Les nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique

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Les particules mésoporeuses de silice synthétisées par voie sol-gel

Principes fondamentaux de la technologie Sol-gel impliquant les alcoxysilanes

Ce procédé sol-gel a été publié pour la première fois en 1846 par Ebelmen décrivant la conversion d’un sel de silicium dans de l’alcool en verre solide.171 Cette méthode sera essentiellement reprise pour produire des contenants en verre.
La voie « sol-gel » est caractérisée par la formation d’un réseau tridimensionnel (gel) qui découle de réactions de polymérisations inorganiques à partir de précurseurs moléculaires dissous dans un milieu généralement hydro-alcoolique (sol). Les précurseurs moléculaires utilisés sont des sels ou des alcoxydes de métaux.146 Dans le cadre de cette étude, seuls les alcoxydes de silicium sont considérés comme précurseurs de silice.
Cette polymérisation inorganique se décompose en deux mécanismes réactionnels. La première étape est une hydrolyse du précurseur moléculaire, suivi de l’étape de condensation – polymérisation formant un pont ‘oxyde’ entre deux atomes de Si (Figure 9).146 De proche en proche, il en résulte la formation d’oligomères, puis de particules de silice en suspension dans le milieu réactionnel suivant des mécanismes de croissance.

Synthèse des MSNP, utilisation et impact de l’agent porogène

Synthèse des MSNP de type M41S

Dans la majorité des synthèses de MSNP de structure M41S, la réaction est effectuée à un pH basique et en présence d’un agent structurant.
Un des agents structurant de la synthèse des MCM-41 est un tensioactif cationique appelé le chlorure ou bromure de cétyltrimethylammonium (respectivement CTACl ou CTAB). Les pores ont généralement une structure en nid d’abeille et possèdent un diamètre d’environ 3 nm. Les interactions entre la phase inorganique (I) et organique (S) sont de nature électrostatique, sous forme ionique et de charges opposées S+I– ou S–I+ (Figure 12).143,174
L’agent structurant ou appelé tensioactif est une molécule amphiphile possédant une tête polaire à caractère hydrophile et une chaine carbonée hydrophobe. Les deux parties sont reliées entre elles par une liaison covalente. Ces molécules possèdent la spécificité de s’auto-organiser en structures supramoléculaires de type micellaire, et de s’absorber aux interfaces pour en diminuer l’énergie.

Contrôle de la taille des pores

Variation de la structure de l’empreinte ou “template”

Selon le choix des ammoniums quaternaires amphiphiles utilisés comme agent porogène, le diamètre des pores générés est limité à une taille de 1,8 à 2,3 nm. Cependant, cette méthode de génération de porosité par empreinte peut être étendue à une large gamme de molécules tensioactives, ioniques ou non. La taille des micelles formées dépend du facteur g et des conditions expérimentales. Ainsi, des tensioactifs polymères à blocs comme les Pluronic® P123 et F127 permettent d’obtenir des pores plus larges avec une taille comprise entre 5 et 15 nm.178,179 La combinaison de deux agents porogènes différents peut également conduire à des biporosités.180 Les micelles peuvent être également artificiellement élargies par ajout d’un intercalant hydrophobe ou d’agents gonflants tels que le 1,3,5-triméthylbenzene (Mesitylène).181 Zhang et al. ont pu étendre la taille des pores des MSN sans altération de la taille et de la morphologie de la particule en utilisant le méthylène et du décane.182 Comme pour l’utilisation du Pluronic F127, l’incorporation de composés pendant la synthèse peut altérer l’équilibre hydrophobe-hydrophile du milieu réactionnel et ainsi induire des changements morphologiques des particules.

Les nanoparticules mésoporeuses de silice

Le traitement hydrothermal post-synthèse est une alternative pratique pour augmenter la taille des pores sans induire de changements de taille et de morphologie des particules préformées. Kim et al. ont synthétisé des MSNP monodisperses avec une augmentation du diamètre des pores de 2 à 23 nm.183 Cette augmentation de la taille de pores a été faite postérieurement à la synthèse en ajoutant un agent gonflant le triméthylbenzène avec un traitement hydrothermal à 140°C pendant 4 jours.
Les structures micellaires ne sont pas les seules à pouvoir être utilisées comme empreintes. Les nanoparticules de polystyrène ou même des biostructures peuvent être recouvertes par de la silice pour produire des structures creuses. Globalement, le désavantage de cette méthode est la nécessaire réoptimisation de la procédure synthétique pour chaque agent porogène. Il est donc difficile d’obtenir des particules de tailles constantes avec des porosités différentes.

