Ce manuscrit de thèse présente les résultats de travaux concernant les effets des transitoires thermiques sur la précipitation des phases intermétalliques dans le superalliage base nickel Inconel 718® et les conséquences de cette précipitation sur les propriétés mécaniques de cet alliage. Ces travaux se concentrent sur une approche couplée capable de décrire l’évolution de la précipitation de la phase γ'' et ses conséquences sur la limite d’élasticité de l’Inconel 718®. L’état de précipitation est modélisé grâce à l’implémentation des équations de la théorie classique de germination et de croissance, modifiées afin de prendre en compte la géométrie en plaquette des précipités γ''. Ce modèle de précipitation est ensuite validé par des données expérimentales issues de la littérature mais également d’observations au microscope électronique en transmission et d’essais de diffusion de neutrons aux petits angles. La distribution de taille de la phase γ'' ainsi simulée est utilisée comme donnée d’entrée d’un modèle de prédiction de la limite d’élasticité précipitation-dépendant. Ces limites d’élasticité simulées sont enfin comparées à des résultats expérimentaux issus d’essais de traction. Une maquette de soudage a ensuite été réalisée afin de tester le modèle de prévision de limite d’élasticité pour des transitoires thermiques, dans un cas industriel. / This thesis manuscript presents the results of work concerning the effects of thermal transients on the precipitation of intermetallic phases in the nickel-based superalloy Inconel 718® and the consequences of this precipitation on the mechanical properties of this alloy. This work focuses on a coupled approach capable of describing the evolution of the precipitation of the γ'' phase and its consequences on the yield strength of the Inconel 718®. The precipitation state is modeled thanks to the implementation of the equations of the classical germination and growth theory, modified to take into account the platelet geometry of the γ'' precipitates. This precipitation model is then validated by experimental data from the literature but also from transmission electron microscope observations and small angle neutron scattering tests. The size distribution of the γ'' phase thus simulated is used as the input data of a model for predicting the precipitation-dependent elasticity limit. These simulated elasticity limits are finally compared with experimental results from tensile tests. A welding model was then made to test the elastic yield prediction model for thermal transients in an industrial case.

Les perspectives d'évolution des techniques chirurgicales sont de plus en plus demandeuses de modèles permettant de prédire déplacements et contraintes au sein des tissus. De tels modèles permettent par exemple de mieux focaliser un traitement sur une zone de tissu affectée par une pathologie. L'un des principaux obstacles posés par la plupart des modèles existants adaptés à la description du comportement mécanique des tissus vivants concerne la difficulté de mesure de leurs paramètres. Il en résulte une difficulté à les déterminer, ainsi qu'à comprendre leur influence. L'adoption d'une modélisation multiéchelles permet d'apporter une réponse satisfaisante à ce problème. En effet, elle autorise la prise en compte et lacombinaison de phénomènes simples qui ont lieu à différentes échelles, et fait ainsi intervenir des paramètres physiques et mesurables. Dans l'étude proposée, nous nous focalisons sur le comportement mécanique des parois des veines en pont, qui peuvent parvenir à rupture lors d'un choc appliqué à la tête. Nous proposons pour commencer des observations par microscopie optique, microtomographie X et microscopie confocale biphotonique visant à caractériser la structure de la paroi vasculaire à différentes échelles. Un essai mécanique est combiné à l'une des observations. Nous proposons ensuite une nouvelle modélisation multiéchelles du comportement mécanique de cette paroi vasculaire. Cette modélisation combine des modèles simples à trois échelles et reproduit ainsi le comportement mécanique global de la paroi vasculaire. Pour finir, le modèle est intégré à une modélisation par éléments finis afin de permettre l'étude de géométries complexes. / Modeling the mechanical behavior of living tissues gets nowadays more and more importance. Indeed, mechanical models can be integrated within assisted surgery devices to help for example the surgeon to better focus on an area affected by pathology.One of the main drawbacks of existing numerical models for the mechanical behavior of living tissues concerns the difficulty to measure their parameters, which makes their determination difficult. Adopting a multiscale modeling approach seems to be an answer to this issue. It allows taking into account the global complexity of the behavior by considering simple phenomena that occur at each scale. By this way, the parameters of the model deal with physical characteristics and remain measurable.In the present study, we focus on the mechanical behavior of bridging vein walls. These veins can break when the head is submitted to a shock loading. We start by some experimental observations using optical microscopy, X-ray microtomography and multiphoton confocal microscopy. These observations allow getting a detailed knowledge about the vein wall constitution. Additionally a mechanical tensile test is combined with one of these observations. Then we propose a new multiscale approach for the description of the mechanical behavior of vessel walls. It combines simple models associated with three scales and describes in this way the overall mechanical behavior of the vein wall. The evolution of the material structure at different scales is taken into account and contributes to the global hyperelastic mechanical behavior of the tissue. Finally, our model is implemented in a finite element code in order to study complex geometries.

