L’un des enjeux de la bioingénierie consiste à synthétiser des biomatériaux visant à régénérer, remplacer ou suppléer des organes déficients. Afin de visualiser des structures dans des conditions proches de la réalité physiologique, et de manière non invasive, de nouvelles techniques d’imagerie ne cessent de se développer. En particulier, la microscopie associant une excitation multiphoton et la détection de signaux de fluorescence et de signaux de SHG (Second Harmonic Generation) permet l’observation en profondeur de composants de matrices extracellulaires sans marqueur fluorescent exogène. Ce travail basé sur ces techniques a permis dans un premier temps d’apprécier les probabilités d’absorption multiphoton en fonction de la modulation de l’excitation avec deux systèmes différents (Cavity Dumper et EOM). Une seconde partie de ce projet a été consacrée à la mise en place et l’optimisation de la détection de signaux SHG provenant du collagène dans les tissus biologiques. Nous avons utilisé ces méthodes d’imagerie pour mettre en évidence les modifications intervenant au niveau des réseaux de collagène de la MEC de cartilage suite à l’application d’une contrainte mécanique (compression) ou biochimique (enzymatique). Puis, nous nous sommes intéressés au domaine vasculaire, en montrant la possibilité d’imager sans marquage fluorescent les réseaux d’élastine de la média (en mettant à profit son autofluorescence) et le réseau de collagène de l’adventice (générant un fort signal SHG). Nous avons ainsi pu apprécier l’état des structures en fonction de différentes conditions de préservation (congélation, fixation) et le remodelage de substituts artériels implantés chez le lapin. Enfin, une dernière application biologique, basée sur l’étude de tumeurs, nous montre la complémentarité et l’intérêt d’une imagerie de type macroscopique avec les diverses modalités de détection en microscopie. / To repair, supply or regenerate deficient organs, the bioengineering field consists of synthesising functionalised biomaterials. To visualise the synthesised structures in a non invasive way and in physiological conditions, new imaging techniques tend to be developed. Among them, microscopy associating multiphoton excitation with fluorescence detection or Second Harmonic Generation enables a visualisation in depth of extracellular matrix structures, without any exogenous dye. The first part of this work was to characterise multiphoton absorption probability in function of different excitation conditions, that means a modulation of the excitation beam through two different systems (Cavity Dumper and EOM). In a second part, we implemented and optimised the detection of the SHG signal coming from collagen in biological tissues. Through SHG measurements, we showed modifications occurring on the collagen network of the extracellular matrix of cartilage, when sample were submitted to mechanical (compression) or biochemical (enzymatic) constraint. We also were interested by the vascular research field and showed the ability of multiphoton microscopy to image without any fluorescent dye, the elastin network of the media and the collagen network of the adventice. We could appreciate qualitatively the effect of cryopreservation or fixation on the arterial wall, and the remodelling of a substitute implemented in a rabbit to supply its carotid. A last biological application concerned study of tumors, and showed us the complementarities between a macroscopic study with information obtained by microscopy.

