Ma thèse de doctorat s’inscrit à l’interface entre la physique expérimentale et la biologie. Ce travail a été développé au sein de l’équipe imXgam du CPPM, qui a construit un prototype de micro-tomographie pour le suivi non-invasif du petit animal, équipé d’une caméra à pixels hybrides XPAD3 fonctionnant en mode comptage de rayons X. Le comptage de rayons X rendu possible par la technologie des pixels hybrides, permet de s’affranchir du bruit électronique et d’augmenter ainsi la détectabilité des tissus faiblement contrastés. Elle présente de plus la capacité d'appliquer à chaque pixel un seuil de détection en énergie permettant d’accéder à l’information spectrale des rayons X détectés et ouvre la voie au développement d’une méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge, qui permet de différencier des agents de contraste particuliers. La caméra XPAD3 développée avec un capteur en Si présente une efficacité de détection qui limite son utilisation pour l’imagerie du vivant. Une caméra XPAD3 avec une meilleure efficacité au delà de 25 keV a été assemblée avec des capteurs en CdTe. Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison des caméras XPAD3/Si et XPAD3/CdTe en imagerie d’absorption standard et en imagerie au K-edge. Nous avons ensuite, en collaboration avec des biologistes de l’IBDM, assuré le suivi quantitatif et in vivo sur plusieurs mois, du développement de tumeurs hépatiques chez un modèle spécifique de souris et de l’efficacité d’un traitement ciblant les cellules tumorales. Enfin, nous avons développé un protocole d’acquisition spectrale à faible dose pour réaliser une tomographie spectrale in vivo d’un foie de souris en exploitant le K-edge du baryum. / My PhD thesis is at the interface between experimental physics and biology. This work has been developed within the imXgam team at CPPM, which has built a micro-computed tomography prototype for the non-invasive longitudinal monitoring of small animal, equipped with the XPAD3 hybrid pixel camera that operates in X-ray photon counting mode. X-ray photon counting that has been made possible by hybrid pixels, allows to free images from the electronic noise and thus to increase detectability of weakly contrasted tissues. Moreover, it provides the possibility to set an energy threshold for each pixel that allows to accessing spectral information on the detected X-rays and paving the way to the development of a spectral imaging modality also named K-edge imaging, which allows to differentiate selected contrast agents. Actually, the XPAD3 camera developed with a Si sensor presents a low detective efficiency that limits its use for biomedical imaging. A XPAD3 camera with a better efficiency above 25 keV has been assembled with high-Z CdTe sensors. Firstly, we have performed a comparison of XPAD3/Si and XPAD3/CdTe cameras for standard absorption CT and K-edge imaging. Then, in collaboration with a team of biologists from IBDM, we have carried out the quantitative and in vivo follow-up of hepatic tumour development in a specific mouse model over several months, and of the effectiveness of a treatment targeting these tumour cells. Finally, we have developed a protocol for low dose acquisition of spectral data to realize an in vivo spectral tomography of a mouse liver using the barium spectral signature.

La variabilité des propriétés du bois ainsi que son hygroscopicité pourraient être un frein à son utilisation dans la construction, même s’il peut être considéré comme un matériau de choix dans le contexte environnemental et économique actuel. Il est donc primordial de mieux comprendre les origines physiques du comportement du bois pour être capable d’améliorer la prédiction de ses propriétés, et pouvoir ainsi le rendre plus compétitif par rapport aux autres matériaux de construction. Le comportement hygromécanique du bois, caractérisé par des variations dimensionnelles en présence de variations d’hygrométrie, est particulièrement difficile à prédire, du fait de sa microstructure multi-échelle et de ses interactions complexes avec l’eau.Dans ce contexte, la thèse vise à comprendre et enrichir les relations entre la microstructure du bois, ses propriétés de sorption et son comportement hygromécanique, en étudiant l’influence de l’hétérogénéité de l’accroissement annuel (cerne), constitué de bois initial et de bois final dont la structure et les propriétés présentent de nombreuses différences. Cette étude est menée sur du Douglas (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), actuellement référencé comme un matériau de structure intéressant. Des outils de caractérisation avancés sont utilisés : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton pour caractériser les mécanismes de sorption ; la corrélation d’images volumiques (DVC) pour mesurer les champs de déformations à partir d’images 3D de microtomographie aux rayons X (µTRX), donnant aussi accès à la densité locale du bois.Après une introduction sur le matériau bois et un état de l’art sur son comportement hygromécanique, une caractérisation préliminaire de la microstructure (angle des microfibrilles, largeur de cerne, densité) et du comportement hygromécanique d’échantillons de bois initial et de bois final prélevés dans différents cernes est menée. Une forte anisotropie du bois initial est mise en évidence en opposition au comportement isotrope transverse du bois final. Les déformations suivant la direction des fibres présentent aussi de fortes non-linéarités peu discutées dans la littérature. Une discussion sur la variabilité des propriétés est par ailleurs engagée, ainsi que sur les relations