Ce travail s’est focalisé sur l’apport des nanoparticules d’or (GNPs) dans la construction d’immunocapteurs piézoélectriques et plasmoniques. Deux stratégies ont été mises en œuvre, mettant à profit les propriétés physico-chimiques uniques des GNPs La première approche a consisté à nanostructurer la surface de capteurs piézoélectriques par des GNPs en exploitant leur haut rapport volume / surface. La deuxième stratégie a consisté à employer les GNPs comme transducteur de biocapteurs colorimétriques en exploitant leurs propriétés optiques. Dans une première partie, la nanostructuration de matériaux plans recouverts d'or ou de silicium par des GNPs (14 nm) a été réalisée. Chaque étape d'élaboration des films fins de nanoparticules a été vérifiée par différentes techniques de caractérisation de surface comme la mesure d’angle de contact, la spectroscopie IR, XPS et MEB. Ces surfaces ont été ensuite employées au développement d’immunocapteurs piézoélectriques pour la détection de diclofénac, un polluant pharmaceutique et d’entérotoxine A (SEA), une toxine bactérienne produite par la bactérie S. aureus.L’apport des GNPs a été mis en évidence par comparaison des performances des immunocapteurs plans et nanostructurés. Dans une deuxième partie, la construction d’un immunocapteur colorimétrique opérant en phase homogène a été réalisée en mettant à profit le changement de la position de la bande de résonance localisée de plasmon de surface (LSPR) résultant du changement d'indice de réfraction local induit par la réaction immunologique entre la SEA et un bioconjugué GNP-anti-SEA. Ces études constituent une alternative séduisante pour la détection rapide dans la gamme du ng/mL. / This project focussed on the asset of gold nanoparticles (GNPs) in the build up of piezoelectric and plasmonic immunosensors. Two strategies were implemented, taking advantage of the unique physico-chemical features of GNPs. The first approach consisted in nanostructuring the surface of piezoelectric sensors by GNPs, to exploit their high surface / volume ratio. The second approach consisted in employing the GNPs as transducer in colorimetric biosensors, by making use of their optical properties. In a first part, nanostructuration of planar materials covered with gold or silicon by GNPs (14 nm) was achieved. Each step of the construction of thin films of GNPs was checked by various surface characterization techniques, including contact angle measurements, IR spectroscopy, XPS and SEM. These surfaces were then employed in the development of piezoelectric immunosensors for the detection of the pharmaceutical pollutant diclofenac and staphylococcal enterotoxin A (SEA), a bacterial toxin produced by S. aureus. The input of GNPs was evidenced by comparison with the performances of planar immunosensors. In a second part, the build up of a colorimetric immunosensor operating in the homogeneous phase was achieved by making use of the shift of the localized surface plasmon resonance (LSPR) band resulting from the change of local refraction index induced by the immunological reaction between SEA and GNP-anti-SEA bioconjugate. These studies establish a model for the development of immunosensor for a rapid detection in the ng/mL range.

Les nanoparticules, outils d'innovation dans le domaine biomédical, promettent des avantages significatifs, notamment au niveau du diagnostic et du traitement. Les nanoparticules d'or de forme anisotrope, nanobâtonnets, nanoprismes etc. présentent une absorption de la lumière dans le domaine du proche infrarouge, ce qui s'accompagne d'une augmentation locale de la température. Cet échauffement local provoqué par les nanoparticules d'or est exploité dans des thérapies, comme l'hyperthermie photo-assistée. Quant aux nanoparticules de fer, ce sont leurs propriétés magnétiques qui sont visées. Elles sont principalement mises à profit dans l'imagerie médicale, les nanoparticules de fer étant de bons agents de contraste pour l'IRM. Au cours de cette thèse nous nous somme intéressés d'une part à la synthèse de nanoparticules d'or de forme anisotrope sans utilisation, en tant qu'agent structurant, d'un tensioactif cationique, redouté pour sa toxicité. Pour cela la méthode polyol a été utilisée. En fonction des conditions de synthèse des plaquettes ou des cubes d'une taille sans précédent (ca. 21-50 nm) pour cette méthode ont été obtenus. Leur fonctionnalisation par des polymères de type PEG a été ensuite réalisée. D'autre part des nanoparticules de fer zero-valent de ca. 13 nm ont été élaborées en utilisant une approche organométallique dans le but de conserver une aimantation élevée nécessaire