Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologiessurvenant en France chaque année. Les difficultés pour identifier les causes de ces maladiesproviennent pour une part d’un manque de compréhension du mécanisme de lubrificationd’une articulation synoviale saine. Dans ce contexte, un premier objectif de ce travail a été d’analyser la structurediscontinue du liquide synovial à partir de prélèvements animaux sains et de la reproduire àpartir de composants biomoléculaires commerciaux afin de comprendre le mécanisme delubrification dans le cas sain. Le deuxième objectif de cette thèse a été d’analyser l’évolution de la structure et despropriétés lubrifiantes du liquide synovial dans le stade précoce de pathologies noninflammatoiresou inflammatoires à partir de prélèvements pathologiques humains. Afind’étudier plus finement l’évolution de la lubrification pathologique cette thèse a visé àdévelopper aussi des modèles de lubrifiants obtenus à partir de cultures cellulaires desynoviocytes humains en combinant l’action de facteurs inflammatoire (cytokines).L’ensemble des résultats montre l’importance de la structure supramoléculaire duliquide synovial dans l’obtention de bonnes propriétés lubrifiantes ; cette relation devraitconstituer d’une part un paramètre clé dans le diagnostic précoce des pathologies articulaireset d’autre part une voie de développement de liquides thérapeutiques à base de lubrifiantsnanostructurés / Osteoarticular diseases account for approximately 10% of all diseases occurring inFrance each year. The difficulties in identifying their causes are also due to a deficiency inunderstanding the lubrication mechanism of healthy synovial joint.In this context, the first objective of the present study was to analyze the discontinuousstructure of synovial fluid samples from healthy animals and to reproduce it using commercialbiomolecular components in order to understand the lubrication mechanism in the healthycase. The second objective of this thesis was to analyze the evolution of the structure andthe lubricating properties of synovial fluid in the early stage of non-inflammatory andinflammatory diseases using pathological human fluid samples. In order to study moreprecisely the evolution of pathological lubrication this work aimed to develop lubricantmodels obtained from cell cultures of human synoviocytes adding the action of pathologicalinflammatory factors (cytokines). All together the results show the importance of the supramolecular structure of thesynovial fluid in obtaining good lubricating properties what may be a key parameter in theearly diagnosis of joint diseases and even more a chance to develop therapeutic fluids basedon nanostructured lubricants

Face à la quête constante de miniaturisation, les nanosciences ont connu un essor fulgurant lors de la dernière décennie. Au sein de ces dernières, les procédés lithographiques – clé de voûte de l’industrie des semi-conducteurs – permettent désormais d’accéder à des nanomatériaux fonctionnels. Malgré les récents développements technologiques, l’obtention de nanostructures possédant une résolution inférieure à 100 nm reste un défi majeur pour la communauté scientifique.Devant l’intérêt grandissant de développer des méthodes alternatives en nanolithographie, notre groupe s’est tourné vers une approche chimique, nommée nanolithographie par sonde locale catalytique (cSPL). Combinant la robustesse de la catalyse organométallique et la flexibilité offerte par la microscopie à sonde locale, notre stratégie permet la nanostructuration de surfaces organominérales par la création de liaisons covalentes dans des conditions douces. Cette approche innovante constitue le premier exemple d’immobilisation d’un catalyseur homogène à la surface d’une pointe d’un microscope à force atomique (AFM), dans l’optique de contrôler spatialement une réactivité chimique, l’époxydation localisée d’alcènes terminaux. Ces fonctions époxydes ont été employées comme points d’ancrage dans la nanostructuration à façon de surfaces de silicium avec une large variété de nucléophiles. De plus, l’optimisation des paramètres physico-chimique influant sur la réaction, a permis d’atteindre des résolutions latérales de l’ordre de 40 nm et laisse entrevoir de nombreuses perspectives dans la nanostructuration tridimensionnelle de matériaux organiques. / In regard to the constant quest for miniaturization, the field of nanosciences has known a tremendous expansion over the last decade. More precisely, lithographic technologies - key processes for the semi-conductor industry – allow to access to functional nanomaterials. Despite recent technological developments, the synthesis of nanostructures with a sub-100 nm resolution remains a major challenge for the scientific community.Due to the growing interest in the design of new nanolithographic methods, our group has focused its efforts on the development of a chemical approach, named catalytic scanning probe lithography (cSPL). Unifying the robustness of organometallic catalysis and the flexibility offered by scanning probe microscopy, our strategy allows the nanostructuration of organomineral surfaces in a soft controlled manner by the formation of covalent bonds. This innovative approach represents the first example of the immobilization of an homogeneous catalyst on the edge of an atomic force microscope (AFM) tip, in order to spatially control a chemical reaction: the localized epoxidation reaction of terminal alkenes. Those epoxides were then used as anchoring sites, in the nanostructuration of silicon wafers with a broad range of nucleophiles. Moreover, the different physico-chemical parameters influencing the reaction were optimized, allowing us to reach lateral resolutions down to 40 nm and opening new perspectives in the field of 3D-nanostructuration of organic materials.

