L’effet photothermique permet de détecter efficacement des nanoparticules d’or avec un microscope en champ lointain grâce à leur forte absorption de la lumière. L’absence de problème photophysique fait des nanoparticules d’or une alternative au marquage de biomolécules par des sondes fluorescentes. La méthode PhACS (Photothermal Absorption Correlation Spectroscopy) utilise les fluctuations de signal photothermique dues au passage de nanoparticules dans le volume de détection pour étudier leur diffusion. Cette méthode permet également la mesure précise de diamètres hydrodynamiques de nanoparticules fonctionnalisées. La méthode SNaPT (Single Nano-Particle Tracking) réalise le suivi bidimensionnel de nanoparticules individuelles grâce à une localisation effectuée par triangulation. Nous avons appliqué cette méthode pour étudier la diffusion des intégrines alphaV-beta3 marquées par des nanoparticules d’or de 5 nm dans les adhérences focales, points d’ancrage entre le cytosquelette de la cellule et la matrice extracellulaire. Nous observons que ces intégrines ont tendance à former des agrégats qui alternent entre un mouvement diffusif et un mouvement confiné. Ce résultat appelle maintenant à un nouveau modèle où nous aurions une redistribution continue des intégrines au sein des adhérences focales. / Gold nanoparticles may be detected with optical far-field microscopy by use of the photothermal effect due to their strong light absorbance. With no photophysic issues, gold nanoparticles are an alternative to fluorescent probes for use in biological systems. The PhACS method (Photothermal Absorption Correlation Spectroscopy) is used to study diffusion by measuring the autocorrelation of photothermal signal fluctuations due to nanoparticles passing through the detection volume. This method is sensitive enough to mesure the precise hydrodynamic diameter of functionalised nanoparticles. The SnaPT method (Single Nano-Particle Tracking) can track 2-dimensional motion of individual nanoparticles by pinpointing the localization with a triangulation method. The SNaPT method was used to study motion of alphaV-beta3 integrins that were bound to a 5 nm gold nanoparticle inside focal adhesion, where the cell cytoskeleton is linked to the extracullular matrix. The integrin was found to organize into clusters oscillating between the bound and diffuse states. These observations require new working models where integrins would be constantly redistributed.

Les nanoparticules (NPs) métalliques présentent un grand intérêt dans de nombreuses applications, pour lesquelles un contrôle précis de la taille, de la composition et de la morphologie est requis. Cependant, ce contrôle demeure un défi. Les liquides ioniques (LIs) sont des sels fondus liquides à température ambiante. Ils possèdent des propriétés uniques, à michemin entre le liquide (ce sont des solvants, de bons électrolytes,…) et du solide (ils ne s’évaporent pas). Les LIs sont connus pour être des solvants intelligents, qui permettent, par décomposition de précurseur organométallique, de former des NPs de taille calibrée et contrôlée. Ceci en absence de ligands organiques contrairement aux solvants conventionnels. Cependant, le mécanisme de leur formation reste mal connu. Dans cette thèse, nous identifions les facteurs clés influant sur la taille finale des NPs. Cela permettra de développer des voies de synthèse de NPs de tailles prédéterminées. Par ailleurs, le silicium poreux (PSi) est un matériau prometteur qui peut trouver de multiples utilisations dans les systèmes intégrés ou dans les secteurs photovoltaïque et biomédical. Ses propriétés peuvent être ajustées par l'introduction de métaux dans ses pores. Dans ce cas également, les LIs peuvent être avantageusement utilisés. Dans ce travail, la métallisation de PSi par Cu est réalisée par imprégnation du PSi puis décomposition d’une solution de CuMes dans le LI. En fait, il est observé que c’est le PSi qui décompose le précurseur. Pour cette raison, l’utilisation d’analogues solubles du PSi est étudiée pour remplacer H2 dans la synthèse des NPs. Cela pourrait permettre d’améliorer encore le contrôle de ce procédé / Among nano-objects, metallic nanoparticles (NPs) certainly have a prominent position. This is because they offer a variety of compositions, sizes, shapes and structures that make them suitable for a variety of applications. In the same time, the accurate control of their size, shape and structure is still a challenge, mainly because NPs do not correspond to the thermodynamic stable state of metals. Recently, ionic liquids (ILs) have been shown to stabilize metallic NPs without the need of ligands required in conventional solvents. ILs are liquid molten salt at