structure-propriétés à l’échelle macroscopique.L’origine des différences de comportement hygromécanique entre le bois initial et le bois final est tout d’abord recherchée au niveau des mécanismes de sorption, au travers une étude de relaxométrie RMN du proton en 2D (cartes T1-T2). Deux types d’eau liée situés dans des environnements distincts sont mis en évidence et leur isotherme de sorption diffère dans les deux types de bois. Une hypothèse sur leur localisation dans la paroi cellulaire est proposée, puis une modélisation simplifiée 2D est effectuée pour évaluer leur impact respectif sur le comportement hygromécanique du bois initial et du bois final, en particulier dans la direction des fibres.Enfin, les champs de déformations locaux et globaux sont étudiés en analysant par DVC des images de µTRX de bois initial et de bois final soumis à différentes sollicitations hydriques. Le couplage entre ces deux matériaux est aussi étudié pour évaluer leurs interactions et comprendre le comportement du bois à l’échelle du cerne. Un protocole de DVC adapté aux images de bois est proposé. Les comportements hygromécaniques du bois initial, du bois final et du cerne sont comparés. A l’échelle locale, des hétérogénéités du champ de déformations sont mises en évidence et corrélées à la densité locale. Leur effet sur le comportement du cerne et sur la courbure des échantillons induite par le chargement hydrique est analysé. Une modélisation 3D par éléments finis, tenant compte des gradients locaux de propriétés, vient enfin compléter cette étude pour améliorer la compréhension des interactions mécaniques entre le bois initial et le bois final / Wood has highly variable properties and is also hygroscopic. These characteristics may restrict its use in construction even if it can be considered as a material of choice with the current environmental and economical concerns. Therefore, it is essential to better understand the physical origins of the behavior of wood in order to improve the prediction of its properties, and making it competitive with respect to other building materials. Dimensional changes of wood appear when it is subjected to relative humidity variations. This hygromechanical behavior is particularly difficult to predict because of the multiscale structure of wood and its complex interactions with water.In this context, the present work aims to understand and enrich relationships between microstructure, sorption properties and hygromechanical behavior of wood. More specifically, it is focused on the influence of the growth-ring heterogeneity, constituted of earlywood and latewood which have different structures and properties. The study is performed on Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), which is a species of significant interest for structural applications. Advanced characterization tools are used: proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) to characterize sorption mechanisms; digital volume correlation (DVC) to measure deformation fields from X-Ray microtomography 3D images (XRµT), also providing local density of wood.At first wood properties and its hygromechanical behavior are described through a literature overview. Preliminary microstructural (microfibril angle, growth-ring width, density) and hygromechanical behavior characterizations of earlywood and latewood samples with different cambium age are performed. Earlywood reveals a strong anisotropic behavior compared to latewood which is isotropic in the transversal plane. Moreover, strains along the fiber direction nonlinearly evolve with moisture content. This phenomenon has been hardly reported and studied in the literature. Discussions on variability of properties and on relationships between structure and properties are also initiated.Sorption mechanisms are then studied by 2D NMR relaxometry (T1-T2 correlation spectra) in order to investigate differences between earlywood and latewood hygromechanical behaviors. Two types of bound water located in distinct environments are highlighted and their sorption isotherms are shown to be different in the two types of wood. A hypothesis on their location in the cell-wall is proposed and a simple 2D model is developed to evaluate their respective effect on the hygromechanical behavior of earlywood and latewood, especially in the fiber direction.Furthermore, local and global strains fields are studied using DVC from XRµT images of earlywood and latewood subjected to relative humidity variations. The coupling of these two materials is also investigated in order to evaluate their mechanical interactions and to understand the behavior at the growth-ring scale. A specific DVC procedure is developed for images of wood. The hygromechanical behaviors of earlywood, latewood and a growth-ring are compared. At the local scale, strains fields heterogeneities are highlighted and correlated to the local density. Their effect on the growth-ring behavior and the samples curvature is analyzed. A 3D finite elements model which takes into account local gradients of properties is finally developed to better understand earlywood-latewood mechanical interactions