L'électronique supramoléculaires vise à construire et à étudier les propriétés optoélectroniques des architectures supramoléculaires à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est d'obtenir le contrôle de l'organisation des systèmesmoléculaires organiques et de corréler leur structure avec les propriétés électriques, avec une attention particulière sur les propriétés à l'échelle nanométrique. Les stratégies exploitées nécessitent un design chimique adapté, un équilibre desinteractions intermoléculaires et d'interface, un contrôle sur la cinétique des processus et, éventuellement, l'exploitation des forces extérieures. Les résultats présentés montrent que la compréhension des propriétés locales d'un matériau sur une base à l'échelle nanométrique est un énorme défi fondamental vise à apporter des solutions à des questions scientifiques et technologiques, puisque les performances dans les appareils électroniques sont fortement dépendante de l'ordre au niveau supramoléculaire. / Supramolecular electronics aims to construct and investigate the optoelectronic properties of tailored supramolecular nanoarchitectures. The aim of this thesis is to get control over the organization of organic molecular systems and correlate their structure with the electrical properties, with particular attention at the nanoscale properties. The exploited strategies require a focused molecular design, the balancing of intermolecular and interfacial interactions, a control on the kinetics of the processes and possibly the exploitation of external forces. The presented results showed that understanding the local properties of a material on a nanoscale basis is a huge fundamental challenge to bring solutions to both scientific and technological issues, since in electronic devices the performances are strongly dependent on the order at the supramolecular level.

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse portent sur l’obtention de nanotubes de carbone ultracourts et leur biofonctionnalisation pour une utilisation comme biomarqueur proche infrarouge. Des dispersions de nanotubes de carbone en milieux aqueux ont été formulées à l’aide de différents tensioactifs. Un traitement chimique oxydant préalable et/ou l’application d’ultrasons aux nanotubes ont permis de réduire leur longueur de façon significative, la sélection des plus courts étant effectuée par ultracentrifugation en gradient de densité. Les différentes fractions sélectionnées à l’issu de ce processus ont été caractérisées par spectroscopie Raman et spectroscopie d’absorption ainsi que par microscopie à force atomique. Il est ainsi montré la sélection de nanotubes d’une longueur inférieure à 20 nm. Nous montrons également leur fonctionnalisation à l’aide d’anticorps monoclonaux et leur visualisation par imagerie photothermique hétérodyne. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec la fixation spécifique de nanotubes de carbone ultracourts sur des cellules. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives en bioimagerie et en particulier l’étude de la plasticité synaptique au sein de neurones vivants. / This thesis reports the achievement of ultrashort carbon nanotubes and their biofunctionalization for applications as near-infrared biomarker. Dispersions of carbon nanotubes in aqueous media have been formulated with various surfactants. Oxidizing chemical treatments combined with the application of ultrasounds allowed significant shortening of the carbon nanotubes. Sorting and selection of the shortest nanotubes was done by density gradient ultracentrifugation. The different fractions selected at the end of this process have been characterized by Raman spectroscopy, UV-vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy. Selection of nanotubes of a length below 20 nm is demonstrated. We also show functionalization by antibodies and the visualization of ultrashort functionalized nanotubes by photothermal heterodyne imaging. Promising results were obtained with the specific binding of ultrashort carbon nanotubes to cells. This work open route towards bioimaging applications and in particular towards the study of the synapsis plasticity within alive neurons.