room temperature. These compounds uniquely combine properties of the liquid (they are good solvents, electrolytes…) and of the solid (they do not evaporate). In the process of decomposing organometallic precursors into metallic NPs, ILs play a central role in controlling the size and ensuring narrow size distribution. However, the corresponding mechanism remains unclear. This PhD work aims at identifying key factors influencing the final size (average and distribution) of metallic NPs chemically formed in ILs. Among nanoporous materials, porous silicon (PSi) is popular due to its exceptional characteristics for microelectronics, integrated optoelectronics, microelectromechanical systems (MEMS), layer transfer technology, solar and fuel cells, biomedicine, etc. Its properties are modified by introducing different materials into its pores. Unique properties of ILs may also be advantageous. In this work, the process used to synthesize metallic NPs is adapted into an easy, efficient, versatile, and safe process to metallise PSi. The metallisation of PSi by Cu is tentatively conducted by impregnation with a solution of CuMes in IL followed by the decomposition of the precursor. In fact, CuMes is shown to be readily decomposed by PSi. Finally, this knowledge is transposed back to the synthesis of metallic NPs, replacing H2 by chemical analogues of PSi as alternative reducing agents. This approach is believed to bring even more control in this process

Afin d'améliorer la sélectivité de la radiothérapie dans le cadre du traitement de certains cancers, nous proposons l'utilisation de nanoparticules radiosensibilisantes fonctionnalisées pour le suivi par imagerie médicale. Ces objets, constitués d'un coeur d'or recouvert d'une couche organique, permettent de combiner imagerie multimodale et activité thérapeutique télécommandée, ouvrant ainsi la voie vers la thérapie guidée par imagerie. L'effet radiosensibilisant pourra être généré au moment opportun, déterminé à partir de l'imagerie. L'étude de biodistribution par imagerie TEMP/CT chez des souris a montré une libre circulation des nanoparticules et une élimination rénale avec une présence modérée des nanoparticules dans le foie qui n'est, cependant, pas due à un phénomène d'opsonisation. L'étude par 1RM du cerveau de rats portant un gliosarcome a indiqué une accumulation significative des nanoparticules Au@TADOTAGA-Ge au sein de la tumeur. Enfin le co-marquage des nanoparticules d'or par Gcr et 64Cu2+ (complexées par les ligands macrocycliques) a permis de suivre ces objets, chez le même animal, après injection intraveineuse, à la Ibis par TEP et 1RM dont la combinaison bien que très recherchée est rarement mise en oeuvre. Le caractère radiosensibilisant de la suspension de nanoparticule Au@TADOTAGA a été confirmé par le suivi de croissance tumorale après traitement par irradiation MRT 15 minutes après l'injection des nanoparticules par voie intratumorale. Le gain thérapeutique de la mise en oeuvre de ce traitement a ensuite été validé par une irradiation MR'F 24 heures après l'injection intraveineuse des nanoparticules à des rats portant un gliosarcome. / The original properties of nanoparticles make them extremely attractive in the field of oncology. In fast, gold nanoparticles coated by macrocyclic ligands allow imaging and therapy with only one object. Therefore, multifunctional platforms are very promising for image-guided therapy, winch constitutes an important step towards personalization of treatment. This consists of stimulating the therapeutic activity of the nanoparticles when their accumulation is high within the tumor zone and low in healthy tissues. A higher selectivity of the treatment is therefore expected. Biodistribution study by SPECT/CT has shown free circulation, renal elimination and a moderate retention by the liver of the nanoparticles. However, this retention is not due to the opsonisation processus. The MRI study of rats' brain carrying a gliosarcoma has shown an accumulation of nanoparticles Au@FADOTAGA-Gd in the tumor. Moreover, the co-labeling of these nanoparticles by Ge and 64Cts2+was successfully performed. As a result, PET/MRI images, a much researched combination but rarely achieved, were acquired on the same animal alter intravenous injection of the co-labeled nanoparticles. The radiosensitizing character of nanoparticles Au@TADOTAGA was confirmed by the follow up of tumor growth alter a treatment by MRT (microbeam irradiation) 15 minutes after intratumoral injection of nanoparticles. The therapeutic gain of this treatment has been validated by MRT 24 hours after intravenous injection of nanoparticles to rats carrying gliosarcoma (radioresistant tumor in radiosensitive organ).

