Iron platinum (FePt) has attracted growing interest because of its high Curie temperature, magneto-crystalline anisotropy and chemical stability. Nanoparticles (NPs) made of this alloy are promising candidates for a wide range of biomedical applications including magnetic separation, magnetic targeted drug delivery, hyperthermia for cancer therapy and also as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents. This thesis presents the synthesis, functionalization and characterization of FePt NPs along with a toxicity study and an investigation into their application as MRI contrast agents. Regarding their synthesis, different approaches have been explored including the co-reduction of Fe and Pt precursors in an aqueous media, the thermal decomposition in a conventional high-boiling solvent such as benzyl ether, and in low-melting organic salts (ionic liquids). The data revealed an inhomogeneous composition distribution of Fe and Pt between particles obtained in aqueous media, due to the iron salts hydrolysis, and a mismatch in the co-reduction kinetic of the two metal precursors. While the iron content in the NPs could be increased by using more hydrolytically stable iron precursors or stronger reducing agents, there are remaining limiting parameters which prevent further Fe content increase in NPs. In contrast, by excluding the water from the reaction system and using a Fe²⁻ iron precursor, homogenous 1:1 Fe to Pt ratio NPs can be obtained through a modified thermal decomposition pathway in benzyl ether. Based on the study of synthesis in this conventional chemical, the potential of ionic liquids (ILs) to be used as novel solvents for FePt NPs synthesis was further explored. It was then demonstrated that ionic liquids (ILs) can not only be used as a solvent for synthesis of FePt NPs, but also can provide an exciting alternative pathway to direct synthesis fct-FePt NPs. In the context of the bioapplication of FePt NPs, a family of FePt NPs was specifically designed to enhance their MRI contrast agents properties. In contrast with previous reports, this thesis demonstrates that FePt NPs can be made non-toxic and provides the first data on their cellular uptake mechanisms. A six times increase in the FePt based T₂ contrast properties compared to clinical iron oxide NPs is reported. The relationship between the MRI contrast properties and the NPs architecture is explored and rationalised as the basis for the design of NPs as enhanced MRI contrast agents. Finally, the first observations of cellular and in vivo MR imaging with FePt NPs is also reported. This study opens the way for several applications of FePt NPs such as regenerative medicine and stem cell therapy, thus providing a bio-platform to develop novel diagnostic and therapeutic agents.

Ce travail a concerné l'étude de la fonctionnalisation métallique et du contrôle morphologique de nanoparticules de silice mésoporeuse appelées MSN. La voie de fonctionnalisation par synthèse directe a été privilégiée et a consisté en une encapsulation des précurseurs métalliques dans la phase porogène. L'insertion de cuivre, palladium, platine, argent or et de bimétalliques Cu/Pd et Pd/Pt a été réalisée. Il résulte de cette approche une localisation des nanoparticules métalliques dans les pores et d'une grande accessibilité des fonctionnalités à l'origine des excellentes performances catalytiques mesurées. Ces performances et le recyclage du catalyseur Cu@MSN ont été démontrés pour des réactions de Huisgen et de Sonogashira. Il a également été étudié l'adsorption de l'iode moléculaire en phase gaz sur des MSN fonctionnalisées par des nanoparticules d'argent avec d'excellentes capacités de rétention. / The objective of this thesis was to develop efficient synthesis routes to prepare mesoporous silica-based nano-sized particles, designated as MSN, with controllable morphology and derivatised with selected transition metals. One-pot preparation and surface functionalisation procedures based on the insertion of the metal-phase precursor into the porogen aggregates were thoroughly optimised leading to silica particles containing such single metals as copper, palladium, platinum, silver or gold, as well as a two-metal phase of copper and palladium or that of palladium and platinum. It was demonstrated that the highly dispersed metal phase was localised on the pore surface and therefore it was readily accessible to the target chemicals on which to base the catalytic performance of the resulting materials. Among others, the remarkable catalytic performance of the Cu@MSN material in Huisgen and Sonogashira reactions and its propensity to undergo efficient recycling were proven through laboratory-scale testing. Experimental study of the selective adsorption of iodine vapour onto MSN supports functionalised with silver nanoparticles indicated an excellent retention capacity of such materials.