Block copolymer (BCP) thin film patterns, generated using directed self-assembly (DSA) of diblock copolymers, have shown excellent promise as templates for semiconductor device manufacturing since they have the potential to produce feature pitches and sizes well below 20 nm and 10 nm, respectively, using current 193 nm optical lithography. The goal of this work is to explore block copolymers with sufficient thermodynamics driving force (as described by the Flory Huggins interaction parameter, χ) for phase separation at these smallest lengths scales. Here, poly(styrene)-b-poly(hydroxystyrene) is investigated since the PHOST domain is known to form extensive hydrogen bond networks resulting in increased χ due to this strong enthalpic interaction. In this work, nitroxide mediated polymerization (NMP) techniques were utilized to produce PS-b-PHOST diblock copolymers with a range of molecular weights (5000-30000) with low PDI approaching 1.2. The phase separation of low molecular weight PS-b-PHOST on neutral underlayer substrates via solvent annealing provided thin film vertical lamellae with 13 nm pitch. These results illustrate the improved resolution of PS-b-PHOST compared with the current industry standard of PS-b-PMMA (with 20 nm pitch). The directed self assembly of lamellar PS-b-PHOST patterns with 18 nm pitch via graphoepitaxy is demonstrated. Also, a highly selective atomic layer deposition (ALD) and etch technique was investigated which provided selective block removal of (PS-b-PHOST) block copolymer patterns which initially exhibited no inherent etch contrast. In this process, the PS domain is removed leaving a high fidelity etch relief pattern of the original block copolymer template. Finally, an alternative system is presented, namely Poly(trimethylsilylstyrene)-block-poly(hydroxystyrene) (PTMSS-b-PHOST), which utilizes silicon containing functionality in one of the blocks, providing high etch contrast. PTMSS-b-PHOST patterns were also exposed to oxygen plasma allowing selective block removal of the PS domain without the need for additional ALD processing steps.

Les copolymères à blocs amphiphiles sont des macromolécules composées d’au moins un bloc hydrophile lié chimiquement à un ou plusieurs blocs hydrophobes. En milieu aqueux, ils s’auto-associent pour former des micelles dont les cœurs constitués des blocs hydrophobes sont protégés de l’eau par une couronne constituée des blocs hydrophiles hydratés. La majorité des copolymères à blocs amphiphiles génèrent dans l’eau des micelles « gelées » ne présentant aucun échange de chaînes entre elles. Ceci vient du fait que l’énergie nécessaire pour extraire un bloc hydrophobe du cœur des objets est beaucoup trop importante. Par conséquent, les caractéristiques des micelles sont plus contrôlées cinétiquement que thermodynamiquement. Pour diminuer cette énergie nous avons incorporé des unités hydrophile acide acrylique (AA) dans le bloc hydrophobe de poly(acrylate de n-butyle) (PnBA). L’incorporation de 50% molaire d’unités AA dans le bloc hydrophobe conduit à la formation d’agrégats pH-sensibles dans le cas du dibloc PAA-b-P(AA0.5-stat-nBA0.5) comme montré dans une étude antérieure. Cette thèse a consisté en une analyse quantitative de la dynamique d’auto-association de copolymères dibloc et tribloc amphiphiles à base d’acrylate de n-butyle et d’acide acrylique dont les blocs hydrophobes contiennent 50% d’unités hydrophiles réparties de manière statistique. Les copolymères à blocs ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par ATRP. L’influence de la concentration, du pH, de la température et de la force ionique sur la structure et les propriétés mécaniques des systèmes auto-assemblés a été systématiquement étudiée. Par diffusion statique de la lumière nous avons montré la présence d’une concentration d’agrégation critique (CAC) au-dessus de laquelle, des micelles de type étoile (dibloc) ou fleur (tribloc) sont formées par auto-association des blocs hydrophobes. A plus fortes concentrations, des interactions répulsives de type volume exclu apparaissent entre les micelles étoiles. Pour les micelles fleurs, à l’inverse des interactions attractives conduisent au pontage des fleurs jusqu’à l’obtention de réseaux tri-dimensionnels au-dessus de la concentration de percolation. Une attraction trop importante entre les fleurs peut même conduire à une séparation de phase à forte force ionique et bas pH. En diffusion dynamique de la lumière, nous avons montré que la formation des réseaux s’accompagnait de l’apparition d’un mode lent dont l’origine a été expliquée par un mouvement balistique d’hétérogénéités relaxées dans les systèmes. La vitesse de relaxation de ces hétérogénéités s’avèrent être dépendantes des propriétés mécaniques des hydrogels. La formation des réseaux et la dynamique d’échange des chaînes ont été étudiées par rhéologie. La viscosité augmente régulièrement avec la concentration jusqu’à la concentration de percolation où une augmentation brusque de la viscosité se produit