Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire. / The byssus is a set of protein-based anchoring threads produced by marine mussels to tether to water immersed surfaces. These fibers have impressive mechanical properties combining stiffness, elasticity and toughness, as well as a self-healing behavior of their mechanical performance upon rest following removal of stress. These properties are the result of collagen-rich block copolymer-like proteins hierarchically assembled and of the presence of organo-metallic reversible sacrificial bonds. Even though these fibers have outstanding mechanical properties and a high content of potentially biocompatible collagen, the mussel farming industry still treats them as a waste. The main objective of this thesis was to use byssus as a sustainable biological feedstock to produce a new family of biomimetic protein-based materials. We developed a method to produce a byssus protein hydrolyzate (BPH) rich in charged amino acids (~30 % mol) and with good film-forming capabilities. A hydrogel rich in inter- and intra-molecular anti-parallel β-sheets and in collagen triple helical structures forms following the BPH solubilization at pH 10.5. After evaporation of water, the resulting film is insoluble in aqueous media as a result of the BPH self-assembly into stable secondary structures. The mechanical properties of the films are pH-responsive owing to their high electrostatic charges content that act like effective crosslinking points at the isoelectric point (pI = 4.5), but causes swelling of the protein matrix and loss of mechanical performance at pH higher or lower than the pI. The strain at fracture remains constant, which increases the toughness of the materials when moving toward the pI. The high content in charged and reactive amino acids was used to covalently crosslink the BPH films using either EDC or glutaraldehyde. Increasing the crosslinking degree gives rise to stiffer and stronger films but leads to a loss of extensibility as a consequence of protein chains being trapped by the crosslinking points. The crosslinked films become resistant to collagenase degradation even though infrared spectroscopy shows the conversion of aggregated strands to hydrated collagen/PPII related structures following the crosslinking reaction. Thus, the crosslinked collagen-related structural elements hinder the collagenase action on the BPH films. Sacrificial bonds were formed in the BPH films by treatments at their pI and/or with various metallic ions, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, in order to tune the mechanical properties and to evaluate the role of sacrificial bonds on the self-healing behavior during cyclic mechanical testing. Using metallic ions of higher valence to treat the films results in an increase of the modulus, strength and toughness without reducing the strain at fracture, confirming the formation of organo-metallic sacrificial bonds. Cyclic mechanical testing shows that pI and Ca2+ treatments create reversible ionic sacrificial bonds that induce a pH-dependent self-healing behavior. Fe3+ addition at various concentrations enables tuning the mechanical performances over a larger interval and to reach higher values than other treatments. This behavior is attributed to the more covalent nature of the iron-amino acids bonding and to the affinity of iron with numerous amino acids, including histidines and DOPA, as detected using Raman and infrared spectroscopy. Iron addition also leads to the formation of reversible sacrificial bonds that procure a self-healing behavior of the mechanical properties to BPH films. Altogether, our results show that the BPH films are byssus biomimetic hydrogels whose mechanical properties can be tuned by using various treatments or crosslinking reactions. The materials could thus find a niche as protein matrix in domains such as the pharmaceutical industry or soft tissue engineering.