Attaque chimique ou thermique

La largeur des pores peut être modulée par traitement hydrothermique pendant la synthèse et postérieurement à celle-ci. Dans les travaux publiés de Yu et al., la taille des pores est agrandie de 2,8 à 4 nm sous condition acide et en augmentant la température de synthèse de 100 à 130°C.184
En 2012, Zhang et al. a publié une méthode d’accroissement des pores post-synthétique basée sur l’utilisation du composé borohydrure de sodium (NaBH4) en milieu aqueux.185 Cette méthode a été décrite avec des particules de silice ellipsoïdales de 100 nm. Cette procédure alternative est attrayante puisque facile à mettre en œuvre et permettant le contrôle de la porosité des NP de silice de 3 nm à 30 nm. La structure poreuse à la surface des NP ellipsoïdales fournit une voie à travers laquelle le NaBH4 (OH–) peut pénétrer dans le réseau silicaté pour permettre l’attaque chimique. Cette attaque va induire l’augmentation du volume des pores en maintenant la forme initiale de la NP.
Jia et al. ont appliqué ce procédé d’attaque chimique par le NaBH4 sur des MCM-41. Un mécanisme réactionnel a été proposé :186 l’augmentation du temps de réaction entre les NP et le NaBH4 induit une augmentation du diamètre des pores des MSNP de 3 à 10 nm. Il est décrit que la réaction chimique entre le NaBH4 produit du métaborate de sodium (NaBO2) et de l’hydrogène. Cette réaction augmente considérablement le pH de la solution conduisant à une hydrolyse chimique des liaisons Si-O-Si (Figure 17). Ainsi, les pores de petites tailles fusionnent entre eux pour former des pores de diamètre plus élevé grâce à la dissolution des parois entre les pores (Figure 17).

Fonctionnalisation des MSNP

Une étape de fonctionnalisation de surface des MSNP est souvent requise pour permettre l’application biomédicale des MSNP. Ce greffage de surface peut se faire de manière covalente pendant ou après la synthèse colloïdale des particules.

Greffage post-synthèse

Cette technique consiste à greffer de manière covalente une molécule organique sur les groupements silanols présents majoritairement à la surface de la NP de silice. Cette fonctionnalisation est basée sur l’emploi des organosilanes Rn-SiX4-n (X = Cl ou groupe alcoxy). Le groupe organique R est lié chimiquement au silicium via une liaison Si-C non hydrolysable. Différents groupements organiques R peuvent être greffés sur la NP de silice si les conditions de fonctionnalisation n’induisent pas leur dégradation ou une diminution de leur réactivité. Les groupements organiques R les plus communément greffés sont les fonctions alkyl (-CH3, -CH2– CH3), amino (-NH2), cyano (-CN) et mercapto (-SH).200,201 Ce type de fonctionnalisation des NP de silice est commercialement disponible avec un bon contrôle de la taille et de la dispersion des NP.
Certains groupements R sont réactifs et les organosilanes dérivés servent d’agents de couplage pour l’ancrage covalent d’autres entités.
L’avantage du greffage post-synthèse est que la fonctionnalisation se situe en surface du matériau, qu’elle ne détériore pas la mésostructure, et qu’il est possible de fonctionnaliser avec différents organosilanes. La disponibilité des pores et des canaux poreux peut être réduite par cette méthode de greffage.
Cette méthode de fonctionnalisation nécessite un choix judicieux du solvant afin de privilégier le greffage silice-organosilane plutôt que la condensation organosilaneorganosilane.200,202
La méthode post-synthèse peut aussi consister à imprégner la porosité par une entité encapsulée sans greffage covalent. Cette méthode a été utilisée pour encapsuler les agents actifs dans la porosité des MSNP (Voir partie IV.2).

