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Généralités sur les nanoparticules
En 1960, Richard Feynman déclarait : « en l’an 2000, lorsque les gens regarderont un peu en arrière, ils seront stupéfaits de voir que nous avons attendu les années 60 pour commencer à se préoccuper des nanosciences ». La nanofabrication « top down » et « bottom up » sont les 2 grandes procédés de fabrication des nanoparticules. Tout simplement parce que nous n’avions pas les outils nécessaires pour observer l’infiniment petit. Une telle exploration est devenue possible une fois que les microscopes électroniques ou à force atomique ont été mis au point [3, 4].
Les nanoparticules peuvent être composées de produits organiques ou inorganiques.
Définition des nanoparticules
Les nanoparticules sont des structures composées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes [6]. Elles sont aussi définies comme étant des nanoobjets dont les trois dimensions sont à l’échelle nanométrique [2]. Il s’agit d’une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100 nm environ. Les nanoparticules peuvent se différencier par leur origine. Certains sont synthétisés volontairement afin d’exploiter les propriétés qui se révèlent uniquement à ces dimensions; ce sont les nanomatériaux manufacturés. Les autres sont d’origine humaine ou encore d’origine naturelle. Ce sont des poussières ultrafines qui proviennent d’opérations mécaniques (usinage de métaux) ou thermiques (émissions de moteurs diesels) ou de phénomènes naturels (fumées volcaniques, air salin ou feux de forêt). Les termes de colloïdes et de clusters sont souvent reportés dans la littérature. Le terme de colloïde a été employé pour la première fois, en 1861, par Graham suite à l’observation de la lente sédimentation et de l’état non cristallin de ce qui s’apparentait à des solutions aqueuses de chlorures d’argent ou d’or insolubles dans l’eau. A cette époque, les colloïdes étaient principalement utilisés en tant que pigments pour les céramiques [7]. Les nanoclusters présentent, à l’état solide, une étroite distribution de taille (1-10 nm) alors que les colloïdes en solution ont un diamètre moyen supérieur à 10 nm et une distribution de taille large. Les colloïdes peuvent être associés à une grande diversité de composés à savoir les suspensions de polymères, les émulsions constituées de molécules amphiphiles dans l’eau ou en milieu organique et les dispersions de particules inorganiques. A titre comparatif avec les structures organiques naturelles, les nanoparticules sont nettement inférieures à celles des cellules mais du même ordre de grandeur voire plus petites que les protéines .
Classifications des nanoparticules
Les nanoparticules sont classées selon divers paramètres : suivant leur forme, leurs propriétés de surface, et leur composition chimique.
Classification selon leur forme
Les nanomatériaux manufacturés sont regroupés en deux grandes catégories : les nano-objets et les matériaux nanostructures. Les nano-objets ont une (feuillet de graphène), deux (nanotube, nano filament, nano fil) ou trois (dioxyde de titane, fullerène) dimensions externes à l’échelle nanométrique alors que les matériaux nanostructures, de plus grande taille, possèdent une structure interne ou de surface à des dimensions nanométriques.
Les nanoparticules à 3 dimensions nanométriques
Dans cette catégorie, on retrouve un grand nombre de nanoparticules tels que les agrégats d’atomes, les nanoparticules métalliques, amorphes ou cristallines (or, argent, cuivre ), les fullerènes qui forment une variété allotropique sphérique ou pseudo-sphérique du carbone, il y a aussi les nanoparticules isométriques dérivées d’oxydes, de sulfures, de séléniures, de nitrures, de carbures telles que, par exemple, les nanoparticules de magnétite (Fe3O4), de sulfure ou de séléniure de cadmium (CdS et CdSe). Les fullerènes sont des structures, du nom de l’architecte R.Buckminster Fuller, qui construisait des dômes formés de pentagones et d’hexagones. Les fullerènes entre 60 et 70 atomes sont stables [8].
