Search

Durant la darrera dècada, les nanopartícules de sílice han trobat aplicacions en catàlisi, depuració d’aigua, camps biomèdics, agrícoles i industrials ... per les seves característiques físiques i químiques úniques, com ara una gran superfície, una excel·lent biocompatibilitat, una bona estabilitat tèrmica, mecànica i química, mida i forma de porus regulable, riquesa en grups silanol a la superfície que permeten una fàcil modificació superficial. La nostra recerca en aquesta tesi s’ha centrat en la preparació i caracterització de diversos tipus de nanopartícules de sílice funcionalitzades i la seva aplicació en catàlisi, biomedicina i recuperació d’elements de terres rares. Es van preparar noves nanopartícules de sílice mesoporoses derivades d’amides de prolina-valinol mono i disililades i es van utilitzar com a catalitzadors reciclables per a la reacció aldòlica asimètrica amb elevada activitat i selectivitat. Aquests nanomaterials es poden recuperar i reutilitzar amb èxit fins a sis vegades (capítol 2). Per contra, els nostres esforços en la preparació de nanopartícules d’organosílice reciclables com a catalitzadors quirals o lligands per a la α-trifuorometilació i α-fluorinació enantioselectives de compostos carbonílics no van tenir èxit (capítol 2). Es van preparar una sèrie de nanopartícules d’organosílice mesoporoses periòdiques mixtes que posseïen grups Boc i tert-butil èster com a agents potencials per ultrasons focalitzat d’alta intensitat (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU). Es preveia que aquests nanomaterials alliberessin CO2 i / o isobutè del grup COOtBu sensible a la temperatura. Tanmateix, es va trobar que el grup Boc era bastant estable i no es podia eliminar en condicions de HIFU a 80 ºC, requerint l’addició d’àcid. El concepte no deixa de ser prometedor per futurs agents de contrast per a teràpies basades en HIFU (Capítol 3). Medicaments antiinflamatoris no esteroides com l’ibuprofè i el diclofenac es van unir de forma covalent a nanopartícules de sílice a través d’un grup funcional amida per a aplicacions potencials en formulacions tòpiques (pomades i cremes). A més, el recobriment de teixits de cotó amb aquestes nanopartícules de sílice funcionalitzades va proporcionar teixits hidrofòbics per a potencials aplicacions cutànies tòpiques en apòsits destinats a tractar ferides cròniques. El medicament antiinflamatori corresponent s’allibera in situ mitjançant el trencament enzimàtic selectiu de l’enllaç amida en presència de proteases (capítol 4). Es van preparar nanopartícules de sílice mesoporoses amb nucli magnètic funcionalitzades amb fragments de cyclen com a adsorbents nous per a la recuperació específica i selectiva de diferents ions de terres rares (RE) de les aigües residuals (Capítol 5). Durante la última década, las nanopartículas de sílice han encontrado aplicaciones en catálisis, purificación de agua, campos biomédicos, agrícolas e industriales ... debido a sus características químicas y físicas únicas, tales como alta superficie, excelente biocompatibilidad, buena estabilidad térmica, mecánica y química, tamaño y forma de poro ajustable, superficie enriquecida con grupos silanol que permiten una fácil modificación superficial. Nuestra investigación en esta tesis se ha centrado en la preparación y caracterización de varios tipos de nanopartículas de sílice funcionalizadas novedosas, así como su aplicación en catálisis, biomedicina y recuperación de elementos de tierras raras. Se prepararon nuevas nanopartículas de sílice mesoporosa derivadas de amidas de prolina-valinol mono y disililadas y se usaron como catalizadores reciclables para la reacción aldólica asimétrica con elevada actividad y selectividad. Estos nanomateriales se pueden recuperar con éxito y reutilizar hasta seis veces (Capítulo 2). Por el contrario, nuestros esfuerzos en la preparación de nanopartículas de organosílice reciclables como catalizadores o ligandos quirales para la α-trifuorometilación y α-fluoración enantioselectivas de compuestos carbonílicos no tuvieron éxito (Capítulo 2). Se preparó una serie de nanopartículas de organosilica mesoporosas mixtas periódicas que poseen grupos Boc y éster de terc-butilo como posibles agentes sensibles al ultrasonido focalizado de alta intensidad (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU). Se esperaba que estos nanomateriales liberaran CO2 y / o isobuteno del grupo COOtBu sensible a la temperatura. Sin embargo, se encontró que el grupo Boc era bastante estable y no podía eliminarse en condiciones HIFU a 80 ºC, sino que se requería además la adición de ácido. Sin embargo, el concepto es prometedor para futuros agentes de contraste para terapias basadas en HIFU (Capítulo 3). Fármacos antiinflamatorios no esteroideos como ibuprofeno y diclofenaco se unieron de forma covalente a nanopartículas de sílice a través de un grupo funcional amida para su posible aplicación en formulaciones tópicas (pomadas y cremas). Además, el recubrimiento de telas de algodón con estas nanopartículas de sílice funcionalizadas proporcionó telas hidrófobas para posibles aplicaciones cutáneas tópicas en apósitos destinados a tratar heridas crónicas. El fármaco antiinflamatorio correspondiente se libera in situ mediante la escisión enzimática selectiva del enlace amida en presencia de proteasas (Capítulo 4). Se prepararon nanopartículas de sílice mesoporosas con núcleo magnético funcionalizadas con fragmentos de cyclen como adsorbentes novedosos para la recuperación específica y selectiva de diferentes iones de tierras raras (RE) del agua residual (Capítulo 5). During the last decade, silica nanoparticles have found applications in catalysis, water purification, biomedical, agricultural and industrial fields… due to their unique chemical and physical characteristics, such as high surface area, excellent biocompatibility, good thermal, mechanical and chemical stability, adjustable pore size and shape, enriched surface silanol groups with easy surface modification. Our research in this thesis has been focused on the preparation and characterization of various types of novel functionalized silica nanoparticles, as well as their application in catalysis, biomedicine and rare earth elements recovery. Novel mesoporous silica nanoparticles derived from mono- and bis-silylated proline-valinol amides were prepared and used as recyclable catalysts for the asymmetric aldol reaction with high activity and selectivity. These nanomaterials can be successfully recovered and reused for up to six runs (Chapter 2). Conversely, our efforts in the preparation of recyclable organosilica nanoparticles as chiral catalysts or ligands for the enantioselective α-trifuoromethylation and α-fluorination of carbonyl compounds were not successful (Chapter 2). A series of mixed periodic mesoporous organosilica nanoparticles possessing Boc and tert-butyl ester groups were prepared as potential high intensity focused ultrasound (HIFU) responsive agents. These nanomaterials were expected to release CO2 and/or isobutene from the temperature-sensitive COOtBu group. However, Boc group was found to be quite stable and could not be removed under HIFU conditions at 80 ºC, requiring the addition of acid. The concept is nevertheless promising for future contrast agents for HIFU based therapies (Chapter 3). Non-steroidal anti-inflammatory drugs such as ibuprofen and diclofenac were grafted to silica nanoparticles through an amide functional group for potential application in ointment and cream topical formulations. Furthermore, coating of cotton fabrics with these functionalized silica nanoparticles provided hydrophobic fabrics for potential topical cutaneous applications in dressings intended to treat chronic wounds. The corresponding anti-inflammatory drug is released in situ by the selective enzymatic cleavage of the amide bond in the presence of proteases (Chapter 4). Two functionalized magnetic core-shell mesoporous silica nanoparticles containing cyclen moieties were prepared as novel adsorbents for the specific and selective recovery of different rare earth (REs) ions from wastewater (Chapter 5). Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Química