pour les applications envisagées. Nous avons réussi leur transfert dans l'eau, tout en conservant un cœur de fer zéro-valent de ca. 10 nm et donc une forte aimantation, grâce à des ligands comportant un groupement d'ancrage à la surface de nanoparticules type acide phosphonique. Des mesures préliminaires de leur relaxivité transversale ont été réalisées, ouvrant des perspectives très prometteuses en tant qu'agent de contraste en IRM. / Nanoparticles, tools of innovation in the biomedical field, promise significant advantages, notably in terms of diagnostic and therapy. Gold nanoparticles of anisotropic shape, nanorods, nanoprisms, etc. exhibit light absorption in the near-infrared region, which is accompanied by a local increase in temperature. This local warm-up is used in therapies, such as photo-assisted hyperthermia. In the case of iron nanoparticles, their magnetic properties are of interest for applications. They are mainly used in medical imaging, iron nanoparticles being good contrast agents for MRI. In this thesis, we have been interested in the synthesis of gold nanoparticles of anisotropic shapes free of cationic surfactants as structuring agent, because of their toxicity. As alternative the polyol method has been used. Depending on the synthesis conditions, platelets or cubes with an unprecedented size (ca. 21-50 nm) for this king of synthetic method have been obtained. On the other hand, zero-valent iron nanoparticles of ca. 13 nm have been developed using an organometallic approach in order to obtain nanoparticles with a high magnetization, necessary for the envisaged applications. We have succeeded in transferring iron nanoparticles into water, while conserving a zero-valent iron core of ca.10 nm and therefore a strong magnetization, thanks to ligands bearing a phosphonic acid head group in order to anchor them to the surface of the nanoparticles. Preliminary measurements of their transversal relaxivity have been carried out, opening up promising prospects as contrast agent for MRI.

Les nano-objets ou nanoparticules sont des systèmes de taille nanométrique. Dans le domaine de l’oncologie, ils sont capables de transporter des agents anticancéreux et/ou des macromolécules comme des gènes ou des protéines, de sorte qu’ils s’accumulent préférentiellement dans le tissu tumoral. Ainsi, les nanoparticules ont pour but de diminuer la quantité de principe actif libre dans l’organisme, responsable de toxicités. Elles permettent en clinique d’améliorer la balance bénéfice/risque des agents de chimiothérapies conventionnels. Ce sont de véritables plateformes qui permettent de s’affranchir de certains excipients toxiques contenus dans la formulation du paclitaxel (Cremophor El). Ainsi, au cours de ce travail nous nous sommes intéressés dans un premier temps aux nanoparticules d’or (Au-NP) produites par ablation laser femtoseconde. Nous avons ainsi caractérisé ces Au-NP sur le plan physico-chimique et biologique, et mis en évidence leur internalisation et leur innocuité. Dans un deuxième temps, nous avons évalué l’efficacité pharmacologique de conjugués dendron-paclitaxel sur des cultures cellulaires 2D et 3D et mis en avant la libération prolongée intracellulaire du paclitaxel et son effet retard. Compte-tenu des propriétés observées, ces nanoparticules sont de bons candidats pour un futur développement. En effet, la liaison de ces deux nanostructures entre elles permettra l’obtention d’un nano-objet aux propriétés de théranostiques. / Nano-objects or nanoparticles can be readily fabricated with their size being controlled typically in the range of 1–100 nm. In the field of oncology, they can be used for drug delivery, as their composition/structure may be engineered to load anticancer drugs, macromolecules or proteins. Indeed, the delivery of anticancer drugs through a nanoparticle-based platform offers many attractive features. Nanoparticle-based drugs are synthetized to significantly improve the benefit/risk ratio of conventional chemotherapeutics. They allow overcoming some toxic excipients in the formulation of paclitaxel (Cremophor El). In this work, we first studied the physico-chemical and biological properties of Au-NPs synthetized by femtosecond laser ablation and we investigated their safety and cellular uptake. Second, we evaluated the anticancer activity of dendron-paclitaxel conjugates in 2D and 3D cell cultures and showed a delayed effect of this new formulation. Based on these results, the studied nanoparticles are good candidates for future development. By combining the two nano-objects, we will obtain nanoparticles with theranostic properties.

