Pour ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés dans une première partie à la conception et à la synthèse de nouveaux matériaux multifonctionnels (LC, photosensible, systèmes moléculaires dendritiques) capables d'être élaborés en films minces anisotropes et doués de propriétés photo-induites. Nous avons réalisé l'étude complète des propriétés mésomorphes de ces nouveaux matériaux et de dérivés structuraux (en fonction de la connectivité dendritique intrinsèque) par la diffraction des rayons X aux petits angles; l’étude de leurs propriétés optiques a également été effectuée. Dans une seconde partie, nous avons fonctionnalisé des nanoparticules d'or avec des ligands dendritiques mésogènes afin d'organiser ces particules dans des structures mésomorphes. Les objectifs principaux de cette partie sont tout d’abord la synthèse d'une "bibliothèque" de nanoparticules mésomorphes dendronisées, et ensuite la caractérisation de réseaux simples formée par l’auto-assemblage des particules précédentes. / The need to expand further the range of mesomorphic organization, develop original materials where different functionalities can be added (i.e. multifunctional), and to design “multitask materials” with tunable properties are particularly interesting and crucial challenges for potential uses in future technologies. On the one hand, we focused on the design and synthesis of multifunctional materials (liquid crystalline, dendritic, photoresponisve) which are suitable for making thin films where photoinduced optical anisotropy and surface relief gratings can be generated. The mesomorphic behaviour of these dendrimers was investigated and also their optical properties. On the other hand, we grafted structurally related protodendritic mesogenic ligands to monodisperse gold nanoparticles to elaborate liquid crystalline hybrids in order to self-organize NPs in periodic arrays. A set of dendronized gold nanohybrids was synthesized to carry out this study.

Durant longtemps la spectroscopie RMN en solution a été limitée à de petits objets biologiques. Aujourd'hui, il est clairement reconnu que la stratégie du marquage isotopique spécifique de groupements méthyle dans une protéine perdeutérée a considérablement repoussé la frontière de cette technique. En effet, des protéines aussi grande que 1 MDa ont pu être récemment étudiées par RMN. Cependant, cette stratégie présente un inconvénient important lié au nombre réduit de sondes protonées. Dans ce contexte, le projet de thèse vise a développer de nouvelles méthodes pour faire face à cette rareté d'information structurale, en s'appuyant sur le marquage simultané (combinatoire) de plusieurs groupements méthyle afin d'augmenter le nombre de sondes. Pour un marquage combinatoire optimal, le choix des acides aminés à marquer et les précurseurs à utiliser ainsi que le protocole de leur incorporation doit être judicieusement étudié. Dans le présent travail, un nouveau protocole a été mis en place pour un marquage AbId1(LV)proS optimisé, exempt de toutes fuites isotopiques. En comparaison avec le marquage “AbId1LV standard", le modèle proposé permet la diminution d'un facteur de 2 le nombre de signaux RMN des Leu et Val et améliore par un facteur de 4 l'intensité des nOes à long portée qui sont expérimentalement détectable. Par ailleurs, ce protocole permet également la suppression des corrélations parasites, particulièrement nocives pour les études structurales basées sur la détection / analyse de nOes. Afin d'exploiter les spectres RMN obtenus en utilisant le protocole ci-dessus mentionné, l'attribution des signaux des méthyles est obligatoire. Deux stratégies ont été donc proposées. La première s'applique aux systèmes dont le poids moléculaire ne dépasse pas les 100 kDa (e.g. MSG). Elle se repose sur la linéarisation du marquage isotopique des acides aminés permettant ainsi l'utilisation de l'expérience 13C-TOCSY pour attribuer de manière régio et stéréo-spécifique les méthyles de l'isoleucine, leucine et valine en une seule étape. En ce qui concerne la seconde, adaptée aux protéines supra-moléculaire (> 100 kDa), c'est une optimisation de l'approche SeSAM (Sequence-Specific Assignment of Methyl groups by Mutagenesis) précédemment décrite dans la littérature. En effet, grâce au milieu de culture enrichi, mit au point pour le marquage spécifique