Les progrès rapides de la microélectronique sont liées à la miniaturisation du transistor MOS. Pour limiter les courants de fuite, SiO2 a déjà été remplacé par HfO2.mais de nouveaux diélectriques de grande constante diélectrique (high-k) devront être intégrés pour poursuivre cette progression. Le microscope à force atomique (AFM) en mode Conductive-AFM (C-AFM) est aujourd'hui un outil incontournable pour la caractérisation électrique des diélectriques en couche mince à l'échelle nanométrique. Dans nos travaux, nous avons cherché à étudier les limites du C-AM. Le C-AFM consiste à utiliser une pointe AFM comme électrode supérieure afin de faire des mesures de type I(V) ou des cartographies de courant. Nous avons cherché à identifier le phénomène qui conduit à la dégradation de la couche diélectrique par l'application d'une tension de pointe positive, matérialisée par la déformation de la surface. Nous avons montré qu'il s'agissait d'un effet thermique due à la forte densité de courant, ne s'apparentant pas à la DBIE observée sur dispositif, et pouvant aller jusqu'à la détérioration du substrat à l'interface. Ce phénomène, sans en être la conséquence, est largement favorisé par la présence d'eau. Ceci confirme qu'il est préférable de réaliser les caractérisations électriques sous ultra-vide malgré les contraintes expérimentales. Les études du diélectriques sont ainsi compromises puisque le mode de dégradation est en partie propre à la technique AFM et ne permet pas aisément d'extrapoler le comportement du matériau intégré dans un dispositif. De plus, l'étude statistique la dégradation de la couche (Weibull), couramment utilisée, est affectée par un biais d'interdépendance. De la même façon, la modélisation de la conduction à travers la couche doit être utilisée avec précaution, car la surface du contact électrique pointe-diélectrique demeure un paramètre incertain. La technique de pompage de charges permet de caractériser les pièges à l'interface oxyde/semi- conducteur en les sollicitant par l'application d'une tension de grille périodique. Elle permet d'extraire la densité d'état Dit(E) les sections efficaces de capture (σ(E)), mais ne donne pas d'information sur leur répartition spatiale. Nous avons donc adapté cette technique à la microscopie champ proche, la pointe AFM conductrice faisant office de grille. Sur des transistors dépourvus de grille spécialement préparés pour l’occasion, nous avons pu montrer la faisabilité de la technique, en accord satisfaisant avec les mesures macroscopiques. Nous mesurons un signal que nous associons à un courant pompé. Cependant, le signal est déformé comparativement aux mesures macroscopiques. Un modèle physique reste à développer puisque dans notre cas, les charges minoritaires doivent traverser depuis la source et le drain un espace non polarisé par la grille. Par la suite, un dispositif de cartographie des défauts d'interface, éventuellement résolue en énergie, pourra être développé. / The rapid progress of the microelectronic is obtained by the strong reduction of the dimensions of the MOS transistor. In order to reduce the leakage currents SiO2 is nox replaced by HfO2, but new dielectrics with a high permittivity (high-k) will have to be integrated in the future so that the progession continues. The atomic force microscope (AFM) in Conductive-AFM (C-AFM) mode is an ideal tools for the electrical characterization of thin oxide films at the nanometric scale. In our work, we have tried to study the limits of the C-AFM. C-AFM consists in using an AFM tip as a top electrode in order to perform Intensity-Current (I-V) curves or mapping the current. We have tried and identify the phenomenon which lead to the degradation of the dielectric layer during the application of the positive voltage bias on the tip, which results in a deformation of the surface under study. We have shown that it is a thermal effect due to a large density of current, which is different from dielectric induced breakdown epitaxy (DBIE) observed on the devices, and which may even lead to the degradation of the susbstrate at the interface. This phenomon is favored by the presence of water on the surface although it is not its consequence. This confirms that such electrical measurements should be performed in ultra-high vacuum in spite of the consequences in terms of complexity of the measurement setup. As a consequence, the study of the dielectric material are questionned since the degradation process is partly due to the AFM technique itself and does not allow to extrapolate easily the behaviour of the integrated device. Moreover, the