Les globules gras du lait sont entourés d’une membrane biologique extrêmement complexe en composition et en structure, appelée MFGM (milk fat globule membrane). L’investigation de cette membrane, in situ dans le lait, par microscopie confocale nous suggère que les lipides polaires à haute température de transition de phase (Tm) forment des domaines en phase gel ou liquide ordonné, dispersés dans une phase continue fluide. Sur la base de cette observation, ce projet vise à comprendre en quoi la composition en lipides polaires laitiers et leur état de phase peuvent moduler les propriétés élastiques de la MFGM, en vue d’une meilleure maîtrise de la stabilité des globules gras en industrie laitière.L’hétérogénéité mécanique générée par la coexistence de différents types de phase a ainsi été caractérisée par spectroscopie de force AFM en utilisant des bicouches de lipides modèles de la membrane réelle, à basse (T<Tm) et haute températures (T>Tm). Pour analyser finement les déterminants de l’élasticité de la membrane, et tenir compte de la courbure, une étude approfondie des effets de l’état de phase et de la composition hétérogène en lipides polaires a été entreprise par spectroscopie de force atomique, en complément d’une analyse structurale par microscopie électronique ou diffraction des rayons X. Nous y avons montré, en particulier, que la présence de molécules de longueur de chaîne acyles et d’insaturation variables rend les membranes de sphingomyéline de lait en phase gel moins rigides qu’attendu, bien que significativement plus rigide qu’une membrane fluide. Cette approc / The milk fat globules are enveloped by a biological membrane, called MFGM, of highly complex composition and structure. Investigation of this membrane, in situ in milk, using confocal microscopy suggested that polar lipids with high transition temperature (Tm) form domains in gel or liquid-ordered phase, dispersed in a continuous fluid phase. From this observation, the aim of this project was to understand how the composition and organization of dairy polar lipids can modulate the elastic properties of the MFGM, in order to better control stability of the fat globules in the dairy industry. The mechanical heterogeneity created by the coexistence of phases was then characterized by AFM force spectroscopy using lipid bilayers models at low (T<Tm) and high temperatures (T>Tm).In order to closely analyze the factors that direct membrane elasticity, force spectroscopy measurements were undertaken on curved liposome membranes, in combination with structural characterization by TEM and SAXS. We showed, in particular, that heterogeneity in acyl chain length and unsaturation made gel-phase milk sphingomyelin membranes less rigid than expected, although more rigid than a fluid phase membrane. This approach was finally applied to native milk fat globules, where mechanical heterogeneity was visible. However, elasticity values were somewhat different from those calculated on model systems, probably because of the presence of membrane proteins.

Dans le but d'accroître nos connaissances sur les poudres pour usage alimentaire ou pharmaceutique, nous proposons d'étudier l'effet des procédés de fabrication, de mise en forme, la granulation sur la réactivité des poudres. La première partie est consacrée à l'effet de pureté sur les interactions-Lactose Lactose et Lactose-API mesurées / quantifiée par des techniques de champ proche (AFM, SMM, MSAFM) sous atmosphère ambiante et dans des conditions de stress stockage. Dérivant une seconde partie de la partie précédente mettra en évidence les effets des interactions sur différentes formulations pharmaceutiques, telles que la compression directe et avec une poudre sèche Inhalation inhalateur. Tout ce travail aidera à comprendre l'impact de la surface de pureté Lactose pharmaceutique qualité et la stabilité des formulations pour inhalation et par compression. / The discovery of the problem will go through training techniques at the nanoscale characterization and chemical analysis, the discovery of the industrial problem in society Armor Proteins, the validation of a pharmaceutical lactose. With the aim to increase our knowledge on powders for food or pharmaceutical use, we propose to study the effect of manufacturing processes, shaping, granulation on the reactivity of powders. The first part is devoted to the effect of purity on interactions-Lactose Lactose and Lactose-API measured / quantified by near-field techniques (AFM, SMM, MSAFM) under ambient atmosphere and under stressful conditions storage. Deriving a second portion of the preceding part will highlight the effects of interactions on different pharmaceutical formulations, such as direct compression and with a Dry Powder Inhalation Inhaler. All of this work will help to understand the impact of purity surface Lactose Pharmaceutical quality and stability of formulations for inhalation and compression.

