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ENACT Métasurfaces pilotées par l'IA pour les applications biomédicales : Optimisation des biointerfaces fonctionnalisées par des polymères pour le diagnostic avancé et la biosurveillance

Offre de thèse

ENACT Métasurfaces pilotées par l'IA pour les applications biomédicales : Optimisation des biointerfaces fonctionnalisées par des polymères pour le diagnostic avancé et la biosurveillance

Date limite de candidature

15-04-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

ALEM-MARCHAND Halima

Encadrement

1. L'encadrement du doctorant sera assuré par un directeur et co-directeur de thèse qui fourniront un accompagnement scientifique régulier à travers des réunions périodiques et un suivi des avancées. 2. Le suivi de la formation du doctorant inclura la participation à des séminaires, des formations méthodologiques et des conférences en lien avec son domaine de recherche. 3. Un bilan semestriel ou annuel sera établi pour évaluer l'évolution des travaux du doctorant, permettant d'identifier les obstacles et d'ajuster la méthodologie si nécessaire. 4. L'avancement des recherches sera documenté à travers des rapports d'étape, des publications scientifiques et des communications lors de colloques. 5. Un comité de suivi doctoral sera mis en place pour assurer un accompagnement complémentaire et veiller à la progression académique et professionnelle du doctorant.

Type de contrat

Enseignement supérieur

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 4 - N2EV : 403 - Nanomatériaux et Santé

contexte

Les métasurfaces fonctionnalisées par des polymères réactifs offrent une nouvelle approche pour améliorer la détection des biomarqueurs, en contrôlant l'adsorption des protéines et en réduisant le bio-encrassement, des défis majeurs en diagnostic du cancer. L'intégration de l'intelligence artificielle dans ce projet permettra d'optimiser la conception de ces surfaces en analysant les relations complexes entre leur structuration nanométrique, la chimie des polymères et les interactions biomoléculaires. En combinant nanotechnologies, biointerfaces et apprentissage automatique, cette recherche ouvrira la voie à des biosenseurs de nouvelle génération, plus précis et plus performants pour les applications médicales.

spécialité

Sciences des Matériaux

laboratoire

IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Diagnostic du cancer, Métasurfaces, Intelligence artificielle, Réseaux neuronaux convolutifs, Optimisation, Biointerfaces

Détail de l'offre

'Cette offre de thèse est proposée par le Cluster ENACT AI et ses partenaires. Retrouvez toutes les offres de thèse et les actions d'ENACT sur https://cluster-ia-enact.ai/' L'ingénierie des interactions protéines-surface est essentielle pour développer des biosenseurs de nouvelle génération, notamment pour la détection précoce du cancer. Les métasurfaces, obtenues par lithographie électronique (EBL), permettent un contrôle précis de l'adhésion des biomolécules. Ce projet utilisera une approche expérimentale pilotée par l'IA pour concevoir des métasurfaces dotées de propriétés bio-interactives optimisées pour le diagnostic du cancer. Le greffage de polymères sur des surfaces est une stratégie clé pour ajuster les propriétés interfaciales, en modulant l'énergie de surface, la mouillabilité et l'interaction avec les biomolécules. Les interactions protéines-polymères sont régies par des principes d'équilibre thermodynamique, d'exclusion stérique et d'électrostatique, tandis que la densité de greffage influence l'adsorption des protéines via des effets de brosse et d'exclusion volumique. Jusqu'à présent, ces phénomènes ont été principalement étudiés sur des surfaces planes, structurées ou tridimensionnelles (nanoparticules, nanorods). L'application des métasurfaces à ces problématiques devrait permettre de révéler de nouvelles interactions polymère-protéine et d'aller au-delà de l'état de l'art actuel. Les métasurfaces fonctionnalisées par des polymères réactifs offrent un moyen efficace pour améliorer la spécificité des biomarqueurs, réduire le bio-encrassement et renforcer la sensibilité des détecteurs – des défis clés en diagnostic médical. Contrairement aux surfaces classiques, elles permettent une modulation chimique à l'échelle nanométrique. Ce projet s'intéressera particulièrement à l'organisation des motifs des métasurfaces selon des modèles hyperuniformes et à courte portée, fabriquées par EBL et polymérisation “grafting-from”. Ces surfaces fourniront un cadre idéal pour étudier l'adhésion des protéines, la sélectivité moléculaire et l'énergie de surface. Parallèlement, l'intelligence artificielle (IA) sera utilisée pour analyser les liens entre la structuration des métasurfaces et les interactions polymère-protéine, mesurées expérimentalement. Les méthodes d'apprentissage non supervisé permettront d'identifier les paramètres de surface les plus influents, tandis que les modèles supervisés seront testés pour établir des modèles prédictifs. Ces modèles seront ensuite exploités pour concevoir des métasurfaces optimisées en vue d'améliorer la détection des biomarqueurs. Le choix des algorithmes dépendra des données obtenues et de leur nature. L'utilisation de réseaux neuronaux convolutifs sera envisagée pour analyser la topologie des surfaces greffées, associée à des techniques de régression plus classiques. L'intégration des connaissances existantes guidera le processus d'apprentissage et garantira une meilleure explicabilité des modèles. Ce travail aboutira à une base de données structurée, reliant la structuration des métasurfaces, le greffage des polymères et l'adsorption des protéines, ouvrant la voie à de nouvelles avancées en IA appliquée aux nanomatériaux biomédicaux. Le projet bénéficiera des expertises combinées de Dr. Halima Alem, spécialiste des polymères greffés réactifs, de Dr. Veronica Piccialli, experte en apprentissage automatique et optimisation, et de Dr. Dimitrios Memaroglou, qui assurera un lien entre la science des polymères et la modélisation des systèmes physico-chimiques. Une co-tutelle sera mise en place avec Dr. Piccialli et l'Université de Rome, permettant un échange unique entre modélisation IA et science des matériaux, renforçant ainsi l'approche interdisciplinaire de la thèse.