Pas de résumé disponible. / No abstract available.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences in vitro, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique. / This work falls within the field of photoacoustic imaging as a promising modality for biomedical applications. It consists in experimenting photoacoustic guidance of high intensity focused ultrasound (HIFU) for therapy, and in studying photoacoustic generation by gold nanoparticles as contrast agents. First of all, a probe designed for both photoacoustic imaging and ultrasound therapy was employed for \textit{in vitro} experiments. We demonstrate the feasability of photoacoustic guidance to treat a target embedded in biological tissue, as a promising tool for HIFU control. In a second part we model the physical mechanisms of photoacoustic generation by gold nanoparticles. This allows to quantify thermoelastic nonlinearities impacting the emitted signal, which origins derive from the temperature dependence of the thermal expansion coefficient of water. In the case of a single gold nanosphere, we describe the nonlinear contribution to the signal according to the different parameters of the problem. We infer a set of quantitative predictions concerning the weight of nonlinearities on photoacoustic signals. Then we generalize these theoretical results to a collection of gold nanospheres, and confront them to our experimental results. Thermoelastic nonlinearity thereby offers a promising new type of contrast for photoacoustic imaging.

La manipulation de micro- et nano- particules en solution peut être réalisée grâce aux interactions de ces objets avec des champs électromagnétiques. La lumière ou bien encore les champs électriques continus (DC) ou alternatifs (AC) peuvent être utilisés. Dans le cas d’un champ électrique non uniforme appliqué entre deux électrodes séparées par quelques micromètres, des gradients de champs très intenses et localisés sont ainsi créés. Ces gradients de champ localisés au niveau des électrodes engendrent la création de mouvements de charges composant la solution (effets électro-hydrodynamique). Mais aussi des charges confinées au niveau des particules à l’interface liquide/solide. Les particules en suspension subissent alors une force attractive ou répulsive appelée diélectrophorèse. Cette force est décrite dans la littérature pour des particules isolantes de taille supérieure à 200 nm. Dans cette étude par détection optique (videomicroscopie par champ sombre ou spectroscopie en microfluidique) la gamme de taille de particules est élargie (40-150 nm) pour étudier leurs réponses diélectrophorètique. En effet la diélectrophorèse dépend de la taille des particules, de son environnement et des paramètres du champ appliqué (fréquence, amplitude, topologie) La diélectrophorèse est mise en compétition avec le mouvement Brownian pour des particules d’or d’aussi petites tailles. La réponse pour des nanoparticules d’or en solution alors connue, il est envisageable de faire varier les paramètres, comme l’environnement de la particule ou bien la complexité des systèmes étudiés. / The manipulation of micro- and nano- particles in solution can be achieved through the interactions of these objects with electromagnetic fields. Emitted light, continuous (DC) or alternating (AC) electric fields can be used. In the case of a non-uniform electric field applied between two electrodes separated by a few micrometers, very intense and localized field gradients are created. These field gradients localised close to the electrodes generates a motion of the mass solution (electro-hydrodynamic effects). The charges confined onto particles at the liquid/solid interface are also subjected to motion. Suspended particles undergo an attractive or repulsive force called dielectrophoresis.This force is described in the literature for insulating particles larger than 200 nm. In this study optical detection was used (dark field videomicroscopy or microfluidic spectroscopy) to expand the range of particle size (40-150 nm) and to study their dielectrophoretic responses. Indeed, the dielectrophoresis is dependent on the size of particles, their environment and the parameters of the applied electric field (frequency, amplitude, topology). The dielectrophoresis is in competition with the Brownian motion of these gold nanoparticles. By, knowing the dielectrophoretic response of these particles in solution, it is possible to vary parameters, such as the suspension composition of the particles or the complexity of the systems studied.