Th. doct.--Physique expérimentale--Göteborg (Suède)--Chalmers university of technology, Göteborg university, 2003. / Bibliogr. p. 45-50. Annexes.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [66]-69. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Le microscope à force atomique (AFM) est un outil puissant pour l'étude des systèmes biologiques. Dans cette thèse, je me suis intéressé à la corrélation de quatre types de microscopies : la microscopie à force atomique, la microscopie optique à fluorescence à haute résolution, la microscopie électronique, et la microscopie à sonde de Kelvin (KFM). La corrélation des trois premières microscopies a donné naissance à l'approche CLAFEM (Correlative Light Atomic Force Electron Microscopies). Cette technique m'a permis de détecter des organites intracellulaires, tels que l'appareil de Golgi et des mitochondries. Des comètes d'actine dues à l'infection d'une cellule par Shigella flexneri, et le site d'entrée de Yersinia pseudotuberculosis ont été imagés avec cette approche. Parallèlement à cette partie expérimentale, j'ai développé un logiciel, appelé pyAF, pour analyser des courbes de forces et pour corréler les différents types de microscopies. Dans une deuxième partie, j'ai effectué des mesures des propriétés électriques par KFM et exploré la possibilité d'utiliser celle-ci en milieu liquide. L'étude des propriétés électriques en KFM a été effectuée sur des virus de la mosaïque du tabac à l'air, en utilisant des leviers conventionnels. L'utilisation de sondes Kolibri (résonateurs à quartz oscillant à 1 MHz) à l'air et en liquide a été explorée. / The atomic force microscope (AFM) is a powerful tool for the study of biological systems. In this work, I was interested in the correlation of four types of microscopies: the atomic force microscopy, the high resolution fluorescence microscopy, the electron microscopy and the kelvin force microscopy (KFM). The correlation of the three first types of microscopies gave birth to the CLAFEM approach (Correlative Light Atomic Force Electron Microscopies). This technique allowed me to detect intracellular organelles, like the Golgi apparatus and mitochondria. Actin tails due to the infection of cells by the Shigella flexneri bacterium, and the entry site of Yersinia pseudotuberculosis bacteria were imaged with this approach. In parallel to this experimental part, I developed a software, called pyAF, for the analysis of force curves and the correlation of the different types of microscopies. In a second part, I measured electrical properties by KFM and explored the possibility to use KFM in liquid. Electrical properties of tobacco mosaic viruses were studied in air, using conventional cantilevers. I also used a new type of probe, called Kolibri, which is a quartz resonator oscillating at 1 MHz, in air and in liquid.

Les contraintes environnementales préconisent le remplacement des substances à base de plomb présentes dans les équipements électroniques. Dans ce cadre, nous avons synthétisé par voie sol-gel des solutions solides de (La1-xLnx)2Ti2O7 (Ln = Pr, Nd, Sm) sous forme massive et en couches minces sur des substrats de SrTiO3-Nb orientés (100) et (110). Sous forme de céramiques, les propriétés piézoélectriques des solutions solides à structure pérovskite en feuillet sont révélées. Sous forme de couches minces, l’investigation par diffraction de rayons X (DRX) en mode θ/θ montre que les films présentaient une orientation préférentielle (012) lorsqu’ils sont déposés sur des substrats de SrTiO3 orientés (100) et (001) lorsqu’ils sont déposés sur des substrats orientés (110). Des mesures par DRX haute résolution et des cartographies de l’espace réciproque révèlent l’existence d’orientations supplémentaires sur ces films. Ces orientations sont (025) pour les films déposés sur SrTiO3(100) et (212) pour les films déposés sur SrTiO3(110). Les mesures électriques réalisées à l’échelle macroscopique laissent présager le caractère ferroélectrique des films. Les études menées à l’échelle locale en microscopie à force piézoélectrique (PFM) confirment la ferroélectricité de tous les films. Cette microscopie met en évidence l’existence de domaines ferroélectriques dans lesquels les vecteurs de polarisation présentent des composantes dans et hors du plan du film, en bon accord avec les mesures en DRX HR.Ces résultats prometteurs placent ces solutions solides comme des candidats potentiels dans le cadre du remplacement des substances à base de plomb dans les équipements électroniques. / The environmental constraints advocate the replacement of lead-based substances found in electronic equipments. In this context, we have synthesized (La1-xLnx)2Ti2O7 (Ln = Pr, Nd, Sm) solid solutions as bulks and thin films deposited on SrTiO3-Nb substrates oriented (100) or (110). In ceramics’ form, ferroelectric and piezoelectric properties of these layered perovskite solid solutions are found. In thin films’ form, the investigation by θ/θ X-ray diffraction (XRD) shows a (012) preferred orientation for the films deposited on (100)-SrTiO3 substrates and (001) for (110)-SrTiO3 substrates’ films. The measurements by high resolution XRD and reciprocal space mappings reveal the existence of supplementary orientations on these films, which are (025) for films deposited on (100)-SrTiO3 substrates and (212) for films deposited on (110)-SrTiO3 substrates. The macroscopic electrical measurements suggest a ferroelectric nature in these samples. The local electrical measurements performed by piezoelectric force microscopy (PFM) confirm the ferroelectricity in all films. This microscope reveals the existence of ferroelectric domains which the polarization vectors have components in and out of film’s plane, in good agreement with HR-XRD results. These promising results place these solid solutions as potential candidates under the replacement of lead-based substances in electronic equipments.