L'objectif fondamental de cette thèse est de développer et de mettre en oeuvre un outil interactif desimulation des techniques de micromanipulation biologiques de cellules. Au moyen de cet outil, l'opérateurpourra se former, s'entraîner et améliorer sa maîtrise en développant une gestuelle proche de celle exécutéeen réalité. La conception d'un tel environnement de simulation en temps-réel nécessite de trouver uncompromis entre le réalisme des modèles de comportement biomécanique utilisés, la précision et la stabilitédes algorithmes des méthodes de résolution et de rendu haptique utilisées ainsi que la vitesse de calcul. Lamodélisation mécanique retenue repose sur l'utilisation du modèle hyperélastique de St Venant-Kirchhoff etune formulation dynamique explicite éléments-finis du type masses-tenseurs. Le bien-fondé de cettemodélisation est vérifié sur des essais de microindentation par Microscopie à Force Atomique (AFM) decellules souches embryonnaires de souris et de microinjection d'ovocytes. Nous avons développé etimplémenté des modèles d'interaction en temps-réel qui s'articulent autour de la détection et la gestionrapide des collisions entre outil/cellule.La synthèse du rendu haptique fourni à l'opérateur est également proposée par l'intermédiaire d'un couplagevirtuel. Pour chaque application, nous avons justifié nos choix méthodologiques et Algorithmiques qui sontguidés par les contraintes de "réalisme+précision" "temps-réel". Les différents modèles proposés ont étéintégrés dans le simulateur SIMIC que nous avons développé pendant cette thèse. Ce dernier est dédié à lasimulation interactive pour l'aide à l'apprentissage du geste de microinjection et de nanoindentationcellulaire. / The fundamental objective of this thesis is to develop and implementing an interactive simulation techniquesfor micromanipulation biological cells. Using this tool, the operator can form, train and improve its control bydeveloping a gesture similar to that performed in reality. The design of such a simulation environment in realtime requires a compromise between the realism of biomechanical models used the accuracy and stability ofalgorithms and solution methods used haptic rendering and computational speed. Modeling Mechanicalrestraint involves the use of hyperelastic model of St Venant-Kirchhoff formulation and explicit dynamic finiteelement-type mass tensors. The validity of this model is tested on microindentation tests by Atomic ForceMicroscopy (AFM) of mouse embryonic stem cells and microinjection of oocytes. We have developed andimplemented models of real-time interaction that revolve around the detection and management of rapidcollisions between tool / cell.The synthesis of the haptic feedback provided to the operator is also available through a virtual coupling. Foreach application, we have justified our methodological choices and Algorithms that are guided by theconstraints of realism + precision "" real time ". The various proposed models have been integrated into thesimulator SIMIC that we developed during this thesis. This is dedicated to interactive simulation to supportlearning of gesture microinjection and cell nanoindentation.