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Schichten) können als molekulare Bausteine zur Funktionalisierung technischer Oberflächen verwendet werden. Die Proteine fungieren dabei als formgebende Muster (Template) oder vermitteln Bindungsstellen für eine nanostrukturierte Materialsynthese. In der vorliegenden Arbeit werden drei S-Schicht-Varianten elektronenmikroskopisch und kraftmikroskopisch charakterisiert und deren Templateigenschaften für die nasschemische Platin- und Goldclusterabscheidung vorgestellt. Für die Metallisierbarkeit der S-Schichten werden unterschiedliche Wege beschrieben. So wird unter anderem eine neue Methode zur Negativkontrastierung der kristallinen S Schichten für die Transmissionselektronenmikroskopie vorgestellt. Dabei werden adsorbierte und mit Metallkomplexen aktivierte S-Schichten kurzzeitig einer UV-Strahlung ausgesetzt. Verschiedene Methoden für die Beschichtung von technischen Oberflächen mit S Schichtproteinen werden aufgezeigt, insbesondere die Entwicklung einer neuen Technik für die Beschichtung von vorstrukturierten Sensoroberflächen, für die mikrofluidische Reaktionsräume geschaffen werden. Durch optimierte Reaktionsbedingungen wird unter Nutzung des Selbstorganisationsvermögens der Proteinmonomere eine großflächige Beschichtung von Substratoberflächen erreicht. Dies führt bei Anwendung der direkten Rekristallisation des Proteins an der Substratoberfläche zur Ausbildung von Monolagen. Untersuchungen zur Stabilisierung der S-Schichten am Substrat zeigen, dass diese durch den Einsatz von proteinvernetzenden Substanzen, wie Glutaraldehyd, erhöht werden kann. Weiterhin wird eine bionanotechnologische Funktionalisierung von mikroelektronischen Sensorstrukturen durch Integration metallisierter S-Schichtproteine ausführlich beschrieben. Erste Messergebnisse mit einem funktionalisierten Pyrosensor zeigen eine bessere Sensitivität durch die Erhöhung der katalytischen Aktivität an der Oberfläche der Nanocluster. Die Beschichtung und Vermessung neu entwickelter Piezosensoren der Siemens AG zeigt die hohe Sensitivität dieser Sensoren. Die dynamischen Messungen der Massenänderung während des Rekristallisationsprozesses werden durch ein theoretisches Modell zur Proteindeposition aus einer Monomerlösung interpretiert. Abstract* Bacterial surface layer proteins (S-layer proteins) can be used as molecular building blocks for the functionalisation of technically-used surfaces. For example, the proteins serve as templates for the production of well-defined patterns or provide binding sites for material synthesis at nanoscale. In this thesis, three different S-layer proteins are characterised by electron and atomic force microscopy. The properties of these proteins for being templates for the deposition of platinum and gold clusters are introduced. Different ways for the metallisation of S-layers are described. One example for this is a new method of negative staining of crystallised S-layers for the transmission electron microscopy, where the S-layers, adsorbed and activated with metal complexes, are exposed to UV for a short time. Different methods for coating technically-used surfaces are presented, especially a new technique for coating structured sensors' surfaces, which uses microfluidic reaction areas. The coating of large substrate surfaces with protein monomers is achieved by controlling the reaction conditions of the self-assembly process. If discrete recrystallisation takes place on the surface, the process leads to the formation of protein monolayers. Investigations showed that the stabilisation of the S-layers on a substrate can be increased by adding protein-linking reagents (e.g. glutaraldehyde). Furthermore, a bionanotechnological functionalisation of microelectronic sensors' surfaces by integrating metalised S-layer proteins is described in detail. First results show an increased catalytic activity on the surfaces of the nanoclusters. The coating of sensor surfaces with S-layers has recently been used to develop a piezoelectric sensor by the Siemens AG. This novel sensor has shown high sensitivity. Dynamic measurements of mass change during the recrystallisation process are described by a theoretical model for protein deposition out of a monomer solution.