et un temps de relaxation apparaît. Le temps de vie des ponts a été finement contrôlé et modulé sur plusieurs décades par modification du pH, de la température et de la force ionique. La formation in-situ des hydrogels nous a permis de mettre en évidence un phénomène de vieillissement des réseaux après leur formation avant d’atteindre un état stationnaire. Ce phénomène s’est traduit par une augmentation du temps de relaxation au cours du temps avant d’atteindre une valeur plateau. Ceci nous a également permis de comprendre pourquoi il était possible de générer des réseaux homogènes, par vieillissement, possédant une dynamique extrêmement lente voir nulle. / Amphiphilic block copolymers are macromolecules composed of at least one hydrophilic block chemically linked to one or several hydrophobic blocks. In water, these macromolecules self-assemble to form micelles composed of a hydrophobic core surrounded by a hydrated hydrophilic corona. The majority of amphiphilic block copolymers form “frozen” micelles in aqueous solution. This means that there is no dynamic exchange of chains between micelles because the energy necessary to extract a hydrophobic block from the core of micelles is too high. Consequently, the characteristics of the micelles are controlled kinetically and not thermodynamically. In order to decrease this energy, we have incorporated acrylic acid units (AA) in the hydrophobic block of poly(n-butyl acrylate) (PnBA). It was previously shown that the incorporation of 50% molar of AA units in the hydrophobic block led to generation of pH-sensitive micelles in the case of PAA-b-P(AA0.5-stat-nBA0.5) diblocks. This thesis presents of a quantitative analysis of the dynamics of self-assembled amphiphilic diblock and triblock copolymer based on acrylic acid units and n-butyl acrylate units. The hydrophobic blocks contained 50% of acrylic acids units incorporated randomly. The block copolymers were synthesized by controlled radical polymerization (ATRP). The influence of the concentration, pH, temperature and the ionic strength on the structure and the mechanical properties of the self-assembled systems was systematically studied. At low concentrations, static light scattering measurements showed the formation of star-like micelles (diblock) or flower-like micelles (triblock) above a critical aggregation concentration (CAC). At higher concentrations, purely repulsive excluded volume interactions between micelles appeared in the case of diblock copolymers. In the case of triblock copolymers bridging of flower-like micelles induced in addition attractive interactions leading to network formation above the percolation concentration. At high ionic strength and low pH, we showed that the attraction between flower-like micelles became sufficiently stong to induce phase separation. Dynamic light scattering measurements showed besides a fast mode due to cooperative diffusion, a second slow relaxation mode that appeared at the percolation concentration. The origin of this mode was explained by a balistic motion induced by the relaxation of heterogeneities inside the system. The velocity of heterogeneities was determined by the mechanical relaxation of the hydrogels. The formation of the network and the exchange dynamic of chains were studied by rheology. The viscosity of solutions increased sharply at the percolation concentration. The terminal visco-elastic relaxation time of the network is related to the lifetime of bridges. It could be controlled and tuned over several decades by varing of pH, temperature and the ionic strength. The in-situ formation of networks revealed an aging of networks after their formation before they reached their stationary state. Aging caused a slow increase of the relaxation time before reaching its steady value. This explains why it is possible to generate homogeneous networks even if the network at steady is kinetically frozen.

Les performances des cellules photovoltaïques organiques de type hétérojonction en volume sont entre autres influencées par les propriétés opto-électroniques du polymère semiconducteur donneur d’électrons. L’objectif de cette thèse était de développer de nouveaux polymères π-conjugués pour permettre une meilleure exploitation du spectre solaire et donc améliorer la photogénération des charges. Pour cela, plusieurs dérivés de polythiophènes comportant des substituants aromatiques phényles ont été synthétisés par la méthode de GRIM, à noter l’homopolymère poly[(3-(4-hexylphényl) thiophène] (P3HPT) et le copolymère à blocs poly[3-(4-hexylphényl)thiophène]-bloc-poly(3-hexylthiophène) (P3HPT-b-P3HT). Nous avons également étudié une nouvelle famille de polymères à faible bande interdite basés sur l’alternance d’unités thiophène et dithiéno[3,2-b:2′,3′-d]silole riches en électrons et 2,1,3- benzothiadiazole pauvres en électrons. Après synthèse des différents monomères, les copolymères alternés ont été ensuite obtenus par polycondensation par couplage de Stille. Les différents matériaux synthétisés