Du fait de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles à haute température par rapport aux métaux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont étudiés comme éventuel matériau de gainage du combustible nucléaire dans les réacteurs de fusion ou fission avancée futurs, ainsi que, depuis plus récemment, dans les réacteurs à eau légère existants. Les tubes composites SiC/SiC tressés en 2D, fabriqués par procédé d'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), présentent un comportement mécanique anisotrope, faiblement déformable (~ 1%). La maîtrise des relations entre la microstructure, l’endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser précisément le dimensionnement structurel de ce matériau pour les applications envisagées. Un paramètre de fabrication important est l'angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l'axe du tube. L'objectif de ce travail est de fournir une compréhension détaillée de la relation endommagement-microstructure, en particulier des effets de l'angle de tressage sur les mécanismes d’endommagement. Dans ce but, une étude combinant observations expérimentales à macro et micro-échelle et simulations numériques est menée. Les tubes composites sont d’abord étudiés par des essais de traction in situ sous tomographie par rayons X. Les expériences ont été réalisées sur la ligne PSICHE du synchrotron SOLEIL sous faisceau rose polychromatique. Les images tridimensionnelles sont analysées par la technique de corrélation d’image volumique (DVC), complétée par une série d'algorithmes de traitement d'image originaux, développés spécifiquement pour analyser les microstructures 3D, mesurer les déformations à travers l'épaisseur du tube, détecter et caractériser quantitativement le réseau de microfissures créées par le chargement mécanique. De plus, les microstructures réelles, décrites par les images de haute résolution issues des tests in situ, sont utilisées dans les simulations numériques multi-échelle. Les champs de contrainte à l’échelle microstructurale sont calculés en régime élastique par une technique utilisant la transformée de Fourier rapide (FFT). Ils permettent de mieux comprendre l'initiation des fissures et d’interpréter les observations expérimentales par une comparaison directe. Ces approches expérimentales et numériques sont appliquées à trois tubes présentant différents angles de tressage (30 °, 45 ° et 60 °). L’influence de l'angle de tressage sur l'initiation et l'évolution de l’endommagement à cœur des composites est ainsi mise en évidence / Because of their outstanding physical and chemical properties at high temperature, in comparison with metals, silicon carbide (SiC) composite materials are studied as possible nuclear fuel cladding materials either for future advanced fission/fusion reactors, or more recently, for the currently existing light water reactors. 2D-braided SiC/SiC composite tubes, manufactured by chemical vapor infiltration (CVI), exhibit an anisotropic, hardly deformable (~1%) mechanical behavior. Understanding the relations between the microstructure, the damage mechanisms and the macroscopic behavior is essential to optimize the structural design of this material for the considered applications. One important manufacturing parameter is the braiding angle, i.e. the angle between the fiber tows and the tube axis. The objective of this work is to provide a comprehensive understanding of the damage-microstructure relations, in particular of the effects of the braiding angle on the damage mechanisms. For this purpose, an investigation combining experimental observations at macro and micro-scale and numerical simulations is developed. The composite tubes are first studied through in situ tensile testing under X-ray computed tomography. Experiments were carried out on the PSICHE beamline at synchrotron SOLEIL using a pink polychromatic beam. The recorded 3D images are processed using the digital volume correlation (DVC) technique, extended by a series of advanced image processing algorithms specifically developed in order to analyze the 3D microstructures, to measure the deformations through the tube thickness, and to detect and quantitatively characterize the network of micro-cracks created by the mechanical loading. In addition, numerical simulations are performed on the real microstructures as observed in the high-resolution images recorded during the in situ tests. Stress fields are calculated at the microstructural scale in the elastic regime using a numerical tool based on the Fast Fourier Transform (FFT). They help to better understand crack initiation and interpret the experimental observations within one-to-one comparisons. Both the experimental and numerical approaches are applied to three tubes with different braiding angles (30°, 45° and 60°). The effect of the braiding angle on the initiation and evolution of damage in the bulk of the composite materials can thus be highlighted

De nombreuses bactéries pathogènes piratent les machineries qui régulent le trafic cellulaire pour échapper à la réponse immunitaire de l’hôte ou faciliter leur multiplication. Les familles de petites protéines G Arf et Rab sont des régulateurs majeurs de la régulation du trafic intracellulaire et sont de ce fait des cibles privilégiées pour de nombreuses bactéries pathogènes. Ces pathogènes intracellulaires injectent dans leur cellule hôte des effecteurs capables d’imiter l’activité biochimique de leurs régulateurs pour activer, inhiber ou moduler l’activité des protéines. Ce projet porte sur l’étude de la famille de régulateurs bactériens RalF présents chez les bactéries Legionella pneumophila et Rickettsia prowazekii, les agents responsables de la maladie du Légionnaire et du typhus épidémique, respectivement. RalF possède un domaine catalytique apparenté à celui des facteurs d’échange eucaryotes dont le la fonction est d’activer la petite protéine G Arf. Cet effecteur bactérien agit comme un régulateur illégitime pour détourner les fonctions cellulaires de Arf1. L’objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes