UPThèses

En France, dans les centres de stockage des déchets radioactif, les matériaux cimentaires (les bétons) sont utilisés comme barrière et matrice de confinement retardant la migration des radionucléides ainsi que de matériau structurel. Cependant, le comportement à long terme (durabilité) de ces matériaux dépend des altérations physico-chimiques et mécaniques qu'ils vont subir au cours de leur vie. L'endommagement lié à ces altérations (génération de chemins préférentiels, sous la forme de fractures) peut conduire à des modifications plus ou moins marquées des propriétés de transport (coefficients de diffusion, perméabilité) et de rétention des radionucléides (RN) au sein de ces matériaux et ainsi potentiellement impacter leur transfert à la biosphère. Comprendre les conséquences de cette fracturation sur la migration des radionucléides et sur les propriétés de rétention des matériaux cimentaire est crucial afin de prévoir la migration des éléments radioactifs. Lors de ce travail, des réseaux de fractures ont été générés à l'intérieur d'éprouvettes de mortier, matériau analogue au béton, en utilisant une méthode de fracturation triaxiale. Les propriétés des mortiers sains ou fracturés ainsi que leur structure interne ont été caractérisées en utilisant plusieurs techniques de laboratoire (porosité et perméabilité à l'eau) ainsi que des techniques d'imagerie (microscopie optique ou électronique à balayage, micro-tomographie à rayon X, corrélation volumique numérique ou encore par imprégnation au polyméthacrylate de méthyle dopé au carbone 14). A partir d'échantillons de mortier, deux types d'essais de transports ont été menés : (i) des essais de type « diffusion transverse » (through diffusion), consistant à imposer un gradient de concentration de part et d'autre d'un échantillon de mortier (sain ou fracturé) d'une épaisseur donnée, et de mesurer le flux de solutés (traceurs traversant l'échantillon. A l'issue de ces expériences, des analyses par autoradiographie (post-mortem) ont été réalisées afin d'imager la distribution des répartitions des RN dans l'échantillon. (ii) des essais de transport par advection – dispersion, consistant à transporter des radionucléides à travers un échantillon de mortier fracturé, d'une épaisseur donnée, en instaurant un gradient de pression entre les deux côtés du matériau. La combinaison des résultats des expériences de transport ainsi que les caractérisations des matériaux, sains et fracturés, et les analyses par autoradiographie ont permis de caractériser l'effet de l'ouverture de la fracture sur le transport et la rétention de différents traceurs radioactifs (³H, ³⁶Cl, ⁷⁵Se et ¹³⁷Cs) présentant une interaction plus ou moins forte avec la matrice cimentaire.

Pour différentes raisons, la 5G domine actuellement l'actualité technologique. Les capacités de la 5G en termes de largeur de bande et de temps réel constitues un énorme potentiel sociétal en permettant pléthore d'applications nouvelles et inattendues. En effet, la bande de fréquence des ondes millimétriques se caractérise par une largeur de bande disponible qui peut prendre en charge des systèmes sans fil à haut débit pour les futurs systèmes de radiocommunication, y compris les systèmes cellulaires de cinquième génération et au-delà. Les fréquences d'exploitation des ondes millimétriques nécessitent généralement une plus grande ouverture d'antenne pour améliorer le bilan de liaison. Ces antennes se présentent généralement sous la forme de réseaux phasés, permettant la formation de faisceaux. Dans ce contexte, ce travail présente la conception et la mise en œuvre d'un déphaseur actif à 19,5 GHz pour la formation de faisceaux. Le circuit proposé est basé sur une architecture originale utilisant un oscillateur commandé en tension verrouillé par injection (ILVCO en Anglais) associé à un filtre polyphase suivi d'un circuit de sélection de phase et de son signe. La phase souhaitée dans la plage de ± 45° est synthétisée avec le circuit proposé en modifiant la tension de commande Vcntr de l’ILVCO pour un réglage fin et en modifiant les deux signaux de commandes du sélecteur de phase et de signe (S0, S2) pour un réglage grossier, ce qui engendre une variation de phase linéaire de 360°. D'après les résultats de la simulation post-layout, la plage de réglage de la fréquence d’oscillation libre du VCO varie de 17,89 GHz à 20,16 GHz. En outre, avec une puissance injectée de -8,5 dBm et une fréquence de 19,5 GHz, le déphaseur proposé consomme 20,47 mA sous une tension d'alimentation de 1,3 V. De plus, la puissance de sortie moyenne sur 50 Ω est de -15,58 dBm. Le circuit complet a une taille de 1,58 mm2, y compris les pads, et il est intégré sur un process BiCMOS SiGe:C 0,13 μm. Enfin, les résultats obtenus montrent que le déphaseur actif proposé s’avère un candidat potentiel pour les systèmes à réseau phasé utilisés pour la formation de faisceaux dans les applications 5G.