ont été d’abord caractérisés par analyse thermogravimétrique et par calorimétrie différentielle à balayage afin d’étudier leurs propriétés thermiques. Ensuite, des caractérisations structurales (en particulier DRX et neutrons), optiques (UV-visible) et morphologiques (AFM) ont été réalisées. A partir des résultats obtenus, nous avons pu évaluer les relations entre les structures et les propriétés des matériaux. Finalement, des cellules photovoltaïques à base des polymères synthétisés ont été réalisées et leurs performances ont été corrélées aux propriétés des matériaux. / The performances of organic solar cells based on the concept of bulk heterojunction configuration are strongly influenced by the optoelectronic properties of the electron donor polymer. The aim of this thesis was to develop new π-conjugated polymers to allow a better exploitation of the solar spectrum and thus improving the photogeneration of charges. For this,several polythiophene derivatives substituted by phenyl aromatic groups have been synthesized by the GRIM method, note the homopolymer poly[(3-(4-hexylphenyl)thiophene] (P3HPT) and the diblock copolymer poly[3-(4- exylphenyl)thiophene]-block-poly(3- hexylthiophène) (P3HPT-b-P3HT). We also studied a new family of low band gap polymers based on the alternation of electron-rich thiophene and dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole units andelectron-deficient 2,1,3-benzothiadiazole units. After synthesis of the various monomers, alternating copolymers were then obtained by Stille cross-coupling polycondensation. The different synthesized materials were first characterized by thermogravimetric analysis and by differential scanning calorimetry to study their thermal properties. Then, structural(especially XRD and neutron), optical (UV-visible) and morphological (AFM) characterizations were performed. From the obtained results, we were able to evaluate the relation between structures and properties of materials. Finally, photovoltaic cells based on the synthesized polymers were performed and their performances were correlated to material properties.

La Résonance Magnétique Nucléaire RMN DOSY (Diffusion Ordered SpectroscopY) 1H est une technique permettant de mesurer les coefficients de diffusion des espèces en solution. Elle permet ainsi d’obtenir des informations structurales de par sa dimension RMN conventionnelle mais également des informations physico-chimiques telles que la taille de la (macro)molécule ou encore la formation d’agrégats. L’objectif de ces travaux a été d’examiner comment les méthodes de RMN (RMN 1D ,2D et DOSY), permettent de fournir des informations sur la caractérisation des matériaux polymères. La première partie de ce travail souligne l’intérêt de la RMN pour la caractérisation de la microstructure de quelques matériaux polymères en s’attardant plus particulièrement sur l’exploration de leurs extrémités de chaînes. La RMN s’est en effet révélée très performante pour établir le lien entre extrémité de chaîne et méthode de polymérisation appliquée. Le deuxième volet de ces travaux concerne l’étude de quelques architectures complexes (type dibloc et tribloc) et la mise en évidence du caractère contrôlé d’une copolymérisation radicalaire grâce à la RMN diffusionnelle. Nous avons également vu comment déterminer la masse moyenne en poids (Mw) par une simple mesure du coefficient d’autodiffusion. Finalement, l’ensemble des travaux présentés dans ce manuscrit a été valorisé grâce à l’étude des interactions par RMN diffusionnelle. Plus particulièrement la RMN DOSY 1H a permis d’observer des phénomènes de micellisation, d’agrégation, d’encapsulation et de relargage de molécules de principe actif. / Diffusion Ordered Spectroscopic Nuclear Magnetic Resonance (DOSY NMR 1H) makes it possible to determine physicochemical data such diffusion coefficients. While typical NMR data on the structure of molecules can be obtained, this technique also permits determinations of the physicochemical characteristics, such as molecular sizes or aggregate formation. The objective of this work was to examine how various NMR methodologies, specifically, 1 and 2 dimensional DOSY NMR, can be applied to the characterization of polymers. The first part of the manuscript relates the NMR characterization of some polymeric materials with a special interest in chain-end groups. In particular, we demonstrate the relationships between chain-ends and the polymerization methods employed. In a second part, the potential of the DOSY technique is used to determine controlled features of a radical polymerization resulting in di- and triblock architectures. Molecular weights are also determined by self-diffusion coefficient measurements. The results presented herein demonstrate that diffusional NMR can be effectively employed to understand interactions in polymeric structures. Indeed, DOSY 1H-NMR provides new interesting results concerning micellization, aggregation, encapsulation phenomena and the release of active molecules.