Les polymersomes, obtenus par auto-assemblage en solution aqueuse de copolymères à blocs amphiphiles en structure vésiculaire, sont présentés comme d’excellent mimes synthétiques des virus, dont les propriétés membranaires – principalement élasticité, perméabilité, fonctionnalité- peuvent être très proches. Il y a ainsi un fort engouement quant à leur utilisation en biotechnologie et surtout en vectorisation d’actifs pharmaceutiques ou cosmétiques. Afin d’aller encore plus loin dans le biomimétisme ou la bio-inspiration, une étape devait être franchie : encapsuler ces polymersomes les uns dans les autres. Ce cloisonnement ou multi-compartimentalisation permet de mimer cette fois la structure d’une cellule dite eukaryote, elle-même constituée de compartiments internes (organelles) et d’un cytoplasme (lui conférant entre autres une certaine stabilité mécanique) contenues dans le compartiment externe représenté par la membrane cellulaire. Toutefois, l’obtention d’un simple mime structural d’une structure si complexe représente déjà un challenge en soi, nécessitant maîtrise de la physico-chimie des systèmes, de la stabilisation des interfaces et des outils de formulation. Une méthode d’émulsion-centrifugation a été développée et a permis d’obtenir de telles structures compartimentalisées (mimes d’organelles) à cavité gélifiée (mime de cytoplasme). Finalement, différentes voies d’exploitation de ces systèmes sont présentées, allant de l’encapsulation multiple, la libération contrôlée jusqu’au développement de réactions enzymatiques en cascade confinées, mimant ainsi le métabolisme cellulaire. / Amphiphilic block copolymers self-assemble in water into vesicles, coined “polymersomes”; these vesicles are described as excellent synthetic mimics of viral capsids due to the resemblance of their respective membrane properties (in terms of elasticity, permeability, and functionality). As a result, they were massively investigated over the last years regarding applications in biotechnology and more particularly for the targeted delivery of pharmaceutical or cosmetic actives.In order to go further towards bio-inspiration and cell biomimicry, the next step required the encapsulation of polymersomes in other polymersomes. This multicompartmentalization indeed enables to mimic the structure of an eukaryotic cell; an outer cellular membrane compartment encloses internal compartments (organelles) and a cytoplasm responsible amongst others for a certain mechanic stability. However, alone the controlled formation of a system mimicking such a complex structure represents a technological challenge in terms of control over the physical chemistry of these systems, the stabilization of their interfaces and their formulation. A formation method based upon an emulsion-centrifugation has been developed and enabled the formation of such multicompartmentalized structures (organelle mimics) with a gelified lumen (cytoplasm mimic). Finally, various potential applications of these systems are presented: from multiple encapsulation, controlled drug release, to the development of enzymatic and confined cascade reactions that mimick the cellular metabolism.

Dans la nature les plantes sont sans cesse soumises à des sollicitations mécaniques qui affectent et modifient leur croissance. Un aspect remarquable de cette réponse est qu’elle n’est pas seulement locale mais non-locale : la flexion d’une tige ou d’une branche inhibe rapidement la croissance loin de la zone sollicitée. Cette observation suggère l'existence d'un signal pouvant se propager à travers toute la plante. Parmi les différentes hypothèses, il a été suggéré que ce signal pouvait être purement mécanique, et provenir d’un couplage hydro/mécanique entre la déformation du tissu et la pression de l’eau contenue dans le système vasculaire de la plante. L’objectif de cette thèse est de comprendre l’origine physique de ce couplage par une approche biomimétique. Pour cela, nous avons développé des branches artificielles micro-fluidiques possédant des caractéristiques mécaniques et hydrauliques similaires à celles d'une branche d'arbre. Nous avons montré que la flexion de ces branches génère une surpression globale non-nulle dans le système, qui varie comme le carré de la déformation longitudinale. Un modèle simple basé sur un mécanisme analogue à l’ovalisation des tubes permet de prédire cette réponse poroélastique non-linéaire et d’identifier le paramètre physique clé pilotant cette réponse en pression : le module de compressibilité de la branche. A la lumière de ces résultats, des expériences sur des branches d'arbre ont ensuite été conduites et des signaux similaires sont obtenus et comparés au modèle théorique. La similitude suggère le caractère générique du mécanisme physique identifié pour la génération de signaux hydraulique dans les plantes. / Plants are constantly subjected to external mechanical loads such as wind or touch and respond to these stimuli by modifying their growth and development. A fascinating feature of this mechanical-induced-growth response is that it is not only local, but also non-local: bending locally a stem or a branch can induce a very rapid modification of the growth far away from the stimulated area, suggesting the existence of a signal that propagates across the whole plant. The nature and origin of this signal is still not understood, but it has been suggested recently that it could be purely mechanical and originate from the coupling between the local deformation of the tissues and the water pressure in the vascular system. The objective of this work is to understand the origin of this hydro/mechanical coupling using a biomimetic approach. Artificial microfluidic branches have been developed, that incorporate the mechanical and hydraulic key features of natural ones. We show that the bending of these branches generates a steady overpressure in the whole system, which varies quadratically with the bending deformation. A simple model based on a mechanism analogue to tube ovalization enables us to predict this non-linear poroelastic response, and identify the key physical parameter at play, namely the elastic bulk modulus of the branch. Further experiments conducted on natural tree branches reveal the same phenomenology. Once rescaled by the model prediction, both the biomimetic and natural branches falls on the same master curve, showing the universality of the identified mechanism for the generation of hydraulic signals in plants.