biophysiques, structuraux et dynamiques de régulation de la famille RalF pour comprendre les interactions protéine-protéine ou protéine- membrane impliqués dans le piratage de la fonction de Arf1. La combinaison d’études biochimiques et structurales nous ont permis de montrer que RalF est régulé par un cluster aromatique « senseur » de l’environnement lipidique lui permettant de localiser Arf1 à une membrane spécifique. / Many pathogenic bacteria highjack the cellular machineries that control cellular traffic in order to escape the host immune response, or to facilitate their replication. Small GTP-binding proteins (GTPases) of the Arf and Rab families, which are pivotal regulators in these processes, have thus been identified as targets for various human intracellular pathogens. To that purpose, these pathogens translocate bacterial effectors in the host cell, which mimics biochemical functions of their regulators to activate, inhibit or modulate of theses proteins. In this work, we study RalF, a family of bacterial regulators, which are translocated in host cells by the human intracellular pathogens Legionella pneumophila and Rickettsia prowazekii, which are responsible for Legionnaire’s disease and epidemic typhus, respectively. RalF possesses a catalytic domain related to eukaryotic exchange factors, which stimulate GDP/GTP exchange to activate small G-proteins Arf. This bacterial effector acts as an illegitimate regulator to divert cellular functions of Arf1. The aim of this work is to decipher biophysical, structural and dynamics regulation mechanisms of RalF family to understand the intramolecular protein-protein and protein-membrane interactions that underlie highjacking of Arf1 function. Using biochemical and structural analyses we showes how RalF is regulated by a membrane “sensor” to recruit Arf1 at specific membrane locations.

Les composés électrochomes changent de couleur en fonction d'une tension qui leur est appliquée. La tenue en cyclage de couches minces à base de NiO, électrochrome cathodique, dépend fortement de la température et de la pression de dépôt. D’autre part la proportion de phase électrochimiquement active dépend fortement de l’épaisseur des couches. Selon le modèle proposé NiO en milieu KOH se transforme en hydroxyde de nickel Ni(OH)2 puis dans la phase de coloration en oxyhydroxyde NiOOH avant de revenir à sa forme réduite durant la phase décoloration. À la fin de ce cycle, des traces de phase colorée persistent. Nous avons développé des nouvelles méthodes numériques d’analyse des spectres d'absorption de rayons X, caractérisant la structure locale autour du nickel dans ces phases non cristallisées, afin de déterminer les concentrations des diverses espèces au cours du cycle. Aucune des méthodes habituellement pratiquées, comme la combinaison linéaire d’espèces modèles par la méthode des moindres carrés linéaire, et la méthode d’Analyse en Composantes Principales, ne sont adaptées aux cas de spectres fortement corrélés comme les oxydes-hydroxydes de nickel. Nous montrons qu’il est possible d’améliorer la méthode des moindres carrés en utilisant un algorithme original : « la méthode des Moindres Carrés Linéaire Progressive ». La base de cette méthode est fondée sur l’étude statistique des erreurs et corrélations. Ce travail a permis de valider le modèle électrochimique et d’évaluer pour la première fois la concentration en NiOOH dans la phase réduite, signature de l'irréversibilité. Seule, la présence avant cyclage de Ni(OH)2 dans les films de NiO n'a pu être expliquée / Electrochromic materials change their color versus an applied electric voltage. The electrochemical study of NiO thin films, which are cathodic electromic materials, shows an important oxidationreduction cycles lifetime dependance on thin films deposition temperature and pressure. The proportion of electrochemically active material depends on the film thickness. The proposed model suggests that in KOH NiO is transformed first to nickel hydroxide Ni(OH)2, and to nickel oxihydroxide in the coloration process, before returning to Ni(OH)2 in the decoloration step. At the end of the cycle, traces of the colored phase are still observed. We have developed a new X-Ray absorption spectroscopy numerical analysis method in order to characterize the concentration of each species present in these non crystalline materials. Mixed Ni oxides and hydroxides XAS spectra are highly correlated and Linear Least Squares and Principal Component Analysis methods proved to be totally inefficient. In order to improve the linear least squares method, we have developed a home-made algorithm named « Progressive Linear Least Squares method ». This method is based on the use of statistical errors and correlations evaluation of the spectra. It was then possible to valid the electrochemical model and to evaluate for the first time the concentration of residual NiOOH in the reduced thin film phases, related to the irreversibility of the electrochromic process. However, we were unable to explain the presence of a small amount of de Ni(OH)2 in the NiO films prepared at room temperature, prior to any electrochemical treatment