En étudiant les indications géographiques, notamment le Cognac, les vins et les produits laitiers à Shanghai depuis 2008, cette thèse traite de l'impact des importations agroalimentaires en Chine sur l'évolution du cadre réglementaire chinois. La mondialisation des modes de consommation rendue possible depuis la mise en place de la politique d'ouverture de Deng Xiaoping à la fin des années 1970 a fait évoluer le régime alimentaire chinois. En 2018, les citoyens chinois consomment une part de produits alimentaires importés beaucoup plus large que dix ans auparavant. Alors positionnés comme produits de luxe (vins de Bordeaux, Cognac, produits laitiers importés…), les produits avec indication géographique ont gagné en popularité au point d'être assimilés à des produits de consommation courante. En 2018, 80 % des vins et spiritueux français exportés vers la Chine sont des produits sous indications géographiques. La réglementation liée à ces produits et aux entreprises de production et de distribution a évolué, nécessitant la création d'outils juridiques. Face à l'augmentation des scandales sanitaires aux effets souvent dramatiques sur la santé publique, le gouvernement chinois tente d'instaurer un cadre propice à la protection du consommateur et des produits. Dans le cas de la protection des indications géographiques ou de la politique sanitaire, il n'hésite pas à s'inspirer de l'étranger, en particulier de la France ou de l'Union européenne.

Dans le milieu médical, les spécialistes en neuroscience utilisent une représentation 3D du cortex cérébral pour évaluer l’étendue d’une lésion, ou pour détecter des maladies neurodégénératives telles qu’Alzheimer ou la sclérose en plaques. Dans ce contexte, la 3D offre une visualisation globale de l’anatomie voire permet le recours à la simulation. Néanmoins, les représentations 3D utilisées sont majoritairement sous la forme de grille de voxels en raison des systèmes d’acquisition (scanners, IRM, etc.). La résolution de la grille n’est pas forcément adaptée car elle induit une visualisation en « marches d’escalier » et approxime tout calcul géométrique, comme la mesure du volume d’une tumeur, à la taille des voxels. Pour obtenir une représentation plus fine, il est possible d’utiliser des maillages 3D mais les méthodes standards actuelles n’arrivent pas à représenter correctement les lésions et ne vérifient pas la cohérence des voisinages entre les différents tissus anatomiques afin de valider la reconstruction (substance blanche, substance grise, liquide céphalo-rachidien…). Par ailleurs, les modèles ne prévoient pas l’incorporation d’informations non géométriques pourtant utiles aux spécialistes. Dans les travaux décrits dans cette thèse, nous proposons un modèle dédié à l’étude du cerveau (en particulier les tumeurs cérébrales). Ce modèle est suffisamment riche pour permettre de regrouper les données anatomiques et toutes les informations issues du contexte d’application, par exemple en spectroscopie par résonance magnétique (SRM), les concentrations des métabolites. Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle méthode de reconstruction qui produit un maillage volumique représentant les tissus cérébraux, enrichi par des informations de sémantique (appartenance à un tissu) et topologiques. Ces dernières sont décrites dans notre modèle par les cartes généralisées. Notre méthode utilise un ensemble de contraintes de cohérence définies en 3D, et exploite les connaissances et informations médicales pour guider la reconstruction. Dans un deuxième temps, nous utilisons ce modèle pour une application de visualisation et de représentation de données acquises par SRM. Cela permet notamment d’interpréter les données spectroscopiques à la lueur des types de tissus couverts et de leur métabolisme normal. Enfin, nous étudions les possibilités d’exploitation de notre principe de reconstruction dans de nouveaux cadres applicatifs (par exemple, données d’acquisition de tomographie pour l’horlogerie).