Fonctionnalisation in situ par co-condensation

Une autre méthode de fonctionnalisation est possible par co-condensation et de manière in situ. Le greffage se fait par la co-condensation entre le précurseur de silice et un organosilane en présence de l’agent structurant. Le greffage du groupement organique se fait de manière covalente à la surface de la silice et directement pendant le processus d’hydrolyse-condensation du réseau de silice.203,204
Contrairement au greffage post-synthèse, cette méthode directe permet une répartition plus homogène des groupements organiques à la surface de la silice, comparée à une méthode postsynthétique. Le taux de recouvrement de la silice par l’organosilane dépend du rapport molaire précurseur de silice/organosilane.205 La qualité de la mésostructure peut être altérée si ce taux de fonctionnalisation organique est trop élevé.206
Ce procédé permet de maintenir une bonne mésostructure, d’avoir une distribution uniforme des groupements organiques et un taux de chargement du vecteur non altéré.

Extraction de l’agent structurant

L’extraction totale de l’agent structurant, le CTACl dans le cadre de notre travail, est primordiale pour libérer le volume poreux et permettre une caractérisation physico-chimique efficace des nanoparticules de silice et les applications biomédicales de délivrance de principes actifs.
En effet, si l’extraction du tensioactif est efficace, le volume poreux de la NP de silice est ainsi disponible pour y incorporer des molécules actives (principe actif, agents de contraste etc…). De plus, le CTACl est un agent porogène très cytotoxique et il est obligatoire de l’extraire dans son intégralité pour rendre possible une application biomédicale des MSNP.
De nombreuses méthodes sont décrites dans la littérature pour l’extraction du tensioactif. La méthode utilisée dépend du type d’interactions entre la phase organique du tensioactif et la phase inorganique de la silice mais aussi du changement des propriétés physico-chimiques du matériau. Ces changements drastiques ont un impact possible dans la structure même de la matrice de silice et peuvent altérer la quantité de fonctions silanols en surface selon la méthode d’extraction utilisée.
Pour les MSNP de type MCM-41, la méthode d’extraction du tensioactif la plus utilisée est la calcination à 600°C.157,188 Elle permet d’extraire la totalité du tensioactif de manière efficace, simple, et rapide. La calcination peut engendrer des changements dans les propriétés physicochimiques des nanomatériaux comme :
• la destruction des fonctions silanols en surface de la silice,
• la destruction de toutes les fonctions organiques introduites pendant la synthèse de la silice,
• l’agrégation des nanoparticules entre elles qui engendre leur non redispersion en solution.
Dans la littérature scientifique, beaucoup de méthodes d’extraction ont été développées pour ainsi contrer les inconvénients de la calcination et pour rendre possible l’application biomédicale des MSNP. Les méthodes comme la dialyse, les ultrasons, l’irradiation aux micro-ondes, la calcination en voie liquide, les extractions acide ou basique par solvants sont les plus communes.104,141,198