Une analyse détaillée des propriétés physico-chimiques des nanoparticules (NP) anthropogéniques est nécessaire pour comprendre à un niveau mécanistique leurs interactions/toxicité potentielle avec/envers les composants biotiques des systèmes aquatiques naturels. Une telle analyse est également requise pour réaliser une évaluation complète et une optimisation de la performance des méthodes d’(ultra)filtration développées pour circonscrire le relargage des NPs dans les milieux aquatiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse de doctorat était de déchiffrer les processus physico-chimiques fondamentaux régissant la capture de nanodendrimères carboxylés (PAMAM-COOH) - utilisés fréquemment dans des applications biomédicales – par des films multicouches du type (poly(diallyldiméthylammonium)chlorure-poly(acide acrylique))n ((PDADMAC-PAA)n) assemblés par déposition séquentielle des composantes polymériques cationique et anionique. À cette fin, une étude systématique des propriétés électrohydrodynamiques des NPs PAMAM-COOH a d'abord été effectuée en fonction du pH et de la concentration en sel monovalent du milieu. Sur la base de la théorie électrocinétique de particules molles ayant une fonctionnalité zwitterionique, il est démontré que les caractéristiques électriques interfaciales des NPs considérées sont déterminées à la fois par des contributions électrostatiques de surface et volumique des nanoparticules, lesquelles dependent de l’extension intraparticulaire de la double couche électrique. L’existence de ces deux types de contributions conduit à un changement remarquable de signe de la mobilité des NPs en modifiant la concentration du sel monovalent en solution et à une dépendance prononcé du point de zéro mobilité des NPs avec la concentration de l’électrolyte. En outre, une confrontation quantitative entre résultats expérimentaux et théorie souligne comment les modifications structurales des NPs induites par des changements de pH et de salinité affectent les caractéristiques électrocinétiques des dendrimères. Dans une deuxième partie, la structure, la morphologie et les propriétés mécaniques des films PDADMAC-PAA et leur évolution temporelle dans des conditions de vieillissement naturel ou après traitement thermique ont été déterminées par microscopie à force atomique (AFM) et analyses microspectroscopie Raman. Les résultats démontrent que les films multicouches PDADMAC-PAA de type exponentiel présentent des caractéristiques mécaniques et structurelles typiques de films polyélectrolytes multicouches à croissance linéaire. En particulier, leur relaxation lente vers un état d’équilibre est accélérée après traitement thermique à 60°C et se révèle être intimement liée à l'instabilité de domaines de films riches en PDADMAC, épuisés en eau (faits confirmés par la théorie de la fonctionnelle de la densité) et marqués par la présence de structures caractéristiques en forme de ‘donuts’. Dans une dernière partie, des résultats préliminaires sont donnés pour la dépendance de l'élasticité des films multicouches PDADMAC-PAA avec la concentration en solution de nanodendrimères. Les résultats suggèrent que ces films multicouches complexes constituent une option prometteuse pour la capture et l'élimination de nanodendrimères carboxylés présents en milieux aqueux / A detailed analysis of the physicochemical properties of engineered nanoparticles (NPs) is required to understand on a mechanistic level their interactions/potential toxicity with/towards biotic components of fresh water systems. Such an analysis is further mandatory to achieve a comprehensive evaluation and optimisation of the performance of (ultra)filtration methods developed to prevent NPs release into aquatic media. Within this context, the aim of this PhD thesis was to decipher the basic physico-chemical processes governing the loading of carboxylated-poly(amidoamine) (PAMAM-COOH) nanodendrimers -commonly employed in biomedical applications- into layer-by-layer assembled (poly(diallyl dimethyl ammonium) chloride-poly(acrylic acid))n ((PDADMAC-PAA)n) multilayer films. For that purpose, a systematic investigation of the electrohydrodynamic properties of PAMAM-COOH NPs was first performed as a function of pH and monovalent salt concentration in solution. On the basis of advanced electrokinetic theory for soft particles with zwitterionic functionality, it is demonstrated that the interfacial electrostatic features of the considered NPs are determined both by surface and bulk particle contributions to an extent that depends on electrolyte concentration. This leads to a remarkable NPs mobility reversal with changing monovalent salt concentration and to a marked dependence of the point of zero NPs mobility on electrolyte content. In