Les peptides pénétrateurs de cellule (CPP) sont des oligopeptides cationiques faisant parti des vecteurs les plus étudiés dans le cadre du développement du transport ciblé de médicament à l’intérieur de l’organisme. Les applications principales sont par exemple le traitement des cancers ou la thérapie génique. Néanmoins, certaines caractéristiques des CPPs rendent leur utilisation médicale compliquée, tels que leur manque de spécificité à l’égard des cellules cibles ou la perte de leurs propriétés pénétrantes lorsqu’un cargo moléculaire leur est greffé. L’une des solutions envisagées pour résoudre ces problèmes est le greffage sur des polypeptides di-blocs auto-assemblés basés sur de l’élastine (ELPBC), des systèmes développés par l’équipe d’Ashutosh Chilkoti à l’Université de Duke (USA). Des travaux précédents ont montré que ces macromolécules, que l’on appelle CPP-ELPBC, retrouvaient les propriétés pénétrantes du CPP même en présence d’un cargo et permettaient également d’induire une spécificité à l’encontre des cellules cancéreuses. En revanche, le mécanisme de pénétration de ces systèmes restait inconnu.Dans cette thèse, je me suis concentré sur l’étude du mécanisme de pénétration des CPP et des CPP-ELPBC au travers de membranes lipidiques modèles, et en particulier sur l’adsorption de ces molécules à la surface de vésicules unilamellaires géantes (GUV). Le développement d’une nouvelle méthode de quantification de la fluorescence en microscopie confocale m’a permis de réaliser des mesures simples de comptage de peptides à la surface des vésicules, ce qui m’a permis par la suite de procéder à des mesures thermodynamiques de l’adsorption des peptides. / Cell-penetrating peptides (CPP) are cationic oligopeptides currently investigated as potential vectors for targeted drug delivery design, for applications in cancer treatment and/or gene therapy. Nevertheless, some drawbacks make the CPP complex for medical applications, such as their lack of specificity toward target cells or the loss of their penetrating properties once they have been grafted with a molecular cargo. One of the solutions studied to overcome these issues is the binding of the CPP unit on a self-assembling elastin-like diblock polypeptide (ELPBC), a macromolecular system designed by the team of Ashutosh Chilkoti from Duke University (USA). While it has already been proven that these molecules, named CPP-ELPBC, recover the penetrating properties of the CPP despite the presence of a cargo and also induce a selectivity toward tumorous cells, the exact mechanism of translocation is still under debate.In this PhD thesis, I focused on the investigation of the translocation mechanism of the CPP and CPP-ELPBC using model lipid membranes, and specifically the adsorption of these molecules at the surface of giant unilamellar vesicles (GUV). The development of a new quantification method of fluorescence in confocal microscopy allowed me to directly count the peptides adsorbed on the surface of the GUVs, which I used to perform thermodynamic measurements on the peptide adsorption.