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Les systèmes à délivrance de médicaments
I. Les nanoparticules
II. Les différents types de nanoparticules
II.1 Les nanoparticules organiques
II.1.1 Les nanoparticules organiques lipidiques
II.1.2 Les nanoparticules à base polymère
II.1.3 Les nanoparticules inorganiques
III. Avantages et inconvénients des nanoparticules
IV. Leurs applications en nanomédecine
IV.1 L’imagerie biomédicale
IV.2 Thérapie et ciblage
IV.2.1 Le ciblage passif : l’effet EPR
IV.2.2 Le ciblage actif
V. Les différentes générations de vecteurs à délivrance de principe actif
V.1 Vecteurs de première génération
V.2 Vecteurs de seconde génération
V.3 Vecteurs de troisième génération
V.4 Vecteurs de quatrième génération
VI. Les nanovecteurs mis sur le marché
VI.1 Les nanoformulations liposomales
VI.2 Les nanoformulations polymères
VI.3 Les nanoparticules inorganiques
Conclusion
Chapitre II : Les nanoparticules mésoporeuses de silice
I. Historique
II. Les particules mésoporeuses de silice synthétisées par voie sol-gel
II.1 Principes fondamentaux de la technologie Sol-gel impliquant les alcoxysilanes
II.2 Synthèse des MSNP, utilisation et impact de l’agent porogène
II.2.1 Synthèse des MSNP de type M41S
II.2.2 Contrôle de la taille des pores
II.3 Impact du milieu réactionnel
II.4 Impact de la base
II.5 Fonctionnalisation des MSNP
II.5.1 Greffage post-synthèse
II.5.2 Fonctionnalisation in situ par co-condensation
III. Résultats : synthèse des MSNP
III.1 Principes fondammentaux
III.2 Fonctionnalisation sélective par l’APTES
III.3 Caractérisations physico-chimiques des MSNP
III.3.1 Extraction du tensioactif
III.3.2 Microscopie électronique à balayage et à transmission
III.3.3 Diffusion dynamique de la lumière (DDL) et zêtamétrie
III.3.4 Porosimétrie par adsorption et désorption de gaz
III.3.5 Diffraction des rayons X
III.4 Contrôle de la taille par dilution du milieu réactionnel
III.4.1 Démarche expérimentale
III.4.2 Résultats expérimentaux
III.5 Agrandissement de la taille des pores
III.5.1 Démarche expérimentale
III.5.2 Résultats expérimentaux
IV. Étude biologique des nanoparticules mésoporeuses de silice
IV.1 Stabilité colloïdale des MSNP dans les milieux physiologiques
IV.2 Capacité d’encapsulation et comportement en milieux physiologiques
IV.2.1 L’agent fluorescent Rhodamine B
IV.2.2 L’agent fluorescent Calcéine
IV.3 Propriétés biologique des MSNP
IV.3.1 Impact sur les globules rouges
IV.3.2 Impact sur les PBMC et les HS-5
IV.3.3 Adsorption des protéines plasmatiques
Conclusion
Chapitre III : Les nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique
I. Introduction
I.1 Généralités des SLB sur des surfaces de silice planaires
I.2 Généralités des SLB sur les nanoparticules de silice non poreuses
I.3 Généralités des SLB sur les nanoparticules mésoporeuses de silice
II. Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique bioinspirés sans ultrasonication
II.1 Démarche expérimentale
II.2 Caractérisations physico-chimiques
III. Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique bioinspirés avec ultrasonication
III.1 Démarche expérimentale
III.2 Caractérisations physico-chimiques
III.2.1 Microscopie électronique à balayage et à transmission
III.2.2 Étude de la composition de la bicouche lipidique
III.2.3 Spectrométrie de masse par chromatographie en phase liquide
III.2.4 Diffusion dynamique de la lumière (DDL) et zêtamétrie des MSNP dans les conditions physiologiques
IV. Modulations de la taille des nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique
IV.1 Démarche expérimentale
IV.2 Résultats
V. Propriétés biologiques des MSNP+@SLB-
V.1 Capacité d’encapsulation de molécules actives et comportement en milieux physiologiques ..
V.2 Pénétration intracellulaire
V.3 Étude de l’hémocompatibilité
V.4 Caractérisation morphologique des globules rouges par microscopie électronique à balayage
V.5 Étude de l’adsorption des protéines
V.6 Étude de la cytotoxicité
Conclusions et perspectives
Chapitre IV : Les nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique et d’une couche polymère
I. Introduction
I.1 L’alginate de sodium
I.1.1 Généralités
I.1.2 Structure
I.1.3 Les hydrogels d’alginate
I.1.4 La gélification de l’alginate
I.1.5 Propriétés physico-chimiques
I.2 Interactions polymères/Phospholipides : des bicouches supportés sur coussins polymères (« cushions » SLB)
