L'énergie nucléaire est l’un des moteurs de notre société moderne et, malgré des controverses, est considérée comme la forme d'énergie la plus efficace et la plus écologique. Néanmoins, elle est également à l'origine de nombreuses craintes : de part les déchets fortement radiotoxiques produits par les réacteurs et aussi les risques éventuels d’accidents nucléaires qui posent, sur la santé publique et l'environnement, de graves problèmes. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet était de proposer de nouveaux matériaux innovants, capables de piéger efficacement les radionucléides dans les milieux aqueux contaminés. Un nouveau polymère est décrit et a été synthétisé à la fois en solution en utilisant la polymérisation radicalaire contrôlée de type Cu0-CRP mais également à partir de différents substrats comme le PET et le PVC, ce dernier s’étant révélé le plus efficace. Ces nouveaux matériaux ont ensuite été testés et se sont avérés très performants dans le piégeage de l'uranium et de nombreux lanthanides dans l'eau. Ces résultats ont de nombreuses applications potentielles dans l'industrie nucléaire. Ils peuvent être utilisés pour récupérer l'uranium de l'eau de mer comme une future source d'énergie renouvelable. Ils peuvent également contribuer à l'industrie de la gestion des déchets nucléaires, en permettant d’extraire les actinides et/ou lanthanides des effluents radioactifs. En plus, ces matériaux sont prometteurs dans le domaine du traitement des eaux radio-contaminées et la radiodétoxification des organismes vivants, y compris les humains. / Nuclear energy is the true engine of our modern day society and seen as the most efficient and clean form of energy. At the same time, it is the source of many concerns, with its highly radiotoxic waste produced by nuclear reactors and the public health and environmental risks that follow nuclear accidents. In this context, the aim of this project was to come up with new innovative materials, capable of efficiently trap radionuclides in contaminated aqueous media. A new polymer is reported and synthesized in solution as a free polymer, using the easy, cheap and fast metallic copper-mediated controlled radical polymerization (Cu0-CRP). The new polymer was also built from different substrates like PET and PVC, the latter being the most efficient. These new materials were later put to test and proved to be highly performing in trapping uranium and many lanthanides in water. These results have many implications in the nuclear industry. They can be used to harvest uranium from seawater as a future renewable energy source. They can also help the nuclear waste management industry. They are also a potential candidate for treating radio-contaminated environments and for radiodetoxification of living species, including humans.

L'efficacité des matériaux utilisés pour favoriser la régénération osseuse dépend entre autres de leur capacité d'interaction avec le tissu environnant. Ainsi, des peptides d'adhésion contenant la séquence Arginine-Glycine-Acide aspartique (RGD) sont parmi les plus utilisés pour favoriser 1'attachement des cellules osseuses au matériau. Les facteurs de croissance, dont les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs), jouent également un rôle clé dans le processus de différenciation et de fonctionnement des cellules osseuses. La BMP-2 approuvée par la Food and Drug Administration aux États-Unis dans le cadre d'un système de libération est déjà actuellement utilisée cliniquement pour accroître la régénération osseuse. De plus, la BMP-9 a récemment suscité un grand intérêt en raison de son potentiel ostéogénique supérieur à celui de la BMP-2. Néanmoins, peu d'études se sont intéressées à l'influence des peptides d'adhésion sur la réponse cellulaire aux BMPs. Le principal objectif de ce travail de doctorat a donc été de fonctionnaliser un polymère par des peptides d'adhésion et de déterminer son impact sur la capacité de préostéoblastes de souris MC3T3-E1 à répondre à la BMP-2 et à la BMP-9. Cette étude s'est tout d'abord intéressée à la synthèse et à