de l'Ala, le volume minimal de culture requis a été considérablement diminué. Ceci a permis par conséquence de produire les protéines dans des plaques de 24 puits et de les purifier dans des plaques de 96 puits, raccourcissant ainsi le temps global de préparation des échantillons. Il a été estimé que l'utilisation de cette version améliorée de SeSAM offre la possibilité d'attribuer environ 100 méthyles en 2 semaines, dont 4 jours de temps de RMN, en consommant moins de 2 k € de matériaux isotopiques. Pour illustrer la pertinence du marquage isotopique et la protonation sélectifs des méthyles, de façon combinée ou pas, de nombreuses applications ont été présentés, à savoir l'étude en temps réel des processus d'auto-assemblage d'une protéine supramoléculaire (PhTET-2, ~ 0,5 MDa) par RMN. Le marquage combinatoire des protéines (82 kDa et 0,5 MDa) pour la détection de nOes longue portée (jusqu'à 10 Å et 8 Å respectivement) a également été étudié. Cette même approche a également été utilisée pour le filtrage de nOes inter-monomères à long portée, qui sont particulièrement importants pour le calcul de structure, dans des systèmes symétrique et homo-oligomèriques (PhTET-2). / Solution NMR spectroscopy has been limited to small biological objects for a long time. Nowadays, it is unequivocally recognized that the strategy of specific isotope labeling of methyl groups in a perdeuterated protein has significantly extended the frontier of this technique. Indeed, proteins as large as 1 MDa could be investigated by NMR. Conversely, this strategy presents an important drawback consisting of the drastically reduced number of protonated probes. The project of this thesis falls within the framework of developing new methodologies to cope with this scarce structural information, relying on the simultaneous labeling of several methyl groups to increase the number of probes. For optimized combinatorial labeling, the choice of the ensemble of amino acids to label simultaneously and the precursors as well as the protocol for their incorporation have to be carefully studied. In this work, a new protocol was introduced for the scrambling-free and optimized isotopic labeling of AbId1(LV)proS methyl groups. In comparison to the “standard AbId1LV” labeling scheme, the proposed pattern induces a 2-fold decrease of number of Leu and Val NMR signals and enhances the intensity of detectable long-range nOes by a factor 4. The described protocol also permits the suppression of spurious correlations, especially harmful for structural studies based on detection/analysis of nOes. To make an efficient use of the obtained high quality NMR spectra using this protocol, assignment of the methyl groups signals is mandatory. Two strategies were then proposed. The first is suitable for systems whose molecular weight does not exceed 100 kDa. It relies on the use of isotopically linearized precursors (with different isotope topologies to discriminate each methyl group) to assign in a regio- and stereo-specific manner the isoleucine, leucine and valine methyl groups in a single step, employing an optimized “out and back” 13C-TOCSY pulse sequence. While the second, adapted to supra-molecular proteins (> 100 kDa), consists of optimizing the previously reported SeSAM approach (Sequence-Specific Assignment of Methyl groups by Mutagenesis). Indeed, thanks to the developed enriched culture medium for the specific labeling of Ala, the minimal required culture volume was significantly decreased, enabling the proteins expression in 24 well plates and their parallel purification in 96 well plates. This improved SeSAM version was estimated to allow the assignment of ca. 100 methyl cross-peaks in 2 weeks, including 4 days of NMR time and less than 2 k€ of isotopic materials. To illustrate the pertinence of using selectively protonated methyl groups, either in a single or combined fashion, several applications were presented, namely the real-time NMR study of self-assembly process of a ~0.5 MDa supra-molecular protein (PhTET-2). The use of combinatorial labeling for the detection of long-range nOes to up to 10 Å (8 Å) in proteins of 82 kDa (respectively 0.5 MDa) was also investigated. This same approach was exploited for the filtering of inter-monomeric long-range nOes in the same symmetrical and homo-oligomeric PhTET-2 protein.