I.3 Interactions phospholipides/polymères : Encapsulation d’un liposome par un polymère
II. Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice recouverte d’une bicouche lipidique et d’une couche polymère
II.1 Notre approche
II.2 Démarche expérimentale
III. Caractérisations physico-chimiques
III.1 Microscopie électronique à transmission
III.2 Contrôle de fonctionnalisation par zêtamétrie et diffusion dynamique de la lumière
III.3 Spectrométrie de masse par chromatographie en phase liquide
IV. Propriétés fonctionnelles des nanoparticules mésoporeuses de silice recouvertes d’une bicouche lipidique et d’une couche polymère
IV.1 Capacité d’encapsulation de molécules actives et comportement en milieux physiologiques ..
IV.2 Étude de l’adsorption des protéines
Conclusion
Chapitre V : Les nanoparticules mésoporeuses de silice encapsulant des particules d’oxyde de fer
Introduction
I. Les nanoparticules d’oxyde de fer
I.1 Leurs propriétés
I.2 La synthèse par coprécipitation
I.3 La stabilisation des nanoparticules d’oxyde de fer
I.4 Notre synthèse de nanoparticules d’oxyde de fer
I.4.1 Notre approche
I.4.2 Démarche expérimentale
II. L’incorporation des nanoparticules d’oxyde de fer dans la matrice de silice
II.1 Les différentes voies décrites dans la littérature
II.2 Caractère superparamagnétique et hyperthermie magnétique
III. Caractérisations physico-chimiques des nanoparticules d’oxyde de fer synthétisées
III.1 Microscopie électronique à transmission et à balayage
III.2 Diffraction des rayons X
IV. Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice encapsulant des particules d’oxyde de fer : résultats et caractérisations physico-chimiques
IV.1 Incorporation des nanoparticules d’oxyde de fer
IV.1.1 Approche
IV.1.2 Démarche expérimentale
IV.1.3 Résultats
IV.2 Synthèse des Fe3O4@MSNP@SLB-
IV.3 Réduction de la polydispersité du nombre de NPFe3O4@AO dans les MSNP
IV.3.1 Approche
IV.3.2 Démarche expérimentale
IV.3.3 Résultats
IV.4 Augmentation du nombre de NPFe3O4@AO par MSNP
IV.4.1 Approche
IV.4.2 Démarche expérimentale
IV.4.3 Résultats
IV.5 Augmentation de la taille du cluster NPFe3O4@AO dans les MSNP
IV.5.1 Approche
IV.5.2 Démarche expérimentale
IV.5.3 Résultats
IV.6 Contrôle de l’épaisseur de la couverture mésoporeuse de silice
IV.6.1 Approche
IV.6.2 Démarche expérimentale
IV.6.3 Résultats
IV.7 Bilan de la voie de synthèse investiguée
V. Preuve de concept : libération d’actif sous l’action d’un champ magnétique alterné (CMA)
Conclusion
Conclusions et perspectives
Conclusions générales
Perspectives de travail
Annexes
Annexe 1 : Partie expérimentale chimique et biologique
I. Réactifs chimiques
I.1 Les solvants
I.2 Les réactifs chimiques
II. Protocoles expérimentaux
II.1 Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice (MSNP)
II.2 Synthèse des nanoparticules mésoporeuses de silice chargée positivement (MSNP+)
II.3 Extraction efficace du tensioactif CTACl
II.4 Synthèse des MSNP recouvertes d’une bicouche lipidique (MSNP+@SLB-)
II.4.1 Formulation des MSNP+@SLB- selon la méthode de Liu et al239
II.4.2 Formulation des MSNP+@SLB- avec le procédé d’ultrasonication
II.5 Synthèse des nanogels appelés « Algicells »
III. Caractérisations physico-chimiques des MSNP
III.1 Analyse par diffraction des rayons X (DRX)
III.2 Analyse par adsorption de gaz
III.3 Analyse de la taille hydrodynamique et du potentiel de surface des particules en solution
III.4 Analyse de la taille hydrodynamique des particules avec le système NTA
III.5 Analyse de la taille des particules avec le système qNano
III.6 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
III.7 Analyse par microscopie électronique à balayage (MEB)
III.8 Analyse par microscopie électronique à transmission (MET)
III.9 Analyse par microscopie électronique à cryo-transmission (cryo-MET)
III.10 La chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse LC-MS
III.11 Encapsulation et cinétique de libération d’agents actifs
III.12 Dosage de l’hémolyse
III.13 Analyse de microscopie électronique à balayage des globules rouges
III.14 Quantification et identification des protéines
III.15 Test d’intégrité de la membrane plasmique
III.16 Analyse statistique des expériences biologiques
Annexe 2
Annexe 3
Annexe 4
Valorisation scientifique
Références

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