Un des enjeux majeurs dans le domaine du magnétisme moléculaire est de mieux comprendre et prévoir, dans les composés à base moléculaire, les corrélations qui existent entre les propriétés structurales (modulables à partir de méthodes de synthèse de type « bottom-up ») et les propriétés magnétiques. En particulier, la compréhension et la maîtrise de l’anisotropie magnétique à l’échelle locale est primordiale, notamment en vue de concevoir des molécules-aimants avec de plus hautes températures de blocage. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’organise autour de deux grands axes. La première partie se concentre sur la détermination et la caractérisation de l’anisotropie magnétique locale dans des complexes moléculaires d’ions de transition de faible nucléarité. La diffraction de neutrons polarisés (PND) nous a permis, pour la première fois, de mettre clairement en évidence le tenseur de susceptibilité magnétique locale dans un complexe moléculaire mononucléaire de Fe3+ Bas-Spin ainsi que dans deux complexes, mononucléaire et dinucléaire, de Co2+ Haut-Spin. Cette approche novatrice mène à l’établissement de relations magnéto-structurales claires et directes, en reliant les directions magnétiques locales propres à l’environnement de coordination des ions métalliques et en particulier aux axes locaux de distorsion. Nous avons également mené l’étude originale d’un complexe à transition de spin thermo-induite de Mn3+ par diffusion inélastique de neutrons (INS) dans les deux phases Haut-Spin (HS) et Bas-Spin (BS). Cette étude nous a conduits à la proposition d’un modèle d’hamiltonien de spin anisotrope dans les deux états HS et BS, en relation avec la structure du complexe. Dans une seconde partie plus exploratoire de la thèse, nous avons mené une étude complète des propriétés structurales et magnétiques de nanoparticules ferromagnétiques d’analogue du bleu de Prusse CsNiCr, par diffusion de neutrons aux petits angles (SANS). Les effets de taille, d’organisation et de concentration sur leurs propriétés superparamagnétiques ont ainsi été clairement mis en évidence. En particulier, nous avons mis en exergue, pour les particules de plus petite taille (5 nm de diamètre), une contribution magnétique qui résulte de la manifestation d’un phénomène collectif, tandis que celles de plus grande taille (28 nm de diamètre) apparaissent être dans un état complètement multidomaine. / One of the major issues in the field of molecular magnetism is to better understand and predict the correlations between the structural properties of molecule-based compounds and their magnetic properties, all of which may be tunable using “bottom-up” synthesis methods. In particular, the understanding and control of the magnetic anisotropy at the atomic scale is essential, especially with the aim to design Single-Molecule Magnets (SMM) with higher blocking temperatures. In this context, this thesis work is focused on two mains subjects. The first part deals with the determination and the characterization of the local magnetic anisotropy in low-nuclearity molecular complexes based on transition ions. Polarised neutron diffraction (PND) allows us, for the first time, to directly access the local susceptibility tensor in a Low-Spin Fe3+ mononuclear complex as well as in two, mononuclear and dinuclear, High-Spin Co2+ complexes. This innovative approach leads to the establishment of unique and direct magneto-structural correlations, by relating the local magnetic principal directions with the coordination environment of the metallic ions and, in particular, with the local distortion axes. We have also carried out an original investigation by inelastic neutron scattering (INS) of a Mn3+ thermo-induced spin-transition compound in both High-Spin (HS) and Low-Spin (LS) states. On the basis of this study, we were able to propose an anisotropic spin-Hamiltonian model in both HS and LS phases, and their relationships with the structure of the molecule are discussed. In a second more exploratory part of the thesis, we have carried out by small-angle neutron scattering (SANS) a complete study of the structural and magnetic properties of Prussian blue analogues (PBA) ferromagnetic nanoparticles CsNiCr. The effects of size, organization and concentration on their superparamagnetic properties have been clearly highlighted. In particular, a strong magnetic contribution has been observed for the smallest particles (5 nm diameter) which results from the manifestation of a collective process, while the biggest (28 nm diameter) appear to be in a multi-domain state.