Ce travail concerne l’altération du comportement de phase de membranes lipidiques lors de leur interaction avec des molécules hydrophiles ou hydrophobes. L’utilisation de sondes moléculaires de fluorescence sensibles à leur micro-environnement constitue un aspect majeur de ce travail. Les techniques de spectroscopie de fluorescence et de microscopie confocale ont été mises à profit pour l’étude du comportement de ces sondes, donnant accès au degré de compacité et d’ordre dans les membranes.Nos résultats montrent que le polystyrène, un plastique rencontré de façon commune dans les régions polluées des océans, présente la capacité de modifier le comportement de phase des membranes lipidiques, entrant notamment en compétition avec le cholestérol.Nous avons montré que la présence élevée de sucres, tel que l’on peut le rencontrer dans certaines situations relevant de la bio-préservation, a pour effet de rompre la qualité de compaction des lipides, et nous avons proposé un nouveau modèle thermodynamique pour interpréter nos résultats.Enfin, les effets sur la membrane de l’incorporation d’un polymère amphiphile comportant un cholestérol greffé ont été étudiés, dans le cadre de l’élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques à base de lipides. / This work focuses on the alterations of lipid membrane phase behavior upon interaction with hydrophobic and hydophilic molecules. One major aspect of this thesis is the employement of environment sensitive probes to obtain information on the lipid bilayer packing by means of confocal spectral imaging and fluorescence spectroscopy. Our results show that polystyrene, a commonly found plastic in ocean wastes, has the ability to disrupt the lipid bilayer phase behavior and has a competitive interaction with cholesterol. The presence of high concentration of sugars, relevant in the field of biopreservation, has been found to alter the lipid bilayer packing and a new thermodynamics model has been proposed to complement the experimental results. Finally, the effects of an amphiphilic cholesterol-grafted polymer on model membrane was investigated, providing insight into potential new lipid therapeutic strategies.

Dans cette thèse, nous avons construit et optimisé des méthodes de microscopie de fluorescence super-résolue stochastique, polarisée et quantitative qui nous permettent d'imager l'orientation moléculaire dans des environnements dynamiques et statiques a l’échelle de la molécule unique et avec une résolution nanoscopique. En utilisant un montage de microscopie super-résolue à lecture stochastique en combinaison avec une détection polarisée, nous avons pu reconstruire des images d'anisotropie de fluorescence avec une résolution spatiale de 40 nm. En particulier, nous avons pu imager l'ordre orientationnel d'assemblages biomoléculaires et cellulaires. Pour l'imagerie cellulaire, nous avons pu étudier la capacité d'étiquettes de marquer fluorophoresde reporter quantifier l'orientation moléculaire dans l'actine et les microtubules dans des cellules fixées. Nous avons également mis à profit la meilleure résolution et la détection polarisée pour étudier l'ordre moléculaire d’agrégats d’amyloïdes a l’échelle nanoscopique. Enfin, nous avons étudié l'interaction de la protéine de réparation RAD51 avec l'ADN par microscopie de fluorescence polarisée super-résolue pour quantifier l'ordre orientationnel de l'ADN et de la protéine RAD51 afin de comprendre la recombinaison homologue du mécanisme de réparation de l'ADN. / .In this thesis we built and optimized quantitative polarized stochastic super-resolution fluorescence microscopy techniques that enabled us to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments at single molecule level and with nano-scale resolution. Using a scheme of stochastic read-out super resolution microscopy in combination with polarized detection, we can reconstruct fluorescence anisotropy images at a spatial resolution of 40 nm. In particular, we have been able to use the techniques to quantify the molecular orientationalorder in cellular and bio-molecular assemblies. For cellular imaging, we could quantify the ability of fluorophore labels to report molecular orientation of actin and microtubules in fixed cells. Furthermore, we used the improvements of resolution and polarization detection to study molecular order of amyloid aggregates at a nanoscopic scale. Also, we studied repair protein RAD51` s interaction with DNA by using dual color polarized fluorescence microscopy, to quantify the orientational order of DNA and RAD51 to understand the homologous recombination of DNA repair mechanism.