la caractérisàtion d'un film de polycaprolactone (PCL) fonctionnalisé par un peptide dérivé de la sialoprotéine osseuse qui contient 15 acides aminés dont la séquence RGD (pRGD). La fonctionnalisation a consisté en une hydrolyse alcaline du film PCL suivie d'un greffage covalent du pRGD. Les films PCL hydrolysés ont adsorbé des protéines sériques adhésives fibronectine et vitronectine mais sans favoriser l'étalement des préostéoblastes MC3T3-E1. En absence de sérum, les films PCL-pRGD ont permis un étalement plus important des préostéoblastes MC3T3-E1 par rapport au PCL fonctionnalisé par le pRGE (peptide négatif) ou au PCL hydrolysé. Le PCL-pRGD a augmenté le niveau de phosphorylation de la FAK (Tyr 397 ), évènement nécessaire chez les préostéoblastes murins pour permettre leur différenciation en ostéoblastes matures. Ainsi, seules les cellules adhérant au PCL-pRGD ont répondu à la BMP-2 via une activation de la voie canonique des Smads. Dans un deuxième temps, la stimulation des préostéoblastes par la BMP-2 et/ou BMP-9 a été déterminée sur PCL-pRGD. L'EC50 pour chacune des BMPs a tout d'abord été évaluée afin de choisir la concentration optimale à utiliser lors de la combinaison des BMP-2/BMP-9. Tandis que la BMP-2 a induit une phosphorylation des Smad1/5/8 dès 30 min, la BMP-9 a engendré un retard d'activation à 4 h. Cette observation était concomitante avec une diminution de la ?-caténine. Par contre, aucune différence n'a été observée avec la BMP-2 et la BMP-9 en termes d'activation des MAPKinases. Néanmoins, tant la BMP-2 que la BMP-9 ont été capables d'induire la différenciation des préostéoblastes MC3T3-E1 sur PCL-pRGD telle que mis en évidence par la synthèse d' ARNm codant pour Dlx5, Ostérix ou l'ostéocalcine et l'augmentation de l'activité de l'alcaline phosphatase à 72h. Mais l'utilisation d'une combinaison de la BMP-2 avec la BMP-9 stabilisant la ?-caténine n'a pas permis d'obtenir un effet additif sur la différenciation, des activations semblables à celles de la BMP-2 utilisée seule ayant été alors observées. En résumé, l'utilisation de BMP-2 ou de BMP-9 en combinaison avec une surface fonctionnalisée par des peptides d'adhésion semble être une voie prometteuse pour favoriser la différenciation cellulaire. Cependant, cette étude montre également que la BMP-2 et la BMP-9 induisent des voies d'activation antagonistes au contact du PCL-pRGD. Elle met donc l'emphase sur la nécessité de mieux comprendre l'influence de la fonctionnalisation de matériaux par des peptides d'adhésion sur la réponse aux facteurs de croissance.

Différents travaux de recherche ont été décrits dans cette thèse. Les travaux de recherche peuvent être résumés comme suit. Le premier chapitre a porté sur l'identification d’inhibiteurs puissants efficaces vis-à-vis de de l'isoenzyme anhydrase carbonique humaine I (hCAI). Considérant l'importance pharmacologique de trouver des inhibiteurs (CAIs) et des activateurs (AACs) sélectifs aux isoformes de l’anhydrase carbonique ), l'anhydrase carbonique humaine I (hCAI) a été confrontée en parallèle à diverses bibliothèques dynamiques constitutionnelles (CDL). Dans le deuxième chapitre, des réseaux constitutionnels dynamiques ont été préparés sous forme de systèmes membranaires liquides et solides agissant comme un réseau pour le transport spécifique des ions lanthanides. Le transport est basé sur la capacité de complexation des lanthanides (La + 3, Lu + 3, Eu + 3) avec les groupes polyéther fonctionnels situés dans les matériaux membranaires. Dans le troisième chapitre, l'approche proposée consiste en l'utilisation de membranes liquides ioniques supportées (SILMs) comprenant deux enzymes différentes de l'anhydrase carbonique, l’enzyme thermo-résistante SspCA et l'enzyme bovine-CA, qui catalysent la réaction de conversion réversible du CO2 en bicarbonate en favorisant la force motrice vers le transport de CO2. La stabilité des membrane, leur perméabilité vis-à-vis de CO2 et de N2 ainsi que la sélectivité idéale (CO2 / N2) ont été déterminées pour les membranes développées. Le quatrième chapitre porte sur la