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Les nanocristaux semi-conducteurs
Les nanocristaux semi-conducteurs, encore appelés boites quantiques ou « quantum dots » en anglais sont des objets de petites tailles comprises entre 2 et 10nm. Ils sont composés de quelques milliers d’atomes arrangés selon un ordrecristallin. Ces nanocristaux sont dotés d’importantes propriétés de fluorescence qui sont mises à profit dans le marquage biologique. En effet ils émettent un signal lumineux dont la couleur varie en fonction de la taille des particules [20].
Les nanoparticules de métaux nobles : exemple de l’or
Les colloïdes métalliques d’orsont de plus en plus utilisés dans la recherche biomédicale. Ils présentent plusieurs avantages et constituent une nouvelle génération de marqueurs biologiques. Ces nanoparticules métalliques possèdent une grande stabilité, résistent à la corrosion et sont non toxiques [21]. Les nanoparticules d’or, inertes à l’état massif disposent de nombreuses propriétés innovantes à l’état nanométrique. Outre leur utilisation dans le marquage biologique, ces nanoparticules peuvent servir d’agents de vectorisation de substances médicamenteuses, mais aussi dans la thérapie du cancer par photothermie.
Les nanoparticules organiques
Parmi les nanoparticules organiques les plus utilisées, on peut citer:
Les liposomes
Les liposomes sont des vésicules sphériques formées d’une (unilamelaires) ou de plusieurs bicouches (multilamelaires) phospholipidiques organisées entre deux compartiments aqueux. La taille de ces vésicules varie de 20nm à plusieurs micromètres de diamètre [23](figure 4).
Les liposomes possèdent des propriétés uniques expliquant leur utilisation à des fins thérapeutiques notamment la vectorisation de principes actifs ou d’agents d’imagerie. Les substances à transporter sont encapsulées au niveau du liposome selon leur nature ; ainsi les principes actifs hydrophobes sont encapsulés dans la bicouche phospholipidique alors que les PA hydrophiles sont placés dans la cavité interne.
Les micelles
Une micelle est un agrégat sphéroïdal constitué d’une monocouche de molécules amphiphiles généralement lipidiques. Lorsque les micelles sont dans l’eau (solvant polaire), la partie hydrophile est dirigée vers l’extérieur et la partie hydrophobe vers l’intérieur ; on parle dans ce cas de micelle directe. Si le solvant est apolaire comme l’huile, on parle alors de micelle inverse .
Les micelles sont utilisées pour encapsuler les agents de contraste par différentes techniques d’imagerie telles que la scintigraphie et l’imagerie par résonance magnétique mais servent également pour la vectorisation des médicaments [25].
Les nanoparticules polymériques
Les nanoparticules polymériques peuvent être issues de deux groupes de polymères:
groupe des polymères naturels dont les plus utilisés pour la fabrication de nanoparticules sont ceux à base de polysaccharides (dextrane, chitosane),
groupe des polymères synthétiques comme les polyesters aliphatiques et les poly alkyl cyanoacrylates (PACA) [31].
Les PACA sont les premières nanoparticules polymères synthétiques et biodégradables développées en 1979 par Couvreur et al. [32, 33].
Les polyesters aliphatiques les plus connus sont le poly acide lactique (PLA), le poly acide glycolique (PGA), et le copolymère poly acide lactique-coglycolique (PLGA).
Ces polymères possèdent des avantages multiples parmi lesquelles une biocompatibilité, une biodégradabilité et une faible toxicité. Ils sont par conséquent largement utilisés pour la vectorisation de médicaments[34].
Parmi les polymères synthétiques, on note également des polymères de surface des nanoparticules dont le plus étudié jusqu’ici reste le poly éthylène glycol (PEG).
Synthèse des nanoparticules inorganiques
Synthèse des nanoparticules d’oxydes de fer
Les nanoparticules d’oxydes de fer principalement la magnétite (Fe 3O4 ) et la maghémite (γFe2O3 ) possèdent une structure en spinelle. Celle-ci a été
déterminée pour la première fois en 1915 par Bragg [39], elle a pour formule chimique générale AB 2X4 dans laquelle A et B sont les cations et X les anions.
Ces spinelles cristallisent en un système cubique de groupe de symétrie Fd3m.
Les anions O 2-forment un réseau d’empilement de type cubique à faces centrées qui délimite des sites tétraédriques et octaédriques dans lesquels peuvent venir se placer les cations. La maille élémentaire comprend 32 atomes d’oxygènes développant 64 sites tétraédriques dont seulement le huitième est occupé (site A) et 32 sites octaédriques dont la moitié peut être occupée (site B).