Dans le but de mieux comprendre les mécanismes de transferts d'amines catalysés par des métaux et la nature des espèces actives impliquées, nous avons synthétisé un complexe binucléaire à fer non hémique possédant un substrat interne de nature aromatique. La réactivité de ce complexe vis-à-vis d'un donneur d'amine ArINTs se traduit par la formation de deux produits résultant d'une mono et d'une double amination aromatique. Par l'emploi de différentes techniques chimiques et spectroscopiques, nous avons résolu l'ensemble du mécanisme de la réaction. Des études de marquage isotopique couplées à la spectrométrie de masse et à une quantification des produits formés par HPLC nous ont permis de mettre en évidence le passage par deux intermédiaires réactionnels, l'un de nature FeIIIFeIV(=NTs) et l'autre de nature FeIVFeIV(=NTs)(-NHTs) analogue à l'intermédiaire Q de la MMO.<br />La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à un complexe binucléaire à fer à valence mixte possédant une branche aniline. En présence de base, ce complexe subit une déprotonation du ligand aniline induisant une inversion de valence des ions métalliques et un changement de couleur de la solution visible à l'œil nu. Cette réaction réversible est le premier cas d'inversion de valence induit par une réaction acido-basique. Ce complexe possède la capacité de détecter des amines en solution organique et en phase solide.

Nous avons conçu un pilote automatique, dénommé LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), qui s'inspire de la vision du mouvement des insectes ailés. Il se compose de deux régulateurs de flux optique interdépendants, chacun contrôlant un degré de liberté de translation : un régulateur de flux optique bilatéral contrôle la vitesse du robot, tandis qu'un régulateur de flux optique unilatéral lui permet d'éviter les obstacles latéraux. Des expériences de simulation montrent qu'un robot totalement actionné, équipé du seul pilote automatique LORA, franchit sans collision un corridor droit, fuselé, ou même non stationnaire. Le robot n'a besoin que d'une paire d'yeux latéraux mesurant les flux optiques droit et gauche et ne fait appel à aucun autre capteur, ni de vitesse, ni de distance. LORA est destiné à équiper un aéroglisseur miniature de 0,8 kg, doté de deux yeux élémentaires (à 2 pixels) et rendu totalement actionné par l'adjonction de deux propulseurs latéraux. Nous avons identifié tous les paramètres dynamiques de ce robot avant de les inclure dans les simulations. Ce travail constitue un premier pas vers un système de guidage agile et léger pour micro-aéronefs. La genèse du pilote automatique LORA a suivi trois étapes : LORA I, LORA II et LORA III, enrichies progressivement par l'analyse parallèle du comportement d'abeilles entraînées à pénétrer dans divers corridors pour y butiner un nectar artificiel. L'enregistrement vidéo à haute résolution et l'analyse statistique de trajectoires d'abeilles dans divers environnements ont permis de mettre à jour les ressorts du système visuo-moteur sous-jacent. Ainsi notre travail remet en question l'hypothèse d'" équilibrage des flux optiques latéraux ", proposée voici 20 ans pour expliquer " la réaction de centrage " de l'abeille dans un corridor. Bien que ce comportement ait inspiré maints roboticiens dans le monde, il apparaît en fait comme un cas particulier d'un comportement beaucoup plus général de l'insecte : le suivi de paroi. Le va-et-vient permanent biologie-robotique qui a animé notre travail offre aujourd'hui des retombées dans les deux camps. Il permet de comprendre comment un insecte de 100 mg peut naviguer sans SONAR, ni RADAR, ni LIDAR, ni GPS, et offre aux véhicules autonomes la possibilité de se comporter pareillement, sans avoir à mesurer ni vitesse ni distance.

Les radicaux organiques tiennent une place de choix dans de nombreux domaines et il est établi que ceux-ci peuvent exister coordinés à des centres métalliques dans les métalloenzymes. La Galactose Oxydase par exemple contient une entité cuivre(II)-radical phénoxyle indispensable à sa réactivité pour l'oxydation aérobie d'alcools en aldéhydes. Ces travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de complexes de métaux de transitions (cuivre, nickel, cobalt) à partir de ligands noninnocents. Les caractérisations des espèces sous divers degrés d'oxydation ont été réalisées par différentes techniques complémentaires d'analyse (l'électrochimie, la RPE, l'UV-visible-proche-IR, la resonance raman ainsi que la diffraction des rayons X) combinées à des études de chimie théorique. Nous avons synthétisé des complexes Ni(II)-salen symétriques et dissymétriques et montré que l'espèce oxydée radicalaire pouvait acquérir un caractère localisé (composé de classe II) ou délocalisé (composé de classe III selon Robin-Day) en fonction des substituants phénoliques. Dans des complexes Cu(II)-salophen nous avons mis en évidence une activité redox centrée sur le pont, conduisant à des espèces Cu(II)-radicaux π diaminobenzène. Dans le cas des complexes de cobalt, les orbitales redox actives du métal et du ligand sont si proches en énergie que l'espèce oxydée est un hybride de résonance entre les formes Co(III)-phénolate et Co(II)-phénoxyle. Nous avons évalué l'influence du remplacement des oxygènes du salen par des azotes sur la structure électronique des espèces oxydées. Enfin, des complexes ont été mis au point à partir d'un ligand bis(phénol)-dipyrrine et les espèces oxydées radicalaires ont été caractérisées structuralement. Elles ont un caractère mixte porphyrinyle-phénoxyle jamais mis en évidence au préalable.