Une méthodologie générale et efficace pour la synthèse de nanoparticules de prodrogues polymères hétérotéléchéliques à hauts taux de charge a été mise au point en combinant d’une part la méthode dite du “principe actif amorceur” pour obtenir des prodrogues polymères α-fonctionnelles par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP), et d’autre part la réaction d'échange de nitroxyde à partir d’un nitroxyde fonctionnel pour coupler une seconde molécule d'intérêt en bout de chaîne. Une petite bibliothèque de prodrogues polymères hétérotéléchéliques avec différentes combinaisons pour diverses applications (e.g., libération de principes actifs, imagerie/théranostic, thérapie combinée, ciblage actif) a été synthétisée en utilisant le polyisoprène (PI) comme polymère.En particulier, une alcoxyamine basée sur le nitroxyde SG1 a été fonctionnalisée avec la première molécule d’intérêt et utilisée pour polymériser l'isoprène par NMP et donner la prodrogue polymère désirée. En appliquant ensuite la réaction d'échange de nitroxyde à partir du nitroxyde TEMPO fonctionnalisé avec la seconde molécule d’intérêt, le nitroxyde SG1 en bout de chaîne a été quantitativement remplacé par le TEMPO fonctionnel pour donner la prodrogues hétérobifonctionnelle. Cette approche générale a été appliquée aux combinaisons suivantes : (i) gemcitabine (Gem)/rhodamine (Rho) et Gem/cyanine pour la libération de principes actifs et l’imagerie; (ii) aminoglutethimide (Agm)/doxorubicine (Dox), Gem/Dox and Gem/Lapatinib (Lap) pour la thérapie combinée et (iii) Gem/biotine pour la libération de principes actifs et le ciblage actif in vitro et in vivo. Les propriétés d’imagerie des nanoparticules de prodrogues polymères comportant une molecule fluorescente ont été étudiées in vitro et in vivo, respectivement en termes d’internalisation intracellulaire et de biodistribution. Pour les thérapies combinées, la cytotoxicité in vitro des différentes nanoparticules a été étudiée et comparée à celle émanant d’autres strategies de délivrance de deux principes actifs (e.g., conanoprécipitation, mélange physique de nanoparticules).Enfin, des prodrogues polymères hétérobifonctionnelles comprenant l’adénosine en début de chaîne et un motif maléimide en fin de chaine ont été préparées et fonctionnalisées en surface par des protéines capables de promouvoir le passage des nanoparticules à travers la barrière hémato-encéphalique pour libérer l’adénosine au niveau du cerveau. / A facile and versatile synthetic platform to prepare high drug loading, heterobifunctional polymer prodrug nanoparticles was developed by combining the “drug-initiated” method to obtain α-functional polymer prodrugs by nitroxide-mediated polymerization (NMP), and the nitroxide exchange reaction from a functional nitroxide to attach a second molecule of interest at the ω chain-end. A library of heterotelechelic polymers prodrugs with different combinations for various purposes (e.g., drug delivery, imaging/theranostic, combination therapy, active targeting) was prepared using polyisoprene (PI) as polymer scaffold. More specifically, an alkoxyamine based on the SG1 nitroxide was functionalized with the first drug of interest and used to perform the NMP of isoprene to yield the desired polymer prodrug. Subsequently, by applying the nitroxide exchange reaction using a TEMPO nitroxide functionalized with the second molecule of interest, the SG1 nitroxide at the chain-end was quantitatively replaced by the functional TEMPO and the desired heterobifunctional polymer prodrug was formed. This general methodology was applied to the following combinations: (i) gemcitabine (Gem)/rhodamine (Rho) and Gem/cyanine for drug delivery and imaging; (ii) aminoglutethimide (Agm)/doxorubicin (Dox), Gem/Dox and Gem/Lapatinib (Lap) for combination therapy and (iii) Gem/biotin for drug delivery and active targeting in vitro and in vivo. For polymer prodrug nanoparticles bearing fluorescent dyes, in vitro and in vivo imaging studies were performed to investigate their cellular internalization and their biodistribution, respectively. As for the different combination therapies, the in vitro cytotoxicity of the nanoparticles was determined and compared to that of other strategies to deliver two different drugs (e.g., conanoprecipitation, physical mixture of nanoparticles).Finally, heterobifunctional polymer prodrugs bearing adenosine in alfa position and a maleimide moiety in omega position were synthesized to give nanoparticles that were further surface-functionalized with different proteins able to promote crossing through the blood brain barrier for drug delivery to the brain.