Ce travail de thèse consiste à étudier l'instrumentation de la sonde de Kelvin (KFM) sur un microscope à force atomique (AFM) commercial et ensuite à caractériser les surfaces et composants à base nitrure de gallium (GaN). Le potentiel de surface Vs, entre une pointe métallique et un matériau semiconducteur dépend de la différence de travaux de sortie des deux matériaux, des concentrations en dopants et des états de surface du semiconducteur. La technique KFM permet d'obtenir cette information à une échelle nano ou micrométrique. Ce projet a consisté à développer ce mode de mesure à partir de microscopes AFM commerciaux. L'étude de l'instrumentation a permis de montrer la présence de couplages parasites qui entachent d'erreur la mesure de Vs. Une stratégie est alors proposée pour permettre la mesure de Vs tout en s'affranchissant de ces effets parasites. Cette technique est ensuite appliquée à la caractérisation de structures à base de GaN. L'intérêt pour ce matériau semiconducteur à large bande interdite est croissant en électronique de puissance, par exemple pour la réalisation d'émetteurs électroniques de puissance. Pour étudier les propriétés électriques de ce matériau, nous avons réalisé une référence de potentiel qui nécessite le développement de contacts ohmiques sur le GaN de type n et p. A partir des valeurs de Vs mesurées par KFM, nous en déduisons la densité de charges de surface et une estimation de la densité d'états de surface du GaN. Enfin, nous avons étudié par KFM les effets de traitements de surface sur des structures MIS à base de GaN de type n, ainsi que les effets de différentes passivations sur des transistors HEMT à base d'AIGaN/GaN. / The purpose of the thesis is to study GaN materials and devices with an atomic force microscopy in Kelvin Force Mode. The contact potential difference between a metal tip and a semiconducting material depends on the work function difference between the materials, the concentration of dopants, and the density of acceptor or donor surface states. KFM techniques provide this information at the nano- or micrometer scale. ln a first step, we have developed KFM measurement procedures on commercial microscopes in order to extract fully quantitative measurements of surface potentials. We have evidenced instrumental capacitive cross talks, for example between the electrostatic excitation and the microscope photodiode, which act as parasitic terms in the measurement of surface potentials, and need to be properly taken into account in order to get reliable measurements of contact potential differences. ln a second step we have studied the electrical properties of GaN surfaces, this material being of strong interest for power electronic applications such as electron emitters. To get a potential reference for KFM measurements, ohmic contacts on n and p-type GaN have been achieved. The KFM characterization of the layers shows surface-state induced band-bending at the oxidized GaN surface. From the values of surface potentials, we calculate the density of charge and estimate the density of surface states. We finally study the effects of surface treatments on n-GaN-MIS structures, as weIl as different types of passivation used in AlGaN/GaN HEMTs.