Lors de ces travaux de thèse, des unités monomériques appelées unimères ont été synthétisées et utilisées pour le développement de polymères métallo-supramoléculaires (MSPs). Ces unités se composent (i) d’un bloc central: 2,5-dithiénylphosphole, (ii) dA’un chélate : 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) et (iii) de connecteurs variés assurant la jonction entre le bloc central et le chélate. Les propriétés physico-chimiques de ces unimères ont été mesurées afin d’établir des relations structures/propriétés. Par exemple, l’unimère ne comportant pas de connecteurs entre l’unité central et le chélate présente un maximum d’absorption fortement décalé vers le rouge par rapport à l’unimère bis(tpy)terthiophène. Cette observation montre que la délocalisation électronique est accrue dans ces systèmes et permet de couvrir un large domaine spectral. L’introduction de connecteurs (éthynediyle, éthynediyle-thiophène-2,5-diyle, éthynediyle-1,4-phénylène) entre le bloc central et le chélate a un effet mineur sur l’écart HO-BV et sur la position des maxima d'absorption. Puis tous les unimères synthétisés ont été mis en présence de différents ions métalliques (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ et Zn2+) pour former les MSPs correspondants. Ce phénomène de polymérisation a été étudié en détail en utilisant les spectroscopies d’absorption, d’émission et la chromatographie d’exclusion stérique. Ainsi, cette polymérisation présente 3 étapes : (i) la formation des dimères U-M-U, (ii) la prolongation de chaine de polymères qui atteint un une longueur maximale pour le ratio 1/1 ion métallique/unimère; (iii) terminaison réalisée avec des ions métalliques lorsque ces ions sont présent en excès. Les propriétés optiques de ces nouveaux polymères ont également été étudiées montrant qu’elles dépendent fortement de la nature de l’ion métallique utilisé. / New π-conjugated building blocks (unimers) for metallo-supramolecular polymers (MSPs), whose comprise: (i) substituted phosphole ring surrounded by two thiophene rings as the central block, (ii) 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) end-groups as ion-selectors, and (iii) different linkers inserted between the central block and tpy end-groups, are described. Chemical and physical properties of those unimers were studied with attention on correlation between properties and structure of unimers. For example the unimer without linkers shows the UV/vis absorption maximum red shifted about 60 to 100 nm compared to bis(tpy)terthiophenes, which proves that replacing of the thiophene with phosphole unit significantly enhances the delocalization of electrons within the unimer molecule and significant area of absorption spectra can be covered. Introduction of linkers (ethynediyl, ethynediyl-thiophene-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-phenylene) has a minor effect on the bandgap energy. All prepared unimers underwent self-assembling process with various metal ions (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ and Zn2+) resulting into metallo-supramolecular polymers. Three stages of the assembly of unimers into related MSPs were observed and characterized by absorption, fluorescence spectroscopy and size exclusion chromatography: 1) formation of dimer species: U-M2+-U (U stands for unimer); 2) prolongation of polymer chain to reach the maximum length at equimolar ratio of unimer and metal ions; 3) end-capping of polymer chains and their partial decomposition at stoichiometric excess of ion couplers. Optoelectronic properties of newly formed metallo-supramolecular polymers were investigated and choice of the metal ions was shown to be of crucial importance. / V rámci této disertační práce byly připraveny stavební bloky (nazývající se unimery) pro tvorbu konjugovaných metalo-supramolekulárních polymerů (MSPs), které ve své struktuře obsahují: (i) substituovaný fosfolový kruh obklopený dvěma thiofenovými cykly jako centrální blok, (ii) 2,2':6',2''-terpyridin-4'-yl (tpy) jako koncovou skupinu pro navázání iontů, a (iii) různé spojky mezi uvedeným centrálním blokem a tpy skupinou. Chemické a fyzikální vlastnosti těchto unimerů byly prostudovány s důrazem na korelaci mezi vlastnostmi a strukturou unimeru. Například unimer bez přídavných spojek vykazuje posun UV/vis absorpčního maxima do červené oblasti o 60 až 100 nm v porovnání s bis(tpy)terthiofenem, což značí, že nahrazením thiofenu fosfolem se značně zvyšuje delokalizace elektronů v molekule unimeru a může být pokryta značná část spektra. Začlenění spojek (ethynediyl, ethynediyl-thiofen-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-fenylen) do struktury unimeru má jen malý vliv na šířku zakázaného pásu, a tedy pozici absorpčního maxima. Všechny připravené unimery byly podrobeny procesu samo-seskupování s různými kovovými ionty (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ a Zn2+) za vzniku organokovových polymerů. Tři stadia provázející proces samo-seskupování byla pozorována pomocí absorpční a fluorescenční spektroskopie a gelové permeační chromatografie (SEC): 1) tvorba dimerů U-M2+-U (U = unimer), 2) prodlužování polymerních řetězců a dosažení maximální délky při ekvimolárním poměru unimeru a kovových iontů, 3) vazba kovových iontů na koncové terpyridinové skupiny a rozklad polymerního řetězce na kratší při stechiometrickém přebytku kovových iontů. Optické vlastnosti nově připravených organokovových polymerů byly prozkoumány a ukázalo se, že velmi závisí na vybraném kovovém iontu.