Tesis por compendio / [ES] La funcionalización de partículas de sílice con componentes de aceites esenciales (EOCs) se ha propuesto como una estrategia prometedora para mejorar la actividad antimicrobiana y la estabilidad de estos compuestos. Sin embargo, debido a la potencial aplicación de estas partículas en la industria alimentaria, es necesario llevar a cabo estudios toxicológicos que permitan identificar los posibles efectos sobre la salud que puede conllevar el uso de estos nuevos materiales. En esta tesis doctoral, se ha evaluado el riesgo derivado de la exposición oral a tres tipos de partículas de sílice (SAS, micropartículas MCM-41 y nanopartículas MCM-41) funcionalizadas con cuatro tipos de EOCs diferentes (carvacrol, eugenol, timol y vainillina) y se ha comparado con el efecto de los EOCs libres y las partículas sin funcionalizar. La evaluación toxicológica de estos nuevos materiales se llevó a cabo a través de una estrategia formada por 3 tipos de estudios diferentes como son la simulación de condiciones fisiológicas, el uso de la línea celular HepG2 y el organismo modelo Caenorhabditis elegans. El primer paso en la evaluación toxicológica de las partículas consistió en estudiar su estabilidad en fluidos fisiológicos que simulan las condiciones de exposición por vía oral. Los resultados mostraron que la funcionalización con EOCs aumenta la biodurabilidad de las partículas en condiciones que representan el tracto gastrointestinal humano y el fluido lisosomal, como se observa tanto por la menor disolución de los diferentes tipos de partículas funcionalizadas como por la conservación de la estructura de las nanopartículas MCM-41. Sin embargo, el estado de aglomeración de las partículas no cambió en condiciones fisiológicas, y todas ellas se mantuvieron dentro del rango de tamaño de las micropartículas. Por tanto, dado su gran tamaño, estos materiales presentan un bajo riesgo de acumulación tras ingestión oral. El estudio in vitro de la toxicidad de los materiales demostró que las partículas funcionalizadas con EOCs presentan un efecto citotóxico mayor que los EOCs libres y la sílice sin funcionalizar. Además, independientemente del tipo de EOC, las micropartículas MCM-41 funcionalizadas fueron los materiales más citotóxicos. Los resultados sugieren que las partículas funcionalizadas con EOCs inducen toxicidad en las células HepG2 mediante un mecanismo relacionado con el estrés oxidativo, el cual provoca daño mitocondrial y la consecuente activación de procesos de apoptosis. Por otra parte, se demostró que este efecto citotóxico está causado por interacciones directas entre las células y las partículas, y no por productos de degradación liberados al medio de cultivo. La exposición aguda a concentraciones moderadas y altas de EOCs redujo la viabilidad de las células HepG2 y la supervivencia de C. elegans. La jerarquía de la toxicidad se mantuvo entre células y nemátodos, siendo el carvacrol el compuesto más tóxico, seguido del timol, el eugenol y, por último, la vainillina. Además, concentraciones subletales de estos componentes indujeron toxicidad reproductiva en C. elegans, lo que sugiere que pueden presentar efectos tóxicos a las concentraciones requeridas por sus propiedades bioactivas. El estudio in vivo de la toxicidad de las partículas mostró que tanto las partículas sin funcionalizar como las funcionalizadas con eugenol causan toxicidad reproductiva en C. elegans tras la exposición aguda, e inhibición en el crecimiento y la reproducción de los nematodos tras la exposición a largo plazo. Las partículas funcionalizadas con vainillina mostraron efectos tóxicos agudos leves, pero un mayor efecto tras la exposición a largo plazo. En líneas generales, los resultados obtenidos muestran que las partículas funcionalizadas con eugenol utilizadas en el estudio presentan mayores efectos sobre C. elegans que la sílice sin funcionalizar y las partículas funcionalizadas con vainillina. / [CA] La funcionalització de partícules de sílice amb components d'olis essencials (EOCs) s'ha proposat com una estratègia prometedora per a millorar l'activitat antimicrobiana i l'estabilitat d'aquests compostos. No obstant això, a causa de la potencial aplicació d'aquestes partícules en la indústria alimentària, és necessari dur a terme estudis toxicològics que permeten identificar els possibles efectes sobre la salut que pot comportar l'ús d'aquests nous materials. En aquesta tesi doctoral, s'ha avaluat el risc derivat de l'exposició oral a tres tipus de partícules de sílice (SAS, micropartícules MCM-41 i nanopartícules MCM-41) funcionalitzades amb quatre tipus de EOCs diferents (carvacrol, eugenol,timol i vanil·lina) i s'ha comparat amb l'efecte dels EOCs lliures i les partícules sense funcionalitzar. L'avaluació toxicològica d'aquests nous materials es va dur a terme a través d'una estratègia formada per 3 tipus d'estudis diferents com són la simulació de condicions fisiològiques, l'ús de la línia cel·lular