Les biofilms sont des communautés microbiennes se développant sur des interfaces, en particulier solide-liquide, où les micro-organismes sont enrobés dans une matrice polymérique auto-sécrétée. Le mode de vie sous forme de biofilm est prédominant dans les milieux naturels (par e.g. la texture glissante des fonds de rivières, les dépôts visqueux des canalisations et la plaque dentaire) et confère aux micro-organismes un environnement propice à leur développement. Ceci est particulièrement vrai dans des milieux poreux qui, de part leur important ratio surface/volume, constituent des substrats favorables à la colonisation. Le cadre des biofilms en milieux poreux forme une complexité multi-physique d’ordre élevée dans laquelle interagissent des mécanismes physiques, chimiques et biologiques multi-échelles encore mal compris et très partiellement maîtrisés. La rétroaction entre l’écoulement, la distribution spatiale des microorganismes et le transport de nutriments (par diffusion et advection) en est un exemple. Le développement de biofilms en milieux poreux est au centre de multiples procédés d’ingénierie, tel que les bio-filtres, la bio-remédiation des sols, le stockage de CO2, et de problèmes médicaux comme les infections. Un verrou significatif à l’avancée des connaissances est la limitation des techniques exploratoires en métrologie et imagerie dans des milieux opaques. L’objectif principal de cette thèse est la proposition de méthodologies expérimentales reproductibles et robustes permettant l’étude de biofilms en milieux poreux. Un dispositif expérimental en conditions physiques et biologiques contrôlées est proposé. De plus, un protocole d’imagerie 3D basé sur la micro-tomographie à rayons X (MT RX) associé à l’utilisation d’un nouvel agent de contraste (sulfate de baryum et gel d’agarose), est validé afin de quantifier la distribution spatiale du biofilm. Dans un premier temps, la méthodologie MT RX est comparée à une des méthodes les plus utilisées pour la visualisation de biofilms : la microscopie photonique par fluorescence, ici biphotonique (MBP). Cette comparaison est réalisée pour des biofilms de Pseudomonas Aeruginosa développés dans des capillaires transparents en verre, ce qui facilite l’application des deux modalités. Dans un second temps, une étude des incertitudes liées à l’imagerie est réalisée à travers l’évaluation de différentes métriques (volume, surfaces 3D, épaisseurs) pour un fantôme d’imagerie et trois algorithmes de segmentation différents. Les analyses quantitatives montrent que le protocole de MT RX permet une visualisation du biofilm avec une incertitude d’environ 17%, ce qui est comparable à la MBP (14%). La reproductibilité et la robustesse de la méthodologie MT RX est démontrée. La troisième étape du travail de recherche permet d’aboutir au développement d’un bioréacteur innovant élaboré par fabrication additive et contrôlé par un système micro-fluidique de haute précision. Le dispositif expérimental que nous avons conçu permet de suivre en temps réel l’évolution des propriétés de transport (perméabilité effective), les concentrations en O2 et le détachement de biofilm par spectrophotométrie ; ceci pour des conditions hydrodynamiques contrôlées. Notre méthodologie permet d’étudier l’influence de paramètres biophysiques sur la colonisation du milieu poreux, par exemple l’influence du débit ou de la concentration de nutriments sur le développement temporel du biofilm. En conclusion, ce travail de thèse propose une méthodologie expérimentale reproductible et robuste pour la croissance contrôlée et l’imagerie 3D de biofilms en milieux poreux en apportant la versatilité du contrôle de la micro-architecture du milieu, de l’écoulement et des conditions biochimiques de culture. A notre connaissance, l’approche scientifique suivie et les dispositifs expérimentaux associés constitue la méthodologie la plus complète à ce jour, pour l’étude de biofilms en milieu poreux. / Biofilms are microbial communities developing at the interface between two phases, usually solidliquid, where the micro-organisms are nested in a self-secreted polymer matrix. The biofilm mode of growth is predominant in nature (for e.g. the slimy matter forming on rocks at river bottoms, the viscous deposit in water pipes or even dental plaque) and confers a suitable environment for the development of the micro-organisms. This is particularly the case for porous media which provide favourable substrates given their significant surface to volume ratio. The multi-physical framework of biofilms in porous media is highly complex where the mechanical, chemical and biological aspects interacting at different scales are poorly understood and very partially controlled. An example is the feedback mechanism between flow, spatial distribution of the micro-organisms and the transport of nutrient (by diffusion and advection). Biofilms developing in porous media are a key process of many engineering applications, for example biofilters, soil bio-remediation, CO2 storage and medical issues like infections. Progress in this domain is substantially hindered by the limitations of experimental techniques in metrology and imaging in opaques structures. The main objective of this thesis is to propose robust and reproducible experimental methodologies for the investigation of biofilms in porous media. An experimental workbench under controlled physical and biological conditions is proposed along with a validated 3D imaging protocol based on X-ray micro-tomography (XR MT) using a novel contrast agent (barium sulfate and agarose gel) to quantify the spatial distribution of the biofilm. At first, the XR MT-based methodology is compared to a commonly used techniques for biofilm observation: one or multiple photon excitation fluorescence microscopy, here two-photon laser scanning microscopy (TPLSM). This comparison is performed on Pseudomonas Aeruginosa biofilms grown in transparent glass capillaries which allows for the use of both imaging modalities. Then, the study of uncertainty associated to different metrics namely