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancer globally but above all the second leading cause ofdeath for oncological reasons. Despite medical research advances in anti-cancer treatments, many side effectspersist in patients as well as development of resistances to conventional treatments. The development of new anticancertherapeutic strategies is necessary in order to improve care of patients. Photodynamic therapy (PDT) usingphotosensitizers (PS) comes as an innovative therapeutic strategy severely restricting these undesirable sideeffects. PDT has been approved for treatment of some cancers due to the generation of cytotoxic reactive oxygenspecies only with photoactivated PS. However, low physiological solubility and lack of selectivity towards tumorsites are the main limitations of their clinical use. Indeed, targeted drug delivery is a crucial point in cancer therapy.Nanomedicine through the use of nanoparticles improves tumor-targeting because they are able to spontaneouslyaccumulate in solid tumors through an enhanced permeability and retention effect. The purpose of this study wasto prove added value of 5-(4-hydroxyphenyl)-10,15,20-triphenylporphyrin-xylan (TPPOH-X) vectorization bysilica nanoparticles (SNPs) in order to enhance anti-cancer efficacy through better tumor-targeting. It has beendemonstrated significant anti-cancer efficacy increase of TPPOH-X SNPs-PDT thanks to cellular uptakeimprovement relative to free TPPOH-PDT in 3 human CRC cell lines. Moreover, it has been characterized thatcell death induced by TPPOH-X SNPs-PDT is conducted via apoptosis and autophagy acts as a resistance pathwayto cell death. Furthermore, in vivo and without toxicity, TPPOH-X SNPs-PDT induce an elevated anti-cancerefficacy through improvement of tumor-targeting compared to free TPPOH-PDT. This study therefore highlightedthe added value of PDT and nanomedicine combination in order to improve future cancer treatments.; Le cancer colorectal (CCR) est l’un des cancers les plus diagnostiqués dans le monde mais surtout le 2ème cancerle plus mortel. Malgré les progrès de la recherche médicale dans les traitements anticancéreux, de nombreux effetssecondaires subsistent chez les patients ainsi que l’apparition de résistances aux traitements conventionnels. Ledéveloppement de nouvelles stratégies thérapeutiques anticancéreuses est donc nécessaire afin d’améliorer la priseen charge de ces patients. La thérapie photodynamique (PDT) utilisant des photosensibilisateurs (PS) se présentecomme une stratégie thérapeutique innovante limitant fortement ces effets secondaires indésirables. La PDT a étéapprouvée pour le traitement de certains cancers grâce à la génération d’espèces réactives de l’oxygènecytotoxiques uniquement après photoactivation des PS. Cependant, une faible solubilité et un manque de sélectivitédes PS vis à vis des sites tumoraux sont les principales limites en clinique. En effet, l’administration ciblée demédicaments est un point essentiel dans la thérapie anticancéreuse. La nanomédecine par l’utilisation denanoparticules permet d’améliorer le ciblage tumoral car elles sont capables de s’accumuler spontanément dansles tumeurs solides grâce à l’effet de perméabilité et de rétention accrue. L’objectif de cette étude a été dedémontrer l’intérêt de la vectorisation de la 5-(4-hydroxyphényl)-10,15,20-triphénylporphyrine-xylane (TPPOHX)sur des nanoparticules de silice (SNPs) afin d’augmenter l’efficacité anticancéreuse par un meilleur ciblagetumoral du traitement. Il a été démontré une augmentation significative de l’efficacité anticancéreuse des TPPOHXSNPs-PDT grâce à l’amélioration de l’internalisation cellulaire par rapport à la TPPOH libre-PDT sur 3 lignéescellulaires de CCR humain. De plus, il a été caractérisé que la mort cellulaire induite par les TPPOH-X SNPs-PDTest dépendante de la voie apoptotique et que l’autophagie joue un rôle de résistance à la mort cellulaire. Par ailleurs,in vivo et en l’absence de toxicité, les TPPOH-X SNPs-PDT induisent une augmentation de l’efficacitéanticancéreuse grâce à un meilleur ciblage tumoral par rapport à la TPPOH libre-PDT. Cette étude a donc permisde démontrer l’intérêt de la combinaison de la PDT et de la nanomédecine afin d’améliorer les futurs traitementsanticancéreux.