Le virus de la grippe est un virus à ARN négatif appartenant à la famille des Orthomyxoviridae qui se compose de 7 membres dont les virus influenza A, B, C et D. Le génome viral comprend 7 à 8 particules ribonucléoprotéiques (RNP) au sein desquelles l’ARN viral (ARNv) est recouvert de multiples copies de nucléoprotéines (NP) et est associé à l’ARN polymérase virale via ses extrémités 3’ et 5’. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes tout d’abord focalisés sur l’étude biochimique de NP A et NP B et avons pu mettre en évidence des comportements différents en ce qui concerne leurs propriétés d’oligomérisation en présence ou en absence d’ARN et en fonction de la concentration en sel. Pour la première fois nous avons pu observer une structure similaire aux RNP mais reconstituée uniquement à partir de NP A et d’un ARN de 12 nucléotides. Nous avons pu formuler l’hypothèse que 12 nucléotides de l’ARN serait fixés à la NP avec une forte affinité tandis que le reste de l’ARN fixerait la NP avec une affinité beaucoup plus faible. En parallèle nous avons résolu la structure cristallographique de la nucléoprotéine de la grippe de type D et réaliser la caractérisation de son interaction avec l’importine-α7 humaine. Enfin nous avons étudié la fixation de l’ARN sur NP D et mis en évidence l’importance de l’extrémité C-terminale dans le processus de fixation à l’ARN. Ces informations ont permis de formuler de nouvelles hypothèses quant au fonctionnement du virus de la grippe et permettre d’inscrire ce projet de thèse dans une dynamique globale de lutte contre ce virus. / Influenza virus is a negative RNA virus belongs to the Orthomyxoviridae family which consists of 7 members including influenza viruses A, B, C and D. The viral genome comprises 7 to 8 ribonucleoprotein particles (RNP) in which the viral RNA (vRNA) is coated with multiple copies of nucleoproteins (NP) and is associated with the viral RNA polymerase by its 3 'and 5' ends. In this thesis, we first focused on the biochemical study of NP A and NP B and we demonstrate that there are different behaviors with regard to their oligomerization properties in the presence or absence of RNA and as a function of the salt concentration. For the first time we were able to observe a structure very similar to RNP which was reconstituted only from NP A and a 12 nucleotide RNA. Thus, we formulate the hypothesis that 12 nucleotides of the RNA would bind NP with a very strong affinity while the rest of the RNA would bind NP with a lower affinity. In parallel, we solved the crystallographic structure of the nucleoprotein of influenza D virus and we characterized its interaction with human importin-α7. Finally, we studied the binding of RNA on NP D and we demonstrated the importance of the C-terminal end in the RNA binding process. This thesis project made it possible to formulate new hypotheses concerning the functioning of the influenza virus and to include this thesis project in a global dynamic of combating the influenza virus.

Les maladies parodontales sont causées par une infection bactérienne touchant les tissus entourant les dents, appelés parodonte. L’inflammation aggravée du parodonte peut conduire au déchaussement ou à la chute des dents. Porphyromonas gingivalis est une bactérie anaérobique qui sécrète des toxines appelées gingipaïnes, considérées comme le facteur de virulence majeur. Le système de sécrétion de type IX (T9SS) a été récemment mis en évidence exclusivement chez les membres de la famille des bacteroidetes. Chez P. gingivalis, ce système et directement relié à la sécrétion des gingipaïnes est donc sa pathogénicité. Des études ont montré que plus d’une quinzaine de protéines sont impliquées dans l’assemblage, la fonction et la régulation de ce système de sécrétion. Parmi ces protéines, PorK, PorL, PorM, PorN forment un complexe membranaire au cœur de la machinerie de sécrétion, enchâssé dans les deux membranes bactériennes. L’objectif de ce travail de thèse a été de mettre en place une méthodologie d’extraction et de solubilisation du complexe membranaire PorK-L-M-N afin d’étudier sa structure moléculaire par des méthodes de biochimie intégrative. Trois sous-complexes ont été étudiés successivement. Le complexe de membrane externe PorK-N, le complexe de membrane externe étendu PorK-N-M et le complexe de membrane interne PorL-M. Les résultats obtenus montrent que le complexe de membrane externe PorK-N présente une structure en forme d’anneau de 50nm de diamètre et le complexe de membrane interne PorL-M possède une structure étendue avec une base sphérique de 25nm. Ces résultats valident une méthodologie qui pourra par la suite être utilisée pour d'autres études du T9SS. / Periodontal diseases are caused by a bacterial infection affecting the tissues surrounding the teeth, called periodontal. The aggravated inflammation of the periodontium may lead to loosening or falling of the teeth. Porphyromonas gingivalis is an anaerobic bacterium able to secrete toxins called gingipains, considered as the major virulence factor. First called PorSS, the type IX secretion system (T9SS) was recently found exclusively in members of bacteroidetes. In P. gingivalis this system is directly related to the secretion of gingipains and is therefore its pathogenicity. Studies have shown that more than fifteen proteins are involved in the assembly, function and regulation of this secretory system. Among these proteins PorK, PorL, PorM, PorN form a membrane core complex, the central part of the secretory machinery embedded in the two bacterial membranes. The objective of this thesis was to set up a methodology of extraction and solubilization of the PorK-L-M-N membrane complex in order to study its molecular structure by integrative biochemistry methods. Three sub-complexes have been studied successively. PorK-N the outer membrane complex, PorK-N-M extended outer membrane complex and PorL-M the inner membrane complex. The results show that the PorK-N outer membrane complex has a ring-shaped structure of 50nm in diameter, confirming published results, and the PorL-M inner membrane complex has an extended structure of 25nm with a spherical base. These results validate the established methodology that can subsequently be used to continue the structural study of T9SS.