synthèse et la caractérisation de membranes polymères denses pour une application en séparation de gaz. Les mesures de perméabilité aux gaz des membranes polymères synthétisées ont montré que la perméabilité de CO2 est supérieure à celle des autres gaz testés (CH4 et N2). Dans le dernier chapitre, des membranes de PVDF ont été fonctionnalisées avec une enzyme, la phosphotriestérase (PTE), selon deux méthodes différentes pour construire un réacteur à membrane biocatalytique (BMR) avec pour finalité la bioconversion et la séparation sélective du substrat paraoxon. La première méthode met en œuvre une dispersion réversible de nanoparticules magnétiques de PTE qui est immobilisée à la surface de la membrane de PVDF sous l’effet d'un champ magnétique externe. A l’inverse, la seconde méthode porte sur le greffage chimique de l'enzyme PTE, après modification de la surface de la membrane de PVDF native (DAMP-GA-enzymatique). Les deux techniques d'immobilisation d'enzymes ont montré une bonne efficacité et une sensibilité à l'égard de la bioconversion du paraoxon dans les différentes conditions appliquées dans un réacteur à membrane biocatalytique (BMR).De façon globale, les concepts développés dans ce travail de thèse permettront d’ouvrir de nouvelles pistes de recherche allant vers le développement d'une membrane polymère sélective au transport d’ions, de gaz mais aussi active dans les réactions catalytiques enzymatiques grâce à un contrôle bio-moléculaire au niveau des matériaux membranaires. / Different research works have been described in this thesis. The research works can be summarized as the following. The first chapter deals with the identification of effective potent inhibitors for the human carbonic anhydrase I (hCAI) isozyme. Considering the pharmacological importance to find selective CA inhibitors (CAIs) and CA activators (CAAs), human carbonic anhydrase I (hCAI) has been subjected to a parallel screening of various constitutional dynamic libraries (CDL). In the second chapter, constitutional dynamic networks have been used in liquid and solid membrane systems as a carrier network for transporting lanthanides. The transport is based on the complexing ability of lanthanides metals (La+3, Lu+3, and Eu+3) with the functional polyether groups in the membrane materials. In the third chapter, the proposed approach consists in using supported ionic liquid membranes (SILMs) comprising two different carbonic anhydrase enzymes, the thermo-resistant SspCA enzyme and the Bovine-CA enzyme, which catalyze the reaction of reversible conversion of CO2 to bicarbonate, enhancing the driving force for CO2 transport. Membrane stability, CO2 and N2 permeability and (CO2/N2) ideal selectivity were determined for the membranes developed. In the fourth chapter, the research work consists in the synthesis and characterization of dense polymeric membranes for gas separation application. The gas permeability measurements for the synthesized polymeric membranes showed that the permeability of CO2 is higher than other used gases (N2 and CH4). In the last chapter, two different methods of PVDF membrane functionalization with a phosphotriesterase (PTE) enzyme have been developed to construct biocatalytic membrane reactor (BMR) for bioconversion and selective separation of paraoxon substrate. The first method employs reversible dispersion of magnetic nanoparticle immobilized with PTE using an external magnetic field on the surface of native PVDF membrane. On the contrary, the second method comprises chemical grafting of the PTE enzyme, after surface modification of the native PVDF membrane (DAMP-GA-Enzyme). Both methods of enzyme immobilization showed good efficiency and sensitivity towards the bioconversion of paraoxon substrate at different conditions applied in a biocatalytic membrane reactor (BMR).In general, the concepts developed in this thesis research work will help bring new tracks on the way to the development of a polymeric membrane for selective ion and gas separation but also for selective catalytic reaction under bio(molecular) control.