Les nanoparticules à 2 dimensions nanométriques
Lorsque deux des dimensions de la nanoparticule sont de l’ordre de quelques nanomètres, la troisième est beaucoup plus grande. Les objets sont creux (nanotubes) ou pleins (nanofils, nanowhiskers). Parmi les nanotubes, les plus connus sont les nanotubes de carbone à simple ou multi-parois. On rencontre aussi des nanotubes de nitrure de bore, de structure bioélectronique similaires à celle des nanotubes de carbone et des nanotubes naturels, sous la forme d’aluminosilicates tubulaires (imogolite). Quant aux nanowhiskers, un grand nombre d’études se sont penchées sur ce type de matériaux. On applique ce concept a une large gamme de composés chimiques: métaux, oxydes, arséniures, silice. Dispersés dans une matrice de polymères, ces matériaux n’ont pas donné de résultat satisfaisant. Seuls les nanowhiskers de cellulose, extraits de la carapace de certains crustacés (tunicidés) et les nanowhiskers de phlogopite, un aluminosilicate plein tubulaire, ont été testés en tant que renforts dans des matrices polymères.
Les nanoparticules à 1 dimension nanométrique
Lorsque la nanoparticule ne présente qu’une seule dimension nanométrique, les deux autres dimensions étant de plus de 100 nm, la géométrie de cette particule s’apparente à un feuillet (nanofeuillet).
Classification selon leurs propriétés de surface
Dans l’objectif d’améliorer le comportement biologique des nanoparticules, il est possible de modifier leurs propriétés de surface. Ainsi, on distingue 3 types de générations de vecteurs différentes.
Les nanoparticules de première génération : dites nues
Cette première génération de nanoparticules était constituée de colloïdes stables en milieu aqueux. Outre leurs propriétés thérapeutiques ou diagnostiques intrinsèques, leur intérêt résidait principalement dans leur capacité à éviter l’élimination et l’excrétion par le système rénal. En effet, le principal organe d’élimination de l’organisme est le rein, dont le fonctionnement repose sur un principe de filtration à travers des pores de quelques nanomètres seulement. Ainsi, l’encapsulation d’agents d’intérêt de faible poids moléculaire au sein de vecteurs colloïdaux d’une dizaine de nanomètres permet d’éviter leur élimination rénale et de prolonger leur effet. La taille des nanoparticules doit toutefois être suffisamment petite pour qu’elles ne restent pas bloquées dans les plus petits vaisseaux sanguins. Cependant, si la taille des nanoparticules leur permet d’éviter de nombreux pièges « géométriques » de l’organisme, ce seul paramètre ne permet pas une longue circulation dans le compartiment sanguin. Ce phénomène est valable pour une administration orale. Alors qu’après une injection intraveineuse, les nanoparticules de première génération ont une demi-vie courte car rapidement éliminées de la circulation systémique par le système réticuloendothélial.
Les principes actifs dont la cible est le foie, la rate ou la moelle osseuse sont encapsulés dans les nanoparticules nues pour y être acheminés. Une fois administrées par voie orale, les opsonines s’adsorbent sur la surface des nanoparticules. Ce qui facilite leur phagocytose par les macrophages et conduit à une forte concentration du vecteur dans le foie, la rate et la moelle osseuse. Ainsi les nanoparticules sont considérées comme des corps étrangers par les défenses immunitaires de l’organisme, et plus précisément par le . A ce titre, elles sont souvent rapidement prises en charge par les macrophages. Afin d’atteindre une zone d’intérêt différente des organes précités (moelle osseuse, rate, foie), il convient donc d’éviter la phagocytose en leurrant les défenses immunitaires ; on parle alors de furtivité.