Le rachis, structure essentielle du corps humain, est constitué d’un empilement de corps rigides (les vertèbres) et de parties souples (les disques), l’ensemble étant maintenu en place par un système ligamentaire et musculaire complexe. Cette structure remplit plusieurs fonctions importantes, comme la protection de la canal rachidien, ou encore la transmission des efforts du tronc vers les membres périphériques. Il est aussi responsable de l’équilibre sagittal avec différentes courbures présentes à chacun des niveaux rachidiens, à savoir le rachis cervical, thoracique, lombaire, et sacré. Le rachis peut rencontrer certains disfonctionnements causés par des traumatismes ou des dégénérescences liées à l’âge. Afin de corriger les troubles les plus importants, différentes approches chirurgicales peuvent être employées, celles-ci consistant souvent à stabiliser les niveaux atteints, c’est-à-dire à les bloquer dans une position physiologique, ou encore à restaurer les fonctions perdues, notamment en remplaçant un disque par une prothèse mobile lors de la réalisation d’une arthroplastie. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet BORDO (Biomécanique Ostéoarticulaire du Rachis et Dispositifs Optimisés) et a pour objectifs l’étude d’implants rachidiens innovants et le développement d’implants rachidiens optimisés. Au cours de ce travail, plusieurs études ont été réalisées, qu’elles soient numériques ou expérimentales, afin d’étudier le comportement de spécimens rachidiens thoraco-lombaires et lombo-sacrés, à des états intacts et instrumentés avec différents implants. Plusieurs dispositifs chirurgicaux ont pu être évalués, en étudiant notamment le cas de prothèses d’arthroplastie, conduisant à des résultats très différents. Les résultats obtenus au cours des différentes études réalisées ont permis d’établir un cahier des charges complet et précis, posant ainsi les bases pouvant mener à la création d’un nouvel implant rachidien optimisé.

Dans un contexte énergétique incertain, l’idée de récupérer un flux de chaleur perdu en courant électrique apparait séduisante : c’est le principe de la thermoélectricité. Ce travail de thèse a pour objectif de montrer que les défauts qui influencent les propriétés physiques peuvent être utilisés pour les moduler et ainsi améliorer les performances des matériaux thermoélectriques, dont leur facteur de mérite (ZTm = S²/ρκ ). Les défauts ont été introduits via un processus hors équilibre, couramment utilisé dans l’industrie du semi-conducteur, appelé implantation ionique. Des films minces de ScN ont ainsi été implantés à différents taux d’endommagement et l’effet des ions a été examiné à travers différentes techniques de caractérisation permettant d’analyser en détail l’évolution des propriétés structurales et thermoélectriques. Les résultats montrent que quel que soit l’ion considéré, la génération de défauts induit systématiquement une diminution importante de la conductivité thermique (κ). Cependant, dans le ScN l’implantation provoque également un changement du mode de conduction électrique, de type métallique à semi-conducteur. Ce changement est imputé à des défauts de type ponctuel qui induisent des états localisés proches du niveau de Fermi, entrainant alors un mode de conduction par sauts (VRH). Ces défauts guérissent dès 400 K, laissant place à un autre type de défauts dits complexes qui sont notamment responsables de l’augmentation de la résistivité (ρ) mais également de l’amélioration du coefficient Seebeck (S). Ainsi, après implantation le ZTm du ScN peut être amélioré jusqu’à 150%. Des recuits thermiques post-implantation montrent une évolution des défauts et une guérison de l’endommagement simultanément, permettant ainsi de restaurer la résistivité tout en préservant un effet sur la conductivité thermique. L’implantation ionique apparait donc comme une technique adaptée pour moduler les propriétés des matériaux thermoélectriques.