Ce projet de thèse étudie la synthèse et les propriétés des triarylamines pour le transport d'électrons, d'ions ou de molécules d'eau, en se basant sur les propriétés d'auto-assemblage et de conductivité de certaines triarylamines, récemment découvertes par notre équipe. La thèse débute par une introduction sur la chimie supramoléculaire et les polymères supramoléculaires, et aborde ensuite dans son deuxième chapitre la synthèse et les propriétés d'analogues macrocycliques de triarylamine présentant des propriétés électromagnétiques intéressantes. Dans le chapitre suivant, ce travail de thèse explore l'applicabilité des triarylamines pour le transport biomimétique des ions métalliques et des molécules d'eau à travers des membranes de bicouches lipidiques. Le dernier chapitre de cette thèse s'intéresse ensuite à la fabrication de surfaces conductrices organiques / inorganiques hybrides par dopage de surfaces non conductrices avec des assemblages de triarylamines. / Based on the navel and highly interesting self-assembly properties found for certain triarylamines, together with the resulting conducting properties, this PhD project investigates the synthesis and properties of triarylamines towards the transport of electrons, ions or water molecules. The thesis starts with an introduction on supramolecular chemistry and supramolecular polymers, and then discuss in its second chapter the synthesis and properties of macrocyclic triarylamine analogues with interesting electromagnetic properties. ln the following third chapter this thesis work explores the applicability of triarylamines towards the biomimetic transport of metal ions and water molecules through lipid bilayer membranes. The last chapter of this thesis then deals with the fabrication of hybrid organic/inorganic conducting surfaces through doping of non-conducting surfaces with triarylamine assemblies.

Ces vingt dernières années, le domaine du design et de la synthèse de machines moléculaires complexes a fait d’énormes progrès,souvent inspiré par la beauté de la machinerie présente dans les systèmes vivants. Cependant, l’amplification des mouvements d’un grand nombre de machines moléculaires à des échelles de tailles largement supérieures à leurs dimensions restent un défi théorique et expérimental ambitieux et ardu. Ce travail décrit comment l’organisation de machines et moteurs moléculaires dans des réseaux polymères supramoléculaires ou covalents permet de synthétiser des matériaux dans lesquels leurs mouvements individuels nanométriques sont amplifiés jusqu’à l’échelle macroscopique. Les trois premiers chapitres décrivent l’utilisation d’une architecture de type [c2]daisy chains, une molécule capable d’effectuer des contraction/extensions similaires aux mouvements des sarcomères présents dans les muscles, dans des réseaux polymères supramoléculaires et covalents. Leur introduction dans des polymères supramoléculaires à liaisons hydrogène basées sur le motif de reconnaissance uracil:2,6-diacetylaminopyridine associé à des interactions latérales tel que les interactions π résulta en la formation de fibre supramoléculaires contractiles dont la taille et la morphologie a pu être commuté entre deux états étendus et contractés. L’incorporation de motifs uréidopyrimidinone comme connecteur supramoléculaire en revanche donna accès à des gels supramoléculaires, évoluant vers un état liquide lors de la contraction des chaines polymères. Finalement, l’inclusion de daisy chains dans un réseau polymère 3D a donné accès à un gel chimique. Ce matériau a pu être contracté et étendu à l’échelle macroscopique grâce à l’action combinée des machines moléculaires le constituant.Le quatrième chapitre est dédié à l’amélioration d’un gel contractile basé sur l’utilisation de moteurs moléculaires rotatif comme noeud de réticulation d’un réseau polymère. Une unité modulatrice, capable d’être commuté entre un état “ouvert” et “fermé”, a été introduite dans le réseau aux côtés du moteur. Le modulateur dans son état “fermé” permet aux moteurs moléculaires de contracter efficacement le réseau, tandis que dans son état ouvert il permet aux chaines de se dérouler alors que le moteur ne tourne pas, ce qui provoque l’extension du réseau qui retourne à sa taille initiale. En résumé, le travail décrit dans ce manuscrit illustre que des machines moléculaires soigneusement conçue peuvent être introduites dans des réseaux polymères, fournissant des matériaux dont les propriétés macroscopiques sont affectées par les mouvements nanoscopiques de ses constituants. Ces résultats fournissent des pistes et une base