HepG2 i l'organisme model Caenorhabditis elegans. El primer pas en l'avaluació toxicològica de les partícules va consistir a estudiar la seua estabilitat en fluids fisiològics que simulen les condicions d'exposició per via oral. Els resultats van mostrar que la funcionalització amb EOCs augmenta la biodurabilidad de les partícules en condicions que representen el tracte gastrointestinal humà i el fluid lisosomal, com s'observa tant per la menor dissolució dels diferents tipus de partícules funcionalitzades com per la conservació de l'estructura de les nanopartícules MCM-41. No obstant això, l'estat d'aglomeració de les partícules no va canviar en condicions fisiològiques, i totes elles es van mantindre dins del rang de grandària de les micropartícules. Per tant, donat la seua gran grandària, aquests materials presenten un baix risc d'acumulació rere ingestió oral. L'estudi in vitro de la toxicitat dels materials va demostrar que les partícules funcionalitzades amb EOCs presenten un efecte citotòxic major que els EOCs lliures i la sílice sense funcionalitzar. A més, independentment del tipus d'EOC, les micropartícules MCM-41 funcionalitzades van ser els materials més citotòxics. Els resultats suggereixen que les partícules funcionalitzades amb EOCs indueixen toxicitat en les cèl·lules HepG2 mitjançant un mecanisme relacionat amb l'estrés oxidatiu, el qual provoca dany mitocondrial i la conseqüent activació de processos d'apoptosis. D'altra banda, es va demostrar que aquest efecte citotòxic és causat per interaccions directes entre les cèl·lules i les partícules, i no per productes de degradació alliberats al mitjà de cultiu. L'exposició aguda a concentracions moderades i altes de EOCs va reduir la viabilitat de les cèl·lules HepG2 i la supervivència de C. elegans. La jerarquia de la toxicitat es va mantindre entre cèl·lules i nemàtodes, sent el carvacrol el compost més tòxic, seguit del timol, el eugenol i, finalment, la vanil·lina. A més, concentracions subletals d'aquests components van induir toxicitat reproductiva en C. elegans, la qual cosa suggereix que poden presentar efectes tòxics a les concentracions requerides per les seues propietats bioactives. L'estudi in vivo de la toxicitat de les partícules va mostrar que tant les partícules sense funcionalitzar com les funcionalitzades amb eugenol causen toxicitat reproductiva en C. elegans després de l'exposició aguda, i inhibició en el creixement i la reproducció dels nematodes després de l'exposició a llarg termini. Les partícules funcionalitzades amb vanil·lina van mostrar efectes tòxics aguts lleus, però un major efecte després de l'exposició a llarg termini. En línies generals, els resultats obtinguts mostren que les partícules funcionalitzades amb eugenol utilitzades en l'estudi presenten majors efectes sobre C. elegans que la sílice sense funcionalitzar i les partícules funcionalitzades amb vanil·lina. / [EN] Functionalisation of silica particles with essential oils components (EOCs) has emerged as a useful tool for enhancing EOCs' antimicrobial activity and stability. Given these new materials' promising applications for the food industry, toxicological studies must be performed to identify possible hazards for human health. In the present doctoral thesis, the potential risk deriving from oral exposure to three types of silica particles (SAS, MCM-41 microparticles, MCM-41 nanoparticles) functionalised with four different EOCs (carvacrol, eugenol, thymol, vanillin) was investigated and compared to free EOCs and pristine particles. For this purpose, three different replacement methods were used as a strategy to carry out the toxicological assessment of these new materials: simulated physiological conditions, HepG2 culture cells and the non-mammalian organism model Caenorhabditis elegans. As the expected human exposure to these materials was the oral route, the first step in the toxicological assessment of the silica particles was to study their degradation behaviour in acellular physiological fluids that mimic oral exposure conditions. The results showed that functionalisation of silica with EOCs increases particles' biodurability under conditions representing the human gastrointestinal tract and lysosomal fluid, as observed by both, the lower dissolution rates in the different functionalised particle types and the preservation of the EOCs-functionalised MCM-41 nanoparticles structure. However, the agglomeration state of the particles did not change under the physiological conditions, which remained within the micro-sized range in all cases. Therefore, given their large size, these materials present a low risk of accumulation after oral ingestion. The in vitro toxicity study showed that EOCs-functionalised particles displayed stronger cytotoxic effect than the free EOCs and pristine silica. Independently of EOC type, the EOCs-functionalised MCM-41 microparticles were the most cytotoxic materials from the different silica particle types