Ce travail de thèse a été consacré à la mise au point d'une nouvelle microscopie électrochimique à force atomique (AFM-SECM) à haute résolution, totalement innovante, désignée par l'acronyme MT/AFM-SECM pour « Mediator Tethered–AFM/SECM », et pour laquelle le médiateur rédox ferrocène (Fc) est lié à la micro-électrode sonde combinée par le biais de chaînes flexibles polyéthylène glycol (PEG). Il a été établi que les têtes ferrocènes ainsi attachées à l'extrémité de la pointe-sonde AFM-SECM sont capables de sonder la réactivité locale d'un substrat. Il a de plus été démontré que les pointes AFM-SECM Fc-PEGylées peuvent être utilisées en imagerie en mode tapping, permettant l'acquisition simultanée d'un courant de feedback électrochimique et de la topographie du substrat, et ce avec une résolution latérale et verticale de l'ordre du nanomètre. Ce nouveau type de microscopie SECM, devrait trouver de nombreuses applications en partie parce qu'il permet d'obtenir une résolution SECM de l'ordre du nanomètre, dictée par la longueur des chaînes PEG, sans avoir à utiliser des sondes nanométriques. Cette nouvelle microscopie présente donc une résolution suffisante pour permettre de localiser des macromolécules individuelles, en particulier des molécules d'enzyme rédox, sur une surface. Mais de plus, parce qu'elle est libre des contraintes diffusionnelles de la SECM « classique », la microscopie MT/AFM-SECM devrait, en principe, permettre également de caractériser le fonctionnement cinétique de ces enzymes, molécule d'enzyme par molécule d'enzyme.

Le but de cette étude est de concevoir, fabriquer et caractériser une puce microfluidique afin de mettre en oeuve la capture de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées en vue de la reconnaissance d’anticorps spécifiques (couplage d’une très grande spécificité et sensibilité). Après avoir modélisé et simulé les performances de la microbobine intégrée dans le canal de la puce microfluidique en prenant soin de limiter la température du fluide à 37°C, la capture devant être effective, le microsystème est fabriqué en salle blanche en utilisant des procédés de fabrication collective. La fabrication du microdispositif en PDMS a aussi donné lieu à l’optimisation de procédés de modification de surface afin d’assurer la ré-utilisation du microdispositif (packaging réversible) et la limitation de l’adsorption non spécifique. L’immobilisation des anticorps su les billes (300 nm) a été menée à l’intérieur du canal en utilisant un protocole de type ELISA éprouvé. Le procédé a montré qu’il était également efficient pour cet environnement puisque nous avons pu mettre ne évidence la capture de nanoparticules / In this study, a concept of microfluidic chip with embedded planar coils is designed and fabricated for the aim of trapping effectively functionalized magnetic nanobeads and immobilizing antibody (IgG type). The planar coils as a heart of microfluidic chip is designed with criterion parameters which are optimized from simulation parameters of the maximum magnetic field, low power consumption and high power efficiency by FE method. The characterization of microcoils such as effectively nanobeads (300 nm) at low temperature (<37oC) is performed and confirmed. The channel network in PDMS material is designed for matching with entire process (including mixing and trapping beads) in microfluidic chip. A process of PDMS’s surface modification is also carried out in the assemble step of chip in order to limit the non-specific adsorption of many bio substances on PDMS surface. The microfluidic chip assemble is performed by using some developed techniques of reversible packaging PDMS microfluidic chip (such as stamping technique, using non-adhesive layer, oxygen plasma combining with solvent treatment). These packaging methods are important to reused microchip (specially the bottom substrate) in many times. The immobilization of antibody IgG-type is performed inside microfluidic chip following the standard protocol of bead-based ELISA in micro test tube. The result showed that IgG antibodies are well grafted on the surface of carboxyl-beads (comparing to result of standard protocol); these grafted antibodies are confirmed by coupling them with labeled second antibody (Fab-FITC conjugation).