La thérapie génique est probablement une des approches la plus ambitieuse de l'histoire de l'humanité pour éliminer des maladies résistantes à tout autre traitement. Cependant, c'est une approche qui doit encore être développée afin d'obtenir un meilleur contrôle du processus de délivrance des médicaments et aussi de réduire les coûts. À cette fin, ce projet de thèse est axé sur l’optimisation et le contrôle de la délivrance d’oligonucléotides basée sur l'utilisation de nanobâtonnets d'or (Gold NanoRods, GNRs). De telles nanoparticules (40 nm de long et 10 nm de diamètre) sont internalisées par les cellules et grâce à leurs propriétés physiques extraordinaires permettent de délivrer les médicaments dans le cytoplasme de manière contrôlée. En effet, leur absorption très élevée dans le proche infrarouge du spectre électromagnétique permet de convertir l’énergie lumineuse en chaleur à l’intérieur et autour des nanobâtonnets, sans affecter la cellule. L’avantage d’une absorption dans l’infrarouge est qu’à cette longueur d’onde la lumière pénètre profondément dans les tissus humains (3 cm). Le contrôle de la température autour des nanoparticules permet la libération d'oligonucléotides par simple dénaturation du duplex à un instant donné.L’obtention de nanoparticules pouvant être considérées comme un « cargo » implique de remplir les conditions suivantes : stabilité de la forme colloïdale en milieu complexe, conservation des propriétés physiques et chimiques une fois administrées et possibilité d’immobiliser et de libérer le médicament de manière contrôlée.La première étape de mon projet a consisté à établir un protocole de synthèse de nanobâtonnets d’or afin d’obtenir une solution colloïdale mono-disperse et dont la bande d’absorption de plasmon longitudinal soit dans le proche infrarouge. L'étape suivante était d’optimiser un protocole de fonctionnalisation de la surface des GNRs. Le défi ici est associé à l'agrégation des GNRs lorsque le surfactant (CTAB) nécessaire au maintien des GNRs en solution est remplacé par des biomolécules (oligonucléotides). Cependant, après une étude systématique et détaillée, la déstabilisation de la couche protectrice de surfactant sur la surface métallique et l’ajout d’oligonucléotides ayant une fonction thiol à une des deux extrémités dans un rapport approprié ont permis une bio-fonctionnalisation efficace des nanobâtonnets. En conséquence, les nanoparticules fonctionnalisées, après redispersion dans la solution, ont les propriétés physico-chimiques nécessaires. En outre, l’immobilisation des oligonucléotides sur la surface des nanoparticules est spécifique (via la liaison thiol-Au) et permet leur transfert dans des solutions tamponnées ou dans des milieux complexes sans affecter leur stabilité. Après hybridation entre le simple brin immobilisé sur la surface des nanobâtonnets et le brin complémentaire, j’ai démontré que les oligonucléotides étaient stables et que le nombre de doubles brins qui se forment par hybridation peut être contrôlé. L’analyse des propriétés des nanomatériaux a constitué la seconde étape clé de mon travail, car elle revêt une importance cruciale pour la délivrance contrôlée de médicaments. J'ai décidé d'appliquer des méthodes uniquement optiques couvrant l'absorption des nanobâtonnets et l'analyse de la fluorescence des oligonucléotides marqués et des images TEM.Au cours du projet, il a donc été possible d’établir une nouvelle approche de fonctionnalisation et de créer un protocole de caractérisation efficace, axé sur les oligonucléotides. / Gene therapy is probably one of the most ambitious approaches in human history that aims to eliminate diseases, often those completely resistant to other treatments. However, this approach requires further development in order to obtain better control over the process of drug delivery and reduce costs. For this purpose, this project has focused on delivery of oligonucleotides using gold nanorods (GNRs). Such nanoparticles, (40 mm in length and 10 nm in diameter) can be internalized by cells and their extraordinary physical properties allow the delivery of drugs to the cytoplasm of cells in a controlled manner. Indeed, their strong absorption in the near-infrared part of the electromagnetic spectrum allows conversion of the energy of light into heat around the nanorods without affecting the cells. The advantage of absorption in the infrared is that at this wavelength the light can penetrate human tissues (3 cm). Control of the temperature around the nanoparticles allows the release of oligonucleotides by simple denaturation of the duplex at a given time.Obtaining nanoparticles that can be considered as a "cargo ship" implies fulfilling the following conditions: stability of the colloidal form in a complex medium, preservation of the physical and chemical properties once administered and the ability to immobilize and release the drug in a controlled manner.The first step of my project was to establish a nanorods synthesis protocol in order to obtain a monodisperse colloidal solution whose longitudinal absorption band is in the near infrared. The next step was to optimize the functionalisation protocol of the surface of the GNRs. The challenge here is associated with the aggregation of GNRs when the surfactant (CTAB) needed to maintain the GNRs in solution is replaced by biomolecules (oligonucleotides). However, after a systematic and detailed study, the destabilisation of the surfactant protective layer on the metal surface and the addition of oligonucleotides having a thiol function at one of the two extremities in a suitable ratio allowed an efficient bio-functionalisation of the nanoparticles. As a consequence, the functionalised nanoparticles, after redispersion in solution, possess the necessary physicochemical properties. In addition, the immobilisation of oligonucleotides on the surface of the nanoparticles is specific (via the thiol-Au bond) and allows their transfer into buffered solutions or in complex media without affecting their stability. After hybridisation between the single strand immobilized on the surface of the nanorods and the complementary strand, I demonstrated that the oligonucleotides were stable and that the number of double strands that are formed by hybridization can be controlled. The analysis of the properties of nanomaterials was the next important part of the work, as it is of crucial importance for the controlled delivery of drugs. I decided to apply only optical methods covering nanorods absorption and fluorescence analysis of labeled oligonucleotides and TEM images.In summary, during the project it was possible to establish a new functionalization approach and create a protocol for efficient characterization, focused on oligonucleotides. We expect that these observations will aid further research in the field of gene delivery based on gold nanoparticles.