L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux textiles biomimétiques pour réaliser des prothèses vasculaires au comportement mécanique proche de celui de l'aorte native, afin de limiter les problèmes post-opératoires observés actuellement. Afin d'établir le cahier des charges, un modèle de comportement de l'AA inspiré d'un modèle multicouches a été ajusté sur des essais biaxiaux de la littérature réalisés sur des échantillons d'AA excisés, pour trois groupes d'âge distincts. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de calculs par éléments finis afin de simuler le comportement mécanique de l'aorte saine soumise à un ensemble de sollicitations mécaniques, tant à l'échelle du matériau (traction uni et biaxiale, flexion) qu'à celle de la structure (gonflement avec pré-élongation, flexion, compression diamétrale). Dans un second temps, des essais de caractérisation couplés à des mesures par imagerie ont été mis en œuvre sur des prothèses du commerce, avec les mêmes conditions limites et de chargement que les simulations numériques. Ces essais ont permis d'identifier les écarts de comportement mécanique entre les prothèses actuelles et l'aorte native. Afin de pallier à cela, la dernière partie de ce travail a été consacrée au développement de nouveaux textiles biomimétiques, i.e mimant le comportement mécanique de l'aorte native ainsi que ses principales caractéristiques histologiques (« ondulation » et « orientations de fibres privilégiées»), réalisables à l'échelle industrielle par technologie « tricot maille jetée ». Dans un premier temps, le comportement mécanique de plusieurs multifilaments en PET avec différents titres, nombres de filaments et différentes textures, a été étudié après plusieurs traitements (thermique…). Ceci a permis de sélectionner un fil en particulier pour la réalisation des textiles. Par la suite, une première optimisation des paramètres de fabrication (armure, densité de mailles, jauge) a été réalisée pas-à-pas à travers plusieurs campagnes de réalisations et de caractérisations de tricots plans en sollicitation uniaxiale et biaxiale. Enfin, des premiers essais de mise en forme tubulaire ont été réalisés à partir des textiles optimisés. Deux procédés de mise en forme ont été développés : tubes cousus / tubes tramés. La production de « tubes tramés » continus est une technologie innovante à notre connaissance, et prometteuse. Le comportement mécanique des tubes réalisés a été caractérisé en gonflement pour une première évaluation. Plus spécifiquement, l'effet des procédés appliqués sur les textiles médicaux (lavage, traitement thermique, enduction) a été testé sur des échantillons de tube tramé et de textiles plans. Ces premiers essais ont montré qu'en pilotant les paramètres de ces différents traitements et plus particulièrement ceux du traitement thermique, il est possible de moduler le comportement mécanique des tricots afin qu'il s'approche au mieux de celui de l'AA. / This thesis aims at developing new biomimetic textiles to design vascular prostheses with a mechanical behavior close to the one of the host aorta, in order to reduce current post-operative problems. To define the ideal target properties, a AA mechanical model was chosen, based on a multi-layered model from the literature. The model parameters were adjusted on biaxial tensile data reported in the literature, performed on excised AA samples for three different age groups. Then, this model was implemented in a finite element code in order to simulate the mechanical behavior of the healthy aorta submitted to various mechanical loadings, both at the material's scale (uni- and biaxial tensile tests, bending) and at the structure's scale (inflation with prestretch, bending, diametric compression). Secondly, several commercial prostheses were characterized using dedicated experimental devices combined with image recordings. The prostheses were tested under the same boundary and loading conditions as the ones used in the numerical simulations. These tests showed that the actual prostheses are not fully mechanically compatible with the host aorta. In order to solve this problem, the last part of this work was dedicated to the design of new biomimetic textiles, i.e. mimicking the healthy aorta's mechanical behavior and main histologic properties (“wavy fibres” and “preferred fiber orientations”), which can be produced industrially using “warp knitting” technology. Firstly, the mechanical behavior of several PET yarns made of different titers, filament numbers and textures were characterized after several treatments (thermal, etc.). This step enabled to identify one specific yarn to produce the biomimetic textiles. Then, a first optimization of the manufacturing parameters (weave, gauge, density, etc.) was made step by step by means of several textile production and planar tests (uni- and biaxial tensile tests). Finally, several trials were conducted to design tubular structures from the optimized textiles. Two shaping methods were developed: sewed tubes / weaved tubes. The continuously “weaved tubes” production is an innovative and promising technology as far as we know. The mechanical behavior of the new tubes was characterized using inflation tests for a first assessment. More specifically, the effect of the treatments usually applied on medical textiles (cleaning, thermal treatment, coating) was tested on weaved tubes and planar textiles samples. By adjusting the parameters of the several processes - and mostly those of thermal treatments – it was possible to adjust the textiles' mechanical behavior in order to make it the closest to the AA's one.

