Ingénierie de nanoparticules plasmoniques robustes pour la génération de bulles par laser en vue d'applications biomédicales

Les chirurgiens génèrent des bulles dans le corps humain à l'aide d'irradiation laser depuis plusieurs décennies. Ils utilisent ces bulles comme de petits scalpels, leur permettant de faire des incisions précises et localisées. Une des applications de cet outil chirurgical est la perforation cellulaire. Au lieu d'utiliser une aiguille pour perforer la membrane des cellules, il est possible de focaliser des impulsions laser en surface d'une cellule, formant un plasma au point focal du laser et générant une bulle qui perfore la membrane cellulaire. Toutefois, ce procédé est assez lent et la perforation massive de cellules in-vivo n'est pas envisageable. Pour accélérer le processus, il est possible d'utiliser des nanoparticules plasmoniques. Ces dernières agissent comme des nano-antennes qui permettent de concentrer la lumière sur une échelle nanométrique. La possibilité d'irradier un grand nombre de nanoparticules simultanément a donné un nouvel élan à la génération de bulle comme outil de perforation cellulaire. L'utilisation de nanoparticules dans un contexte biomédical comporte toutefois certains risques. En particulier, la fragmentation de nanoparticules peut augmenter la toxicité du traitement. Dans un cas idéal, il est préférable d'utiliser des nanoparticules qui ne sont pas endommagées par l'irradiation laser. Cette thèse a pour but de développer une méthode d'ingénierie de nanoparticules robustes permettant la génération efficace de bulles à des fins biomédicales. Il est tout d'abord démontré expérimentalement que la formation de plasma est bel et bien le mécanisme physique principal menant à la génération de bulles lors de l'irradiation infrarouge (longueur d'onde de 800 nm) et ultrarapide (temps d'impulsion entre 45 fs et 1 ps) de nanoparticules d'or de 100 nm. Pour réaliser cette démonstration, une méthode pompe-sonde de détection de bulles d'environ 1 μm a été élaborée. Cette méthode a permis de mettre en évidence une différence de taille de 18 % entre les bulles générées avec une irradiation de polarisation linéaire par rapport à une polarisation circulaire lorsque la durée d'impulsion était inférieure à la picoseconde. Pour des impulsions plus longues, il est montré que les tailles de bulles sont indépendantes de la polarisation des impulsions incidentes. Ce comportement particulier est en accord avec les prédictions théoriques qui incluent la formation non-linéaire de plasma et ne peut pas être expliqué en considérant uniquement l'absorption des particules. Ensuite, une méthode de conception de nanoparticules robustes pour la génération de bulles est élaborée. Cette méthode se base sur les propriétés optiques des nanostructures.

Abstract

Surgeons generate bubbles in the human body using laser irradiation for several decades. They use these bubbles as small scalpels, allowing them to make precise and localized incisions. One application that this surgical tool enables is the cell perforation. Instead of using a needle to puncture the membrane of the cells, it is possible to focus the laser pulses on the surface of a cell, forming a plasma at the focal point of the laser and generating a bubble that perforates the cell membrane. However, this process is quite slow and the massive in vivo perforation of cells is not realistic. To fasten the process, it is possible to use plasmonic nanoparticles. Those particles act as nano-antennas that concentrate the light with high precision. The ability to irradiate a large number of nanoparticles simultaneously gave a new hope for the bubble generation as a cell perforation tool. The use of nanoparticles in a biomedical context, however, involves certain risks. In particular, fragmentation of nanoparticles may increase the toxicity of the treatment. In an ideal case, it is preferable to use nanoparticles that are not damaged upon laser irradiation. This thesis aims to develop an engineering method of robust nanoparticles for the efficient generation of bubbles for biomedical purposes. It is first shown that the plasma formation is indeed the main physical mechanism leading to the generation of bubbles during the irradiation of 100 nm gold nanoparticles with ultrashort laser pulses (pulse width between 45 fs and 1 ps) in the near-infrared (wavelength of 800 nm). To achieve this demonstration, a pump-probe method has been developed to detect the bubble formation of about 1 μm diameter. This method enabled to show an 18 % size difference between the bubble generated from a linearly polarized laser pulse and a circularly polarized one, for pulse width below 1 ps. For longer laser pulses, it is shown that the bubble sizes are independent of the laser polarization. This unique behavior is in agreement with theoretical predictions that include the non-linear plasma formation and cannot be explained considering the particles absorption only. Next, a design method of robust nanoparticles for the generation of bubbles is presented.