Les nanoparticules de deuxième génération : les nanoparticules furtives
Les nanoparticules de 2éme génération sont développées pour échapper aux systèmes de défense de l’organisme. Comme le souligne Torchilin [10], l’objectif principal de ces nanoparticules ou nano-transporteurs une fois administrés dans le compartiment sanguin est d’augmenter la durée de vie de l’agent à véhiculer dans la circulation sanguine. Les mécanismes naturels de métabolisation et d’élimination limitent grandement l’activité thérapeutique ou diagnostique des médicaments ou des agents de contraste injectés tels quels. L’élimination diminue la dose des principes actifs disponibles dans la circulation sanguine. Cependant, l’accumulation de cette même substance dans les organes d’élimination ou de séquestration (rein, foie, rate) peut également entraîner des effets secondaires toxiques au niveau de ces tissus. Dans le cas de l’utilisation d’agents de contraste, l’accumulation dans les organes d’élimination peut de plus masquer la zone d’intérêt, et donc perturber et fausser la détection. Afin de limiter ce processus d’élimination, les particules sont recouvertes d’agents de furtivité qui leur permettent d’échapper à la capture par les opsonines en les esquivant, empêchant ainsi leur fixation. La grande majorité des agents de furtivité utilisés pour créer une couche protectrice autour des transporteurs, sont des polymères. Le PEG (polyéthylène glycol), ou POE (polyoxyéthylène), est le plus couramment utilisé car il a l’avantage d’être biocompatible, soluble en milieu aqueux, non toxique, et à en outre une faible immunogénicité et antigénicité, on parle de « pégylation ».
De nombreux travaux ont été menés pour optimiser le pourcentage de PEG à la surface des particules, ainsi que la taille et la structure des chaînes de polymère. Les résultats obtenus dépendent fortement de la nanoparticule sur laquelle sont fixées les chaînes polyoxyéthylène. L’utilisation de polymères saccharidiques de type dextran pour augmenter la furtivité des particules est également possible, notamment dans le cas des nanoparticules magnétiques utilisées comme agents de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique. Ces objets peuvent avoir un temps de séjour dans la circulation sanguine suffisamment important pour relarguer lentement un agent thérapeutique dans le sang, ou pour qu’il se produise une accumulation passive au sein des tissus pour lesquels l’endothélium vasculaire est discontinu [14].
Les nanoparticules de troisième génération : les nanoparticules ciblantes
Les nanoparticules de 3éme génération sont développées dans le but de transporter le principe actif jusqu’au tissu malade de manière spécifique par reconnaissance du ligand (lié aux nanoparticules) pour les récepteurs membranaires de tissus malades. Les colloïdes furtifs restent dans la circulation sanguine plus longuement que les autres nanoparticules. Ils finissent cependant par être extravasés hors du compartiment sanguin, notamment dans les zones où la vascularisation présente d’importantes fénestrations comme le foie ou les zones d’angiogenèse. Ainsi, afin de favoriser l’accumulation des nanoparticules dans un tissu donné, il est indispensable de fonctionnaliser leur surface avec des ligands biologiques qui seront reconnus par les cellules composant le tissu d’intérêt. Les ligands peuvent être des anticorps, des peptides, des saccharides, des oligonucléotides ou d’autres molécules comme l’acide folique. Ces ligands sont capables de reconnaitre de manière sélective des marqueurs spécifiques (antigènes ou récepteurs) qui sont hyper-exprimés à la surface des cellules cibles (cellules cancéreuses, cellules infectées). L’ajout de ces ligands à la surface des nanoparticules favorise généralement leur capture par les macrophages. C’est pourquoi il est important d’associer des agents de ciblage aux agents de furtivité afin de contrebalancer cet effet. La formation d’une barrière stérique risque toutefois de masquer les ligands et donc de rendre caduque le ciblage actif. Par conséquent, les agents de ciblage sont éloignés du cœur de la nanoparticule par un bras espaceur (le plus souvent une chaîne polyoxyéthylène) de manière à ce qu’ils évoluent à la surface de la couche de furtivité. L’utilisation des bras espaceurs est également avantageuse dans la mesure où elle offre à l’agent de ciblage une plus grande liberté de mouvement favorisant ainsi sa complexation avec la cible. En effet, il a été montré que le greffage de ligands directement à la surface d’une particule entraîne une diminution importante de la vitesse de complexation, la liberté de mouvement du ligand étant fortement réduite par la particule. La flexibilité du bras espaceur permet alors de redonner suffisamment de liberté de mouvement à l’agent de ciblage afin de maximiser les probabilités de rencontre entre le ligand et le récepteur dans la bonne conformation. Ainsi, la troisième génération de nanoparticules se caractérise par la présence d’une barrière stérique associée à l’ajout d’agents de ciblage liés à la surface par un bras espaceur .