fondamentale pour l’élaboration d’une nouvelle classe de matériaux contractiles basés sur des machines moléculaires. / The last twenty years have seen tremendous progresses in the design and synthesis of complex molecular machines, often inspired by the beauty of the machinery found in biological systems. However, amplification of the molecular machines motion over several orders of magnitude above their typical length scale is still an ambitious challenge. This work describes how self-organization of molecular machines or motors allows for the synthesis of materials translating the motions of their components into a macroscopic response. The three first chapters describe the use of a [c2]daisy chains architecture, a molecule able to perform contraction/extension motions similarly to the sarcomere units of muscles, into systems such as supramolecular polymers and covalent networks. Their inclusion into hydrogen bonding supramolecular polymers based on the uracil:2,6-diacetylaminopyridine recognition motifs combined with lateral interactions such as π-stacking provided micrometric muscle-like fibers contracting and extending upon deprotonation and protonation.The incorporation of ureidopyrimidone moieties as supramolecular connectors yielded highly organized gels, which evolved to a liquidstate upon contraction of the polymer chains. Finally, covalent poly[c2]daisy chains were synthesized and investigated, notably the formation of a 3D network swelling into a gel. This material could contract and extend at the macroscopic scale upon contraction and extension of the molecular machines used as monomers. Finally, a fourth chapter is dedicated to the improvement of contractile chemical gels made by using a molecular motor as reticulating nodes. A modulating unit, able to be switched between a “closed” and an “opened” state, was introduced into the polymer network along with the motor. The locked structure in the “closed” state allowed contraction of the gel upon rotation of the molecular motors, while the “opened” state allowed unwinding of the entangled polymer chains and extension of the gel when the motor is off. Overall, the work presented in this manuscript demonstrates that carefully designed molecular machines can be incorporated into large supramolecular or covalent assemblies, providing materials which collective motions alter their macroscopic properties. These results provide valuable insights for the elaboration of a new class of muscle-like materials based on molecular machines.

Nous avons étudié les comportements dynamiques d'auto-assemblage des tensioactifs cationiques non-chiral en présence du contre-anion chiral.Lorsque le nucléotide anionique chiral est ajouté à des vésicules cationiques, la transition morphologique se produit et transforme in situ des vésicules sphériques en hélices micrométriques.D'autres types de Gemini tensioactifs cationiques forment des rubans nanométriques hélicoïdaux, en présence de tartrate contre-anions. La forme et l'hélicité de ces rubans peuvent être contrôlés in situ par la variation de l'excès énantiomérique.En outre, les nanohélices organiques peuvent être transcrite en nanohélices 3D de silice via une polycondensation sol-gel.Ces nanohélices de silice fonctionnalisées avec des groupes aminés peuvent interagir fortement avec des nanoparticules d'or (GNPs; 1 ~ 20 nm). Le réseau 3D de -nanohélices GNPs/silice sont potentiellement utilisables pour des applications de capteurs basée sur les SERS comme ceux chimiques et biologiques ultra-sensibles en phase liquide. / We have studied the dynamic self-assembly behaviors of non-chiral cationic surfactants in thepresence of chiral counter-anion.When the chiral anionic nucleotides are added to cationic vesicles, morphology transitionoccurs and spherical vesicles transform in situ to micrometric helices.Other types of cationic surfactant, gemini surfactants form nanometric helical ribbons in thepresence of tartrate counter-anion. The shape and helicity of these self-assembled structurescan be controlled in situ by the variation of enantiomeric excess.In both cases, they form gels in water by creating extended networks of nanometric tomicrometric chiral fibers.Additionally, the organic nanohelices can be transcribed to 3D silica nanostructures via solgelpolycondensation. These silica nanohelices functionalized with amino group can interactstrongly with gold nanoparticles (1 ~ 20 nm). The 3D network of GNPs/silica-nanohelices canpotentially be used for SERS-based sensing applications such as ultra-sensitive chemical andbiological sensors in liquid phase.