Nous avons étudié la spectroscopie et la dynamique d’excitation d’un système hybride constitué de molécules et de nanoparticules (NP) sur couche isolante, qui est aussi un catalyseur modèle (NP de Pd épitaxiées sur une couche mince de MgO sur Ag(100)). Nous avons mis en évidence le rôle de la forme et de la taille des NP ainsi que de l’épaisseur de la couche d’oxyde sur l’interaction entre NP et molécule de CO, par des expériences fondamentales capables de différentier les sites d’adsorption (spectroscopie laser vibrationnelle par somme de fréquences (SFG)). De plus, des expériences pompe-sonde nous ont permis de sonder la dynamique d’interaction des électrons excités dans les NP avec les molécules. Une analyse combinée par LEED et STM nous a permis de déterminer les meilleures conditions de croissance du film de MgO. Par la suite des NP de palladium ont été épitaxiées sur ce film avec une densité et une distribution de taille satisfaisantes. Les spectres SFG montre une forte dépendance de la fréquence de vibration avec la taille des NP et le taux de couverture en CO. Le modèle d’interaction dipolaire que nous avons développé met en évidence le fait que le déplacement de la fréquence de CO avec le taux de couverture et la taille des NP a deux causes : l’interaction dipolaire entre molécules d’une part, qui est modélisable, et d’autre part la variation de la liaison chimique molécule-substrat quand la couverture en adsorbats varie. Le modèle nous a permis de montrer que la polarisabilité vibrationnelle de CO varie d’environ 40 % dans notre gamme de taille de nanoparticule. La diminution de la force de la liaison chimique se traduit par la décroissance de la fréquence à couverture nulle avec la taille des NP. Ces variations vont dans le sens de la littérature : quand la taille des NP diminue, la densité d’états électroniques diminue, les liaisons Pd-Pd se contractent et l’énergie d’adsorption des molécules de CO diminue. L’excitation des électrons des NP et du substrat d’Ag se manifeste par une réponse spectroscopique et par la photodésorption de CO. On observe le découplage de l’excitation produite dans l’argent quand l’épaisseur de la couche d’oxyde dépasse quelques plans atomiques. On observe clairement un effet de taille sur l’efficacité de l’excitation électronique des NP sur les molécules de CO, qui diminue avec la taille des NP. Ceci montre que le confinement des électrons dans la particule a davantage pour effet d’augmenter la vitesse de relaxation électronique vers les phonons, que d’exciter plus efficacement les molécules adsorbées. Un modèle optique de double couche (NP/oxyde) sur un substrat d’argent et un modèle à trois températures (électrons, phonons et adsorbats) ont été développés dans le but d’interpréter quantitativement ces observations. Le modèle optique fait apparaître des variations très fortes de l’absorption par la couche de nanoparticules avec son épaisseur équivalente : les variations du coefficient de réflexion et l’effet des interférences multiples ne sont pas négligeables. Les résultats du modèle à trois températures montrent que la température électronique d’une couche continue est deux fois plus importante que celle des NP de taille finie. / We have studied the spectroscopy and excitation dynamics of a hybrid system consisting of molecules and nanoparticles (NPs) on insulating layer, which is also a model catalyst (Pd NPs grown on a thin layer of MgO on Ag(100)). We have highlighted the role of the shape and the NPs size as well as the thickness of the oxide layer in the interaction between NPs and CO molecules, by fundamental experiments allowing to differentiate the adsorption sites (Sum Frequency Generation (SFG)). In addition, pump-probe experiments allowed us to probe the dynamics of interaction between the photoexcited electrons bath in the NPs and the molecules. A combined study by LEED and STM allowed us to determine the growing conditions of MgO film. Subsequently palladium NPs were grown on this film with satisfying density and distribution size. The SFG spectra show a strong dependence of the vibrational frequency with the NPs size and the CO coverage. A dipole interaction model was developed showing that the CO frequency shift with the coverage and the NPs size has two causes: the dipolar interaction between molecules on the one hand, which is modeled, and on the other hand the variation of the molecule-substrate chemical bond when the adsorbate coverage varies. The model has allowed us to show that the vibrational polarizability of CO changes by 40 % in our range of NPs size. The decrease in the strength of the chemical bond results in the decrease of the frequency at zero coverage when the NPs size decreases. These variations are consistent with the literature: upon a decrease in the particle size, the electronic DOS decreases, the Pd-Pd bonds contract and the adsorption energy of CO molecules decreases. The electronic excitation of the NPs and the silver substrate manifested by the spectroscopic response and the CO photodesorption. We observed the decoupling of the electronic excitation produced in silver when the thickness of the oxide layer exceeds a few atomic planes. There is a clear size effect on the efficiency of electronic excitation of NPs on the CO molecules, which decreases as the NPs size decreases. This shows that the effect of electrons confinement in the particle rather consists in an increase in the relaxation rate of electrons to phonons, than in a more efficient excitation of the adsorbed molecules. A double-layer optical model (NP/oxide) on a silver substrate and a three-temperature model (electrons, phonons and adsorbates) have been developed to quantitatively interpret these observations. The optical model results show a very strong variation of the absorption intensity by the layer with its equivalent thickness: variation of the reflection and the effect of multiple interference are not negligible. The three temperatures model results show that the electronic temperature of a continuous layer is two times more important than in the case of finite size NPs.