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES SUR LES NANOPARTICULES ET LES METHODES DE SYNTHESE DES NANOPARTICULES D’OR23
I Généralités sur les nanoparticules
I.1 Définitions des nanoparticules
I.2 Classifications des nanoparticules
I.2.1 Classification selon leur forme
I.2.1.1 Les nanoparticules à 3 dimensions nanométriques
I.2.1.2 Les nanoparticules à 2 dimensions nanométriques
I.2.1.3 Les nanoparticules à 1 dimension nanométrique
I.2.2 Classification selon leurs propriétés de surface
I.2.2.1 Les nanoparticules de première génération : dites nues
I.2.2.2 Les nanoparticules de deuxième génération : les nanoparticules furtives
I.2.2.3 Les nanoparticules de troisième génération : les nanoparticules ciblantes
I.2.3 Classification selon leur composition chimique
I.2.3.1 Les nanoparticules organiques
I.2.3.1.1 Le système micellaire/lipidique
I.2.3.1.2 Les nanoparticules polymériques (nanogels, dendrimères)
I.2.3.1.3 Les nanotubes de carbone
I.2.3.2 Les nanoparticules inorganiques
I.2.3.2.1 Les points quantiques ou quantum dots (QD)
I.2.3.2.2 Les nanoparticules d’oxyde de fer magnétique et supramagnétique
I.2.3.2.3 Les nanoparticules de diamant photoluminescentes
I.2.3.2.4 Les nanoparticules métalliques
II Synthèse des nanoparticules d’or
II.1 Synthèse par approche « top down » ou synthèse mécanique : la mécanosynthèse
II.2 Synthèse par approche « bottom up »
II.2.1 La synthèse chimique
II.2.1.1 La réduction
II.2.1.2 Le procédé sol-gel
II.2.1.3 La décomposition chimique
II.2.2 La synthèse physique
II.2.2.1 L’ablation laser phase aqueuse
II.2.2.2 La radiolyse
II.3 Choix de l’or
II.3.1 Historique
II.3.2 Propriétés physico-chimiques
II.3.3 Utilisations
DEUXIEME PARTIE : FONCTIONNALISATION DES NANOPARTICULES D’OR : DETECTIONS ET APPLICATIONS
I Propriétés et caractérisation des nanoparticules d’or
I.1 Propriétés des nanoparticules d’or
I.1.1 Phénomène plasmon de surface
I.1.2 Densité électronique
I.1.3 Multi fonctionnalisation de surface
I.2 Caractérisation des nanoparticules d’or
I.2.1 Microscopie Electronique à Transmission (MET)
I.2.2 Spectrophotomètre UV-Visible
I.2.3 Électrophorèse capillaire
I.2.4 Nanosizer
II Les différentes techniques de fonctionnalisation
II.1 Fonctionnalisation par les oligonucléotides
II.2 Fonctionnalisation par des protéines
II.3 Fonctionnalisation par l’acide folique
III Les applications biomédicales
III.1 Les applications in vitro
III.1.1 Reconnaissance des molécules biologiques
III.1.2 Reconnaissance des microorganismes
III.2 Les applications in vivo
III.2.1 Nanoparticules d’or comme agents thérapeutiques des tumeurs
III.2.2 Nanoparticules d’or comme agent de contraste en IRM
IV Les limites
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