Ces travaux de thèse concernent l’étude de matériaux supramoléculaires en vue de générer de nouveaux élastomères silicones auto-cicatrisants. Dans un premier temps, l’étude de la bibliographie a permis de recenser les différentes voies intégrant de la chimie supramoléculaire développées dans le domaine des silicones et basées sur les liaisons hydrogène. L’effet des groupements associatifs sur les propriétés rhéologiques et mécaniques des matériaux a été discuté, et les limitations de ces systèmes soulignées. La chimie développée par l’équipe du Dr. Leibler, adaptée par la suite aux silicones par le Pr. Zhang et son équipe, a particulièrement été analysée lors de notre étude de compréhension. Les relations structures/propriétés n’étaient pas clairement élucidées à l’issue de cette étude de la bibliographie. Des études modèles impliquant un PDMS téléchélique aminé ainsi que de l’urée ont donc été réalisées. La caractérisation précise des structures des produits de réaction a permis de mettre en exergue certaines corrélations entre structures (choix du groupement associant, masse molaire du copolymère, fonctionnalité) et propriétés (rhéologiques et mécaniques) qui n’avaient alors pas été démontrées pour ces systèmes. Il a aussi été montré que la force des groupements et les enchevêtrements jouent un rôle primordial. Une chimie différente, inspirée des travaux de Yilgör et al sur les copolymères segmentés, a par la suite été envisagée, en mettant en jeu cette fois la réaction d’aza-Michael. Cette synthèse se démarque du premier système par un meilleur contrôle de la structure macromoléculaire finale. Un silicone supramoléculaire élastomère et auto-cicatrisant a été obtenu en combinant une fonctionnalité importante et une masse molaire finale élevée. Les propriétés mécaniques de ce polymère ont été optimisées par l’ajout de charges plus ou moins renforçantes. L’impact d’un tel renfort sur les propriétés auto-cicatrisantes du système a été discuté. / This PhD thesis focused on the investigation of supramolecular materials in order to generate new self-healing supramolecular silicone elastomers. Firstly, a literature review on silicone materials was realized and we identified the different ways developed in the silicone domain that imply supramolecular chemistry and in particular hydrogen-bonds. The influence of associating groups on rheological and mechanical properties of these materials was discussed, and the restrictions of such systems were highlighted. The chemistry developed by Dr. Leibler and co-workers, later adapted to silicones by Pr Zhang and his team, was deeply investigated during our comprehension study. Relationships between structure and properties were nonetheless not fully elucidated in these studies. Model reactions involving telechelic amino-PDMS and urea were then carried out. The thorough characterization of the final structure of the reaction products highlighted few correlations between structural parameters (choice of the type of associating group, molecular weight of copolymer, functionality) and properties (rheological and mechanical) that had not been demonstrated yet for these systems. We showed that, among others, the strength of the associating groups as well as the entanglements play a fundamental role. A different chemistry, inspired by Yilgör and co-workers’ studies on segmented copolymers, was later considered by carrying out an aza-Michael reaction. This synthesis differs from the previous one by its better control of the final macromolecular structure. A supramolecular silicone elastomer with self-healing abilities was obtained by combining a large functionality together with a high final molecular weight. Mechanical properties of this material were further enhanced through the addition of more or less reinforcing fillers. The influence of such reinforcement on self-healing capacity of this system was discussed.

Les hydrogels moléculaires avec un réseau de fibres auto-assembles sont utilisés dans différents domaines dont le relargage de médicaments, les senseurs, l’ingénierie tissulaire et la nano-modélisation. Les hydrogels moléculaires à base d’acides biliaires, qui sont une classe de biocomposés d’origine naturelle, montrent une biocompatibilité améliorée et sont de bons candidats pour des applications dans le domaine biomédical. Ces hydrogels présentent une bonne bio-dégradabilité et une diversité fonctionnelle grâce aux faibles interactions supramoléculaires et aux structures chimiques précisément contrôlées. Dans cette thèse, des nouveaux hydrogels moléculaires à base des acides biliaires et leurs dérivés ont été étudiés pour mieux comprendre la relation entre la structure chimique du gélifiant et la formation de gels moléculaires. Un dimère de l'acide cholique avec un groupe diéthylènetriamine est insoluble dans l'eau. Par contre, il peut former des hydrogels grâce à un réseau tri-dimensionnel de fibres en présence de certains acides carboxyliques. L'addition d'acide carboxylique peut protoner le groupe amine secondaire et défaire les interactions intermoléculaires entre les dimères et favoriser la formation des liaisons hydrogènes acide-dimère. Seuls les acides carboxyliques faibles et hydrophiles causent la gélation des dimères. La résistance mécanique des hydrogels formés peut être modifiée par un choix judicieux d'acides. Les interactions hydrophobes et les liaisons hydrogènes entre les chaînes latérales d'acides carboxyliques peuvent améliorer les propriétés mécaniques des hydrogels. La solubilité marginale du complexe acide-dimère a été considérée comme un facteur critique pour la formation d'hydrogels. Un autre système d’hydrogélation à base d’acides biliaires a été développé par l’introduction de dioxyde de carbone (CO2) dans des solutions aqueuses de certains sels d’acides biliaires, qui donne un hydrogel composé de molécules biologiques entièrement naturelles et fournit un réservoir commode du CO2 dans l’eau. Le groupement carboxylate des sels d’acides biliaires peut être partiellement protoné dans les solutions aqueuses, ce