volume, 3D surface area and thickness, is achieved via an imaging phantom and three different segmentation algorithms. The quantitative analysis show that the protocol enables a visualisation of the biofilm with an uncertainty of approximately 17% which is comparable to TPLSM (14%). The reproducibility and robustness of the XR MT-based methodology is demonstrated. The last step of this work is the achievement of a novel bioreactor elaborated by additive manufacturing and controlled by a high-performance micro-fluidic system. The experimental workbench that we have designed enables to monitor in real-time the evolution of transport properties (effective permeability), O2 concentrations and biofilm detachment by spectrophotometry, all under controlled hydrodynamical conditions. Our methodology allows to investigate the influence of biophysical parameters on the colonisation of the porous medium, for example, the influence of flow rate or nutrient concentration on the temporal development of the biofilm. In conclusion, the thesis work proposes a robust and reproducible experimental methodology for the controlled growth and 3D imaging of biofilms in porous media; while providing versatility in the control of the substrate’s micro-architecture as well as on the flow and biochemical culture conditions. To our knowledge, the scientific approach followed, along with the experimental apparatus, form the most complete methodology, at this time, for the study of biofilms in porous media.

Le sujet de cette thèse est l'interférométrie X à réseaux: une technique d’imagerie développée pour la première fois il y a quelques années et qui donne des images de phase et de diffusion (small angle X-ray scattering) de haute sensibilité. Cette technique a un potentiel considérable pour la visualisation du structures qui absorbent faiblement les rayons X, et pour la détection de détails plus petits que la résolution du détecteur, par exemple les fissures et les fibres. Des structures de ce type ne peuvent pas être visualisées avec l’imagerie conventionnelle à rayons X en absorption. Dans le cadre des travaux sur cette thèse, un interféromètre à réseau à rayons X pour radiographie et tomographie multimodale a été installé à la ligne de lumière ID19 de l‘European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble, France. L’excellente performance de cet instrument a été démontrée sur une grande variété d'échantillons de tissus biologiques mous, sur des échantillons paléontologiques, et sur des tissus osseux. Une autre partie des ce travail porte sur des améliorations de la technique d’imagerie elle-même. La première des ces améliorations consiste en un développement de méthodes avancées pour la tomographie avec réseaux. Ces méthodes peuvent réduire considérablement la dose livrée à l’échantillon durant les mesures nécessaires pour la reconstruction tomographique tout en préservant la qualité d’image. Un autre résultat majeur dans le cadre de ce travail est la conception, la mise en oeuvre et la démonstration d’un interféromètre à réseau à deux dimensions (2D). Cet appareil utilise des réseaux bidimentionnels au lieu de réseaux linéaires. L’interféromètre 2D produit des cartes d'angles de réfraction et des images de type champ sombre dans plusieurs directions du plan d’image et améliore considérablement la qualité des radiographies à réseau. Le champ d’application de l’interféromètre 2D n’est pas limité à l'imagerie par rayons X, puisque le nouveau dispositif peut aussi être particulièrement utile pour la caractérisation de composantes optiques de haute précision, tel que démontré par des expériences de métrologie à la longueur d'onde d'utilisationsur des lentilles réfractives pour rayons X. / The subject of this thesis is X-ray grating interferometry: an imaging technique first demonstrated a few years ago, which yields high-sensitivity phase and dark-field (small angle X-ray scattering) images of the investigated specimen. It bears tremendous potential for the visualization of low-absorbing features, and for the detection of details smaller than the resolution of the imaging system, such as cracks and fibers. Structures of this type cannot be visualized with conventional absorption X-ray imaging. As a part of this thesis work, an X-ray grating interferometer for multimodal radiography and tomography was installed at the beamline ID19 of the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France. The excellent performance of this instrument has been demonstrated on a large variety of soft-tissue biological samples, on paleontological specimens, and on osseous tissues. Another part of the present work concerns improvements of the imaging technique itself. The first of these improvements consists in the development of advanced schemes for grating-based tomography. These schemes can substantially reduce the dose delivered to the sample during a grating-based tomography scan, while preserving the image quality. Another major achievement of this thesis is the design, implementation and demonstration of a two-dimensional (2D) grating interferometer. This device uses gratings structured in two dimensions rather than line gratings. The 2D interferometer gives refraction angle and dark-field signals in multiple directions of the image plane and significantly improves the quality of the grating-based radiographies. The application range of the 2D interferometer is not restricted to X-ray imaging; the new device may also be particularly useful for high-precision optics characterization, as is shown by in-situ at-wavelength investigations of X-ray refractive lenses.