Keywords

Cancer Diagnostics, Metasurfaces, Artificial Intelligence, Convolutional Neural Networks, Optimization, Biointerfaces

Subject details

'This PhD offer is provided by the ENACT AI Cluster and its partners. Find all ENACT PhD offers and actions on https://cluster-ia-enact.ai/.' The ability to engineer protein-surface interactions is crucial in designing next-generation biosensors and diagnostic platforms for cancer detection. Among the promising routes are metamaterials as they provide novel functionalities beyond what is possible by conventional materials in the field of sensors. In the biomedical field, the development of metasurfaces has been focused on the manipulation of electromagnetic and acoustic waves and drug delivery. In this project, a powerful AI-driven experimental approach will be adopted to design metasurfaces with targeted bio-interaction properties for cancer diagnostics. The grafting of polymers onto surfaces plays a crucial role in tailoring interfacial properties, enabling precise control over surface energy, wettability, and biomolecular interactions. The protein-polymer interactions are typically governed by principles of thermodynamic equilibrium, steric exclusion, and electrostatics, while grafting density plays a major role in controlling protein adsorption through brush effects and volume exclusion. Additionally, surface energy regulates protein adhesion, either promoting or inhibiting their interaction depending on surface chemistry and wettability. To date, those properties are largely studied on flat, patterned, or 3D (nanoparticles, nanords, etc.) rationally designed surfaces7. However, the development of metasurfaces should provide new insight in polymer-protein interaction and allow advancing beyond the current state-of-the-art in this field. Metasurfaces, functionalized with responsive polymers, can offer a powerful means to enhance biomarker specificity, minimize biofouling, and improve detection sensitivity—all critical challenges in medical diagnostics and therapeutic monitoring. Unlike conventional surfaces, metasurfaces can be designed to manipulate chemical properties at the nanoscale. Accordingly, this project will focus on short-range order and hyperuniform model derived organization of metasurfaces, fabricated by electron beam lithography (EBL) and functionalized via “grafting-from” polymerization, offering a unique platform for controlling protein adhesion, molecular selectivity, and surface energy. In parallel, Machine Learning (ML) techniques will be employed to bridge the gap between the characteristics of the synthesized metasurfaces and the polymer-protein interactions, as measured via different techniques within the project. Unsupervised learning techniques will allow identifying the most influencing surface characteristics to the measured interaction forces, while supervised ML techniques will be tested to map this connection and create a predictive model that will be subsequently employed for optimal metasurface designs that will enhance biomarker detection sensitivity. The most suitable techniques will depend on the quantity and quality of the obtained data, as well as on their nature. For example, the deployment of convolutional neural networks will be investigated for the analysis of the topology of the grafting surface, combined with more traditional regression techniques. Finally, an effort will be placed on including existing knowledge in the ML development pipeline to guide the learning process and include an explainability aspect in the developed models. Overall, this work will generate curated datasets linking metasurface patterning, polymer grafting, and protein adsorption, paving the way for new AI developments in nanomaterials science for health applications.Dr. Alem has extensively studied the behavior of grafted responsive polymers. Dr. Picciali will contribute through her expertise in ML and optimization techniques while Dr. Meimaroglou, will act as a connecting link through his double expertise in polymer science and modeling of physicochemical systems, including data-driven approaches.