Les copolymères à blocs amphiphiles peuvent s’auto-assembler sous forme de vésicules,appelées polymersomes. Ces vésicules ont été développées et étudiées depuis de nombreusesannées notamment pour l’encapsulation et la délivrance contrôlée de médicaments. Depuisquelques temps, elles connaissent des applications dans le domaine du biomimétisme cellulaire.Plus robustes que leurs analogues lipidiques (liposomes), les avantages à utiliser lespolymersomes comme mimes synthétiques de cellules biologiques ne sont plus à démontrer.Ainsi, des structures compartimentées à base de polymères ont été développés comme mimesstructurels de cellules. Ces systèmes ont été utilisés comme bioréacteurs, avec la réalisation deréactions chimiques ou enzymatiques en cascade en milieu confiné. Toutefois, l’un desobstacles qu’il reste à franchir est de trouver des moyens simples et efficaces pour déclencherla réaction au sein de ces systèmes. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de cettethèse. Une membrane synthétique asymétrique à base de lipide et polymère a été développée etla méthode d’émulsion-centrifugation a été utilisée pour produire des systèmes compartimentésbiomimétiques. De plus, deux approches différentes ont été suivies pour provoquer la libérationcontrôlée d’espèces encapsulées, l’une utilisant la température et l’autre la lumière. Enfin, desétudes de co-encapsulation de cellules synthétiques (polymersomes) et biologiques au sein demilieux 3D ont été réalisées dans le but d’évaluer leur compatibilité et la possibilité de les cocultiver. / Amphiphilic block copolymers can self-assemble into vesicles, also called polymersomes.These vesicles have been developed and studied for many years especially in the field of drugloading and controlled release. More recently, their use as cell mimics have attracted a lot ofattention, mainly because polymersomes exhibit many advantages in contrast to their lipidicanalogues (liposomes). In such, compartmentalized polymer systems have especially beendeveloped as structural mimics of cells. These systems have found applications as bioreactorsthat can confine cascade chemical or enzymatic reactions. However, a major goal that stillremains to achieve is to find ways to trigger the beginning of these chemical reactions insidethe compartmentalized structures. The work carried out during this PhD thesis was actually totackle this challenge. A synthetic asymmetric lipid – polymer membrane, that mimics themembrane of biological cells was developed and the emulsion-centrifugation protocol wasfollowed to prepare biomimetic compartmentalized structures. In addition, two different waysto control the independent release of multiple species from individual compartments weredeveloped, based on temperature or light activation. Lastly, co-encapsulation of synthetic cells(polymersomes) and biological cells were performed in 3D media with the aim to study theircompatibility for co-culture experiments.