Cette thèse s'inscrit dans un contexte de recherche d'amélioration des propriétés d'extraction d'ions sur phase solide. Au travers de ces travaux est développée une méthodologie innovante visant à adapter la structuration, la morphologie ainsi que les fonctions d'extraction aux ions et aux milieux cibles. Pour cela, nous avons opté pour une méthode « tout-en-un » passant par l'utilisation d'organosilanes amphiphiles. Composées d'une tête condensable et d'une tête « extractante » aux extrémités d'une chaîne hydrophobe, ces molécules polyvalentes font office à la fois d'agent matriciel silicique, d'agent structurant et d'agent extractant. Par analogie avec un tensioactif, nous avons montré que l'auto-assemblage de telles molécules est gouverné par des paramètres liés notamment à la taille de la partie hydrophile de la molécule. En utilisant différents agents de courbure, il est possible de jouer sur la taille du couple agent de courbure/fonction extractante. La courbure à l'interface entre le milieu et l'agrégat est donc ajustable, ce qui conduit à différents types d'agrégation. Par cette méthode, des bicouches, des vésicules et des micelles directes cylindriques ont été obtenues. A l'inverse, l'ajout de précurseur de silice (TEOS) dans la préparation peut conduire au gonflement des structures et à l'inversion de l'agrégation vers des micelles inverses cylindriques. L'effet du solvant a également été étudié et a permis d'aboutir à des morphologies très diverses. Enfin, l'accessibilité des fonctions et les propriétés d'extraction des matériaux élaborés ont été évaluées au travers de modifications chimiques de la tête extractante et de tests d'extraction d'ions métalliques (Terres rares, platinoïdes …). / The aim of this study is to develop a suitable “all-in-one” approach involving amphiphilic organosilane precursors in order to prepare hybrid materials for solid phase extraction processes. Such molecules combine both condensable and functional parts around a long hydrophobic alkyl chain.Similarly to a surfactant, the amphiphilic behavior of the organosilane molecules is governed by the size of the hydrophilic extractant function. By playing with the curvature agent size, it is possible to adjust the size of the couple extractant part/curvature agent at the interface between the aggregates and the surrounding media. Therefore, the aggregation shape is tunable. This approach constitutes an efficient and original method in order to tune the nanostructure of highly functionalized silica at the early stage of the elaboration. Hybrid organic-inorganic planar objects and vesicles are obtained for smaller curvature agents. Increasing the size of the curvature agent results in a transition of the aggregation geometry from vesicles to cylindrical direct micelles, leading to highly functionalized nanofibers.Comparatively, the addition of a silica precursor as TEOS in the preparation results in the swelling of the condensable part of the amphiphilic organosilane molecules. Thereby, as a curvature agent, the addition of TEOS allows tuning the aggregation towards reverse cylindrical micelles. Solvent effects have also been evaluated, appearing as a critical morphological parameter. Macroporous materials, blackberry-like particles and elongated or spherical nanoparticles can be obtained depending on the solvent.Finally, the accessibility of the functions and the extraction properties of the materials have been studied through chemical modifications and metallic ion extraction experiments (Rare earth elements, platinoids …).

La première partie de ce travail est consacrée à l'étude et à l'extension de la réaction de Devasia. Un nombre important de structures d'imidazolinones-5 insaturées-4, non accessibles directement par d'autres voies est ainsi réalisé. Le mécanisme de cette réaction et sa catalyse sont étudiés. Les structures des produits sont confirmées par les méthodes spectrométriques et analytiques habituelles. La stéréochimie des composés est déterminée en particulier par R.M.N.1H et 13C. La réactivité des molécules vis-à-vis de plusieurs réactifs est abordée. Au second chapitre nous décrivons une nouvelle voie d'accès à des delta-2-imidazolines polysubstituées et fonctionnalisées originales. La réaction est appliquée aux composés alpha-bromés alpha, bêta-insaturés possédant une fonction carbonylée ou nitrile. L'étude de cette réaction nous a permis de mettre en évidence un mécanisme particulier présentant des intermédiaires non classiques. La structure tridimensionnelle des molécules est déterminée par R.M.N.1H, 13C, dipolmétrie, CNDO-2 et cristallographie. La troisième et dernière partie traite de l'application de la réaction précédente, étendue au cas des amidines non substituées. Elle constitue dans ce cas une nouvelle voie d'accès aux (3H) pyrimidinones-4-disubstituées-2,6. Les structures moléculaires sont déterminées par les méthodes spectroscopiques et analytiques courantes. La réactivité des molécules est alors étudiée vis-à-vis de plusieurs réactifs. En particulier le réarrangement de type Dimroth concernant les (N-éthoxyméthylène et N-formylidène hydrazino)-4 (3H) pyrimidines est abordé et discuté.