La catalyse est à la base de la fabrication de médicaments, de produits textiles, d‘engrais, des pots d’échappement, et une multitude d’autres applications de notre quotidien. En effet, dans les pays industrialisés jusqu’à 80% des produits manufacturés utilisés au quotidien ont nécessité au moins une étape de catalyse lors de leur fabrication. Outre être actif, il est primordial pour un catalyseur performant d’être résistant à la désactivation qui se traduit par la perte d’activité ou de sélectivité d’un catalyseur au cours du temps. La synthèse d’un matériau multifonctionnel permet de répondre à ces différents critères. L’objectif d’un design intelligent de matériaux est de mener à des effets synergiques de chacune des composantes. Pour un catalyseur, en plus d’être actif et sélectif pour le produit désiré, il faut en plus qu’il soit durable, stable dans le temps, et permette d’être réutilisable. L’objectif de ce projet est de faire une synthèse originale, simple et reproductible d’un catalyseur actif et résistant à la désactivation. De base, un catalyseur se compose d’un support et d’un matériau actif. La nature, la morphologie et l’agencement de ces derniers dictent le comportement chimique du catalyseur final. Comme matériau actif, les nanoparticules d’or sont très prisées en raison de leur potentiel de catalyse élevée pour de nombreuses réactions. Cependant, aux températures de fonctionnement de la catalyse, les nanoparticules d’or ont tendance à se désactiver par coalescence. Pour remédier à cela, il est possible de déposer une couche de silice mésoporeuse afin de protéger les NPs d’or des rudes conditions de réaction tout en étant perméables aux espèces réactives. Plusieurs types de matériaux peuvent servir de support aux nanoparticules d’or. À ce titre, les particules d’oxydes de fer magnétiques telles que la magnétite (Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4]) sont intéressantes pour leur potentiel hyperthermique, phénomène par lequel des nanoparticules (NPs) magnétiques transforment de l’énergie électromagnétique provenant d’un champ externe haute fréquence en chaleur, créant ainsi des nano-fours. Une première couche de silice est utilisée comme matrice de greffage afin de fixer les nanoparticules d’or sur la magnétite. La structure visée est illustrée à la Figure ci-dessous. Figure 1 Structure du catalyseur de Fe2O4@SiO2-Au-SiO2m (Ge, Zhang, Zhang, & Yin, 2008) Plusieurs avenues d’assemblage et de synthèse sont explorées pour chacune des composantes de la structure visée. Les avantages et inconvénients ainsi que des mécanismes sont proposés pour chaque voie de synthèse. Le matériau est utilisé comme catalyseur pour la réaction de réduction du 4-Nitrophénol par du NaBH4. Pour ce qui est de la synthèse de magnétite par voie solvothermique, il a été démontré qu’il était important d’être dans un milieu sous pression puisque l’étape limitante de la réaction est la solubilité des particules de magnétites dans le milieu. Cela est en accord avec le principe de mûrissement d’Ostwald selon lequel les petites particules ont tendance à se dissoudre dans le milieu et précipiter à la surface des plus grosses particules de façon à diminuer l’énergie interfaciale. Cette synthèse a été reproduite avec succès et a mené à la production de nanoparticules de Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4] sphériques creuses d’une taille de 150 [plus ou moins] 30nm. Ces sphères creuses ont été recouvertes d’une couche de silice dense par une méthode de Stöber modifiée. Le recouvrement forme des amas de particules et est non uniforme en raison de la présence de poly(éthlyène glycol) à la sur face de la magnétite, un adjuvant présent lors de sa synthèse afin d’améliorer la dispersion de la magnétite. La synthèse et le greffage d’AuNPs sont bien maîtrisés : les AuNPs ont une taille de 17 [plus ou moins] 6nm et la quantité d’or greffé est assez élevée. Ultimement, une méthode de greffage alternative tel que le greffage par croissance in situ de nanoparticules d’or pourrait être emprunté afin d’obtenir des particules plus petites. Pour ce qui est de la formation d’une couche de silice mésoporeuse, la méthode par calcination est une meilleure option que par gravure chimique en raison de sa sélectivité envers la couche externe de silice plus élevée ainsi que la formation apparente de pores.