La magnétite est un oxyde mixte de Fe 2+ et de Fe 3+de structure spinelle inverse [Fe 3+ ] tétra [Fe 3+ Fe 2+ ] octa O4.
Les ions ferreux et la moitié des ions ferriques occupent la moitié des sites octaédriques (site B) du réseau de l’oxygène. L’autre moitié des ions ferriques occupent le huitième des sites tétraédriques (site A).
La maghémite est obtenue par oxydation de la magnétite. Dans cette particule, le fer se trouve entièrement à l’état trivalent. Par conséquent, on distingue la présence de lacunes cationiques notées □ au niveau des sites octaédriques.
La première synthèse de la magnétite remonte à l’année 1852 et a été réalisée par Lefort [40] qui prépara de la magnétite colloïdale par co-précipitation alcaline de sels ferreux et ferriques. Plus tard, en 1938, Elmore[41] obtient une dispersion de magnétite en phase aqueuse en lavant plusieurs fois de la magnétite colloïdale par une solution d’acidechlorhydrique à 0,01N.
Puis vers 1960, Rosensweig [42] présente une autre méthode qui consiste à broyer le matériau massif jusqu’à l’obtention de grains de taille submicronique, dispersés ensuite dans un solvant organique par l’ajout d’un tensioactif.
La méthode d’Elmore fut développée des années plus tard par Massart [43], celui-ci réussit à obtenir des liquides magnétiques stables en milieu aqueux sans l’intervention d’agents de stabilisation organiques. Les dispersions colloïdales sont ainsi obtenues après peptisation par un acide (HNO 3ou HClO 4 ) ou par une base ((CH 3 ) 4NOH ou KOH).
Il existe d’autres méthodes de synthèse des nanoparticules d’oxydes de fer basées sur l’idée de compartimenter l’espace offert à la croissance des objets.
On note également des méthodes de synthèse dans lesquelles les précurseurs sont décomposés à haute température. Les méthodes de synthèse les plus utilisées sont résumées dans le tableau suivant (tableau1).
Synthèse par décomposition thermique
Cette méthode de synthèse repose sur la décomposition d’un précurseur organométallique dans des solvants organiques avec une température d’ébullition élevée en présence d’agents tensioactifs stabilisants [51].
Les précurseurs sont des complexes organométalliques, ils peuvent être des oléates de fer, des acétylacétonates de fer ou des pentacarbonyles de fer [52, 53, 54].
La décomposition thermique s’inspire de la synthèse de nanocristaux semiconducteurs de haute qualité et des oxydes en milieu non aqueux. Elle permet d’obtenir des nanoparticules magnétiques avec des tailles et des formes contrôlées. Les tensioactifs stabilisants les plus utilisés sont : des acides gras, de l’acide oléique et de l’héxadecylamine. La température et le temps de réaction sont des paramètres importants pour un contrôle judicieux de la taille et de la morphologie des nanoparticules [55].
J. Park et al. [56] ont montré qu’avec l’oléate de fer, il était possible d’obtenir des nanoparticules magnétiques avec des tailles contrôlées grâce à des solvants àtempérature d’ébullition élevée (figure 11).
Synthèse des nanocristaux semi-conducteurs
Les nanocristaux semi-conducteurs sont des objets de taille comprise entre 2 et 10 nm et composés de quelques centaines à quelques dizaines de milliers d’atomes arrangés selon un ordre cristallin [20]. Encore appelés quantum dots, les nanocristaux semi-conducteurs se caractérisent par une émission de fluorescence lors d’une excitation par une source lumineuse. La longueur d’onde de cette émission de fluorescence est directement liée à la taille des particules [59].
Leurs propriétés optiques remarquables en font des émetteurs de choix pour un nombre très large d’applications allant de la réalisation de dispositifs pour l’optoélectronique à une utilisation comme marqueurs fluorescents pour la biologie [60].
Nous nous intéressons dans notre étude aux colloïdes semi-conducteurs de type ІІ-VІ et plus précisément de CdSe. Cependant il existe d’autres nanocristaux par exemple à base de PbSe, PbS, InP ou CdTe qui offrent également des perspectives importantes et permettent de couvrir des gammes de longueurs d’ondes dans le doma ine du spectre visible ou du proche infrarouge [61, 62].
La synthèse des colloïdes semi-conducteurs peut se faire par diverses méthodes. La voie de synthèse par décomposition de précurseurs organométalliques est la voie la plus efficace en termes de contrôle de la taille et de surbrillance des nanoparticules.
Dans les années 1980, Louis Brus [63] a été le premier à synthétiser des nanocristaux en solution par un contrôle soigné des réactifs, des agents stabilisants, de la température et de la durée de la réaction.