Nous avons étudié les propriétés volumiques de copolymères diblocs neutres-chargés dissymétriques. Ces molécules sont composées d'une courte partie neutre de poly(éthylène propylène) (PEP) ou de poly(tert-butyl styrène) (PtBs), et d'une longue partie chargée (polyélectrolyte) poly(styrène sulfonate) sodium (PSSNa) de taux de sulfonation supérieur à 80. Des expériences de diffusion de neutrons aux petits angles et de diffusion quasi-élastique de la lumière ont montré que ces copolymères s'auto-assemblent en solution aqueuse en micelles sphériques : coeur composé de l'auto-association des parties neutres en mauvais solvant, duquel émergent les parties chargées en une grande couronne qui peut être vue comme une brosse polyélectrolyte en géométrie sphérique. La forme et la taille des coeurs hydrophobes ont été trouvées invariantes en fonction de la concentration en polymère et de la concentration en électrolyte ajouté (sel monovalent, NaCl). Cette invariance a permis de déterminer les facteurs de structure des solutions (images des interactions) : les interactions électrostatiques ordonnent les solutions même dans le régime dilué (régime sans contact entre micelles). Dans le régime dilué sans sel ajouté, les parties polyélectrolytes (composant la couronne micellaire) ont été trouvées avec une conformation étendue (quasi-bâtons). Avec du sel ajouté, cette conformation devient de plus en plus flexible dès que la concentration en sel est supérieure à la concentration interne en sel d'une micelle. Dans le régime concentré sans sel ajouté, l'apparition d'un pic polyélectrolyte aux petites échelles, typique de la formation d'un semi dilué de polyélectrolytes, a été mise en évidence. De manière surprenante, cet ordre polyélectrolyte coexiste avec l'ordre entre micelles. L'influence du nombre de chaîne par micelle (nombre d'agrégation) a été discutée. Avec du sel ajouté, le pic polyélectrolyte disparaît, tandis que les solutions restent ordonnées. La distribution des contre-ions a été étudiée par des expériences de diffusion de rayons x aux petits angles. Les contre-ions Na+ ont été remplacés par d'autres contre-ions (typiquement Cs+ et TMA+) par dialyse des solutions. Dans le cas des micelles de faible nombre d'agrégation, la distribution des contre-ions a été trouvée en accord avec la distribution donnée par l'équation de Poisson-Bolztmann autour d'un bâton. Dans le cas des micelles de grand nombre d'agrégation, une forte corrélation entre contre-ions, due au recouvrement des différents nuages, a été mise en évidence. Enfin, la concentration micellaire critique (concentration à partir de laquelle des micelles existent) et l'équilibre des solutions ont été étudiés par électrophorèse capillaire. Les résultats ne sont pas encore bien compris : il existe, quelle que soit la concentration en polymère, 20% de chaînes libres (non associées en micelles).

En raison de leur constante d’anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase « chimiquement » ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu’à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd’une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d’une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d’éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d’éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE. / Nanoparticles made of FePt alloy in a face-centered-tetragonal (fct) structure have agreat interest for the enhancement of data density (> 1 Tbit/in²) in magnetic recordingmedia due to their high magneto-crystalline anisotropy and low critical diameters (3.5 nm).Our works lie in the synthesis of ɣ-FePt nanoparticles controlled in size (4 ≤ Ø ≤ 8 nm) andchemical composition (≈ Fe50Pt50) by thermal decomposition of organometallic precursors.Following ɣ-FePt NPs synthesis, annealing at high temperature is required for a completetransition from fcc to fct structure (L10) that ensure a ferromagnetic behavior at ambient.Despite a non-homogenous chemical composition on each nanoparticles (platinum-rich coreand iron-rich surface), L10 structure has been obtained after annealing under atmosphereAr/H2 (5%), at temperature up to 650°C. To prevent coalescence of FePt NPs duringannealing, tree distinct protection routes have shown their effectiveness: an inert NaClmatrix, an amorphous silica shell or a crystalline MgO shell. This last method shows bestresults in redispersion of L10-FePt nanoparticles after annealing via surface modification ofnanoparticles by PEO-thiol chains (Mn =2000 g.mol-1). A magnetic ink is then formulated inpresence of PS-b-PEO macromolecules. At least, this as-made ink is deposited on a substrateto obtain, after copolymer self-assembly, a hybrid film containing ferromagnetic L10-FePtnanoparticles selectively located into PEO cylindrical domains.