Les matériaux à base de polydopamine (PDA) s’inspirent de la forte adhésion du byssus de la moule sous l’eau. L’oligomérisation de la dopamine dans un milieu basique permet la formation de revêtement de PDA sur n’importe quel matériau. En plus de la simplicité du procédé celui-ci est vert et versatile. La PDA a des propriétés similaires aux mélanines, d’où son utilisation dans le domaine des phénomènes de conversion d’énergie, de l’environnement et du biomédical. Cependant la structure de la PDA étant inconnue, l’élaboration de matériaux basés sur la relation structure propriétés est difficile. L’un des buts de cette thèse a été de comprendre cette relation pour élaborer de nouveaux matériaux de PDA. En choisissant l’oxydant adéquat nous avons déposé un film épais, superhydrophile et biocompatible sur n’importe quels substrats. De plus nous avons découverts la possibilité de former des films de PDA à l’interface air/eau. L’étude de ce phénomène a permis de former des membranes autosupportées et stimuli responsives. / Polydopamine (PDA) materials are inspired from mussels’ byssus strong adhesion underwater. The oligomerization of dopamine in a basic medium allows forming a PDA coating on virtually any materials. In addition to the simplicity, ecofriendly and versatility of the deposition method, PDA has properties similar to those of melanin pigments and displays many outstanding properties. Thus PDAis widely used in energy, environmental and biomedical sciences. However design of PDA based new materials with tailored properties is a challenge since its structure is still unknown. In that sense one of the aims of this thesis is to gain knowledge in PDA structure-property relationship in order to design PDA materials with new properties. By choosing the appropriate oxidant we deposited thick and superhydrophylic films on any materials for the elaboration of low fouling and biocompatible surfaces. Additionally we discovered the possibility to form PDA films at the air/water interface. The investigation of this phenomenon led to the formation of stimuli responsive free standing membranes.

Les radicaux organiques tiennent une place de choix dans de nombreux domaines et il est établi que ceux-ci peuvent exister coordinés à des centres métalliques dans les métalloenzymes. La Galactose Oxydase par exemple contient une entité cuivre(II)-radical phénoxyle indispensable à sa réactivité pour l'oxydation aérobie d'alcools en aldéhydes. Ces travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de complexes de métaux de transitions (cuivre, nickel, cobalt) à partir de ligands noninnocents. Les caractérisations des espèces sous divers degrés d'oxydation ont été réalisées par différentes techniques complémentaires d'analyse (l'électrochimie, la RPE, l'UV-visible-proche-IR, la resonance raman ainsi que la diffraction des rayons X) combinées à des études de chimie théorique. Nous avons synthétisé des complexes Ni(II)-salen symétriques et dissymétriques et montré que l'espèce oxydée radicalaire pouvait acquérir un caractère localisé (composé de classe II) ou délocalisé (composé de classe III selon Robin-Day) en fonction des substituants phénoliques. Dans des complexes Cu(II)-salophen nous avons mis en évidence une activité redox centrée sur le pont, conduisant à des espèces Cu(II)-radicaux π diaminobenzène. Dans le cas des complexes de cobalt, les orbitales redox actives du métal et du ligand sont si proches en énergie que l'espèce oxydée est un hybride de résonance entre les formes Co(III)-phénolate et Co(II)-phénoxyle. Nous avons évalué l'influence du remplacement des oxygènes du salen par des azotes sur la structure électronique des espèces oxydées. Enfin, des complexes ont été mis au point à partir d'un ligand bis(phénol)-dipyrrine et les espèces oxydées radicalaires ont été caractérisées structuralement. Elles ont un caractère mixte porphyrinyle-phénoxyle jamais mis en évidence au préalable. / Organic radicals play key roles in various fields and it is established that they could coordinate metal centers in metalloenzymes. For example, Galactose Oxydase exhibits a copper-phenoxyl entity, essential for its reactivity (aerobic oxidation of alcohols to aldehydes). This thesis is focused on the design of transition metal complexes (copper, nickel, cobalt) from non innocent ligands. The characterization of species at various oxidation states has been performed by complementary analytical techniques (electrochemistry, EPR, UV-vis-NIR, raman resonance, X-ray crystallography) and theoretical chemistry. Several Ni-salen complexes were synthetized (symmetrical or not) and the resulting oxidized species could be either localized (class II compound) or delocalized (class III compound) radicals depending on the phenolic substituents. In Cu(II)-salophen complexes we successfully shed light on a bridge-centered redox activity, leading to Cu(II)-diaminobenzene π radical species. In the case of cobalt, both metal and ligand redox active orbitals are isoenergetic and the oxidized species is a resonance hybrid between the Co(III)-phenolate and the Co(II)-phenoxyl forms. We evaluated the influence of the replacement of the salen oxygen atoms by nitrogen ones on the electronic structure of the resulting oxidized species. Finally, original complexes were synthesized from a bis(phénol)-dipyrrine ligand and the radical oxidized species were structurally characterized. They exhibit a unprecedented mixed porphyrinyl-phenoxyl character.