Afin d’améliorer les traitements par radiothérapie, des radiosensibilisateurs tels que les nanoparticules d’or (NPo) sont étudiés. Mais leur translation en clinique nécessite une bonne compréhension des phénomènes en jeu. Si l’effet radiosensibilisateur a bien été confirmé sur des cibles biologiques (ADN, cellules et in vivo) et si les radicaux hydroxyle ont souvent été proposés comme intermédiaires, aucune preuve claire n’a encore été apportée. Ce travail avait pour premier objectif d’élaborer un protocole de « référence » afin de quantifier les radicaux hydroxyle et les électrons produits par les NPo en interaction avec un rayonnement ionisant. Cette étude a mis en évidence des productions massives de ces deux espèces pour des NPo non-fonctionnalisées. De plus, l'étude de différents paramètres, tels que la quantité de dioxygène en solution ou le rayonnement incident, nous a conduits à proposer un nouveau mécanisme permettant de rendre compte de nos résultats. Néanmoins, l'application biologique des NPo ne peut être envisagée que si ces nano-objets sont fonctionnalisés afin de les rendre furtifs et de les adresser spécifiquement à la tumeur. Après synthèse et caractérisation poussée de différents types de NPo fonctionnalisées, nous avons comparé la production de radicaux hydroxyle avec la dégradation d’une cible biologique, l'ADN, et mis en évidence l'impact significatif de la fonctionnalisation sur l'effet radiosensibilisateur. Ainsi, cette étude apporte des informations essentielles en vue de l’optimisation de la conception des NPo les plus efficaces pour la radiosensibilisation, une première étape vers leur application radiothérapeutique. / To improve radiotherapy efficiency, radiosensitizers such as gold nanoparticles (GNP) are developed. But to translate them to clinics, a good knowledge of the processes at stage is needed. GNP radiosensitizing effect was well-confirmed on biological targets (DNA, cells and in vivo) and hydroxyl radicals are often proposed to be key intermediates, but no clear evidence has been given yet. In this work, we first developed a ‘reference’ protocol to quantify hydroxyl radicals and electrons produced by GNP in their interaction with ionizing radiation. These investigations reveal a massive production of both species for non-functionalized GNP. Moreover the study of various parameters such as the concentration of dissolved dioxygen or the energy of the incident radiation leads us to propose a new mechanism on the origin of the radiosensitizing effect. Nevertheless, biological applications of GNP can only be considered if the nano-objects are functionalized to make them furtive, address them or deliver medicines to the tumor. After synthesis and characterization of different functionalized GNP, we compared hydroxyl radicals production with the damages induced on DNA and highlighted a significant impact of functionalization on the radiosensitizing effect. Finally, this work gives valuable information for the design of the most efficient GNP for radiotherapy which is a first step towards their medical application.