statistical study of the degradation of the layer (Weibull), commonly used, is affected by a bias (measurements are interdependent). In the same way, the modeling of the conduction through the layer must be questionned because the surface of the electrical contact between the tip and the dielectric layer remains a very variable parameter. The charge pumping technique, which consists in caracterizing the traps at the semiconductor / dielectric interface by filling/emptying them with the application of an alternating gate voltage. It allows to extract the states density (Dit(E) and the capture cross section (σ(E)) but does not provide any information about their repartition on the interface. So, we have adapted this technique to the scanning probe microscopy with the conducting AFM probe as a gate. Using gate-less transistors fabricated in the frame of this work, we have demonstrated the feasability of this technique with a satisfying agreement with macroscopic measurements. We are able to measure a signal that can be related to charge pumping. However, the signal is distorted compared to macroscopic measurements. Modeling is needed because in our case, minority carriers must travel from source to drain via a non polarised area. As a perspective, an energetically resolved method to map the interfacial defects might be developed.

Les dispersions aqueuses de polymères insolubles sont très largement utilisées pour pelliculer des formes galéniques destinées à la voie orale telles que des microgranules et permettre une libération contrôlée du principe actif. Ces dispersions aqueuses présentent l'avantage d'éviter l'emploi de solvants organiques mais impliquent un mécanisme de formation du film différent et plus complexe que lors de l'utilisation de solutions aqueuses de polymères, qui nécessite une étape de maturation complémentaire appelée curing (traitement thermique contrôlé avec ou sans humidité relative forcée). A ce jour, le processus de formation du film n'est pas encore complètement élucidé et mérite une investigation. Le premier objectif de ce travail a consisté à mieux comprendre les effets des conditions de curing sur la libération de microgranules enrobés avec une dispersion aqueuse de polymère. Le chlorhydrate de diltiazem est utilisé comme principe actif (PA) modèle. L'enrobage étudié est à base d'ethylcellulose plastifié par le triéthylcitrate (TEC), le dibutyl sebacate (DBS) ou des monoglycérides acétylés. Des variations de l'effet des conditions de curing sont observées en fonction du taux d'enrobage appliqué et du type de plastifiant utilisé. Les comportements complexes observés peuvent être attribués à deux phénomènes qui entrent en compétition : l'amélioration de la formation du film par coalescence des particules de polymères et la migration du PA à travers la membrane polymérique. Tous les systèmes étudiés présentent des profils qui n'évoluent pas après 6 mois de stockage en condition de stabilité accélérée à 40°C et 75% d'humidité relative (HR), lorsque des conditions de curing adéquates sont appliquées (24 h - 60°C - 75%HR). D'autre part, lorsque ce curing adéquat est appliqué, les profils de libération de principe actif sont similaires quel que soit le type de plastifiant utilisé. Les observations issues de l'étude sur microgranules enrobés montrent qu'il est parfois difficile d'anticiper le comportement des films d'enrobage en fonction du système étudié (association polymère/plastifiant, conditions de curing appliquées, épaisseur du film d'enrobage). Le deuxième objectif est d'évaluer l'intérêt de films libres comme modèle prédictif des performances de formes pharmaceutiques enrobées. Deux modèles de films libres sont étudiés : les films coulés et les films pulvérisés. Ces films sont caractérisés notamment par leurs propriétés thermiques, mécaniques et par la mesure de leur capacité d'hydratation et de leur perte en masse. Les résultats de l'étude des films libres sont mis en relation avec ceux de l'étude des profils de dissolution des microgranules enrobés. La confrontation des résultats obtenus sur films libres coulés et pulvérisés indique que le modèle le plus prédictif est le film libre obtenu par pulvérisation. Ce modèle est donc privilégié lors des études des enrobages à base de dispersion aqueuse de polymère. L'intérêt est ensuite porté sur la caractérisation des films libres de même composition que ceux des microgranules enrobés pour expliquer l'influence des conditions de curing en fonction du taux d'enrobage appliqué et du type de plastifiant utilisé. Quel que soit le type de plastifiant