qui amène la dissolution marginale dans l’eau et la formation d’hydrogels avec une structure fibreuse. L’aspect et les propriétés mécaniques des hydrogels dépendent de la concentration de CO2. Le bullage avec CO2 pendant une ou deux secondes génère un hydrogel transparent avec des nanofibres. Le bullage supplémentaire forme des hydrogels plus forts. Mais réduit la transparence et la force mécanique des hydrogels. D’ailleurs, les hydrogels transparents ou opaques redeviennent des solutions transparentes quand ils sont chauffés avec bullage de N2. La transition sol-gel est réversible et reproductible. La force mécanique et la transparence des hydrogels peuvent être améliorées par l’addition de sels inorganiques comme NaCl par l’effet de relargage. Toutes les composantes de ces hydrogels sont naturelles, donnant des hydrogels biocompatibles et potentiellement utiles pour des applications dans le domaine biomédical. Le dimère mentionné ci-dessus possède des propriétés d’auto-assemblage dépendamment de sa concentration. Ceci a été étudié en utilisant un sel organique de dimère/acide formique avec un rapport molaire 1/1. Le sel du dimère s’auto-assemble dans l’eau et ainsi forme des nanofibres isolées et mono-dispersées à des concentrations faibles. Les fibres enchevêtrées donnent des réseaux fibreux 3D bien dispersés de façon aléatoire à des concentrations plus élevées. Quand la concentration du sel du dimère est supérieure à la concentration critique de gélation, le réseau fibreux est assez fort pour immobiliser la solution, qui provoque la formation d’un hydrogel isotrope. L’augmentation supplémentaire de la concentration du sel du dimère peut augmenter l’anisotropie de l’hydrogel et former ainsi un hydrogel nématique. La formation de domaines ordonnés des nanofibres alignées donne ces propriétés optiques à l’hydrogel. L’agitation de systèmes aqueux du sel de dimère favorise aussi la formation de nanofibres alignées. / Molecular hydrogels are soft materials formed by the self-assembly of small molecules in aqueous solutions via supramolecular interactions. Although much effort has been made in the past several decades in the study of these hydrogels, the mechanism of their formation remains to be understood and the prediction of their formation is a challenge. The main purpose of this thesis is to develop novel molecular hydrogels derived from bile acids, which are naturally occurring biocompounds, and to find the relationship between the gelator structure and the gelation ability. Two new molecular gelation systems based on bile acids and their derivatives have been developed, which may be useful in biomedical applications. The marginal solubility of the solute in water has been found to be a prerequisite for the formation of such molecular hydrogels. The alignment of the nanofibers in the gels leads to the formation of nematic hydrogels. The first gelation system is based on a cholic acid dimer as a gelator, which has two cholic acid molecules covalently linked by a diethylenetriamine spacer. This dimer is insoluble in water, but it forms hydrogels with 3-D fibrous networks in the presence of selected carboxylic acids. The carboxylic acids protonate the dimer, making it marginally soluble in water to yield hydrogels. Only weak and hydrophilic carboxylic acids were capable of inducing the gelation of the dimer and the mechanical strength of the hydrogels could be varied by judicious choice of the acids. Hydrophobic interactions and hydrogen bonding between the side chains of carboxylic acids improve the mechanical properties of hydrogels. The marginal solubility of the acid-dimer complex is regarded to be the critical factor for the formation of hydrogels. Another hydrogelation system was developed by purging to the aqueous solutions of a series of bile salts with carbon dioxide (CO2), yielding hydrogels made of entire natural biological molecules and providing a convenient storage reservoir of CO2 in water. Bile salts are well dissolved in water, while the solubility of bile acids is limited. The carboxylate group of bile salts may be partially protonated in aqueous solutions by bubbling CO2, making them only marginally soluble in water. This forms fibrous structures. Both the appearance and mechanical properties of the hydrogels depend on the amount of CO2 purged. Bubbling CO2 initially induced the formation of transparent hydrogels with nanofibers. Continued purging with CO2 strengthened the hydrogel mechanically, while further addition of CO2 reduced the transparency and mechanical strength of the hydrogel. Both the transparent and opaque hydrogels reverted to transparent solutions when heated and bubbling N2. The sol-gel transition process was reversible and repeatable. The mechanical strength and transparency of the hydrogels could be improved by adding inorganic salts such as NaCl via a salting-out effect. All the hydrogel components are naturally biological compounds, making such hydrogels biocompatible and potentially useful in biomedical applications. The cholic acid dimer linked with a diethylenetriamine spacer was able to assemble in water and form isolated nanofibers in the presence of certain carboxylic acids at a much lower concentration than the CMC of sodium cholate. These nanofibers entangle with each other to yield well-dispersed and randomly-directed 3-D fibrous networks at higher concentrations. When the concentration of dimer salt is above the minimum gelation concentration, the fibrous network is strong enough to immobilize the solution, leading to the formation of an isotropic hydrogel. Further increase of the dimer salt concentration may transit the hydrogels to be anisotropic, thus the formation of nematic hydrogels. The formation of ordered domains of the aligned nanofibers led to anisotropic optical properties of the hydrogels. Stirring the aqueous systems of dimer salt also promoted the alignment of the nanofibers. These molecular hydrogels with ordered aggregates may be useful in applications such as cell culture and mechano-optical sensing.