L’auto-assemblage de macromolécules amphiphiles dans des solutions aqueuses est un mécanisme important sous-jacent à de nombreux processus présents dans les organismes vivants. La formation spontanée de structures auto-organisées de phospholipides et de biomacromolécules se produit en raison d'un équilibre délicat entre les forces d'attraction et de répulsion. Ces forces comprennent l'attraction hydrophobe, la liaison hydrogène, les forces de coordination des métaux et la répulsion stérique ou électrostatique. En outre, l'auto-assemblage de molécules amphiphiles synthétiques est largement utilisé dans divers domaines technologiques. Un exemple frappant est celui des surfactants de faible poids moléculaire qui peuvent modifier de manière significative les propriétés des systèmes. Les autres domaines importants dans lesquels les tensioactifs et les macromolécules amphiphiles sont activement utilisés sont la cosmétologie et l'hygiène. Cependant, l'utilisation de structures auto-organisatrices de macromolécules amphiphiles nécessite une étude approfondie et soulève quelques questions pour les chercheurs concernant leur structure, leur comportement sous l'influence de facteurs externes et leur stabilité. L'objectif principal de la thèse était de développer une théorie de champ analytique auto-cohérente de l'auto-organisation dans des solutions de copolymères de déblocage non ioniques linéaires dendritiques et dendritiques doubles dans des solvants sélectifs. Cette théorie nous permet de prédire comment la dendronisation d'un ou des deux blocs affecte les propriétés structurelles et thermodynamiques d'assemblages auto-organisés formés par des copolymères. Il a été démontré que la dendronisation des corona bloc permet d’obtenir les micelles stables de taille relativement petite, mais avec de nombreux groupes terminaux. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante dans le contexte de la liberation contrôlée, puisque les groupes terminaux exposés à l'environnement peuvent être facilement fonctionnalisés par des groupes de ligands pouvant être ciblés. Ces deux caractéristiques peuvent être obtenues simultanément car la dendronisation des corona bloc réduit le nombre d'agrégation à l'équilibre et les dimensions globales des micelles par rapport aux micelles formées par des molécules de copolymères diblocs linéaires homologues tout en conservant un grand nombre de groupes terminaux par micelle. La dendronisation du bloc insoluble peut être utilisée pour augmenter le nombre d'unités monomères terminales dans le core. Nous avons également démontré que la dendronisation des blocs solubles favorise la formation de micelles sphériques, alors que les gammes de stabilité thermodynamique des micelles cylindriques et des dendrimersomes sont déplacées vers un degré plus élevé de polymérisation des séquences insolubles. Au contraire, la dendronisation du bloc insoluble a l'effet inverse et conduit à un élargissement des gammes de stabilité des polymeres et des micelles cylindriques.Nous avons étudié les effets de l'extensibilité finie dans les brosses polyélectrolytes à chaîne linéaire et à dendron contenant des groupes ioniques. Nous avons développé la théorie analytique des brosses polyélectrolytiques dans l'approximation de Poisson-Boltzmann qui explique explicitement l'extensibilité finie des chaînes de polyélectrolytes formant des brosses. Il a été montré que pour la même série de paramètres de la brosse, la théorie basée sur l’élasticité non linéaire des polyions prédit une épaisseur de la brosse plus faible et une plus grande amplitude du saut de la densité du polymère au bord du pinceau. Les connaissances obtenues fourniront une base rationnelle pour la conception moléculaire de nouveaux copolymères à blocs complexes sur le plan architectural, y compris ceux destinés à des applications médicales. / An important mechanism underlying many processes occurring in living organisms is self-assembly of amphiphilic (macro)molecules in aqueous solutions. Spontaneous formation of self-organized structures of phospholipids and biomacromolecules occurs because of a delicate balance between attraction and repulsion forces. Such forces include hydrophobic attraction, hydrogen bonding, metal coordination forces and steric or electrostatic repulsion.In addition, self-assembly of synthetic amphiphilic molecules is widely used in various technical fields. A striking example are low molecular weight surfactants (small amphiphilic molecules) that can significantly change the properties of systems. Other important areas in which surfactants and amphiphilic macromolecules are actively used are cosmetology and hygiene. However, the use of self-organizing structures of amphiphilic macromolecules requires detailed study and raises a few questions for researchers regarding their structure, behavior under the influence of external factors and their stability.The main goal of the present work was development of the theory of self-assembly of diblock copolymers where one or both of blocks (soluble or/and insoluble) exhibit dendritic branching and established relations between degree of branching of the block(s) and structural properties (size, shape, aggregation number) of the self-assembled aggregates.The major focus of the thesis was on developing an analytical self-consistent field theory of self-organization in solutions of non-ionic linear-dendritic and double-dendritic deblock copolymers in selective solvents. This theory enables us to predict how dendronization of one or both blocks affects structural and thermodynamic properties of self-organized assemblies formed by copolymers. It was demonstrated that dendronisation of the corona blocks allows obtaining the stable micelles of relatively small size, but with many terminal groups.The latter feature is most attractive in the context of controlled delivery, since the exposed to the environment terminal groups can be readily functionalized by targetable ligand groups. Both these features can simultaneously be achieved because dendronization of the corona blocks reduces the equilibrium aggregation number and overall dimensions of micelles compared to micelles formed by homologous linear-linear diblock copolymer molecules while keeping large number of terminal groups per micelle. Dendronization of the insoluble block may be used for increasing of the number of terminal monomer units in the core. Such terminal groups can be further functionalized to be able to interact with active drugs, thereby increasing the loading capacity of the micelle.We have also demonstrated that dendronization of the soluble blocks favors formation of spherical micelles, whereas the ranges of thermodynamic stability of cylindrical wormlike micelles and dendrimersomes are shifted to larger degree of polymerisation of the insoluble blocks. On the contrary, dendronization of the insoluble block has the opposite effect and leads to widening of the stability ranges of polymersomes and cylindrical micelles.We investigated effects of finite extensibility (non-linear elasticity) in linear chain and dendron polyelectrolyte brushes containing ionic groups. We developed the analytical theory of polyelectrolyte brushes within the Poisson-Boltzmann approximation which explicitly accounts for finite extensibility of the brush-forming polyelectrolyte chains. It was shown that for the same set of the brush parameters the theory based on non-linear elasticity of the polyions predicts smaller thickness of the brush and larger magnitude of the jump in polymer density at the edge of the brush.The obtained knowledge will provide a rational background for molecular design of novel architecturally complex block copolymers, including those for medical applications.