Ce travail porte sur l'étude in operando des nanoparticules d'or supportées sur TiO2(110) pendant la réaction d'oxydation du CO. Il s'inscrit dans l'objectif de comprendre les propriétés catalytiques de l'or qui apparaissent à l'échelle nanométrique. Les paramètres géométriques et structuraux des nanoparticules d'or ont été mesurés en présence de 20 mbar d'oxygène ou d'argon, de 0.1-0.2 mbar de CO et en conditions réactionnelles (oxygène + CO à 473 K), par GISAXS et par GIXD en suivant simultanément la composition des gaz par spectrométrie de masse. L'exposition au mélange réactionnel déclenche une évolution instantanée des nanoparticules avec une augmentation de leur taille moyenne qui varie de la même manière que l'activité catalytique. Par contre l'oxygène et le CO ne provoquent pas de changement et seule la température a un effet. Ces évolutions démontrent l'importance des mesures in operando pour déterminer le lien qui existe entre la taille et l'activité des nanoparticules. La variation de l'activité catalytique en fonction du diamètre présente un maximum pour des particules de 2 nm de diamètre et de 1.4 nm de hauteur. Au-dessus de ce maximum, elle suit une loi de puissance du diamètre, d-2.4 ± 0,3, comme attendu pour des sites actifs situés sur les atomes de basse coordinence. La diffraction X montre que, pendant la réaction, les nanoparticules conservent la structure CFC du cristal d'or, mais la distance inter-plan se contracte quand la taille des particules décroit ce qui intervient dans la baisse d'activité au dessous de 2 nm. Cependant d'autres paramètres peuvent aussi avoir un effet négatif sur la réactivité comme la forme des particules et le fait que plus elles sont petites plus elles s'agglomèrent sur les bords de marche du substrat. La similitude des tailles obtenues par GISAXS et par GIXD et de leur comportement sous gaz réactifs indique que les particules mesurées par ces deux techniques sont les mêmes. De plus, la forte corrélation entre la variation de l'activité et les évolutions observées par GISAXS montre que ce sont les particules actives qui sont sondés par les rayons x. La comparaison des résultats avec ceux déjà publiés indique que le comportement que nous avons décrit sur la dépendance de l'activité catalytique des nanoparticules d'or sur TiO2, pour l'oxydation du CO, est représentative des propriétés de ce système. Cependant, il est nécessaire de vérifier expérimentalement comment ces résultats obtenus à 473 K peuvent être extrapolés à température ambiante. L'installation dans notre dispositif d'une nouvelle chambre de réaction doit permettre de gagner un ordre de grandeur en sensibilité et rendre envisageable une telle étude. Mots clés : Catalyse, nanoparticules d'or, GISAXS, diffraction X, in operando, oxydation du CO. / This work focuses on the in operando study of gold NPs supported on TiO2(110) during the CO oxidation reaction. Its goal is the understanding of the catalytic properties of gold appearing at the nanometer scale. The geometrical and structural parameters of gold nanoparticles were measured in the presence of 20 mbar of oxygen or argon, of 0.1-0.2 mbar of CO and reaction conditions (oxygen + CO at 473 K), by GISAXS and GIXD, by simultaneously tracking the gas composition by mass spectrometry. Exposure to the reaction mixture triggers an instantaneous evolution of nanoparticles with an increase in their average size which varies in the same way that the catalytic activity. Contrariwise, oxygen and CO don't cause any changes and only the temperature has an effect. These evolutions show the importance of in operando measures to determine the relationship between the size and activity of nanoparticles. The variation of catalytic activity depending on the diameter exhibits a maximum for particles of 2 nm in diameter and 1.4 nm in height. Above this maximum, it follows a power law of the diameter, d-2.4 ± 0.3, as expected for active sites located on the atoms of low coordination number. X-ray diffraction shows that during the reaction, the nanoparticles retain the FCC structure of the gold crystal, but the inter-plane distance contracts when the particle size decreases, which leads to the drop of the activity below 2 nm. However, other parameters may also have a negative effect on reactivity, such as the particle shape and the fact that the smaller the particles, the more they congregate on the edges of the substrate step. The similarity of the sizes obtained by GISAXS and GIXD, and their behavior under reactant gases indicates that the particles measured by both techniques are the same. In addition, the strong correlation between the activity variation and the evolutions observed by GISAXS shows that the active particles are those scanned by the X rays. The comparison of our results with those already published shows that the behavior we have described on the dependence of the catalytic activity of gold nanoparticles on TiO2, for CO oxidation reaction, is representative of the properties of this system. However, it is necessary to check experimentally how the results obtained at 473 K can be extrapolated to room temperature. The installation of a new reaction chamber in our setup has to allow us to gain an order of magnitude in sensitivity and make possible such a study. Keywords: Catalysis, gold nanoparticles, GISAXS, X-ray diffraction, in operando, oxidation of CO