addition, confrontation between experiments and theory further highlights how pH- and salt-mediated modifications of the NP particle structure affect dendrimer electrokinetic features at large pH and/or low salt concentrations. In a second part, the structure, morphology and mechanical properties of PDADMAC-PAA films, and their evolution over time under natural aging conditions or after thermal treatment, were addressed from atomic force microscopy (AFM) and Raman microspectroscopy analyses. Results evidence that PDADMAC-PAA multilayer films of exponential type exhibit mechanical and structural features that are typical for polyelectrolyte multilayer films with linear growth. In particular, their slow relaxation to equilibrium is accelerated after heating treatment at 60°C and, in line with density functional theory computation, this relaxation dynamics is shown to be intimately connected to instability of film domains rich in PDADMAC, depleted in water and marked by the presence of characteristic donut-like structures. In a final part, the reported dependence of PDADMAC-PAA multilayer films elasticity on concentration of nanodendrimers in bulk solution suggests that these complex multilayer films constitute a promising option to be further investigated for the loading and removal of carboxylated nanodendrimers from aqueous environments

Les travaux de cette thèse se situent dans un contexte de miniaturisation des transducteurs ultrasonores micro-usinés (cMUTs). Ce type de dispositifs est utilisé depuis plusieurs décades dans le domaine de l'imagerie par échographie allant du contrôle non-destructif de structures jusqu'au domaine médical. La quête d'une imagerie hautement résolue nécessite l'utilisation de cMUTs de fréquence de résonance de l'ordre du GHz et de taille micrométrique. L'élément actif de ces cMUts est une membrane suspendue de surface micrométrique. Une étude analytique, basée sur le comportement mécanique des plaques minces, a permis de dimensionner les membranes suspendues et de souligner l'importance d'avoir une épaisseur nanométrique pour avoir un signal émis détectable électriquement. Plusieurs matériaux; à savoir des nanotubes de carbone, du graphène, du graphène oxydé, du DLC (diamond like carbon) et du silicium, ont été mis en œuvre dans la cadre de cette étude pour réaliser des membranes suspendues de taille micrométrique et d'épaisseur nanométrique. Des procédés technologiques propres à chacun de ces matériaux ont été conçus et des membranes d'épaisseurs variant de 2 à 15 nm et de largeurs variant de 1 à 2 µm ont été fabriquées. Une méthode de caractérisation innovante a été mise en place afin d'évaluer les propriétés mécaniques des différentes membranes réalisées. Un protocole de mesure a été développé pour mesurer l'amplitude de déplacement des membranes suspendues sous l'action d'une force électrostatique. Des amplitudes qui atteignent la dizaine de nanomètres ont été mesurées, amplitudes qui correspondent à des variations de capacités électriquement détectables. Plus généralement, ces travaux constituent une preuve solide de la faisabilité des nano-membranes suspendues de taille micrométrique avec un déplacement détectable. / This thesis concerns a context of miniaturization of micromachined ultrasonic transducers (cMUTs). This type of device has been used for decades in the field of ultrasound imaging for the non-destructive testing of structures for example. The quest of a highly resolved imaging requires the use of cMUTs with a resonance frequency in the order of GHz and with a micrometer size. The main part of these cMUts is a suspended membrane with a micrometric surface. An analytical study, based on the mechanical behavior of thin plates, is used for the design of the suspended membranes. This study emphasizes the importance of having a nanometric thickness to obtain a detectable electrical signal. Several materials, namely carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, DLC (diamond like carbon ) and silicon have been implemented in this study to make a micron size suspended membranes with a nanometric thickness . Technological processes specific to each of these materials have been designed. Suspended membranes with thicknesses ranging from 2 to 15 nm and widths ranging from 1 to 2 microns were made. A novel method of characterization has been established to evaluate the mechanical properties of our membranes. A measurement protocol has been developed to measure the of displacement of the suspended membrane under the an electrostatic field . Amplitudes reaching ten nanometers were measured. More generally , this study provides a strong proof of the feasibility of suspended micrometer-sized membranes with an electrically detectable signal.

