Les polymersomes, obtenus par auto-assemblage en solution aqueuse de copolymères à blocs amphiphiles en structure vésiculaire, sont présentés comme d’excellent mimes synthétiques des virus, dont les propriétés membranaires – principalement élasticité, perméabilité, fonctionnalité- peuvent être très proches. Il y a ainsi un fort engouement quant à leur utilisation en biotechnologie et surtout en vectorisation d’actifs pharmaceutiques ou cosmétiques. Afin d’aller encore plus loin dans le biomimétisme ou la bio-inspiration, une étape devait être franchie : encapsuler ces polymersomes les uns dans les autres. Ce cloisonnement ou multi-compartimentalisation permet de mimer cette fois la structure d’une cellule dite eukaryote, elle-même constituée de compartiments internes (organelles) et d’un cytoplasme (lui conférant entre autres une certaine stabilité mécanique) contenues dans le compartiment externe représenté par la membrane cellulaire. Toutefois, l’obtention d’un simple mime structural d’une structure si complexe représente déjà un challenge en soi, nécessitant maîtrise de la physico-chimie des systèmes, de la stabilisation des interfaces et des outils de formulation. Une méthode d’émulsion-centrifugation a été développée et a permis d’obtenir de telles structures compartimentalisées (mimes d’organelles) à cavité gélifiée (mime de cytoplasme). Finalement, différentes voies d’exploitation de ces systèmes sont présentées, allant de l’encapsulation multiple, la libération contrôlée jusqu’au développement de réactions enzymatiques en cascade confinées, mimant ainsi le métabolisme cellulaire. / Amphiphilic block copolymers self-assemble in water into vesicles, coined “polymersomes”; these vesicles are described as excellent synthetic mimics of viral capsids due to the resemblance of their respective membrane properties (in terms of elasticity, permeability, and functionality). As a result, they were massively investigated over the last years regarding applications in biotechnology and more particularly for the targeted delivery of pharmaceutical or cosmetic actives.In order to go further towards bio-inspiration and cell biomimicry, the next step required the encapsulation of polymersomes in other polymersomes. This multicompartmentalization indeed enables to mimic the structure of an eukaryotic cell; an outer cellular membrane compartment encloses internal compartments (organelles) and a cytoplasm responsible amongst others for a certain mechanic stability. However, alone the controlled formation of a system mimicking such a complex structure represents a technological challenge in terms of control over the physical chemistry of these systems, the stabilization of their interfaces and their formulation. A formation method based upon an emulsion-centrifugation has been developed and enabled the formation of such multicompartmentalized structures (organelle mimics) with a gelified lumen (cytoplasm mimic). Finally, various potential applications of these systems are presented: from multiple encapsulation, controlled drug release, to the development of enzymatic and confined cascade reactions that mimick the cellular metabolism.

Cette thèse se focalise sur la synthèse et l'étude de nouvelles molécules photoactives et leurs applications en tant que marqueurs, senseurs moléculaires et récepteurs d’ions photomodulables en milieux aqueux et organisés. Les fluorophores développés sont principalement des dérivés du bore-dipyrométhene (BODIPY), comportant des groupements réactifs (azoture, perfluorophényle), des chaines hydrophobes, ou sont intégrés à un récepteur de calcium biocompatible. Le développement d'architectures auto-assemblées multicompartimentées de type vésicules dans des polymersomes géant y est décrit. Ces architectures ont été utilisées pour la génération de lumière blanche dans un micro-domaine, et constitue un modèle pour l'étude de transfert d'ions calcium entre vésicules localisées dans des polymersomes individuels. Ce transfert entre nano-objets confinés à l'intérieur d'un polymersome géant représente un système prototype de communication cellulaire artificiel rudimentaire. / The thesis focuses on the study and design of novel photoactive molecules and their application as labeling agents, fluorescent molecular Ca2+-sensors and photolabile Ca2+-decaging agents in aqueous media and organized supramolecular assemblies. The designed fluorophores are based on boron-dipyrromethene (BODIPY) bearing hydrophobic chains or a reactive group like an azide or a perfluorophenyl moiety. Biocompatible calcium receptors have been prepared harnessing the fluorescence properties of BODIPY, naphthalimide and furan fluorophores. The development of self-assembled multicompartmentalized architectures, namely fluorocarbon vesicles in giant polymersomes is reported and the system has been used to create white light emission in confined microdomains. The Ca2+-based ion transfer ion the confined polymer compartments between individual fluorinated vesicles has been studied. The ion transfer in between vesicles in polymer microcompartments has been established as an artificial prototype system for cellular communication.