L'objectif de cette thèse était de quantifier le réseau lacuno-canaliculaire du tissu osseux à partir d’images 3D acquises en nano CT synchrotron de phase. Ceci a nécessité d’optimiser les processus d’acquisition et de reconstruction de phase, ainsi que de développer des méthodes efficaces de traitement d'images pour la segmentation et l’analyse 3D. Dans un premier temps, nous avons étudié et évalué différents algorithmes de reconstruction de phase. Nous avons étendu la méthode de Paganin pour plusieurs distances de propagation et l’avons évaluée et comparée à d’autres méthodes, théoriquement puis sur nos données expérimentales Nous avons développé une chaine d’analyse, incluant la segmentation des images et prenant en compte les gros volumes de données à traiter. Pour la segmentation des lacunes, nous avons choisi des méthodes telles que le filtre médian, le seuillage par hystérésis et l'analyse par composantes connexes. La segmentation des canalicules repose sur une méthode de croissance de région après rehaussement des structures tubulaires. Nous avons calculé des paramètres de porosité, des descripteurs morphologiques des lacunes ainsi que des nombres de canalicules par lacune. Par ailleurs, nous avons introduit des notions de paramètres locaux calculés dans le voisinage des lacunes. Nous avons obtenu des résultats sur des images acquises à différentes tailles de voxel (120nm, 50nm, 30nm) et avons également pu étudier l’impact de la taille de voxel sur les résultats. Finalement ces méthodes ont été utilisées pour analyser un ensemble de 27 échantillons acquis à 100 nm dans le cadre du projet ANR MULTIPS. Nous avons pu réaliser une analyse statistique pour étudier les différences liées au sexe et à l'âge. Nos travaux apportent de nouvelles données quantitatives sur le tissu osseux qui devraient contribuer à la recherche sur les mécanismes de fragilité osseuse en relation avec des maladies comme l’ostéoporose. / Osteoporosis is a bone fragility disease resulting in abnormalities in bone mass and density. In order to prevent osteoporotic fractures, it is important to have a better understanding of the processes involved in fracture at various scales. As the most abundant bone cells, osteocytes may act as orchestrators of bone remodeling which regulate the activities of both osteoclasts and osteoblasts. The osteocyte system is deeply embedded inside the bone matrix and also called lacuno-canalicular network (LCN). Although several imaging techniques have recently been proposed, the 3D observation and analysis of the LCN at high spatial resolution is still challenging. The aim of this work was to investigate and analyze the LCN in human cortical bone in three dimensions with an isotropic spatial resolution using magnified X-ray phase nano-CT. We performed image acquisition at different voxel sizes of 120 nm, 100 nm, 50 nm and 30 nm in the beamlines ID16A and ID16B of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF - European Synchrotron Radiation Facility - Grenoble). Our first study concerned phase retrieval, which is the first step of data processing and consists in solving a non-linear inverse problem. We proposed an extension of Paganin’s method suited to multi-distance acquisitions, which has been used to retrieve phase maps in our experiments. The method was compared theoretically and experimentally to the contrast transfer function (CTF) approach for homogeneous object. The analysis of the 3D reconstructed images requires first to segment the LCN, including both the segmentation of lacunae and of canaliculi. We developed a workflow based on median filter, hysteresis thresholding and morphology filters to segment lacunae. Concerning the segmentation of canaliculi, we made use of the vesselness enhancement to improve the visibility of line structures, the variational region growing to extract canaliculi and connected components analysis to remove residual noise. For the quantitative assessment of the LCN, we calculated morphological descriptors based on an automatic and efficient 3D analysis method developed in our group. For the lacunae, we calculated some parameters like the number of lacunae, the bone volume, the total volume of all lacunae, the lacunar volume density, the average lacunae volume, the average lacunae surface, the average length, width and depth of lacunae. For the canaliculi, we first computed the total volume of all the canaliculi and canalicular volume density. Moreover, we counted the number of canaliculi at different distances from the surface of each lacuna by an automatic method, which could be used to evaluate the ramification of canaliculi. We reported the statistical results obtained on the different groups and at different spatial resolutions, providing unique information about the organization of the LCN in human bone in three dimensions.