utilisé (soluble ou insoluble), les propriétés mécaniques des films révèlent qu'il y a amélioration de la résistance du film lorsqu'un curing de 60°C - 24 h - 75%RH est appliqué par rapport à celle d'un film ayant subi un curing de 60°C-1h. Ces résultats indiquent que la coalescence des particules de polymère n'est pas complète lorsqu'un curing de 60°C-1 h est appliqué. Ces résultats sont confirmés par les imageries obtenues par microscopie à force atomique (MFA) : la rugosité est plus prononcée après un curing d'1 h. D'autre part, les imageries obtenues par microspectroscopie Raman montrent également que les films ayant subi un curing insuffisant présentent une hétérogénéité de la distribution des constituants du film, et plus particulièrement de l'alcool cétylique, un stabilisant présent dans la dispersion aqueuse d'éthylcellulose. Ces résultats viennent conforter l'hypothèse de l'amélioration du film par coalescence des particules de polymères grâce au curing. Par ailleurs, lorsqu'un curing adéquat est appliqué, les cinétiques de prise en eau et de perte en masse sont similaires quel que soit le type de plastifiant utilisé, comme c'était déjà le cas pour les profils de libération du PA de microgranules enrobés.

L'Annexine A5 (Anx5) est une protéine de la famille des annexines qui présente la propriété de s'organiser à la surface des bicouches lipidiques en trimères et en assemblages bidimensionnels (2D) de trimères. Ce travail de thèse concerne le développement d'applications biotechnologiques des assemblages 2D d'Anx5 ainsi qu'une étude des propriétés fonctionnelles de ces assemblages. Ces travaux ont été réalisés principalement à l'aide des méthodes de la microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation (QCM-D) et de la microscopie à force atomique (AFM). <br />La première partie de cette thèse concerne le développement de plates-formes d'ancrage basées sur des assemblages 2D de protéines dérivées de l'Anx5. Des complexes covalents entre l'Anx5 et des peptides d'adhésion cellulaire pour la réalisation de plates-formes d'ancrage de cellules. Des protéines de fusion entre l'Anx5 et un fragment de la protéine A ont d'autre part servi au développement de plates-formes 2D pour l'immobilisation contrôlée d'anticorps et de protéines. <br />La seconde partie de cette thèse concerne l'étude des propriétés fonctionnelles des assemblages 2D d'Anx5. L'étude de l'interaction d'un anticorps anti-phospholipide avec les assemblages 2D d'Anx5 montre que cet anticorps ne perturbe pas l'organisation 2D de l'Anx5. La seconde étude concernant l'influence des assemblages 2D de l'Anx5 sur la dynamique des bicouches lipidiques établie une corrélation entre la formation de trimères et le ralentissement de la dynamique des membranes.<br />Ces travaux contribuent à notre compréhension des propriétés des assemblages 2D d'Anx5 et permettent d'envisager le développement de biocapteurs pour cellules ou molécules.

Cette thèse aborde la problématique des transferts de chaleur dans les micro et nanoystèmes. La première partie concerne la conduction thermique dans l'air. La microscopie à force atomique thermique dite SThM est présentée, et la sonde résistive Wollaston est analysée afin de pouvoir être utilisée à haute température. Les pertes thermiques de la sonde dans l'air environnant sont mesurées en fonction de la pression. L'échange thermique entre la sonde chaude et un échantillon froid est déterminé en fonction de la distance pointe-échantillon. Une modélisation simple de l'expérience, avec des lignes de flux parallèles, tend à démontrer un comportement qui dévie de la diffusion thermique de Fourier. Une étude numérique mettant en jeu une pointe pyramidale nanométrique est ensuite effectuée à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo dans le but d'analyser le transport thermique balistique.<br />La seconde partie aborde le rayonnement thermique de champ proche entre les corps métalliques. Il apparaît que le transfert radiatif est différent de celui des matériaux polaires lorsque les distances entre deux corps sont nanométriques. Ceci n'est pas dû à un phénomène modélisable avec l'optique non-locale. Le flux est en fait essentiellement d'origine magnétique et met en jeu des courants de Foucault stochastiques, pris en compte par la contribution dipolaire magnétique dans le cas d'une nanoparticule. Une longueur caractéristique du transfert est l'épaisseur de peau. Elle permet notamment d'expliquer une expérience récente.<br />La possibilité de mesurer le rayonnement de champ proche avec le microscope SThM est également évaluée.