L’avènement de la microscopie biphotonique et des techniques dites de « super-résolution » ont permis d’améliorer les performances de la microscopie de fluorescence et de l’appliquer à l’imagerie intravitale et à l’analyse des tissus biologiques. Ces techniques requièrent néanmoins l’emploi de sondes aux propriétés optiques et biologiques optimisées.Plusieurs séries de colorants cationiques basés sur le motif vinyl-triphénylamine (TP) ont été développés pour le marquage d’ADN. Ces fluorophores rouges ou jaunes dont l’émission de fluorescence est commutée par l’interaction avec l’ADN sont des ligands de petit sillon de l’hélice B et possèdent des sections efficaces d’absorption à deux photons élevées.Les TP marquent l’ADN du noyau des cellules fixées ou en apoptose avec une intensité et un contraste élevés. Elles sont non-cytotoxiques, photostables et sont perméables à la membrane cellulaire. L’optimisation des propriétés a permis d’obtenir la TP-2Bzim, qui possède une brillance biphotonique parmi les plus élevées rapportées dans la littérature pour des molécules de faible poids moléculaire (383 GM) et permet une détection en microscopie biphotonique à basse concentration et à faible puissance d’excitation. En cellules vivantes, les TP sont localisées dans les mitochondries mais, sous excitation mono- ou bi-photonique constante, elles déclenchent l’apoptose de la cellule et se relocalisent dans le noyau. Le phénomène peut être imagé par fluorescence, et les TP pourraient donc être employées comme photosensibilisateurs théranostiques.Enfin, une stratégie de synthèse pour fonctionnaliser la TP-2Bzim a été développée. Elle a ainsi pu être couplée à des oligonucléotides et à un PNA pour la détection d’hybridation par fluorescence et à l’acide folique et à la spermidine pour le ciblage de cellules cancéreuses. / Significant advances were made in the field of in vivo fluorescence imaging thanks to the recent development of biphotonic microscopy and super-resolution techniques, rendering intravital imaging and biological tissues analysis possible. Those techniques however require the use of new probes with optimized optical and biological properties.Several series of cationic dyes for DNA staining were developed based on the vinyl-triphenylamine (TP) scaffold. Those new switchable yellow or red fluorophores bind in the minor-groove of DNA and display high two-photon absorption cross-sections. Two anionic derivatives were also designed for staining HSA.In fixed or apoptotic cells, the cationic dyes stain nuclear DNA with a high brightness and contrast. They are non-cytotoxic, photostable and cell permeant. The molecule with the most optimized properties, TP-2Bzim, has one of the highest two-photon brightness to date (383 GM in DNA), allowing sensible detection in biphotonic microscopy at low concentration and excitation power. In live cells, the dyes are localized in the mitochondria, but it appears that upon constant mono- or bi-photonic excitation they trigger cell apoptosis within a few minutes and are released in the nucleus. Since the phenomenon can be imaged by fluorescence microscopy, the TP dyes could thus be used as photosensitizers for theranostics.A synthetic pathway was also developed to functionalize the TP-2Bzim. It was then coupled by “click-chemistry” to short oligonucleotides or PNA sequences for fluorescence in situ hybridization, and to folic acid and spermidine for cancer cells targeting.