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancer globally but above all the second leading cause ofdeath for oncological reasons. Despite medical research advances in anti-cancer treatments, many side effectspersist in patients as well as development of resistances to conventional treatments. The development of new anticancertherapeutic strategies is necessary in order to improve care of patients. Photodynamic therapy (PDT) usingphotosensitizers (PS) comes as an innovative therapeutic strategy severely restricting these undesirable sideeffects. PDT has been approved for treatment of some cancers due to the generation of cytotoxic reactive oxygenspecies only with photoactivated PS. However, low physiological solubility and lack of selectivity towards tumorsites are the main limitations of their clinical use. Indeed, targeted drug delivery is a crucial point in cancer therapy.Nanomedicine through the use of nanoparticles improves tumor-targeting because they are able to spontaneouslyaccumulate in solid tumors through an enhanced permeability and retention effect. The purpose of this study wasto prove added value of 5-(4-hydroxyphenyl)-10,15,20-triphenylporphyrin-xylan (TPPOH-X) vectorization bysilica nanoparticles (SNPs) in order to enhance anti-cancer efficacy through better tumor-targeting. It has beendemonstrated significant anti-cancer efficacy increase of TPPOH-X SNPs-PDT thanks to cellular uptakeimprovement relative to free TPPOH-PDT in 3 human CRC cell lines. Moreover, it has been characterized thatcell death induced by TPPOH-X SNPs-PDT is conducted via apoptosis and autophagy acts as a resistance pathwayto cell death. Furthermore, in vivo and without toxicity, TPPOH-X SNPs-PDT induce an elevated anti-cancerefficacy through improvement of tumor-targeting compared to free TPPOH-PDT. This study therefore highlightedthe added value of PDT and nanomedicine combination in order to improve future cancer treatments.; Le cancer colorectal (CCR) est l’un des cancers les plus diagnostiqués dans le monde mais surtout le 2ème cancerle plus mortel. Malgré les progrès de la recherche médicale dans les traitements anticancéreux, de nombreux effetssecondaires subsistent chez les patients ainsi que l’apparition de résistances aux traitements conventionnels. Ledéveloppement de nouvelles stratégies thérapeutiques anticancéreuses est donc nécessaire afin d’améliorer la priseen charge de ces patients. La thérapie photodynamique (PDT) utilisant des photosensibilisateurs (PS) se présentecomme une stratégie thérapeutique innovante limitant fortement ces effets secondaires indésirables. La PDT a étéapprouvée pour le traitement de certains cancers grâce à la génération d’espèces réactives de l’oxygènecytotoxiques uniquement après photoactivation des PS. Cependant, une faible solubilité et un manque de sélectivitédes PS vis à vis des sites tumoraux sont les principales limites en clinique. En effet, l’administration ciblée demédicaments est un point essentiel dans la thérapie anticancéreuse. La nanomédecine par l’utilisation denanoparticules permet d’améliorer le ciblage tumoral car elles sont capables de s’accumuler spontanément dansles tumeurs solides grâce à l’effet de perméabilité et de rétention accrue. L’objectif de cette étude a été dedémontrer l’intérêt de la vectorisation de la 5-(4-hydroxyphényl)-10,15,20-triphénylporphyrine-xylane (TPPOHX)sur des nanoparticules de silice (SNPs) afin d’augmenter l’efficacité anticancéreuse par un meilleur ciblagetumoral du traitement. Il a été démontré une augmentation significative de l’efficacité anticancéreuse des TPPOHXSNPs-PDT grâce à l’amélioration de l’internalisation cellulaire par rapport à la TPPOH libre-PDT sur 3 lignéescellulaires de CCR humain. De plus, il a été caractérisé que la mort cellulaire induite par les TPPOH-X SNPs-PDTest dépendante de la voie apoptotique et que l’autophagie joue un rôle de résistance à la mort cellulaire. Par ailleurs,in vivo et en l’absence de toxicité, les TPPOH-X SNPs-PDT induisent une augmentation de l’efficacitéanticancéreuse grâce à un meilleur ciblage tumoral par rapport à la TPPOH libre-PDT. Cette étude a donc permisde démontrer l’intérêt de la combinaison de la PDT et de la nanomédecine afin d’améliorer les futurs traitementsanticancéreux.

The research work presented throughout this thesis focuses on the development of organo-hybrid mesoporous silica nanoparticles for their applications in nanomedicine and crop industry. Disulfide doped silica nanocarriers, able to break down in small pieces in presence of the intracellular reductive environment have been tailored. A large pore stimuli-responsive system was developed to deliver a PLK1 siRNA within hepatocellular carcinoma cells demonstrating promising results both in vitro and in vivo. The particles were further used to deliver a venom peptide, often utilized as esticide in the crop industry. The breakable nanocarriers were further miniaturized for the delivery of chemotherapeutic agents within human glioblastoma cells. The system presented a faster delivery compared to the commercially available liposomal form. Finally, Reactive-Oxygen-Species-responsive mesoporous silica nanoparticles were developed and demonstrated fast breakability upon incubation with singlet oxygen., Le travail de recherche de cette thèse se concentre sur le développement de nanoparticules de silice organo-hybrides pour des applications en nanomédecine et agroalimentaire. Ces nanoconteneurs de silice, comportant des liens disulfures, sont capables de se briser en petits fragments en présence du milieu réductif intracellulaire. Des nanoparticules présentant de larges pores ont été synthétisées pour la livraison d’un siRNA PLK1 pour le traitement du carcinome hépatocellulaire et ont démontré des résultats prometteurs in vitro et in vivo. Ces particules ont été également utilisées pour charger un peptide cytotoxique, souvent utilisé comme pesticide dans l’industrie agroalimentaire. Les nanoparticules cassables ont ensuite été miniaturisées pour le relargage d’agents thérapeutiques dans des glioblastomes humains. Le système présentait un relargage plus rapide comparé à la forme liposomale actuellement sur le marché. Enfin, des nanoparticules contenant des liens répondant aux réactifs dérivés de l’oxygène ont été développées et ont démontré une fragmentation importante en présence d’oxygène singulet.