Actuellement, il n’existe pas de techniques fiables pour la détection de marqueurs du cancer ou le suivi de l’administration de médicaments tels que les anticorps monoclonaux. Cette détection est essentielle pour réaliser un diagnostic précoce et ainsi améliorer le pronostic de survie des patients, et d’autre part adapter la posologie et un traitement personnalisé à chaque patient. L’objectif majeur de ce travail a été de concevoir et de développer des systèmes dits biocapteurs répondant à ces problématiques : d’une part, la détection et la quantification de l’activité des métalloprotéinases matricielles (MMP) en tant que nouvel outil de diagnostic de la progression et du développement tumoral; et d’autre part, le dosage d’un anticorps anti-VEGF, le bevacizumab, impliqué dans les biothérapies antiangiogéniques. La quantification de l’activité métalloprotéasique a été rendue possible grâce à la conception d’un biocapteur basé sur un édifice supramoléculaire. Celui-ci est constitué de substrats peptidiques fluorogéniques des MMP et d’une surface fonctionnalisée par des cyclodextrines. Une détection par fluorescence a alors permis d’évaluer l’efficacité et la spécificité de ce système à quantifier l’activité des MMP in vitro et ex vivo en conditions de biopsie tumorale. D’autre part, nous avons conçu des biocapteurs basés sur un mime peptidique du VEGF, permettant le dosage du bevacizumab. L’utilisation de ce mime en remplacement du VEGF humain a été démontrée, et plusieurs systèmes supramoléculaires fonctionnalisés par ce peptide ont été synthétisés, en vue de la conception d’une plateforme de détection régénérable des interactions peptide/protéine par transduction acoustique. / Nowadays, there are no reliable techniques for detecting biomarkers of cancer or for monitoring therapeutic drugs such as monoclonal antibodies in blood samples. This detection is essential in order to highlight the early onset of a disease prior to the appearance of clinical symptoms and therefore ensure a greater therapeutic effect, but also to provide a personalized treatment for each patient. The major goal of this thesis work was to design and develop plateforms of detection called biosensors answering these problematics: on one hand, detection and monitoring of matrix metalloproteinases (MMP) activities as a new tool for the diagnosis of tumoral progression, and on the other hand, quantification of an anti-VEGF antibody named bevacizumab, involved in antiangiogenic therapies. Monitoring of MMP activities was made possible by the design of a biosensor based on a supramolecular assembly between fluorogenic susbtrates of MMP and cyclodextrins functionalized surface. Fluorescence detection has enabled to evaluate the efficacity and specificity of this system to quantify MMP activities in vitro and ex vivo in tumoral biopsy conditions. On the other hand, we have designed biosensors based on a cyclopeptide mimicking human VEGF for the monitoring of bevacizumab. The ability of this peptide to substitute the human protein has been demonstrated and several supramolecular assemblies functionalized by this peptide have been synthesized in order to create a regenerable biosensor screening peptide/protein interactions by acoustic transduction.

Pour ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés dans une première partie à la conception et à la synthèse de nouveaux matériaux multifonctionnels (LC, photosensible, systèmes moléculaires dendritiques) capables d'être élaborés en films minces anisotropes et doués de propriétés photo-induites. Nous avons réalisé l'étude complète des propriétés mésomorphes de ces nouveaux matériaux et de dérivés structuraux (en fonction de la connectivité dendritique intrinsèque) par la diffraction des rayons X aux petits angles; l'étude de leurs propriétés optiques a également été effectuée. Dans une seconde partie, nous avons fonctionnalisé des nanoparticules d'or avec des ligands dendritiques mésogènes afin d'organiser ces particules dans des structures mésomorphes. Les objectifs principaux de cette partie sont tout d'abord la synthèse d'une "bibliothèque" de nanoparticules mésomorphes dendronisées, et ensuite la caractérisation de réseaux simples formée par l'auto-assemblage des particules précédentes.