Cette méthode dite de synthèse organométallique a été par la suite améliorée vers l’année 1993 par l’équipe de MoungiBawendi [64, 65] puis par les groupes de Paul Alivisatos [66] et de Philippe Guyot-Sionnest [67].
La synthèse organométallique se déroule généralement à une température allant de 250 à 300°C et les particules obtenues ont une dispersion en taille inférieur à 5%.
Lors de la synthèse, des précurseurs, le dimethylcadmium et le seleniure de trioctylphosphine (TOP) sont injectés dans un mélange d’oxyde de trioctylphosphine et d’hexadécylamine (figure 12). Il se forme alors des germes de CdSe d’environ 2 nm de diamètre qu’on laisse croître jusqu’à obtention de la taille souhaitée en ajustant la température. Les molécules stabilisantes permettent de contrôler lataille du cœur luminescent : la croissance s’arrête lorsque la particule a atteint la taille pour laquelle l’enveloppe de molécules organiques est la plus stable [68].
La dimension des particules dépend du rapport chalcogénure / ligands, si celui-ci est élevé, on obtient des particules de dimensions plus importantes, mais moins stables car il y a moins de molécules complexantes. Inversement, un rapport faible favorise la stabilisation de particules de très petites dimensions.
Synthèse des nanoparticules organiques
Synthèse des liposomes
La méthode la plus simple pour préparer des liposomes consiste à évaporer le solvant organique dans lequel sont dissous les lipides, puis à les remettre en suspension dans un solvant aqueux [23]. Cette opération doit se dérouler dans des conditions de température dépendant de la nature du ou des lipide(s) choisi(s). En effet, les liposomes ne se forment qu’à une température supérieure à celle de leur transition de phase. Une agitation est souvent nécessaire pour améliorer les résultats. Dans un milieu aqueux, le film lipidique s’hydrate et les phospholipides s’associent de manière à ne pas exposer leurs chaînes acyles au solvant ; il en résulte la formation de bicouches, qui se referment en emprisonnant du solvant. Des bicouches peuvent enfermer d’autres bicouches de plus petite taille. Ainsi, lors de cette préparation, des liposomes multilamellaires seconstituent en bicouches lipidiques concentriques et séparées, les unes des autres, par des couches d’eau (Multilamellar Vesicle = MLV). Ces liposomes ont des tailles très hétérogènes et possèdent un volume aqueux interne relativement faible par rapport au poids du lipide.
Un traitement physique doit être appliqué aux MLVpour les transformer en vésicules de taille homogène, formées d’une seule bicouche lipidiqueentourant un milieu aqueux [23].
Synthèse des micelles
Les micelles sont constituées d’amphiphiles ou d’agents tensioactifs (surfactants) présentant deux régions distinctes : une tête hydrophile et une queue hydrophobe [82]. A de faibles concentrations dans un milieu aqueux, les amphiphiles existent en tant que monomères en solution, mais lorsque la concentration augmente, l’agrégation et l’auto-assemblage ont lieu dans une fenêtre étroite de concentration, et les micelles sont formées. La concentration à laquelle les micelles sont formées est désignée comme la concentration micellaire critique (CMC) [83].
La formation de micelles à une concentration au-dessus de leur CMC est entraînée par une déshydratation des queues hydrophobes, ce qui conduit à un état favorable de l’entropie. En outre, la formation de liaisons de Van der Waals permet aux polymères hydrophobes de se joindre et de former le noyau de la micelle. La coquille hydrophile résultante rétablit les réseaux de liaisons hydrogène avec l’eau environnante [84].
Synthèse des dendrimères
La synthèse des dendrimères se fait en présence d’un solvant organique via des réactions de condensation sélectives qui donnent lieu à des ramifications successives, elles-mêmes organisées selon une symétrie radiale [27].
La synthèse d’un dendrimère peut débuter par le cœur : c’est la méthode dite divergente. Celle-ci progresse vers la périphérie par assemblages successifs de sous-unités identiques. Ces dernières portent des fonctions réactives qui permettent de passer à la génération suivante. A chaque étape, la molécule nouvellement formée possède davantage de fonctions réactives que la molécule précurseur dont elle est issue. La croissance maximale est déterminée par l’encombrement extérieur qui limite le nombre de générations.
Le cœur du dendrimère est lui-même porteur de plusieurs fonctions sur lesquelles viennent se greffer les branches de la première génération [27].
La synthèse des dendrimères peut également s’effectuer par la méthode convergente : des structures dendritiques intermédiaires appelées dendrons sont élaborées puis condensées sur un noyau central multifonctionnel susceptible d’en accueillir deux ouplusieurs [85].