En médecine, les nanotechnologies permettent le développement de nouvelles techniques de soin comme l’hyperthermie local ou la délivrance ciblée de médicaments. Ces applications impliquent de nouveaux défis scientifiques concernant la conception de nanosystems et les propriétés de leur environnement biologique. Dans cette thèse, nous avons analysé plusieurs aspects de la relaxation thermique de tels systèmes. Nous avons mise en œuvre la fois des simulations de Dynamique Moléculaire et des mesures expérimentales de microscopie d’imagerie en temps de vie de fluorescence. Nous présentons une étude numérique du transfert thermique depuis une nanoparticule en solution aqueuse et montrons qu’attacher un polymère à sa surface permet de réduire la résistance thermique entre la particule et son environnement. Nous avons modélisé des bicouches lipidiques pour calculer leurs propriétés diélectriques et leur viscosité a été étudiée par microscopie de fluorescence. Ces expériences sont réalisées sur des membranes suspendues et des vésicules unilamellaires géantes et démontrent que la viscosité des bicouches lipidiques diminue avec la température et l’application d’une tension transmembranaire induisant un changement de structure. / In medicine, nanotechnologies give the opportunity to create new care practices such as local hyperthermia and targeted drug delivery. These applications imply new scientific challenges concerning the design of nanodevices and the properties of their biological environment. In this thesis, we have analysed several aspects of heat relaxation of such systems. We have used both Molecular Dynamics numerical simulations and Fluorescence-lifetime imaging microscopy experiments. We present a study of heat transfer from a solvated nanoparticle and show that attaching a polymer on its surface reduces the thermal resistance between the particle and its aqueous environment. We have modelled lipid bilayers to compute their dielectric properties and their viscosity have been investigated by fluorescence imaging. The experiments conducted on both suspended lipid membrane and giant unilamellar vesicles show that the viscosity decreases when the temperature increases and when a transmembrane voltage is applied to inducing a structural change.

Le nitrure de silicium est largement utilisé dans l’industrie verrière au sein d’empilements de couches minces permettant de fonctionnaliser le vitrage. Le dépôt de ces couches est réalisé par pulvérisation cathodique magnétron sur une large gamme de surfaces. Cette technique de dépôt génère cependant des pores nanométriques dans ces couches amorphes au détriment de la durabilité des produits au sein desquels elles sont employées. Cette thèse de doctorat présente le développement d’une approche multi-échelles de la caractérisation de cette nano-porosité en se basant sur l’association de deux techniques : la Microscopie Electronique en Transmission (TEM/STEM) et la Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (EIS). Cette démarche est appliquée à l’étude de couches de nitrure de silicium de différentes épaisseurs. Par ailleurs, l’impact de certains paramètres comme la pression de dépôt, la pression partielle en azote ou encore la nature de la sous-couche de croissance a été investigué.La nano-porosité de ces couches est fortement dépendante des conditions de dépôt utilisées : la pression et l’épaisseur semblent déterminantes sur leur nanostructure. Dans la plupart des cas la morphologie de ces couches de nitrure de silicium se divisent en deux principales zones dans l’épaisseur : une couche homogène proche du substrat et une structure colonnaire occupant la partie supérieure de la couche. Une description quantitative de la porosité de cette zone colonnaire est proposée et comprend l’estimation du diamètre et de la densité des pores, l’évolution de leur morphologie dans l’épaisseur, leur percolation, ou encore la surface accessible en fond des pores traversant la couche. / Silicon nitride is widely used in glass industry embedded in stacks of thin layers applied to functionalize glass for thermal, optical (antireflection) or self-cleaning applications. The deposition of these layers is made by magnetron sputtering on large surfaces with a great versatility. However, nanometric pores can be produced in these amorphous layers deposited with this technique which is detrimental for the durability of the products containing theses layers. This PhD thesis presents the development of a multiscale approach in order to characterize this nano-porosity combining two techniques: Transmission Electron Microscopy (TEM/STEM) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). This analysis route is applied to study silicon nitride layers of different thicknesses. Furthermore, the impact of several parameters like the deposition pressure, the nitrogen partial pressure or the nature of the seed layer has been investigated.The nano-porosity of these layers is strongly dependent on the deposition conditions: pressure and thickness seem to be crucial for their nanostructure. For most of the cases, the morphology of this silicon nitride layer is divided in two main areas: a homogeneous area near the substrate and a columnar structure in the upper part of the layer. A quantitative description of the columnar area porosity is proposed and includes the estimation of the pores diameter and density, their change in morphology with the layer thickness, their percolation and the substrate accessible surface at the bottom of the through pores.