analysed. Our results suggest that the EOCs-functionalised particles induce toxicity on HepG2 cells by an oxidative stress-related mechanism that causes mitochondrial dysfunction and apoptosis activation via the mitochondrial pathway. This cytotoxic effect was caused by direct cell-particle interactions, and not by degradation products released to culture media. Acute exposure to moderate and high concentrations of EOCs reduced HepG2 viability and nematode survival. The toxicity ranking was maintained between culture cells and nematodes, being carvacrol the most toxic compound followed by thymol, eugenol, and lastly by vanillin. Moreover, sublethal concentrations to these components induced reproductive toxicity in C. elegans, which suggests that they may present toxic effects at the concentrations required for their bioactive properties. The in vivo toxicity study of the particles showed that both the bare and EOCs-functionalised particles cause acute reproductive toxicity and inhibition in nematode growth and reproduction after long-term exposure. The vanillin-functionalised particles displayed milder acute toxic effects, but severer long-term exposure toxicological responses. However, the eugenol-functionalised particles exhibited stronger effects than the bare and vanillin-functionalised silica. / The authors gratefully acknowledge the financial support from the Spanish government (Project RTI2018-101599-B-C21 (MCUI/AEI/FEDER, EU)). Cristina Fuentes also thanks the Generalitat Valenciana for being funded by the predoctoral programme Vali+d (ACIF/2016/139). María Ruiz-Rico acknowledges the Generalitat Valenciana for her Postdoctoral Fellowship (APOSTD/2019/118). / Fuentes López, C. (2022). Toxicological assessment of silica particles functionalised with essential oil components and their constituents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181634 / TESIS / Compendio

L’objectif de ce travail est d’élaborer des matériaux composites modèles nanotubes de carbone/polymères permettant de tirer profit des propriétés des nanotubes de carbone à l’échelle macroscopique. L’obtention de tels matériaux nécessitant une fonctionnalisation homogène entre les nanotubes de carbone et les polymères, les nanotubes de carbone utilisés doivent être individuels et de même réactivité chimique, donc de même diamètre. Ainsi, ils doivent être synthétisés par CVD par des nanoparticules catalytiques monodisperses et supportées. Dans la première partie, nous avons élaboré une nouvelle méthode générique de synthèse de nanoparticules d’oxydes métalliques supportées. Nous avons principalement détaillé la synthèse de nanoparticules de Fe2O3 dont la distribution en taille est de 1.1 ± 0.3 nm. Dans la deuxième partie, après avoir étudié la stabilité thermique de ces nanoparticules, nous les avons utilisées pour catalyser la croissance des nanotubes de carbone monofeuillets individuels par CVD. La caractérisation des nanotubes obtenus par Raman indique une distribution en diamètre exceptionnellement étroite de 1.27 ± 0.15 nm. Dans la troisième partie, nous avons tout d’abord étudié la mise en solution des nanotubes de carbone par fonctionnalisation non covalente avec un polymère hydrosoluble le POE portant un motif pyrène en bout de chaîne et mis en évidence un phénomène de déplétion qui limite la solubilisation des nanotubes. Nous avons ensuite élaboré des matériaux composites nanotubes de carbone/rrP3HT par fonctionnalisation covalente et non covalente et nous avons étudié l’efficacité de séparation de charge dans les deux cas de fonctionnalisations. / The aim of this work is to develop composite materials carbon nanotubes/polymers to take advantage of properties of carbon nanotubes at macroscopic scale. To get such materials, homogeneous functionalization between carbon nanotubes and polymers is required, carbon nanotubes must be individual with the same chemical reactivity, therefore the same diameter. Thus, they must be synthesized by CVD from monodispersed and supported catalyst nanoparticles. In the first part, we developed a new universal method for the synthesis of metal oxide supported nanoparticles. We mainly detailed the synthesis of Fe2O3 nanoparticles with size distribution of 1.1 ± 0.3 nm. In the second part, after studying the thermal stability of these nanoparticles, we used them to catalyze the growth of individual single wall carbon nanotubes by CVD. The caracterisation of the obtained nanotubes by Raman show exceptionally narrow diameter distribution of 1.27 ± 0.15 nm. In the third section, we first studied the dispersion of carbon nanotubes by noncovalent functionalization withhydro-soluble polymer POE with pyrene as end group and revealed depletion phenomena that limit the solubilization of nanotubes. Then we developed composite materials carbon nanotubes/rrP3HT by covalent and noncovalent functionalisation and we studied the efficiency of charge separation in both cases of functionalization.