Dans ce travail de thèse, nous développons des protocoles d'imagerie optique pour l'observation des nanoparticules sur des coupes de tissus afin de relier leur localisation et leur «comportement» à l'environnement biologique, en particulier son éventuel état pathologique. Nous avons synthétisé des agents de contraste bimodaux, sous forme de nanoparticules -NP- visibles en résonance magnétique et en optique, à base d'oxydes de fer et de zinc (Zn(Fe)O) avec une nouvelle méthode de polyol azéotropique dans des solvants glycoliques (DEG et PG). L'élimination de l'eau à l'aide de l'appareil Dean-Stark est une nouvelle stratégie pour la synthèse de NP dans une solution de polyol, avec un rendement élevé et produisant des particules de petite taille. Les NP les plus visibles, selon leur contraste IRM, ont été revêtus de carboxyméthyl pullulane, de polyéthylène glycol, de carboxyméthyl dextrane et de fucoïdane, ce dernier étant un polysaccharide capable de se lier spécifiquement à la paroi vasculaire. Les NPs montrent de bonnes propriétés magnétiques et optiques à température ambiante. Les NP recouvertes ont été injectées dans un modèle de rat d’athérothrombose pour localiser le thrombus par IRM avant sacrifice et collecte des tissus pour étude des coupes histologiques par microscopie optique. La différence entre les images IRM avant et après l'injection de fucoïdane-NPs et de CMD-NPs est claire. Les résultats montrent que les NP recouvertes de fucoïdane sont liées au thrombus. Certains types de microscopies, tels que la microscopie de fluorescence, la microscopie en champ sombre, la microscopie hyperspectrale à champ sombre et la microscopie interférentielle à champ sombre ont été développés pour la détection des NPs en milieu liquide et dans les tissus. En analysant le spectre de chaque pixel et en le comparant au spectre des matériaux de référence, la microscopie hyperspectrale peut détecter la présence de NPs sur des coupes de tissus, les localiser, les identifier et les caractériser. Zn(Fe)O NPs constituerait donc un agent de contraste bimodal potentiel pour l’IRM et l’imagerie optique. Cependant, bien que de nombreux outils optiques avancés aient été développés, nous avons constaté qu'il est toujours difficile d'identifier de manière fiable les NP dans le tissu. / In this thesis work, we develop optical imaging protocols for the observation of then anoparticles on tissue slices in order to further link their localization and their “behaviour” to the biological pathological environment. Bimodal zinc and iron oxide-based MRI/optical nanoparticle contrast agents (Zn(Fe)O) have been synthesised with a novel azeotropicpolyol method in glycol solvents (DEG and PG). The most potent NPs, as regard to their MR contrast power, have been coated with carboxymethyl pullulan, polyethylene glycol,carboxymethyl dextran (CMD) and fucoidan, the latter being a polysaccharide able to specifically bind to the vascular wall. The coated NPs were injected into rat to locate atherothrombosis by MRI. Then the histological slices of harvested diseased tissue were imaged with our homemade optical microscope. Water removal using Dean-Stark apparatus is a novel strategy for the synthesis of NPs in polyol solution with high yield and small size.The NPs show the good magnetic and optical properties at room temperature. The coated nanoparticles were injected into an atherothrombotic rat model to locate the thrombus by MRI prior to sacrifice of the animals and tissue collection for histological study by optical microscopy. The difference of MRI images between before and after injection with Fucoidan-NPs and CMD-NPs is clear. The results indicated that fucoidan-NPs are linked to the thrombus. Some type of microscopies, such as fluorescent microscopy, dark field microscopy, hyperspectral dark field microscopy and interference dark field microscopy have been developed for the detection of NPs in liquid medium and in the histological tissue. By analyzing the spectrum of every pixel and comparing to the spectrum of reference materials, hyperspectral microscopy can detect the presence of nanomaterial on exposed tissue slices, locate, identify, and characterize them. Zn(Fe)O NPs would therefore constitute a potential bimodal contrast agent for MRI and optical imaging. Although many advance optical tools have been developed, but we found it is still a challenge to identify reliably the NPs in the tissue.

Reproduction de : Thèse de 3e cycle : Physique du solide : Metz : 1973. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 2 sept. 2008). Bibliogr.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit.opg. en een samenvatting in het Nederlands.