Ce travail concerne la modification de surface de nanoparticules magnétiques (MNP) par des copolymères réactifs renfermant des cycles azlactone, aux fins de l’élaboration de nano-supports destinés à l’immobilisation de biomolécules. Trois stratégies basées sur des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée ont été mises en œuvre.Dans la première, un copolymère poly(méthacrylate de poly(éthylène glycol)-stat-2-vinyl-4,4-diméthylazlactone) (poly(PEGMA-stat-VDM)) a été préparé par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) selon la technique « grafting from » à partir des MNP et utilisé pour la bioconjugaison de thymine peptide nucleic acid (PNA). La présence de l’écorce polymère et l’immobilisation du PNA ont été confirmées par différentes techniques complémentaires (FTIR, VSM).La deuxième stratégie est basée sur l’élaboration de MNP greffées pour la bioconjugaison de l’acide folique, via l’ARTP du PEGMA et de la VDM. L’analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) a montré qu’après bioconjugaison les MNP possèdent une très bonne aptitude à la dispersion en milieu aqueux.La troisième stratégie met en œuvre la technique «grafting onto » de copolymères poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) pour la préparation de nanosupports magnétiques recyclables. Des copolymères à blocs PEO-b-PVDM ont été préparés par la technique de polymérisation RAFT puis greffés sur des MNP fonctionnalisées amino-silane. Les analyses en TEM et par spectroscopie de corrélation de photons ont révélé l’aptitude à la dispersion aqueuse et à la formation de nanoclusters. Les clusters ainsi obtenus ont été utilisés en tant que nanosupports magnétiques recyclables pour l’adsorption d’anticorps. / We herein report the surface modification of magnetite nanoparticle (MNP) with copolymers containing active azlactone rings via a grafting ‘from’ and grafting ‘onto’ controlled radical polymerization (CRP) for use as a nano-solid support for immobilization with biomolecules. Three different approaches were presented as following. First, synthesis of poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate-stat-2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEGMA-stat-VDM)-grafted MNP via a grafting ‘from’ atom transfer radical polymerization (ATRP) and its application as a platform for conjugating thymine peptide nucleic acid (PNA) monomer were presented. The presence of polymeric shell and the immobilization of thymine PNA on MNP core were confirmed by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and vibrating sample magnetometry (VSM) techniques. The second strategy is based on the synthesis of MNP grafted with PEGMA and VDM via ATRP for conjugation with folic acid (FA). The existence of PEGMA and VDM in the structure was characterized by FTIR, TGA and VSM. After the FA conjugation, Transmission Electron Microscopy (TEM) results indicated that the FA-conjugated MNP having high VDM content exhibited good dispersibility in water.Third, the synthesis of MNP grafted with poly(ethylene oxide)-block-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) block copolymer via a grafting ‘onto’ strategy and its application as recyclable magnetic nano-support for adsorption with antibody were studied. PEO-b-PVDM diblock copolymers were first synthesized using reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and then grafted onto amino-functionalized MNP. TEM images and photo correlation spectroscopy (PCS) indicated an improvement in the particle dispersibility in water after coating with the copolymers. The nanoclusters with PEO-b-PVDM copolymer coating were used as recyclable magnetic nano-supports for adsorption with antibody.