Cette thèse est divisée en deux parties indépendantes. La première partie se situe dans le contexte de l’analyse théorique et numérique de quelques généralisations de Cahn-Hilliard et Allen-Cahn équations. Tout d’abord, nous considérons une équation de Cahn-Hilliard avec un terme de prolifération et dotée de conditions aux limites de Neumann. Un tel modèle a, en particulier, des applications en biologie. Nous commençons par prendre un terme non linéaire régulier. Nous prouvons l’existence et le caractère unique de la solution locale (dans le temps) au problème. Ensuite, nous considérons un terme logarithmique non linéaire. Nous prouvons l’existence d’une solution locale (dans le temps) biologiquement pertinente au problème. De plus, nous donnons une condition qui assure l’existence d’une solution globale (dans le temps). On donne des simulations numériques qui confirment les résultats théoriques obtenus. Ensuite, nous étudions une équation d’Allen-Cahn basée sur un équilibre de microforce et un paramètre d’ordre sans contrainte, nous ajoutons un terme source à l’équation. Nous considérons d’abord le terme source, g(s) = βs, et obtenir l’existence, l’unicité et la régularité des solutions. Nous prouvons que, sur des intervalles de temps finis, les solutions convergent vers celles de l’équation de Cahn-Hilliard-Oono lorsqu’un petit paramètre va à zéro puis à celles de l’équation originale de Cahn-Hilliard lorsque β → 0 +. Ensuite, nous considérons un autre terme source et obtenons des résultats similaires. Dans ce cas, nous prouvons que les solutions convergent vers celles d’une équation de Cahn-Hilliard sur des intervalles de temps finis lorsqu’un petit paramètre va à zéro. Nous donnons enfin quelques simulations numériques qui confirment les résultats théoriques. Dans la deuxième partie de cette thèse, trois modèles mathématiques stochastiques sont développés pour la propagation de la maladie à coronavirus (COVID-19). Ces modèles prennent en compte les caractéristiques particulières connues de cette maladie tels que l’existence de cas infectieux non détectés et les différentes conditions sociales et infectieuses des personnes infectées. En particulier, ils comprennent une nouvelle approche qui considère la structure sociale, la fraction des cas détectés par rapport au nombre total réel de cas infectés, l’afflux de personnes infectées non détectées en provenance de l’extérieur des frontières, ainsi que la recherche des contacts et la période de quarantaine pour les voyageurs. Deux de ces modèles sont des modèles discrets d’espace temps-états discrets (l’un est simplifié et l’autre est complet) tandis que le troisième est un modèle intégro-différentiel stochastique temps-espace d’états continu obtenu par un passage formel à la limite du modèle discret simplifié proposé. D’un point de vue numérique, le cas particulier du Liban a été étudié et les données communiquées ont été utilisées pour estimer les paramètres complets du modèle discret, qui peuvent être intéressants pour estimer la propagation de la COVID-19 dans d’autres pays. Les résultats de simulation obtenus ont montré un bon accord avec les données rapportées. De plus, une analyse des paramètres est présentée afin de mieux comprendre le rôle de certains paramètres. Cela peut aider les décideurs politiques à décider de différentes mesures de distanciation sociale.

Cibler des biomarqueurs pour améliorer le diagnostic et les traitements des cancers est devenu un véritable défi médical, voire un challenge sociétal. En effet, le cancer est la seconde cause de mortalité dans le monde, avec des disparités en termes d'incidence et de nombre de décès, fortes selon les pays. Il y a un besoin urgent de développer des outils de diagnostic clinique non-invasif, simple, précis et surtout accessible au plus grand nombre. Dans ce contexte, nous avons proposé une nouvelle stratégie de diagnostic, appelée la volatolomique induite. Elle repose sur l'utilisation de sondes isotopiques non-toxiques, libérant des Composés Organiques Volatils (COVs). Ces sondes activables par des enzymes, peuvent mettre en évidence des marqueurs enzymatiques associés à des pathologies, telles que le cancer. Dans une précédente étude, nous avons démontré l'efficacité d'une première sonde, i.e. ethylglucuronide-D5, activée par la β-glucuronidase, pour diagnostiquer des tumeurs solides in vivo et suivre leur évolution au cours d'un traitement chimio-thérapeutique. Afin d'améliorer la robustesse de cette stratégie et limiter le nombre de faux-positifs qui peuvent être induit par le ciblage d'une seule et unique enzyme, j'ai développé un cocktail de sondes activables chacune par une glycosidase, marqueur des cancers. Cette stratégie a alors été validée sur modèles murins, et permet la discrimination entre des souris saines et des souris cancéreuses après injection du cocktail. Afin de faciliter le transfert de ce nouvel outil diagnostic en clinique, j'ai également participé au développement d'un protocole clinique basé sur l'ajout de cocktail de sondes dans un prélèvement sanguin. Bien que l'essai clinique n'ait pas encore débuté, les phases de développement et d'optimisation ont, elles, été achevées. En parallèle, afin de confirmer la présence des glycosidases dans le microenvironnement tumoral, j'ai mis au point une stratégie de protéomique chimique afin de séparer les protéines abondantes (albumine, fibronectine) des glycosidases, présentes en très petite quantité dans les tissus malins. De ce fait, une approche de protéomique middle-down avec un agent chimique (NTCB) a été développée afin d'obtenir des peptides protéotypiques pour chacune des glycosidases. Cette approche transversale devrait permettre de certifier la présence des protéines ciblées dans la matrice extracellulaire des tumeurs solides.