La coalescence intervient dans de nombreuses situations physiques, naturelles ou industrielles, de la microphysique des nuages à la stabilité des émulsions ou l’assèchement des pétroles. Dans toutes ces situations, il est crucial de comprendre les mécanismes physiques en jeu, de manière pouvoir influencer la coalescence, la favoriser ou au contraire l’inhiber, selon les besoins. Dans cette thèse, nous étudions la coalescence dans l’air entre deux gouttes attachées et décomposons le processus global en quatre étapes : l’approche avec drainage du film d’air entre les gouttes, le perçage des interfaces, l’ouverture du pont résultant de ce perçage, les oscillations amorties conduisant à l’équilibre de la goutte résultante. Les théories décrivant les étapes 1, 2 et 4 font intervenir des modèles hydrodynamiques continus, se plaçant à une échelle macroscopique. Cependant, à l’articulation entre les deux premières étapes, intervient le perçage des interfaces, processus gouverné par des forces dont la portée correspond à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. Une des difficultés les plus importantes dans l’étude de la coalescence est celle de l’intégration des processus ayant lieu à un niveau moléculaire, dans une théorie du continuum dont l’échelle caractéristique est bien supérieure. L’objectif est de faire le lien entre les différentes échelles : y a-t-il des interactions entre les processus se produisant à ces différentes échelles ? Pour répondre à cette question, nous développons trois axes de travail, engageant chacun une échelle caractéristique. L’un est l’étude, au niveau macroscopique du micromètre, de l’ouverture du pont liquide. Grâce à une caméra rapide, plusieurs régimes d’écoulement sont mis en évidence. Les modèles théoriques existants concernent essentiellement le régime visqueux, et aucun modèle complet ne décrit le régime purement inertiel. Nous explorons expérimentalement ce régime et décrivons la forme et la longueur du pont, à l’aide d’ondes capillaires. Nous mettons en évidence l’existence de deux lignes de très forte courbure, que nous appelons singularités, qui naissent sur le lieu de perçage des interfaces et se propagent presque sans déformation de part et d’autre. Ces singularités, conditionnées par la tension superficielle, moteur de la coalescence, façonnent la forme du pont liquide et donc l’écoulement dans ce dernier. Nous proposons un modèle simple d’écoulement inertiel, basé sur la forme du pont liée à ces singularités. Ce modèle permet de mieux comprendre les rôles des forces hydrodynamiques et de la courbure dans l’évolution temporelle de la largeur du pont. Un autre axe est une étude expérimentale par Microscope à Force Atomique, qui permet de décrire les forces responsables de la coalescence à l’échelle nanométrique, les déformations des gouttes intervenant à cette échelle et leur rôle dans la rupture des interfaces. Les mesures de forces entre goutte et flaque, puis entre deux gouttes sont effectuées avec un AFM principalement en mode dynamique de Modulation de Fréquence. Elles permettent de mettre en évidence une distance seuil de déclenchement de l’instabilité hydrodynamique responsable de la coalescence et de mesurer cette distance en fonction des propriétés physiques du liquide et du rayon des gouttes. Un diagramme de coalescence est proposé, qui permet de prévoir la valeur de la distance de déclenchement de la coalescence et le rôle des déformations d’interfaces à l’échelle nanométrique. Enfin, les oscillations du pont liquide, générées par la coalescence, sont étudiées, les modes et fréquences propres sont calculés numériquement par la méthode des éléments finis, puis comparés aux valeurs expérimentales mesurées à partir des films acquis par caméra rapide.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’étude des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et leur intégration dans des nano-composants requiert leur assemblage dirigé sur des zones parfaitement définies et localisées de surfaces solides. L’objet de cette thèse est le développement d’une méthode d’assemblage dirigé originale: la nanoxérographie par microscope à force atomique (AFM). Cette technique consiste à injecter localement, sur des zones spécifiques, des charges électrostatiques dans un matériau électret par l’intermédiaire d’une pointe d’AFM. Ces charges servent ensuite de pièges électrostatiques sur la surface pour les nanoparticules en solution. Dans le cadre de ce travail, l’injection, la rétention de charges dans de fines couches électrets de PolyMéthylMéthAcrylate (PMMA) et la quantification des densités de charges surfaciques des motifs chargés, ont été étudiées grâce au mode électrique dérivé de l’AFM, le microscope à force Kelvin (KFM). L’étude de l’assemblage de nanoparticules de différentes natures (métal, polymère (organique ou inorganique)), de