Les possibilités de combinaison thérapeutiques offertes par les nanoparticules ont ouvert un nouveau champ d’investigation pour la recherche sur le cancer. Dans ce projet de recherche, des nanoparticules dérivées de la protéine de capside du virus de la mosaïque du tabac (TMV) ont été utilisées afin de transporter différents peptides thérapeutiques ciblant le récepteur neuropiline-1. Cette stratégie a permis de solubiliser un peptide fortement hydrophobe ayant préalablement démontré son efficacité anticancéreuse sur des lignées de cancer du sein humain et de glioblastome. Les résultats obtenus ont également permis de démontrer la possibilité de combiner différents peptides thérapeutiques via l’auto-assemblage de la protéine de capside du TMV. / Nanoparticles play an ever increase role in carrying therapeutic compounds in the cancer field. In this research project, the coat protein of Tobacco mosaic virus (TMV) was used as nanocarrier to solubilize a hydrophobic peptide interfering with the transmembrane domain of neuropilin-1. The nanoparticles created have conserved the antiangiogenic and antimigratory effect of the therapeutic peptide. This strategy was also used to create nanoparticles carrying a peptide targeting the ectodomain of neuropilin-1. The two types of nanoparticles were then assembled through auto-assembling ability of the coat protein. These nanoparticles also exhibit antiangiogenic ability thus, confirming the validity of this approach to combine therapeutic peptides.

Cette étude s’inscrit dans le projet ANR Blanc COPIN qui a pour but de développer et de comprendre les nanocomposites à partir de nanoparticules inorganiques mélangées à un polymère semi-cristallin. L’innovation du partenaire du projet, Imerys, a été de synthétiser des particules de talcs à l’échelle nanométrique. Le talc étant connu pour ces effets nucléants, l’objectif est d’utiliser ces nanoparticules pour voir leur influence sur un matériau semi-cristallin et plus spécifiquement sur la cristallisation de ce dernier lorsqu’elles sont orientées. Différents talcs synthétiques ont été étudiés changeant au niveau de leur durée de synthèse ou encore de leur modification de surface. Pour cela, la première partie de cette étude a été de disperser le talc en utilisant ou non des modifications chimiques de surface ainsi que des compatibilisants afin d’obtenir le meilleur état de dispersion et de distribution des particules. Ces continuums d’interactions ainsi créés montrent une nette amélioration de l’état de dispersion mais aussi l’amélioration des propriétés telles que la tenue en température. Les parties suivantes ont concernées plus spécifiquement la cristallisation en convoitant d’expliquer comment les nanoparticules peuvent s’orienter lors de l’écoulement tel que le cisaillement, comment elles génèrent une orientation cristalline spécifique du à leur effet nucléant, quel est le mécanisme prépondérant de la cristallisation entre la nucléation par l’orientation de macromolécules ou la nucléation provenant des nanoparticules. Il a aussi été question de déterminer les morphologies cristallines des nanocomposites lors du cisaillement / This study is part of the ANR Blanc COPIN which aim is to develop and understand the nanocomposites from inorganic nanoparticles mixed with a semi-crystalline polymer. The innovation of the project partner, Imerys, was to synthesized talc particles at the nanoscale. Talc is known for his nucleating effects and the goal is to use these nanoparticles to see their influence on a semi-crystalline material. Several synthetic talcs were employed differing from the synthesis time and chemical surface modifications. For this, the first part of this study was to disperse the talc using or not chemical modifications of surfaces as well as compatibilizers to obtained the best dispersion state and particles distribution. These continuums interaction created show a real improvement in the dispersion but also of properties such as heat resistance. The following parties concerned more specifically the crystallization trying to explain how nanoparticles can be oriented during shear flow, what is the leverage of these talcs on the crystallization when it was oriented, how they generate a specific crystal orientation coming from their nucleating effect, which is the predominant mechanism of crystallization nucleation between the macromolecules orientations or the nucleation of nanoparticles. It was also a question of determining the resulting crystal morphologies