Profil du candidat

Le candidat idéal devra être titulaire d'un master en science des matériaux, nanotechnologies, génie biomédical ou dans un domaine connexe, avec une expérience en fonctionnalisation de surface, chimie des polymères ou nanofabrication. Des connaissances en AFM, XPS, mesures d'angle de contact et caractérisation de l'adsorption des protéines seraient un atout, mais ne sont pas obligatoires. Une expérience ou un intérêt pour le machine learning, l'optimisation des matériaux par IA et la modélisation computationnelle serait également apprécié. Le candidat devra démontrer des capacités de résolution de problèmes, un esprit collaboratif interdisciplinaire et la capacité à évoluer dans un environnement de recherche international. Cette thèse offre une opportunité unique de contribuer au développement de biosenseurs améliorés par l'IA pour le diagnostic du cancer, avec accès à des infrastructures de pointe en nanofabrication, modélisation IA et recherche biomédicale

Candidate profile

The ideal PhD candidate should have a master's degree in materials science, nanotechnology, biomedical engineering, or a related field, with experience in surface functionalization, polymer chemistry, or nanofabrication. Knowledge of AFM, XPS, contact angle measurements, and protein adsorption characterization would be a plus but not mandatory. Experience or interest in machine learning, AI-driven materials optimization, and computational modeling is a plus. The candidate should demonstrate problem-solving skills, interdisciplinary collaboration, and the ability to work in an international research environment. This PhD offers a unique opportunity to contribute to AI-enhanced biosensors for cancer diagnostics, with access to cutting-edge nanofabrication, AI modeling, and biomedical research facilities.

Référence biblio

(1) Wegener, M. Metamaterials Beyond Optics. Science 2013, 342 (6161), 939–940. https://doi.org/10.1126/science.1246545.
(2) Kim, H.; Yun, H.; Jeong, S.; Lee, S.; Cho, E.; Rho, J. Optical Metasurfaces for Biomedical Imaging and Sensing. ACS Nano 2025, 19 (3), 3085–3114. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14751.
(3) A hydrogel-based mechanical metamaterial for the interferometric profiling of extracellular vesicles in patient samples | Nature Biomedical Engineering. https://www.nature.com/articles/s41551-022-00954-7 (accessed 2025-03-10).
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(5) Acoustic metamaterials-driven transdermal drug delivery for rapid and on-demand management of acute disease | Nature Communications. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36581-2 (accessed 2025-03-10).
(6) Stuart, M. A. C.; Huck, W. T. S.; Genzer, J.; Müller, M.; Ober, C.; Stamm, M.; Sukhorukov, G. B.; Szleifer, I.; Tsukruk, V. V.; Urban, M.; Winnik, F.; Zauscher, S.; Luzinov, I.; Minko, S. Emerging Applications of Stimuli-Responsive Polymer Materials. Nat. Mater. 2010, 9 (2), 101–113. https://doi.org/10.1038/nmat2614.
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(9) Ferjaoui, Z.; Jamal Al Dine, E.; Kulmukhamedova, A.; Bezdetnaya, L.; Soon Chang, C.; Schneider, R.; Mutelet, F.; Mertz, D.; Begin-Colin, S.; Quilès, F.; Gaffet, E.; Alem, H. Doxorubicin-Loaded Thermoresponsive Superparamagnetic Nanocarriers for Controlled Drug Delivery and Magnetic Hyperthermia Applications. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11 (34), 30610–30620. https://doi.org/10.1021/acsami.9b10444.
(10) Alem, H.; Jonas, A. M.; Demoustier-Champagne, S. Poly(N-Isopropylacrylamide) Grafted into Nanopores: Thermo-Responsive Behaviour in the Presence of Different Salts. Polym. Degrad. Stab. 2010, 95 (3), 327–331. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2009.11.004.