Finally, we demonstrate the optic and plasmonic properties of the nanoparticles synthesized by the techniques established in our work and their potential for the applications in catalysis and biomedicine.

Les dispositifs plasma à la pression atmosphérique (PA) produisent de nombreuses espèces actives physiques (photons, particules chargées, champ électriques etc.) et chimiques (radicaux libres, espèces réactives de l'oxygène, espèces réactives de l'azote etc.). Ces espèces connues pour leurs effets biologiques directs ou indirects font de l'utilisation des jets de plasmas froids à la PA pour des traitements biomédicaux un sujet de recherche en plein développement. La recrudescence des cas de radiorésistance et chimiorésistance chez les micro-organismes et les cellules cancéreuses impose la recherche de nouveaux modes de traitements innovants. C'est dans ce contexte général que s'inscrit les travaux présentés ici dont l'enjeu majeur est la compréhension des mécanismes d'actions des plasmas froids à la PA sur le cancer colorectal (deuxième cause de mortalité par cancer en France). Le travail de thèse présenté concerne l'utilisation d'un modèle biologique in-vitro (sphéroïde tumoraux multicellulaire du cancer du côlon HCT116) en 3 dimensions qui permet de prendre en compte des paramètres déterminants dans la prolifération tumorale. Ce modèle permet ainsi une meilleure prédiction des résultats in vivo dans l'objectif d'une étude clinique ultérieure. De plus les cinétiques de créations des espèces actives ont été étudiées dans leur globalité depuis le dispositif plasma jusqu'aux interactions intracellulaires à partir d'analyses physiques, biologiques et chimiques. Le traitement indirect par utilisation de liquides activés par jet de plasma d'hélium a été privilégié pour élaborer un traitement endoscopique du cancer colorectal. L'ensemble des travaux menés sur l'observation des interactions des liquides activés par plasma sur les sphéroïdes tumoraux multicellulaires a permis de révéler deux modes d'actions distincts. Le premier étant une génotoxicité du liquide activé induite par la présence de peroxyde d'hydrogène dont l'action induit une cassure double brin de l'ADN intracellulaire conduisant les cellules à la mort par apoptose. Une interaction directe des radicaux libres produits dans le milieu avec les composants de ce dernier (acides aminés, glucose, etc.) ainsi que la présence de nitrites et nitrates induisent également un effet antiprolifératif à long terme du milieu activé par plasma sur les tumeurs HCT116. Différentes méthodes comme la résonance paramagnétique électronique et la spectroscopie d'émission optique ont permis de révéler des voies de création possibles conduisant à la formation de ces espèces actives. Des campagnes d'essais thérapeutiques ont permis d'évaluer la capacité des liquides activés par plasma à cibler davantage les cellules cancéreuses plutôt que les cellules saines ce qui en fait une méthode de traitement sélectif particulièrement prometteuse. Le développement et la caractérisation d'un second jet de plasma d'argon a été réalisé avec l'objectif d'optimiser l'effet antiprolifératif des plasmas sur les tumeurs tout en tenant compte des contraintes imposées par l'utilisation d'un tel dispositif pour le traitement du cancer colorectal. / Plasma devices at atmospheric pressure (AP) generate many physical active species (photons, charged particles, electric field, etc.) and chemical (free radicals, reactive oxygen species, reactive nitrogen species, etc...). This species are well known for their direct or indirect biological effects thus biomedical treatment by low temperature plasma jets at AP is currently a hot research topic. The upsurge of radioresistance and chemoresistance of microorganisms and cancer cells requires the development of new biomedical treatment. In this general context, the present work is a step towards the understanding of the effect induced by low temperature plasma jets at atmospheric pressure on colorectal cancer (second leading cause of death by cancer in France). This thesis focuses on the implementation of an in vitro biological model (multicellular tumor spheroid of colorectal cancer HCT116) in 3 dimensions which allows to take into account key parameters in tumor proliferation. This model is also well suited for the prediction of in vivo results in the aim of a subsequent clinical study. Further research about kinetic reactions of active species has been studied from the plasma device up to intracellular interactions through physical, biological and chemical analyses. Indirect treatment of tumors was carried out through helium plasma jet activated liquids. This solution was chosen for its relevance for endoscopic treatment of colorectal cancer. Interaction between plasma activated liquid and multicellular tumor spheroids has shown two distinct pathways. The first one is the genotoxicity of activated medium induced by the occurrence of hydrogen peroxide which induced DNA damages once penetrated in intracellular medium and leading to cell death by apoptosis. A direct interaction between free radicals generated in liquid medium and the latter components (amino acids, glucose, etc.) associated with the occurrence of nitrites and nitrates induces a long-term antiproliferative effect of plasma activated liquid. Chemical pathways of the formation of these active species were identified by using different analysis techniques such as electron paramagnetic resonance and optical emission spectroscopy. Therapeutic analysis have also demonstrated that plasma activated liquid damage preferentially colon cancer cells rather than healthy cells making it a particularly promising selective treatment method. The design and the characterization of a second plasma jet using argon as a carrier gas was carried out with the aim to improve the antiproliferative effect of plasmas on tumors while taking into account the requirement for the use of such device for colorectal cancer treatment.