La majeure partie des fibres optiques utilisées dans les domaines des sources optiques et des capteurs sont dites 'fonctionnalisées', c'est à dire qu'elles possèdent des propriétés nouvelles, de par leur nature et/ou leur structure, par rapport aux fibres standards. Pour ce faire, nous allons exploiter la technologie 'Poudre' pour la réalisation de fibres optiques utilisant les propriétés de matrices vitreuses originales développées lors de cette thèse. Trois familles de fibres seront étudier afin de démontrer le fort potentiel de cette association, matériaux – technologie. La première exploitera la structuration de la gaine optique à l'aide de deux barreaux de verre vitreux (type Panda), dopés ou non à l'aide d'oxyde de cuivre. L'étude de cette fibre sera faite depuis la synthèse du matériau jusqu'au test de cette fibre en tant que capteur. La seconde fibre nous amènera à concevoir un verre optique inédit à ce jour, à définir la composition optimale et la décliner sous forme d'une fibre optique incluant ce verre pour le cœur. Enfin le procédé de fabrication de fibres optiques sera utilisé pour réaliser de premières fibres optiques à cœur vitrocéramique, c'est à dire partant d'une matrice vitreuse spécialement développée pour cette application arriver à faire croitre les nanostructures dans le cœur de la fibre et obtenir ainsi une famille de fibre inédite. / The main part of optical fibers used in the fields of optical sources and sensors are called 'functionalised', i.e. they have new properties, due to their nature and/or structure, compared to standard fibers. To do this, we will use 'Powder' technology for the realization of optical fiber using properties of original vitreous glasses developed during this thesis. Three families of optical fibers will be studied in order to demonstrate the great potential of this association, materials - technology. The first exploit the structuring of the cladding with two vitreous glass rods (Panda type) doped or not with copper oxide. The study of this fiber is done from the synthesis of the material up to the test of this fiber as a sensor. The second fiber leads us to design a novel optical glass matrix, to define the optimal composition and decline form of an optical fiber including the glass for the core. Finally, the optical fiber manufacturing process is used to produce optical fiber with glass-ceramic core, i.e. starting from a vitreous matrix specially developed for this application happen to grow the nano-structures in the core of the fiber and obtain a novel fiber family.

L’objectif de ce travail de thèse était de développer des outils pour détecter et traiter le cancer àun stade précoce. Nous avons donc entrepris la synthèse de nouveaux radiopharmaceutiques ciblantspécifiquement le récepteur CXCR4, en utilisant le savoir-faire et l'expertise de notre groupe dans lasynthèse et la fonctionnalisation des polyazacycloalcanes. Nous avons travaillé simultanément surdeux aspects : l’agent chélatant et la molécule vectrice.Dans un premier temps, les travaux ont concerné la conception, la synthèse et la caractérisationde nouveaux macrocycles à fort potentiel pour la chélation du cuivre et du gallium. Nous avons toutd’abord développé une nouvelle voie de synthèse permettant d’accéder à des dérivés homocyclènesC-functionnalisés. Nous nous sommes ensuite intéressés aux dérivés du 1,4,7-triazacyclononane(TACN). En optimisant une voie de synthèse déjà développée au laboratoire, nous avons facilitél’accès à des dérivés TACN N- et C-fonctionnalisés. Nous avons ainsi préparé une série denouveaux agents chélatants bifonctionnels adaptés pour la complexation du cuivre ou du gallium, envariant la nature de la fonction de greffage et des bras coordinants. Nous avons également réalisé lasynthèse de nouveaux cryptands en série cyclène et nous avons étudié leur propriété decomplexation vis à vis du cuivre.Dans un second temps, nous avons développé une nouvelle famille d’agents imageants duCXCR4 en modifiant la structure des AMD3100 et AMD3465. Ce travail a tout d’abord nécessité lamise au point de nouvelles méthodes de fonctionnalisation de ces structures. Nous avons ainsi pupréparer de nouveaux synthons porteur d’une fonction de greffage dans les deux séries. Nous avonsensuite introduit différentes sondes imageantes, telles que des chélates adaptés pour la complexationdu cuivre, gallium et indium ainsi que des sondes fluorescentes de type bodipy / The objective of this thesis work was to develop CXCR4-targeted tools to localize and treat cancer at an early stage. In this line, we investigated the synthesis of new target-specific radiopharmaceuticals. The work focused on two main axes, i.e. the chelating agent and the carrier, by using the know-how and the expertise of our group in polyazacycloalkanes synthesis and functionalization. In the first part, we were interested in developing new macrocyclic scaffolds of high potential for copper and gallium chelation. We first focused on the development of a new powerful route towards selectively functionalized constrained homocyclens. The second part was based on C-functionalized 1,4,7-triazacyclononane (TACN) and its derivatives. From a synthetic route previously developed in our group, we were able to facilitate and optimize the synthesis of selectively N- and C-functionalized TACN. By varying the grafting functions and the pendant coordinating arms, we prepared several really promising bifunctional chelating agents for copper and gallium chelation. We also investigated the synthesis of new cryptands based on cyclen and we studied their properties towards copper complexation. In the second part of this thesis work, we were interested in generating a new family of imaging agents based on well-known CXCR4 antagonists, i.e. AMD3100 and AMD3465. The access towards these agents first required the preparation of original building blocks by modification of the AMD3100 and AMD3465 cores. The conjugation of such platforms onto the appropriate probe enabled the synthesis of various systems for optical and nuclear imaging. Thus, we were able to introduce a bodipy dye and several chelators adapted for gallium, copper and indium chelation