Silica nanoparticles, thanks to the great easy and adaptability of particle synthesis and limited biotoxicity, is very widely studied for biomedical applications. This thesis conducted a large diversity of investigations involving silica nanomaterials. Firstly, the physicochemical properties and biodegradation properties of three types of structured silica nanoparticles were studied in a buffer, a culture medium and in contact with human dermal fibroblasts that suggest that, under these conditions, the silica nanoparticles must be mainly considered as degraded by hydrolysis and not biodegraded. Then, multifunctional silica nanoparticles which are consist of hollow silica nanoparticles and MnO2 nanosheets were synthesized. And the control drug release and imaging performance of this nanoplatforms were studied from 2D to 3D models. This approach could be used for a rapid assessment of the biofunctionality of nanoparticles before setting up in vivo experiments. Furthermore, a new 3D collagen-based nanocomposites using silica rods were studied and the relationships between the composite composition, structure and mechanical properties, emphasizing the key role of collagen-silica interactions. The influence of these parameters on the adhesion and proliferation of fibroblast cells was also investigated. In addition, we prepared and used magnetic silica nanorods to control particle orientation within the collagen network thanks to an external magnetic field. All the results bring new insights on the preparation and properties of bionanocomposites and open the route to multifunctional hydrogels.; Les nanoparticules de silice sont très largement étudiées pour les applications biomédicales. Elles permettent une facilité et une flexibilité de la synthèse des particules et une bio-toxicité limitée. Cette thèse a mené une grande diversité de résultats impliquant des nanomatériaux de silice. Premièrement, les propriétés physicochimiques et les propriétés de biodégradation de trois types de nanoparticules de silice structurées ont été étudiées dans un tampon, un milieu de culture et au contact de fibroblastes cutanés humains suggérant que les nanoparticules de silice doivent être principalement considérées comme dégradées par hydrolyse, et non biodégradé. Ensuite, des nanoparticules de silice multifonctionnelles constituées de nanoparticules de silice creuses et de nanoparticules de MnO2 ont été synthétisées. Ainsi le contrôle de la libération du médicament et la performance de l’imagerie de ces nanoplates ont été étudiées à partir de modèles 2D à 3D. Cette approche pourrait être utilisée pour une évaluation rapide de la bio-fonctionnalité des nanoparticules avant de mettre en place des expériences in vivo. En outre, un nouveau nanocomposite 3D à base de collagène utilisant des tiges de silice a été étudié et les relations entre la composition composite, la structure et les propriétés mécaniques, mettant en évidence le rôle clé des interactions collagène-silice. L'influence de ces paramètres sur l'adhésion et la prolifération des cellules fibroblastiques a également été étudiée. De plus, nous avons préparé et utilisé des nanobatonnêts de silice magnétiques pour contrôler l’orientation des particules dans le réseau de collagène grâce à un champ magnétique externe. Tous les résultats apportent de nouvelles connaissances sur la préparation et les propriétés des bionanocomposites et ouvrent la voie à des hydrogels multifonctionnels.

It is very challenging to achieve strong adhesion between two soft and wet materials like hydrogels. Recently Leibler and his collaborators invented a new concept to assemble hydrogels or biological tissues using nanoparticles. The principle relies on the adsorption of gel chains at the surface of nanoparticles, which act as connectors, and on the ability of the adsorbed gel chains to reorganize under stress. The main objective of this work is to identify and control the physical mechanisms fundamental to gel adhesion by silica nanoparticles. Many questions are investigated: the nature of the nanoparticles (size, surface chemistry, concentration, state of dispersion), the gel structure and its state of swelling, the distribution of the nanoparticles at the gel surface. Experiments are conducted using several types of gels: Poly(N,N dimethylacrylamide) (PDMA), Poly(acrylamide) (PAAm), nanocomposite gels (PDMA reinforces with silica nanoparticles), or double-network (DN) gels. We quantify the adhesive properties using lap-shear experiments, peeling tests at 90°, and Y-peeling tests that we developed. We use ATR-FTIR experiments, confocal microscopy and scanning electron microscopy to demonstrate the adsorption of polymers onto the silica nanoparticles and characterize their spatial repartition. The results allow us to propose a mechanism explaining the adhesion and to define conditions for optimal adhesion.; Il est difficile de réaliser une forte adhésion entre deux hydrogels par un procédé simple. Récemment, un nouveau concept a été proposé par Leibler et ses collaborateurs pour coller des hydrogels ou des tissus biologiques. Il consiste à utiliser des nanoparticules sur lesquels s'adsorbent les chaînes de polymère et qui jouent ainsi le rôle de connecteurs. L'objectif principal de la thèse est d'identifier et de contrôler les mécanismes à l'origine de l'adhésion de deux hydrogels par des nanoparticules. De nombreuses questions sont abordées : la nature des nanoparticules de silice (taille, charge, concentration, état de dispersion), l'influence de la structure de l'hydrogel et son état de gonflement, la répartition des nanoparticules sur les interfaces. Les expériences sont menées avec plusieurs catégories d'hydrogels: le Poly(N,N diméthyl-acrylamide) (PDMA), le Polyacrylamide (PAAm), des gels nanocomposites (PDMA renforcé par des nanoparticules de silice), ou encore des gels à double-réseaux. Nous mesurons les propriétés adhésives à l'aide de tests de joints de recouvrement, de pelage à 90°, et de pelage en Y, que nous avons mis au point. Nous avons utilisé des expériences d'ATR-FTIR, de microcopie confocale à fluorescence et de microscopie électronique à balayage pour mettre en évidence l'adsorption des chaînes polymères à la surface des hydrogels, évaluer la quantité de particules de silice à la surface du gel, et caractériser leur distribution. Les résultats nous permettent de proposer un mécanisme d'adhésion et de définir les conditions qui permettent de réaliser une adhésion optimale.