Cette thèse présente une étude des solutions aqueuses de trois complexes de polyélectrolytes (PECs) modèles. Les PECs résultent de la complexation de deux polyélectrolytes linéaires de charge opposée: un polycation (le PDADMA) et trois polyanions de longueur de persistance non électrostatique distinctes: le polystyrene sulfoné (PSS), le poly(α-méthyl styrène sulfoné) (PαMSS) et l’acide hyaluronique (HA). En plus de l’influence de la rigidité intrinsèque des polyanions sur la formation et la structure des PECs, les effets de la force ionique et de la méthode de préparation des solutions aqueuses de PECs ainsi que l’influence de la concentration des solutions binaires de polyélectrolytes initiales ont également été abordés. Nous suggérons que le processus de complexation entre polycations et polyanions en régimes semidilué et concentré est analogue à une gélification. Il y a toutefois une différence entre les deux complexes qui est reliée à la différence de rigidité intrinsèque. / This PhD thesis presents a study of the aqueous solutions of three model polyelectrolyte complexes (PECs). PECs were formed between hydrophilic and highly charged linear macrocations of poly(diallyldimethyl ammonium) (PDADMA) and linear macroanions of distinct intrinsic persistence lengths: sulfonated polystyrene (PSS), sulfonated poly(α-methyl styrene) (PαMSS) and hyaluronate (HA). In addition to the effect of the macroion stiffness on the PEC formation and structure, those of the ionic strength and the way of preparing the PEC aqueous solutions as well as that of the concentration regimes of the initial PE aqueous solutions were also tackled. We suggest the complexation between macrocations and macroanions in the semidilute and concentrated regimes can be described as a universal gelation process. A difference between PDADMA-PSS and PDADMA-HA complexes is related to the primary self-assembling process and is associated with the distinct structural models for PECs.

Les travaux de recherche actuels menés dans le domaine des supercondensateurs s’orientent vers l’augmentation des densités d’énergie, notamment via le développement de supercondensateurs hybrides "oxydes de métaux de transition / carbones activés". Dans ce contexte, les présents travaux avaient pour objectif d’évaluer les propriétés d’oxydes de cobalt nanométriques en tant que matériaux d’électrode positive pour supercondensateur hybride.Ces oxydes de cobalt, de structure spinelle, sont préparés par précipitation de nitrate de cobalt en milieu basique (T < 90 °C). Ils possèdent une formule chimique du type HxLiyCo3-δO4•zH2O et présentent une bonne conductivité électronique grâce à la présence d’ions H+, Li+ et Co4+. Les analyses par DRX, ATG, RMN et les mesures de conductivité électroniques ont mis en évidence une réorganisation de la structure spinelle de ces matériaux sous l’effet d’un traitement thermique, conduisant à une augmentation du rapport Co4+/Co3+ ainsi qu’à une amélioration des propriétés de transport électrique. L’association d’une conductivité électronique élevée et d’une forte surface spécifique confère à ces oxydes des performances prometteuses en tant que matériaux d’électrode.L’étude des propriétés électrochimiques a montré la présence de deux modes de stockage des charges, l’un électrostatique (double couche électrochimique) et l’autre faradique via l’oxydation et la réduction du cobalt. Elle a également permis de déterminer la signature électrochimique de ces oxydes (capacité, fenêtre de potentiels), prérequis indispensable à leur intégration dans une cellule complète. Finalement, un supercondensateur hybride "oxyde de cobalt / carbone activé" a été assemblé et équilibré, donnant lieu à des performances attractives (61,6 F/g sur 1,60 V). / Investigations on supercapacitors are focusing on increasing energy densities, in particular with the development of hybrid supercapacitors "metal oxides / activated carbons". In this field, the present work aims at evaluating nanometric cobalt oxides as positive electrode material for hybrid supercapacitors.These oxides, with spinel structure, are synthesized by precipitation of cobalt nitrate in a basic medium (T < 90 °C). They exhibit formulae such as HxLiyCo3-δO4•zH2O and good electronic properties thanks to the presence of H+, Li+ and Co4+ ions. XRD, TGA, NMR analysis as well as electronic measurements have highlighted a structural reorganization of the spinel structure under thermal treatment, resulting in increase of the Co4+/Co3+ ratio and an enhancement of the electronic transport properties. The high electronic conductivity together with a huge specific surface area imparts these oxides promising performances as electrode material.The study of the electrochemical properties underlines two charge storage mechanisms, one electrostatic (electrochemical double layer) and the other one faradic through the oxidation and the reduction of cobalt. The electrochemical signature (capacity, potential window) of these oxides was also determined in order to develop a complete cell. Finally, a hybrid supercapacitor "cobalt oxide / activated carbon" was assembled and balanced, revealing attractive performances (61,6 F/g over 1,60 V).