Des glycopolymères greffés et dibloc, amphiphiles et photosensibles, à base de poly(acrylate d'o-nitrobenzyle) (PNBA) hydrophobe et photoclivable et de dextrane hydrophile ont été préparés avec succès en utilisant notammennt une réaction d'Huisgen (Cycloaddition Azoture-Alcyne catalysée par le Cuivre (I) - CuAAC chimie click). Dans un premier temps, la polymérisation de l'acrylate d'o-nitrobenzyle a été contrôlée avec succès grâce aux développements récents de la polymérisation radicalaire vivante par transfert d'un seul électron (SET-LRP). Nous avons alors obtenu un PNBA fonctionnalisé à son extrémitié par un brome. Ce brome a ensuite été substitué par un groupe azido. En parallèle, le dextrane a été modifié pour y introduire plusieurs fonctions alcyne (dextrane alcyne) ou une seule sur son extrémité réductrice (dextrane α-alcyne). Nous avons ensuite fait réagir ces dérivés de dextrane avec le PNBA-N3 pour obtenir respectivement les glycopolymères greffés et dibloc. Tous les glycopolymères ont été caractérisés par chromatographie d'exclusion stérique (SEC), Résonnance Magnétique Nucléaire 1H, 13C, 2D DOSY 1H et par spectrométrie FT-IR. Dans un deuxième temps, nous avons optimisé les conditions pour obtenir des nanoparticules peu disperses à partir des précédents glycopolymères. Dans certains cas, des nanoparticules ont également été obtenues en utilisant le dextrane alcyne et le PNBA-N3 dans un procédé d'émulsion/évaporation de solvant organique. La stabilité de toutes les nanoparticules vis-à-vis de solutions aqueuses de diverses forces ioniques ou d'un tensioactif compétitif a été étudiée. Enfin, l'effet de la lumière sur ces nanoparticules photosensibles a été mis en évidence à l'aide de la lampe UV. Plus précisément, nous avons pu suivre la destruction des nanoparticules par spectroscopie de fluorescence et diffusion de lumière dynamique en encapsulant le Rouge du Nil (sonde fluorescente) au sein de ces particules / Photosensitive grafted and diblock amphiphilic glycopolymers based on hydrophobic photosensitive poly(o-nitrobenzyl acrylate) (PNBA) and hydrophilic dextran were successfully prepared via grafting onto techniques through a Huisgen-type Copper(I) catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition (CuAAC click chemistry). Firstly, recent developments in the single-electron transfer–living radical polymerization (SET–LRP) provided us an access to control the o-nitrobenzyl acrylate polymerization and we obtained PNBA with bromide end function. Then, this bromide end function was replaced by azido (N3) group. In a parallel way, we modified dextran by introducing several alkyne groups all long the polysaccharide chain (alkynated dextran) or only one group at the reducing end-chain (α-alkyne dextran). In the second step, alkynated dextran and α-alkyne dextran were reacted with PNBA-N3 by CuAAC to obtain grafted or diblock glycopolymers. All glycopolymers were characterized by Size Exclusion Chromatography, 1H, 13C, 2D DOSY 1H NMR and FT-IR spectroscopy. Secondly, conditions to formulate nanoparticles from the previous glycopolymers were optimized. In some case, we also carried out an emulsion/evaporation process using dextran alkynated and PNBA-N3 to produce nanoparticles. Then, stability of nanoparticles were studied over rang of ionic strengths as well as stability in presence of a competitive surfactant. Finally, the effect of light on these photosensitive nanoparticles was studied using UV-lamp. More precisely, we loaded these nanoparticules by Nile Red fluorescent dye and followed thier destruction by using fluorescence spectroscopy and Dynamic Light Scattering

Les traitements et l’imagerie des tumeurs cérébrales malignes se sont avérés jusqu’à présent très peu efficaces, en raison de la présence de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui freine le passage des molécules thérapeutiques mais aussi diagnostiques vers les tissus du système nerveux central (SNC). Le développement de vecteurs nanométriques chargés en agents thérapeutiques et capables de traverser la BHE pourrait être une alternative pour améliorer la bio-distribution de principes actifs et d’agent d’imagerie au cerveau. Parmi les différents types de vecteurs proposés, les nanoparticules polymériques (NP) constituées de polymères dibloc comportant un bloc de poly (éthylène glycol) (PEG) pourrait présenter une solution prometteuse pour transporter des actifs à travers la BHE. La PEGylation de la surface des NPs améliore la stabilité colloïdale des NPs. De plus, elle diminue l'adsorption non spécifique des protéines à la surface de NPs (appelée aussi opsonisation). La vitesse de clairance des NPs est ainsi ralentie et les NPs circulent plus longtemps dans le sang. Malgré l’effet bénéfique de la couche de PEG à la surface des NPs, le rôle exact des propriétés de surface liées à la longueur de la chaîne PEG sur l'interaction des NPs avec les cellules endothéliales vasculaires est mal compris. Dans une première partie de ce travail, le rôle de la longueur de PEG sur l'endocytose et la transcytose des NPs a été étudié sur des monocouches de cellules bEnd.3, un modèle in vitro de BHE. Les mécanismes de transport des NPs ont été évalués en utilisant différents inhibiteurs de l'endocytose. La quantification du taux d'endocytose et de transcytose a