It is very challenging to achieve strong adhesion between two soft and wet materials like hydrogels. Recently Leibler and his collaborators invented a new concept to assemble hydrogels or biological tissues using nanoparticles. The principle relies on the adsorption of gel chains at the surface of nanoparticles, which act as connectors, and on the ability of the adsorbed gel chains to reorganize under stress. The main objective of this work is to identify and control the physical mechanisms fundamental to gel adhesion by silica nanoparticles. Many questions are investigated: the nature of the nanoparticles (size, surface chemistry, concentration, state of dispersion), the gel structure and its state of swelling, the distribution of the nanoparticles at the gel surface. Experiments are conducted using several types of gels: Poly(N,N dimethylacrylamide) (PDMA), Poly(acrylamide) (PAAm), nanocomposite gels (PDMA reinforces with silica nanoparticles), or double-network (DN) gels. We quantify the adhesive properties using lap-shear experiments, peeling tests at 90°, and Y-peeling tests that we developed. We use ATR-FTIR experiments, confocal microscopy and scanning electron microscopy to demonstrate the adsorption of polymers onto the silica nanoparticles and characterize their spatial repartition. The results allow us to propose a mechanism explaining the adhesion and to define conditions for optimal adhesion.; Il est difficile de réaliser une forte adhésion entre deux hydrogels par un procédé simple. Récemment, un nouveau concept a été proposé par Leibler et ses collaborateurs pour coller des hydrogels ou des tissus biologiques. Il consiste à utiliser des nanoparticules sur lesquels s'adsorbent les chaînes de polymère et qui jouent ainsi le rôle de connecteurs. L'objectif principal de la thèse est d'identifier et de contrôler les mécanismes à l'origine de l'adhésion de deux hydrogels par des nanoparticules. De nombreuses questions sont abordées : la nature des nanoparticules de silice (taille, charge, concentration, état de dispersion), l'influence de la structure de l'hydrogel et son état de gonflement, la répartition des nanoparticules sur les interfaces. Les expériences sont menées avec plusieurs catégories d'hydrogels: le Poly(N,N diméthyl-acrylamide) (PDMA), le Polyacrylamide (PAAm), des gels nanocomposites (PDMA renforcé par des nanoparticules de silice), ou encore des gels à double-réseaux. Nous mesurons les propriétés adhésives à l'aide de tests de joints de recouvrement, de pelage à 90°, et de pelage en Y, que nous avons mis au point. Nous avons utilisé des expériences d'ATR-FTIR, de microcopie confocale à fluorescence et de microscopie électronique à balayage pour mettre en évidence l'adsorption des chaînes polymères à la surface des hydrogels, évaluer la quantité de particules de silice à la surface du gel, et caractériser leur distribution. Les résultats nous permettent de proposer un mécanisme d'adhésion et de définir les conditions qui permettent de réaliser une adhésion optimale.

In the 21st century nanotechnologies are growing fast and are continuously evolving. Indeed, high-tech industries rely on remarkable innovations enabled by the new properties of matter at the nanoscale. In addition, the nanomedicine field seems hopeful to cure human health problems such as heart or liver diseases, brain damage or cancers. However, despite expansive scientific efforts the potential risks of nano-objects on human health and on the environment are still poorly understood due to the wide variety of nano-objects. In addition, no consensus about nanotoxicology exists yet, sometimes leading to inhomogeneous and inconsistent findings. In this context, the present study aimed at a better understanding of the nanoparticles biological effects. Fluorescent silica nanoparticles with well-controlled size and surface functionalization were synthesized to study separately the impact of these two physico-chemical characteristics on cell response. Murine macrophages (from the RAW 264.7 cell line commonly used as a reference for nanotoxicology studies) were exposed to the different nanoparticles, and membrane alteration, induction of pro-inflammatory effect and generation of oxidative stress were investigated. In addition, in order to distinguish uptaken nanoparticles from those adsorbed at the cell membrane and to observe phagocytosis over time, methods were developed. Results demonstrated that the studied nanoparticles were not inert. Moreover the biological effects were found to depend on nanoparticles size, surface functionalization and dose., En ce début de XXIème siècle l’essor des nanotechnologies est indéniable et ne semble pas près de ralentir. En effet, les secteurs industriels de pointe misent sur les innovations remarquables permises par les nouvelles propriétés de la matière à l’échelle nanométrique. Cependant, les efforts scientifiques et budgétaires, mis en place pour comprendre les potentiels risques sanitaires des nano-objets pour l’homme et l’environnement, s’avèrent peu fructueux tant la diversité des nano-objets est étendue. De plus, il n’existe pas de consensus règlementaire pour la nanotoxicologie, ce qui entraine un manque d’homogénéité, et parfois de cohérence, entre les données issues de la recherche. Dans ce contexte, la présente étude porte sur l’amélioration de la compréhension de l’activité biologique des nanoparticules. Des nanoparticules fluorescentes de silice, synthétisées à façon, ont permis d’étudier séparément l’impact de deux de leurs caractéristiques physico-chimiques (taille et fonctionnalisation de surface). L’altération membranaire, la réaction pro-inflammatoire et la génération de stress oxydant induites par la mise en contact des nanoparticules avec une lignée de macrophages murins ont été étudiées. En complément, des méthodes permettant de distinguer les nanoparticules internalisées de celles adsorbées à la membrane cellulaire ainsi que d’observer en cinétique la phagocytose, ont été développées. La nature et l’intensité des effets biologiques observés ont montré que les nanoparticules n’étaient pas inertes et que leur impact dépendait bien de leur taille et de leur fonctionnalisation de surface ainsi que de la dose étudiée.

We are investigating the consequences of the introduction of inorganic nanoparticles in a polymer hydrogel. The specific interactions existing between poly(N,N-dimethylacrylamide) and silica nanoparticles are at the origin of a strong mechanical reinforcement in terms of stiffness and strain at failure. Indeed, the impact of silica nanoparticles onto the general characteristics of hydrogels has been investigated in terms of structural, thermodynamical and mechanical properties. The study of the mechanical properties of hybrid hydrogels has been conducted in details with a special focus on PDMA/silica interactions at different strains and probing the time-scale effects. A strong time-dependence has been evidenced and a brief modelling of the hybrid structure has been proposed, taking into account the viscoelastic nature of the system. The behaviour of these hybrid hydrogels can be described as double networks. The PDMA/silica specific interaction has also been studied by light scattering experiments, evidencing several dynamics. We show that the general reinforcement can be controlled by the dynamics of the PDMA/silica association., Nous étudions les relations structure/propriétés d'hydrogels contenant des nanoparticules inorganiques. Les interactions spécifiques existant entre le poly(N,N-diméthylacrylamide) et des nanoparticules de silice sont à l'origine d'un fort renforcement mécanique des hydrogels, tant en termes de raideur que de résistance à la fracture. L'impact de l'introduction de nanoparticules de silice a été étudié d'un point de vue structural, thermodynamique et mécanique. Une étude détaillée des propriétés mécaniques des hydrogels hybrides à différentes échelles de temps a révélé une forte dépendance à la vitesse de sollicitation. Une modélisation du caractère viscoélastique de tels réseaux hybrides a été proposée et confrontée aux résultats expérimentaux, visant à décrire le comportement de ces doubles réseaux. Par ailleurs, une étude par techniques de diffusion de la lumière a été menée afin de caractériser la dynamique des nanoparticules de silice au sein des réseaux de polymère gonflés. Il a été démontré que le renforcement général des propriétés des hydrogels par les nanoparticules de silice est contrôlé par la dynamique de l'association PDMA/silice.