Le développement de nouvelles méthodes durables permettant la conversion de composés oxygénés issus de la biomasse en molécules aminées à haute valeur ajoutée est très recherché. Plus particulièrement, l'amination de sucres présente un intérêt particulier pour différents domaines d’applications. Cette réaction est décrite dans la littérature et se fait généralement par amination réductrice et est donc limitée à la position anomérique des sucres. Afin d’aminer les fonctions alcools, il est possible d’utiliser la méthode d’auto-transfert d’hydrogène. L’un des verrous de cette réaction est la maîtrise de sa sélectivité qui peut dépendre de plusieurs paramètres tel que le type du substrat, la nature du catalyseur (homogène, hétérogène) ou des conditions expérimentales utilisées (température, pression, additif…). L’objectif de ces travaux de thèse est donc de réaliser l’amination d’un sucre, le méthylglucose, qui servira de substrat modèle, par réaction d’auto-transfert d’hydrogène. Le principal défi sera d’obtenir un contrôle de la sélectivité de la réaction spécifiquement vers la mono-amination du sucre, mais également un contrôle de la sélectivité vers la formation de l’amine secondaire ou tertiaire. La réaction pourra être contrôlée en modulant les conditions réactionnelles et notamment en utilisant un catalyseur de nature hétérogène ou homogène. Cette méthodologie a été appliquée à d’autres sucres.

Le don d'organes est un acte crucial pour les personnes en attente de transplantation, mais la disponibilité limitée d'organes en bon état constitue un obstacle majeur. Cela est particulièrement vrai pour les reins, car le nombre d'organes sains et viables disponibles est bien inférieur au nombre de patients en attente. Cette pénurie d'organes est un problème de santé publique majeur qui doit être résolu. Pour remédier à cette situation, les critères d'admissibilité pour les donneurs décédés considérés comme "à risque" ont été élargis, mais ces donneurs peuvent présenter un risque accru de rejet et nuire à la survie du patient transplanté en raison de la qualité compromise de l’organe. Actuellement, les médecins se basent sur des caractéristiques du donneur, telles que la biochimie, l'évaluation visuelle et les biopsies pré-greffes mais ces méthodes ont des limites qui ne permettent pas une anticipation avec un haut degré de rapidité, fidélité et reproductibilité. Notre projet de recherche vise à concevoir un outil qui permettra d'évaluer précisément la qualité d'un rein avant la transplantation. Nous avons choisi d'utiliser la métabolomique et l'intelligence artificielle (IA) pour atteindre cet objectif. La métabolomique est une branche innovante de la biologie qui étudie les métabolites, des composés qui reflètent l'état physiologique des cellules. Nous utiliserons des techniques de chromatographie liquide haute performance couplée à de la spectrométrie de masse pour mesurer les profils métaboliques des donneurs de manière non ciblée. L'IA sera ensuite utilisée pour traiter et analyser ces données obtenues. En combinant ces données avec d'autres informations cliniques, nous pourrons développer un algorithme qui permettra de prédire la qualité d'un rein avec une grande précision. Cet algorithme sera formé à partir de données provenant de différents patients ayant subi une transplantation rénale, ce qui permettra de déterminer les indicateurs les plus pertinents pour évaluer la qualité d'un rein. Nous sommes convaincus que cet outil permettra une évaluation précise de la qualité d'un rein avant la transplantation, améliorant ainsi les chances de réussite de l'intervention et réduisant les risques pour les patients. Cette combinaison de métabolomique et d'IA aura un impact significatif sur le domaine de la transplantation rénale, en fournissant des informations fiables sur la qualité des reins destinés à la transplantation. Nous sommes impatients de voir les résultats de cette recherche et de constater comment elle pourra bénéficier à un grand nombre de personnes en attente de transplantation rénale.