Cette thèse présente un travail d?élaboration et de caractérisation de surfaces hétérogènes contrôlées afin d?étudier l?effet des hétérogénéités sur les propriétés de mouillage. Ces surfaces sont obtenues par la technique de Langmuir-Blodgett à partir du mélange de deux molécules amphiphiles différentes. Ces molécules ont été choisies pour leurs propriétés de mouillage différentes : la première est un acide gras à longue chaîne tandis que la seconde est une molécule à chaîne hydrophobe partiellement fluorée.<br />Dans un premier temps, les films mixtes sont caractérisés à l?interface eau-air (films de Langmuir). Afin de déterminer la nature des interactions entre les constituants, les films mixtes ont été étudiés à différentes échelles en utilisant différentes techniques expérimentales. Les résultats montrent que le système présente une séparation de phase complète quelle que soit la fraction molaire de l?un des constituants et dès les basses pressions de surface. Des domaines circulaires d?acide sont mis en évidence.<br />Les films sont ensuite transférés sur substrat solide. Pour obtenir un bon ancrage des films, les paramètres de transfert ont été adaptés. L?arrangement moléculaire au sein des films a été déterminé de façon précise par diffraction X sous incidence rasante, notamment par variation de l?angle d?incidence des photons sur l?échantillon de façon à pénétrer plus ou moins dans le film. Les films ont également été imagés par microscopie à force atomique, ce qui permet de déterminer l?état des surfaces et notamment l?absence de défauts. De la même façon qu?à la surface de l?eau, des domaines circulaires d?acide sont observés. Ces domaines coexistent avec une phase continue qui présente une structure labyrinthique attribuée à une réorganisation moléculaire lors du transfert.<br />Nous avons ainsi obtenu un système bien adapté à l?étude des propriétés de mouillage de surfaces inhomogènes puisqu?il présente deux phases séparées possédant chacune des propriétés différentes.

Des mesures de contraintes de croissance, de module élastique aux états saturé et sec, de point de saturation des fibres et de retrait au séchage sont réalisées sur 96 petits échantillons de châtaigner caractérisés dans l'arbre par une précontrainte allant d'une légère compression jusqu'à une forte tension. Sur ces échantillons, des observations anatomiques ont permis de déterminer le pourcentage de fibres à couche gélatineuse (couche G). L'influence de ces fibres atypiques sur les propriétés macroscopiques du bois est examinée et discutée. Les propriétés de ces fibres dans des conditions théoriques isolées sont ensuite déterminées par un modèle simple.<br />Les fibres à couche G semblant être le moteur du fort retrait axial du bois de tension, une observation du comportement au séchage à l'échelle de la paroi cellulaire est mise au point. Des observations en microscopie électronique à balayage et en microscopie à force atomique montrent que, en plus de son fort retrait transverse, la couche G a aussi un très fort retrait longitudinal. Une approche simple de modélisation par éléments finis est proposée pour rendre compte des phénomènes observés.<br />Afin de récolter des données pour la modélisation, deux outils complémentaires sont mis au point pour une estimation des propriétés élastiques et viscoélastiques des couches de la paroi cellulaire. La réalisation d'un microscope acoustique en transmission et l'utilisation de la microscopie atomique en mode contact vibrant permettent d'envisager la caractérisation quantitative des propriétés mécaniques à l'échelle de la paroi dans différentes conditions d'humidité.