Sentinel lymph node (SLN) biopsy is a reliable technique for the diagnosis of metastases in breast cancer. However, the tracers used (blue dye and radiocolloid) are not optimal because they can cause allergic reactions and major costs in waste processing. Our strategy was to use near-infrared emitting nanoparticles for the mapping of SLN: indium-based Quantum Dots (QDs) and cyanine 7 embedded in silica nanoparticles (SiNP). In a murine model of mammary carcinoma, all SLN containing lymphatic metastases could be visualized with fluorescent indium-based QDs. The biodistribution study concluded that the major organs of retention were the injection point and lymph nodes whereas liver and spleen accumulated fewer QDs. The cytotoxicity tests demonstrated a weak in vitro toxicity of indium- compared to cadmium-based QDs. SiNP show several advantages over free fluorophore such as biocompatibility, better retention in the SLN and greatest photophysical properties. SLN could be mapped as soon as 5 minutes after SiNP injection. The in vivo toxicity in mice was followed during 3 months after injection and did not reveal any signs of general or hepatic toxicity. Both fluorescent nanoparticles are thus well adapted for the mapping of the SLN and could be a favourable substitute to the actually tracers; La biopsie du ganglion sentinelle (GS) est actuellement la technique de référence pour le diagnostic des métastases ganglionnaires du cancer du sein. Cependant, les traceurs utilisés pour la cartographie du GS (colorant bleu et radiocolloïde) ne sont pas idéaux et peuvent occasionner des réactions allergiques et engendrer des coûts importants. Une alternative à l'utilisation de ces traceurs repose sur le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche infrarouge à l'aide de nanoparticules. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : les Quantum Dots (QDs) à base d'indium et les nanoparticules de silice (NPSi) renfermant de la cyanine 7. Dans un modèle murin de carcinome mammaire, tous les GS envahis par les métastases ont pu être visualisés grâce à la fluorescence des QDs-indium. L'étude de biodistribution a mis en évidence une capture majeure des QDs au point d'injection et dans les ganglions associée à une faible concentration dans le foie et la rate. La toxicité des QDs a été évaluée in vitro et a démontré une toxicité fortement réduite des QDs-indium par rapport aux QDs-cadmium. Les NPSi présentent les avantages suivants : biocompatibilité, amélioration de la rétention dans le ganglion et des propriétés photophysiques par rapport au fluorophore libre. Le GS est rapidement visualisable par fluorescence suite à l'injection de NPSi. Le suivi des souris, pendant 3 mois post-injection, n'a révélé aucun signe de toxicité générale ou hépatique. Ces deux types de nanoparticules fluorescentes sont particulièrement bien adaptés à la cartographie du GS et pourraient avantageusement remplacer les traceurs employés actuellement

Sentinel lymph node (SLN) biopsy is a reliable technique for the diagnosis of metastases in breast cancer. However, the tracers used (blue dye and radiocolloid) are not optimal because they can cause allergic reactions and major costs in waste processing. Our strategy was to use near-infrared emitting nanoparticles for the mapping of SLN: indium-based Quantum Dots (QDs) and cyanine 7 embedded in silica nanoparticles (SiNP). We investigated indium-based QDs, which are presumed to be less toxic than their cadmium-based counterparts. Considering that SLN mapping is impaired if lymph nodes are invaded by metastatic cells, we therefore used a murine model of mammary carcinoma with lymphatic metastases. Metastatic cells did not influence the migration of QDs in the SLN since no difference in fluorescence intensity could be observed between healthy and metastatic SLN. The biodistribution study concluded that the major organs of retention were the injection point and lymph nodes whereas liver and spleen accumulated fewer QDs. The cytotoxicity tests demonstrated a weak in vitro toxicity of indium- compared to cadmium-based QDs. SiNP have been already used for tumor imaging but reports on the mapping of SLN with near-infrared emitting SiNP are sparse. The benefits of the encapsulation of the hydrophobic near-infrared emitting fluorophore cyanine 7 included a better retention in the SLN and a reduced in vitro toxicity compared to free fluorophore. The in vivo toxicity in mice was followed during 3 months after injection and did not reveal any signs of general or hepatic toxicity. Both fluorescent nanoparticles are thus well adapted for the mapping of the SLN and could be a favourable substitute to the actually tracers., La biopsie du ganglion sentinelle (GS) est actuellement la technique de référence pour le diagnostic des métastases ganglionnaires du cancer du sein. Cependant, les traceurs utilisés pour la cartographie du GS (colorant bleu et radiocolloïde) ne sont pas idéaux et peuvent occasionner des réactions allergiques et engendrer des coûts importants. Une alternative à l'utilisation de ces traceurs repose sur le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche infrarouge à l'aide de nanoparticules. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : les Quantum Dots (QDs) à base d'indium et les nanoparticules de silice (NPSi) renfermant de la cyanine 7. Notre étude s'est basée sur des QDs-indium, dont la toxicité est supposée être plus faible que celle des QDs à base de cadmium. La visualisation du GS par les traceurs actuels étant altérée par l'envahissement métastatique du ganglion, un modèle murin de carcinome mammaire présentant des métastases ganglionnaires a été utilisé. La présence de cellules métastatiques dans le ganglion n'affecte pas la migration des QDs puisqu'aucune différence d'intensité de fluorescence n'a pu être détectée entre les ganglions sains et les ganglions envahis. L'étude de biodistribution a mis en évidence une capture majeure des QDs au point d'injection et dans les ganglions ainsi qu'une plus faible concentration dans le foie et la rate. La toxicité des QDs a été évaluée in vitro et a démontré une toxicité fortement réduite des QDs-indium par rapport aux QDs-cadmium. Les NPSi ont été largement appliquée à l'imagerie tumorale mais les études portant sur la visualisation du GS sont peu nombreuses. Les avantages de l'encapsulation de la cyanine 7, fluorophore hydrophobe émettant dans le proche infrarouge, dans des NPSi comprennent notamment une meilleure rétention dans le GS et une toxicité in vitro considérablement limitée par rapport au fluorophore libre. Les souris ont été suivies pendant 3 mois après injection de NPSi et aucun signe de toxicité générale ou hépatique n'a pu être décelé. Ces deux types de nanoparticules fluorescentes sont particulièrement bien adaptés à la cartographie du GS et pourraient avantageusement remplacer les traceurs employés actuellement.