révélé que l'endocytose et la transcytose des NPs augmentaient avec la longueur de la chaîne de PEG. Les taux d'endocytose et de transcytose les plus élevés ont été observés pour les NPs de PLA-PEG5000 et de PLA-PEG10000. Les résultats de l’étude mécanistique démontrent que la longueur de la chaîne de PEG influence la voie d'endocytose empruntée par les NPs PEGylées à travers un modèle in vitro de BHE. Dans une seconde partie de ce travail, l'effet de la longueur du PEG sur la toxicité des NPs et les processus inflammatoires a été étudié sur deux modèles de monocouche de cellules endothéliales vasculaires, soit les cellules bEnd.3 et HUVEC. L'effet de la longueur des chaînes de PEG sur l'expression des gènes impliqués dans la réponse inflammatoire aux NPs PEGylées a été évalué par qPCR. De plus, le potentiel de génération de dérivés réactifs de l'oxygène (DRO ou ROS) par les NPs a été évalué en utilisant le test cellulaire basé sur l'oxydation de la DCFH-DA. Les résultats démontrent que les NPs PEGylées induisent une augmentation légère et transitoire de l’expression des gènes des cytokines et des chimiokines inflammatoires. Cependant, la longueur des chaînes de PEG ne présente pas un effet significatif sur l'expression des gènes des cytokines et des chimiokines. De plus, nos résultats ne montrent pas l’induction de la génération de ROS par les NPs PEGylées. En résumé, la longueur de chaine de PEG influence le taux d’endocytose et de transcytose. La voie d’endocytose impliquée dans l’internalisation et la transcytose est influencée par la longueur des chaines de PEG. En revanche, les différences de longueur des chaines de PEG ne modulent pas significativement l’expression des cytokines et de chimiokines inflammatoires. Ces résultats devraient contribuer à développer des nanoformulations qui traversent plus efficacement la BHE, tout en minimisant les effets toxiques, notamment inflammatoires sur les cellules endothéliales vasculaires de la BHE. Ces perspectives devront toutefois être confirmées sur des modèles in vivo. / To date, imaging and treatment of brain tumors are proved to be very inefficient due to the presence of the blood-brain barrier (BBB). The (BBB) is a semipermeable barrier which prevents or restrains most therapeutic and diagnostic molecules reach the central nervous system (CNS). Polymeric nanoparticles (NPs) loaded by therapeutics molecules and diagnostic agents could represent a promising solution to help active ingredients to cross the BBB and as a consequence, their biodistribution to the brain could be improved. Polymeric NPs composed of di-block copolymers, such as poly (ethylene glycol) blocks (PEG) that bind to polyester hydrophobic chains, are considered one of the most versatile nanocarriers for transporting therapeutic molecules across the BBB. PEG on the surface of NPs improves the NPs colloidal stability. Furthermore, PEG surface coating decreases the non-specific adsorption of proteins on the surface of NPs (also called opsonization); therefore, the clearance rate of the NPs is slowed down and NPs circulation times in blood is extended. Despite the beneficial effect of the PEG coating on the surface of NPs, the exact role of the surface properties related to the PEG chain length on NPs interactions with the vascular endothelial cells is poorly understood. In first article, the role of PEG chain length on brain vascular endothelial cells endocytosis and transcytosis is investigated on monolayers of bend.3 cells as an in vitro BBB model. The NPs transport mechanisms were then investigated by using different endocytosis inhibitory processes. Our results revealed that NPs endocytosis and transcytosis rates increased with PEG chain length. Higher endocytosis and transcytosis rates were observed for PLA-PEG5000 and PLA-PEG10000 NPs. Moreover, the mechanistic studies demonstrated that the PEG chain length influenced the endocytosis pathway taken by PEGylated NPs through an in vitro model of BBB. In second article, the effect of PEG length on NPs cytotoxicity and inflammatory processes has been investigated in two vascular endothelial cell lines (bEnd.3 and HUVEC). The effect of PEG chain length coating on gene expression that are involved in the inflammation response was investigated by qPCR. Moreover, the potential Reactive Oxygen Species (ROS) generation was evaluated with DCFH-DA probe. The results showed that PEGylated NPs induce a mild and transient activation of inflammatory cytokine and chemokine genes. However, the length of the PEG chains did not modulate significantly gene expression of inflammatory cytokines and chemokines. Furthermore, our results showed that PEGylated NPs did not induce ROS generation. In summary, the chain length of PEG influences the endocytosis and transcytosis rate. The pathway of endocytosis involved in internalization and transcytosis is influenced by the length of PEG chains. In contrast, differences in the length of PEG chains did not significantly modulate the expression of cytokines and inflammatory chemokines. These results contribute to develop nanoformulations that cross the BBB more efficiently while keeping the toxic and inflammatory effects minimal, particularly on the vascular endothelial cells of the BBB. Nevertheless, these perspectives have to be confirmed on in vivo models.