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d’une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d’une bibliothèque d’acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d’obtenir les complexes d’europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d’excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d’europium(III) et deterbium(III) respectivement. D’autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d’élaboration par microémulsion inverse s’est révélé efficace pour l’incorporation des complexes électriquement neutres, mais n’a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu’à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d’un vecteur ciblant la PSMA, l’un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l’étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n’ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l’évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d’une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l’organisme, mais n’a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes. / The aim of this project was the design of a luminescent nanoprobe allowing the early prostate cancer detection.The first part of this project was the synthesis, through a click chemistry approach, of a library of 4-triazolyl dipicolinic acid substituted in position 4 of the triazole by a wide range of substitutive groups. These diacids were used to synthesise the corresponding europium(III) and terbium(III) complexes, which showed excellent optical properties, with photoluminescence quantum yield under UV excitation reaching 60% for europium(III) complexes and 36% for terbium(III) complexes. Moreover, these phosphores have been efficiently excited in biphotonic regime through the transitions S0 ®S1 and S0 ®T1. The more interesting chelates were selected for their further embedding into silica nanoparticles. The water-in-oil emulsion process showed a great efficiency for the incorporation of electrically neutral complexes, but did not allow the embedding of negatively charged ones. The resulting nanohybrids showed optical properties typical of lanthanides, presenting photoluminescence quantum yields up to 30%. The nanoparticles surface was then functionalised by amino groups, which were used to graft a spacer then a prostate tumour cells vector, giving us a luminescent nanoprobe model. The third section of this work was devoted to the study of new analogues of NAAG, the natural substrate of the PSMA, one of the prostatic cancer signals. Although the synthesis of the two target compounds, selected from more than 20 structures by molecular modelling, was uncompleted, they are now within easy reach. The last part describes the preliminary results obtained in vitro and in vivo with the nanoprobes. These studies were focused on the nanoparticles cytotoxitcity assessment, depending on the surface functionalisation, and on their distribution, in healthy and in prostatic tumour bearing mice. This study revealed the fast elimination of the nanoparticles by the organism, but did not show any concentration of nanoprobes in tumoral area.

Ce travail s’inscrit dans le cadre général du développement de biomatériaux ostéoinducteurs pour la réparation de grands défauts osseux. L’étude est une contribution à la compréhension des interactions physiques et chimiques entre des céramiques phosphocalciques et deux protéines d’intérêt : la fibronectine, protéine d’adhésion cellulaire, et le VEGF (pour Vascular Endothelial Growth factor) qui est impliqué dans la vascularisation et l’amélioration de la formation osseuse.Les interactions physiques fibronectine/biocéramique ont été étudiées par spectroscopie de force afin d’évaluer l’influence de la topographie et de la composition chimique de céramiques phosphocalciques en hydroxyapatite (HA), hydroxyapatite silicatée (SiHA) et hydroxyapatite carbonatée (CHA) sur l’adhésion de la fibronectine. Les résultats obtenus par cartographie de forces mettent en évidence une absence d’incidence de la chimie des céramiques polies sur la répartition en surface et l’intensité des forces d’adhésion. En revanche ces dernières sont plus fortes au niveau des joints de grains des céramiques non polies mettant en avant une influence de la topographie de surface des matériaux modulée par la chimie.Le protocole de fonctionnalisation par le VEGF consiste en trois étapes : silanisation, addition du SM(PEG)6 et immobilisation du VEGF. Les interactions chimiques VEGF/biocéramique ont été étudiées principalement par imagerie Raman pour suivre ces étapes successives de la fonctionnalisation par le VEGF de céramiques polies en hydroxyapatite (HA) et hydroxyapatite carbonatée (CHA). Cette approche a permis de cartographier l’évolution chimique de la surface des matériaux et de mettre en évidence la distribution spatiale ainsi que les réactions préférentielles entre les molécules intermédiaires et le VEGF en fonction de la nature du substrat. / This work is ascribed within the framework of the development of osteoinductive biomaterials for the repair large bone defects. It is a contribution to the understanding of the physical and chemical interactions between phosphocalcic ceramics and two proteins of interest: fibronectin (Fn), a cell adhesion protein, and Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) which is involved in vascularisation and improvement of bone formation.Fibronectin/bioceramic physical interactions were studied by force spectroscopy to evaluate the influence of the topography and the chemical composition of phosphocalcic ceramics made of hydroxyapatite (HA), silicated hydroxyapatite (SiHA) and carbonated hydroxyapatite (CHA) on fibronectin adhesion. The results obtained in terms of force cartography do not indicate any impact of the polished ceramics chemistry on the surface distribution and intensity of adhesion forces. However, these forces are more intense at the level of the grain boundaries of unpolished ceramics, highlighting an influence of the topography modulated by the chemical composition.The protocol for functionalisation by VEGF consists of three steps: silanisation, addition of SM(PEG)6 and immobilisation of VEGF. VEGF/bioceramic chemical interactions were studied mainly by Raman imaging in order to follow the successive steps of the functionalisation by VEGF of the polished surface of ceramics made of hydroxyapatite (HA) and carbonated hydroxyapatite (CHA). This approach allowed to map the surface chemical changes and to point out the spatial distribution as well as the preferential reactions between the intermediate molecules and VEGF depending of the substrate.