taille moyenne variable dans un large domaine (2 nm - 1µm) et de potentiel zêta contrôlé a permis d’analyser les mécanismes de dépôt et de montrer les performances de la méthode et son aspect générique. Enfin deux techniques d’injection de charges parallèles ont été mises en place afin d’offrir des perspectives industrielles: le microcontact printing électrique et la nanoimpression électrique / The study of original properties of colloidal nanoparticles and their integration into nanodevices requires their assembly onto specific areas of solid surfaces. The aim of this thesis work is to develop an innovative method for the directed assembly of colloidal nanoparticles: the nanoxerography process by atomic force microscope (AFM). This technique consists in injecting charges into electrets using an AFM tip. The injected charges are then used to electrostatically trap nanoparticles from suspensions onto the surface. In this context, the charge writing and charge decay in PolyMethyMethAcrylate (PMMA) thin films were studied and the charge density of the charged patterns were quantified using Kelvin force microscope (KFM), an electrical mode of AFM. Assemblies of nanoparticles of different nature (metallic, polymeric (organic and inorganic)), with average sizes extending over a large range (2 nm to 1 µm) and controlled zeta potential were obtained on PMMA thin films. This allowed the analysis of assembly mechanisms and demonstration of the excellent performance of the method. Finally, two techniques of parallel charge writing, viz., the electrical microcontact printing and the electrical nanoimprinting were explored with the prospect of extending the nanoxerography process to industrial scale

L’interaction lumière-matière dépend fortement de l’environnement de l’émetteur fluorescent. Il est gouverné par une quantité fondamentale en physique : la densité locale d’états électromagnétiques (LDOS), qui est proportionnelle au taux de désexcitation de l’émetteur fluorescent à l’endroit où il se trouve dans son environnement.La partie principale de ce travail de thèse a consisté en la réalisation d’études expérimentales spatialement résolues du taux de désexcitation et de l’intensité de fluorescence d’un nanoémetteur en champ proche d’une nanoantenne plasmonique. Ceci a été rendu possible grâce à l’utilisation d’un microscope de champ proche à sonde fluorescente récemment développé à l’Institut Langevin. L’amélioration des performances de ce dispositif apportée au cours de cette thèse, nous a permis de cartographier le taux de désexcitation radiatif et non-radiatif apparent en champ proche d’un milieu nanostructuré avec une résolution spatiale nanométrique.Par la suite, nous avons commencé à nous intéresser au transfert d’énergie non-radiatif entre deux molécules fluorescentes. Ce phénomène, connu sous le nom de FRET (Forster Resonance Energy Transfer), a lieu habituellement sur des distances de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. En utilisant comme vecteur pour le transfert d’énergie un plasmon se propageant à la surface d’un film d’or continu, nous avons démontré qu’il est possible d’étendre la portée du FRET sur des distances supérieures à un micromètre. Dans la suite de cette thèse, l’influence de l’environnement sur l’efficacité et la portée du FRET sera étudiée. / Light-matter interaction strongly depends on the environment of the fluorescent emitter. It is governed by a fundamental physical quantity: the local density of electromagnetic states (LDOS), which is proportional to the decay rate of the fluorescent emitter in a given environment.The main part of this experimental thesis is devoted to the spatially resolved study of the decay rate and the fluorescence intensity of a nano-emitter in the near field of plasmonic nanoantennas. This study has been made possible by the use of a near field scanning fluorescence microscope recently developed at Institut Langevin. During this thesis we obtained a substantial improvement of the performances of this device. This allowed us to map the radiative and apparent non-radiative decay rates in the near field of a nanostructure with nanometer spatial resolution.Thereafter, we started to investigate the non-radiative energy transfer between two fluorescent molecules. This phenomenon, known as FRET (Förster Resonance Energy Transfer), usually takes place over distances of the order of several tens of nanometers. Using a plasmon propagating on the surface of a continuous gold film as a vehicle to transfer the energy between the two molecules, we have demonstrated that it is possible to extend the range of FRET on distances greater than one micron. The perspective after the end of this thesis, is the study of the influence of the environment on the efficiency and the range of FRET.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.