En radiothérapie, les nanoparticules faites de métaux lourds telles que les nanoparticules l’or (AuNPs) ont démontré des propriétés radiosensibilisantes particulièrement prometteuses. Une augmentation de la dose et du nombre de radicaux produits, à échelle tumorale (effet photoélectrique) et à échelle sub-cellulaire (électrons Auger) pourraient être responsables d’une partie des effets pour les rayons X de basse énergie. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier ces mécanismes physiques et chimiques précoces par des outils de simulation, afin de mieux les quantifier et comprendre leur impact sur la survie cellulaire. Nous avons d’abord finalisé et validé une simulation Monte Carlo développée pour suivre les électrons jusqu’à très basse énergie à la fois dans l’eau (meV) et dans l’or (eV). Nous avons obtenu de bons résultats pour l’or en comparant nos données avec des données expérimentales de la littérature, en terme de production d’électrons et de perte d’énergie. Nous avons utilisé cet outil de simulation pour quantifier l’énergie déposée dans des nanocibles situées près d’une AuNP, qui est corrélée à la probabilité de générer des dommages. Cette étude a nécessité d’importantes optimisations, afin d’atteindre des temps de calculs raisonnables. Nous avons montré une augmentation significative de la probabilité d’avoir un dépôt d’énergie dans la nanocible supérieur à une énergie seuil, dans un rayon de 200 nm autour de la AuNP, ce qui suggère qu’une AuNP pourrait efficacement détruire des cibles biologiques situées dans sa périphérie. Nous avons ensuite utilisé la simulation pour quantifier des effets chimiques. A échelle macroscopique, nous avons estimé l'augmentation de la quantité de radicaux libres produits en présence d’une concentration d’AuNPs. Nous avons également comparé la distribution radiale des espèces chimiques d’une nanoparticule d’or ionisée, à celle d’une nanoparticule d’eau ionisée. Si le nombre total d'espèces chimiques par ionisation était en moyenne plus important pour l'or que pour l'eau, le nombre d’espèces chimiques produites en périphérie de la nanoparticule n’était pas systématiquement supérieur pour l’or par rapport à l’eau. Cela suggère que l’effet de la AuNP dans sa périphérie réside surtout dans l’augmentation de la probabilité d’avoir une ionisation. Nous avons également étudié plusieurs scénarios pour expliquer l’augmentation expérimentale inattendue de la production d’espèces fluorescentes lors de l’irradiation d’une solution d’AuNPs et de coumarine. Notre étude suggère qu’un scénario plausible pouvant expliquer les observations expérimentales est l’interférence entre une AuNP et une des molécules intermédiaires produites suite à la réaction entre la coumarine et le radical hydroxyle. Pour finir, nous avons injecté les résultats des simulations dans le modèle biophysique NanOx, développé à l’origine à l’IPNL pour calculer des doses biologiques en hadronthérapie, afin de prédire la survie cellulaire en présence de AuNPs. Nous avons aussi implémenté le Local Effect Model (LEM), principal modèle biophysique utilisé dans le contexte des nanoparticules. Pour le LEM, nous nous sommes appuyés sur plusieurs approches dosimétriques proposées dans la littérature. Pour un système simpliste où les AuNPs étaient distribuées de façon homogène dans la cellule, nous avons montré que, selon l’approche dosimétrique, les prédictions de survies du LEM étaient significativement différentes. De plus, nous avons obtenu une augmentation de la mort cellulaire avec NanOx qui était due uniquement à l’augmentation macroscopique du dépôt de dose. Nous n’avons obtenu aucun effet supplémentaire dû aux électrons Auger, en contradiction avec les prédictions du LEM. Cette étude suggère que les modèles actuels proposés pour prédire l'effet radiosensibilisant des AuNPs doivent être améliorés pour être prédictifs, en prenant par exemple en compte de potentiels mécanismes biologiques mis en évidence par l'expérience / In radiation therapy, high-Z nanoparticles such as gold nanoparticles (GNPs) have shown particularly promising radiosensitizing properties. At an early stage, an increase in dose deposition and free radicals production throughout the tumour (photoelectric effect) and at sub-cellular scale (Auger cascade) might be responsible for part of the effect for low-energy X-rays. In this Ph.D work, we propose to study these early mechanisms with simulation tools, in order to better quantify them and better understand their impact on cell survival. We first finalised and validated Monte Carlo (MC) models, developed