Bakterielle Zellhüllenproteine (S-Schichten) können als molekulare Bausteine zur Funktionalisierung technischer Oberflächen verwendet werden. Die Proteine fungieren dabei als formgebende Muster (Template) oder vermitteln Bindungsstellen für eine nanostrukturierte Materialsynthese. In der vorliegenden Arbeit werden drei S-Schicht-Varianten elektronenmikroskopisch und kraftmikroskopisch charakterisiert und deren Templateigenschaften für die nasschemische Platin- und Goldclusterabscheidung vorgestellt. Für die Metallisierbarkeit der S-Schichten werden unterschiedliche Wege beschrieben. So wird unter anderem eine neue Methode zur Negativkontrastierung der kristallinen S Schichten für die Transmissionselektronenmikroskopie vorgestellt. Dabei werden adsorbierte und mit Metallkomplexen aktivierte S-Schichten kurzzeitig einer UV-Strahlung ausgesetzt. Verschiedene Methoden für die Beschichtung von technischen Oberflächen mit S Schichtproteinen werden aufgezeigt, insbesondere die Entwicklung einer neuen Technik für die Beschichtung von vorstrukturierten Sensoroberflächen, für die mikrofluidische Reaktionsräume geschaffen werden. Durch optimierte Reaktionsbedingungen wird unter Nutzung des Selbstorganisationsvermögens der Proteinmonomere eine großflächige Beschichtung von Substratoberflächen erreicht. Dies führt bei Anwendung der direkten Rekristallisation des Proteins an der Substratoberfläche zur Ausbildung von Monolagen. Untersuchungen zur Stabilisierung der S-Schichten am Substrat zeigen, dass diese durch den Einsatz von proteinvernetzenden Substanzen, wie Glutaraldehyd, erhöht werden kann. Weiterhin wird eine bionanotechnologische Funktionalisierung von mikroelektronischen Sensorstrukturen durch Integration metallisierter S-Schichtproteine ausführlich beschrieben. Erste Messergebnisse mit einem funktionalisierten Pyrosensor zeigen eine bessere Sensitivität durch die Erhöhung der katalytischen Aktivität an der Oberfläche der Nanocluster. Die Beschichtung und Vermessung neu entwickelter Piezosensoren der Siemens AG zeigt die hohe Sensitivität dieser Sensoren. Die dynamischen Messungen der Massenänderung während des Rekristallisationsprozesses werden durch ein theoretisches Modell zur Proteindeposition aus einer Monomerlösung interpretiert. Abstract* Bacterial surface layer proteins (S-layer proteins) can be used as molecular building blocks for the functionalisation of technically-used surfaces. For example, the proteins serve as templates for the production of well-defined patterns or provide binding sites for material synthesis at nanoscale. In this thesis, three different S-layer proteins are characterised by electron and atomic force microscopy. The properties of these proteins for being templates for the deposition of platinum and gold clusters are introduced. Different ways for the metallisation of S-layers are described. One example for this is a new method of negative staining of crystallised S-layers for the transmission electron microscopy, where the S-layers, adsorbed and activated with metal complexes, are exposed to UV for a short time. Different methods for coating technically-used surfaces are presented, especially a new technique for coating structured sensors' surfaces, which uses microfluidic reaction areas. The coating of large substrate surfaces with protein monomers is achieved by controlling the reaction conditions of the self-assembly process. If discrete recrystallisation takes place on the surface, the process leads to the formation of protein monolayers. Investigations showed that the stabilisation of the S-layers on a substrate can be increased by adding protein-linking reagents (e.g. glutaraldehyde). Furthermore, a bionanotechnological functionalisation of microelectronic sensors' surfaces by integrating metalised S-layer proteins is described in detail. First results show an increased catalytic activity on the surfaces of the nanoclusters. The coating of sensor surfaces with S-layers has recently been used to develop a piezoelectric sensor by the Siemens AG. This novel sensor has shown high sensitivity. Dynamic measurements of mass change during the recrystallisation process are described by a theoretical model for protein deposition out of a monomer solution.