Recent development of nanotechnologies, while promising great advances, in particular in the bio-medical field, rise several questions, e.g. what is the behaviour of these nano-objects in biological conditions? Among these materials, silica arise special interest for it is already used in cosmetics, with the associated question of dermal exposure, and is studied for intracellular drug delivery. This study aims at bringing some answers concerning the fate of different kind of silica nanoparticles in biological conditions by exploring the following phenomena: aggregation and dissolution in biological media, internalisation in 2D or 3D cell cultures, toxicity and intracellular fate. In the context of cutaneous exposure, human dermal cells were used, both in direct exposition and through diffusion of the nanoparticles in dermis-like collagen matrices immobilizing cells. It appears that dissolution is size-dependant, internalisation is influenced by diameter and composition of the particles, toxic effects are governed by number of exposed particles, more than weight concentration, and intracellular dissolution can be modulated by the size of the particles or incorporation of disulfide moieties, possibly inducing the release of encapsulated molecules. Thus characteristics of the nanoparticles (diameter, surface charge and composition) influence their behaviour in biological media and in presence of cells; Le développement des nanotechnologies, tout en promettant des progrès remarquables, notamment dans le domaine biomédical, soulève de nombreuses questions : en particulier quel est comportement de ces nano-objets en milieu biologique ? La silice a une place particulière parmi ces matériaux puisqu'elle est utilisée dans des produits cosmétiques, posant ainsi la question de l'exposition cutanée, et étudiée pour développer des vecteurs de libération intracellulaire. Cette étude a pour but d'apporter des éléments de réponses sur le comportement de différentes nanoparticules de silice en milieu biologique, à travers le suivi des phénomènes suivants : agrégation et dissolution en milieu biologique, internalisation dans des cellules en culture 2D ou 3D, toxicité et devenir intracellulaire des particules. Pour se placer dans le contexte d'une exposition cutanée, l'étude a été menée sur des cellules humaines du derme, en exposition directe ou immobilisées dans un matériau modèle du derme à travers lequel les nanoparticules diffusent. On constate ainsi que la cinétique de dissolution des particules en milieu biologique est fonction de leur taille, l'internalisation est influencée par le diamètre et la composition des particules, les effets toxiques sont liés au nombre de particules plutôt qu'à la concentration massique, et enfin la dissolution intracellulaire peut être modulée par la taille et l'insertion de fonctions disulfures et permettre la libération de molécules encapsulées dans les particules. Il apparaît donc que les caractéristiques des nanoparticules (taille, charge de surface et composition) influencent leur comportement en milieu biologique et en présence de cellules

One of the origins of the accelerated aging of proton exchange membranes used in Fuel Cells is the oxidation induced by H2O2 formation. This work concerns the development of a new way to chemically stabilize a sPEEK membrane by the addition of stabilizing nano-fillers. Four fillers were synthesized by grafting organosulfur functions (disulfide, tetrasulfide and thiourea) onto silica nanoparticles. A specific protocol to prepare hybrid membranes led to materials with suitable mechanical properties and proton conductivity for fuel cells application. Polysulfides allow a significant decrease of the matrix degradation occurring during membrane processing and also a large increase of the proton conductivity of this matrix during ex-situ aging tests (H2O2). A membrane containing tetrasulfide nano-fillers could withstand 1200h in OCV condition at 70°C and 100%RH, without showing any sign of degradation., La dégradation accélérée des membranes conductrices protoniques en pile est en partie due à une oxydation induite par la production d'H2O2. Cette étude présente une stratégie originale de stabilisation chimique d'une matrice de sPEEK par l'inclusion de nano-charges stabilisantes. Quatre nano-charges ont été préparées par fonctionnalisation de nanoparticules de silice avec des fonctions chimiques organosoufrées (disulfure, tétrasulfure et thiourée). Un protocole spécifique de mise en forme des membranes hybrides a permis d'obtenir des composites présentant des propriétés mécaniques et une conductivité protonique compatibles avec l'application pile. Les fonctions polysulfures permettent de ralentir la dégradation de la matrice de sPEEK durant l'étape de mise en œuvre et d'augmenter sa conductivité au cours d'un vieillissement ex-situ (H2O2). En présence de fonctions tétrasulfures, la membrane sPEEK ne se dégrade pas durant un test de 1200h en OCV à 70°C et 100%HR.