to track electrons down to low energy both in water (meV) and gold (eV). The comparison of theoretical predictions with available experimental data in the literature for gold provided good results, both in terms of secondary electron production and energy loss. This code allowed us to quantify the energy deposited in nanotargets located near the GNP, which is correlated with the probability to generate damages. This study required important optimisations in order to achieve reasonable computing time. We showed a significant increase of the probability of having an energy deposition in the nanotarget larger than a threshold, within 200 nm around the GNP, suggesting that GNPs may be particularly efficient at destroying biological nanotargets in its vicinity. The MC simulation was then used to quantify some chemical effects. At the macroscale, we quantified the increase of free radicals production for a concentration of GNPs. We also compared the radial distribution of chemical species following the ionisation of either a gold nanoparticle or a water nanoparticle. We showed that following an ionization, the average number of chemical species produced is higher for gold compared to water. However, in the vicinity of the nanoparticle, the number of chemical species was not necessarily higher for gold compared to water. This suggests that the effect of GNPs in its vicinity mostly comes from the increase of the probability of having an ionisation. We also studied several scenarios to explain the unexpectedly high experimental increase of the production of fluorescent molecules during the irradiation of a colloidal solution of GNPs and coumarin. Our study suggests that a plausible scenario to explain experimental measurements would be that GNPs interfere with an intermediate molecule, produced following the reaction between a coumarine molecule and a hydroxyl radical. During the last step of this Ph.D work, we injected our MC results in the biophysical model NanOx, originally developed at IPNL to calculate the biological dose in hadrontherapy, to predict cell survival in presence of GNPs. In addition, we implemented the Local Effect Model (LEM), currently the main biophysical model implemented for GNP-enhanced radiation therapy, to compare the NanOx and the LEM predictions with each other. In order to estimate cell survival with the LEM, we used various dosimetric approaches that were proposed in the literature. For a simple system where GNPs were homogeneously distributed in the cell, we showed that the LEM had different outcomes with regard to cell survival, depending on the dosimetric approach. In addition, we obtained an increase of cell death with the biophysical model NanOx that was purely due to the increase of the macroscopic dose. We did not obtain an increased biological effectiveness due to Auger electrons, which comes in contradiction with the LEM predictions. This study suggests that the current biophysical models available to predict the radiosensitizing effect of GNPs must be improved to be predictive. This may be done, for instance, by accounting for potential biological mechanisms evidenced by experimental works

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales. / Nanomaterials are a class of contaminants that are increasingly found in the natural environment. Their environmental risk will depend on their persistence, mobility, toxicity and bioaccumulation. Each of these parameters will depend strongly upon their physicochemical fate (dissolution, agglomeration) in natural waters. The goal of this paper is to understand the agglomeration and heteroagglomeration of silver nanoparticles in the environment. Two different silver nanoparticles (nAg; citrate coated and polyacrylic acid coated) with a diameter of 5 nm were covalently labelled with a fluorescent dye and then mixed with colloidal silicon oxides (SiO2) and clays (montmorillonite). The homo- and heteroagglomeration of the silver nanoparticles were then studied in waters that were representative of natural freshwaters (pH 7.0; ionic strength 10-7 to 10-1 M of Ca2+). Sizes were followed by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and results were validated using enhanced darkfield microscopy with hyperspectral imaging (HSI). Results have demonstrated that the polyacrylic acid coated nAg was extremely stable under all conditions, including in the presence of other colloids and at high ionic strength, whereas the citrate coated nAg formed heteroagregates in the presence of both natural colloidal particles.