This thesis is dedicated to the fabrication of functional silica nanoparticles. They exhibit luminescent, magnetic and/or plasmonic properties and find applications in the field of biotechnologies. The novel character of these nanoparticles relies on the use of octahedral metal atom clusters as luminophores. They have been embedded in silica nanoparticles mainly through a water-in-oil microemulsion process. This technique is particularly well designed for the synthesis of nanoparticles below 50 nm in diameter and exhibiting complex architectures. The cluster@SiO₂ nanoparticles and their properties have been deeply investigated. The clusters have also been associated with ZnO nanocrystals leading to materials with tunable visible emission properties. In order to create a system that could simultaneously be excited and emit in the near infrared, the clusters have been associated with NaYF₄:Er/Yb nanocrystals showing photon upconversion properties. Bifunctional nanoparticules with luminescent and magnetic properties have been achieved by the association of clusters with γ-Fe₂O₃ nanocrystals. Finally, the potential of the clusters as a reducing agent for the patterning of cluster@SiO₂ nanoparticles with gold or silver nanocrystals has been demonstrated. Besides this, the nanotoxicity of the clusters on rapeseed plants has been showed as well as the effective protection of the silica layer against their toxic effects., Ces travaux de thèse sont dédiés à l'élaboration de nanoparticules de silice fonctionnelles. Celles-ci présentent des propriétés de luminescence, de magnétisme et/ou de plasmonique, et trouvent généralement des applications en biotechnologie. Le caractère innovant de ces nanoparticules repose sur l'utilisation de clusters octaédriques d'éléments de transition en tant que luminophores. Ces clusters ont principalement été encapsulés dans des nanoparticules de silice via un procédé de microémulsion eau-dans-huile. Cette méthode est particulièrement bien adapté pour la synthèse de nanoparticules de diamètre inférieur à 50 nm et présentant des architectures complexes. La caractérisation des nanoparticules de cluster@SiO₂ et de leurs propriétés a fait l'objet d'une étude approfondie. Ces clusters ont également été associés dans des nanoparticules de silice conjointement avec des nanocristaux de ZnO, conduisant à l'obtention de matériaux avec des propriétés de luminescence modulables. Afin de créer un système pouvant à la fois être excité et émettre dans le proche infrarouge, des clusters ont été associés avec des nanocristaux de NaYF₄:Er/Yb ayant des propriétés d'upconversion de photons. Des nanoparticules bifonctionnelles luminescentes et magnétiques ont été obtenues en associant des clusters avec des nanocristaux de γ-Fe₂O₃. Enfin, le potentiel des clusters en tant qu'agent réducteur pour décorer des nanoparticules de cluster@SiO₂ avec des nanocristaux d'or ou d'argent a été démontré. En parallèle, la nanototoxicité des clusters sur des plantes de colza a également été étudiée, ainsi que le rôle protecteur de la silice contre leurs effets néfastes.

The synthesis of polyamic acids (PAA) with oligo-oxyethylene and -oxypropylene rubbery blocks and the related polyimides (PEI) has been studied and their gas permeation properties determined for He, N2, O2, H2, CH4 and CO2. It was shown that the rubbery phase dramatically increased the gas permeability coefficients compared to conventional aromatic polyimides. The permeability of CO2 is preferentially increased in comparison to all other gases, leading to remarkable ideal selectivities, especially for the N2 mixture (40). The incorporation of silica nanoparticles in PEI (from 1 to 15 wt%) was carried out during the cyclo-dehydration of the PAA by adding fumed hydrophobic (16 nm) or hydrophilic (12 nm) silica, or by Sol-Gel approach using alkoxysilane precursors (TMOS and TEOS). The effect of SiO2-fillers on the properties of gas permeation has been studied by the time-lag method mainly on the series prepared with fumed silica. It was observed that nano-particles of silica do not seem to disturb the PAA cyclization process and that the mechanical properties are improved; the gas permeability varies essentially depending on the amount of fillers incorporated but no spectacular increase in permeability could be shown due to the nano-particles amounts. Apparently, it can be deduced that it is the rubbery phase which accommodates the SiO2 particles. These results showed the value of PEI and PEI/SiO2 membranes in industrial applications of gas separation, especially for the separation of CO2/N2 mixtures.; La synthèse d'acide polyamique (APA) comportant des blocs élastomères de type oligo-oxyéthylène et -oxypropylène et des polyimides correspondants (PEI) a été étudiée et leurs propriétés de perméation gazeuse déterminées pour He, N2, O2, H2, CH4 et CO2. Il a été montré que la présence de la phase élastomère augmentait de façon très importante les coefficients de perméabilité au gaz comparativement aux polyimides aromatiques conventionnels. La perméabilité du CO2, augmentée de façon préférentielle par rapport celles de tous les autres gaz, conduit à des sélectivités idéales tout à fait remarquables, en particulier vis-à-vis de N2 (40). L'incorporation de nanoparticules de silice dans les PEI (de 1 à 15% en masse) a été effectuée lors de l'étape de cyclo-déshydratation de l'APA, soit par ajout de silice hydrophobes (16 nm) ou hydrophiles (12 nm), soit par méthode Sol-Gel à partir de précurseurs alcoxysilanes (TMOS et TEOS). L'influence des charges SiO2 sur les propriétés de perméation gazeuse a été étudiée par la méthode du temps de retard (time-lag) essentiellement sur la série préparée avec des particules préformées. On a observé que les nano-charges de silice ne semblent pas interférer dans le processus de cyclisation et que les propriétés mécaniques sont renforcées ; la perméabilité aux gaz varie surtout selon la quantité de charges incorporées mais aucune augmentation spectaculaire de perméabilité n'a pu être observée. On peut en déduire que, vraisemblablement, c'est la phase élastomère qui est le lieu d'incorporation des particules de SiO2. Ces résultats montrent l'intérêt des membranes PEI et PEI/SiO2 dans des applications industrielles de séparation de gaz, notamment pour la séparation de mélanges CO2/N2.

National audience; Au cours des dernières années, les polymères composites ont suscité un très vif intérêt. La compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le phénomène de renforcement des polymères, a conduit à la recherche de nouveaux matériaux à propriétés mécaniques données, obtenus en jouant, à l'échelle nanométrique, sur l'interface polymère-charge. Les matériaux chargés de nanoparticules de silice présentent des propriétés mécaniques et thermiques qui sont, en général, nettement améliorées par rapport au polymère pur. Un bon renforcement nécessite l'existence d'interactions entre les phases organique et inorganique. D'autre part, le facteur de forme des particules (longueur/largeur) affecte les propriétés mécaniques du composite. Bien que des charges sphériques de silice aient été largement exploitées pour renforcer des polymères et essentiellement des mélanges de polymères immiscibles, ces charges jouent un rôle important sur les propriétés morphologiques et mécaniques. Ce travail présente les résultats expérimentaux obtenus avec différents types de mélanges (polypropylène/polystyrène PP/PS) et (Polypropylène/Ethylène acétate de vinyle PP/EVA) et pour différents types de charges (silice hydrophile et hydrophobe).