Synthèse des nanoparticules polymériques
Nous allons nous limiter à la description de la synthèse du dextrane et du Poly (alkyl cyanoacrylate).
Synthèse du dextrane
Le dextrane est un polysaccharide bactérien neutre. Sa synthèse en masse est assurée par la bactérie Leuconostoc mesenteroides. En effet, cette dernière possède l’enzyme dextrane-sucrase qui catalyse la synthèse du dextrane, à partir du saccharose et d’oligosides [86]. Le dextrane obtenu possède une masse molaire très élevée. Il ne peut donc être directement utilisé dans des applications médicales. En effet, le dextrane de très faible masse molaire va avoir une durée de vie in vivo très courte, car il est rapidement éliminé, tandis que les fractions de très grandes masses molaires peuve nt être à l’origine d’une coagulation. C’est pourquoi, le dextrane doit subir une hydrolyse partielle, le plus souvent réalisée par de l’acide chlorhydrique, afin d’obtenir des polymères plus courts. Une étape de séparation par fractionnement en utilisant un mélange eau/éthanol est ensuite nécessaire. Les molécules de dextrane ainsi obtenues possèdent des masses molaires adaptées aux applications visées [87].
STRATEGIES DE FONCTIONNALISATION DE LA SURFACE DES NANOPARTICULES
Le contrôle de la taille et de la stabilité des particules formées constitue actuellement un important défi. La fonctionnalisation de la surface est une condition préalable pour chaque application des nanoparticules, elle détermine ainsi l’interaction des particules avec leur environnement. Les stratégies de fonctionnalisation comprennent soit le greffage à la surface des particules de molécules organiques telles que des tensioactifs, des polymères ou des biomolécules soit le revêtement d’une couche inorganique comme la silice.
Actuellement, les molécules ne sont plus greffées à la surface des particules uniquement pour obtenir des suspensions stables, elles sont également utilisées pour apporter de nouvelles fonctions aux nanoparticules notamment dans ledomaine biomédical.
Stabilité des nanoparticules en suspension
Les particules forment généralement des agglomérats sous l’action des forces attractives qui agissent à courte distance et dont les plus fortes sont celles dites de van der waals c’est-à-dire des interactions dipôle /dipôle [89].
En effet entre deux sphères de rayon R séparées d’une distance d, petite devant R, le potentiel d’interaction s’écrit :
Fonctionnalisation des nanoparticules d’oxydes de fer
Modification de la surface des nanopar ticules d’oxydes de fer par des organosilanes
L’utilisation des organosilanes remonte aux années 1940. Ils ont été initialement employés dans le domaine des matériaux polymères, notamment dans l’ensimage des fibres de verres pour améliorer l’adhésion entre les renforts et la matrice polymère [93].
La silanisation est aujourd’hui de plus en plus utilisée particulièrement dans le domaine industriel lors de la préparation des phases stationnaires en chromatographie [94] ou pour l’élaboration des supports en catalyse [95].
Les organosilanes sont des composés de formule générale RnSiX4-n , où X représente un groupe hydrolysable de type halogéno, alcoxy –OR’ etc. Le silanol issu de l’hydrolyse se condense avec les hydroxyles de surface du substrat ou avec un silanol d’une molécule voisine pour former un film polysiloxane recouvrant ainsi la surface de l’oxyde. R est un groupe organofonctionnel non hydrolysable, il peut être porteur d’une fonction réactive permettant la réaction avec un troisième composé d’où le nom d’agents de couplage silaniques [68].
Les organosilanes améliorent l’adhésion interfaciale entre le polymère et le substrat inorganique en modifiant les propriétés physico-chimiques de surface de ce dernier (mouillabilité, fonctionnalité, tension de surface). La fonction réactive de R peut être munie d’une charge négative ou positive, on note alor s une adsorption instantanée « à l’envers » résultant des interactions ioniques avec la surface de l’oxyde. Pour faire face à ce problème et favoriser le greffage via un pont oxo, un traitement thermique approprié est souvent nécessaire afin de provoquer la déshydratation et l’élimination de molécules d’alcool.
Le mécanisme de greffage des organosilanes à la surface des oxydes en solution aqueuse se fait via un procédé sol-gel et implique généralement trois principales étapes [96] (figure 16) :
La première étape est une réaction d’hydrolyse du silane en milieu aqueux, ce qui conduit à la formation d’un silanol, libérant ainsi une molécule d’alcool;
La seconde étape se traduit par une condensation intermoléculaire des silanols, c’est-à-dire une polymérisation des silanols par oxolation donnant des siloxanols ;
Dans la dernière étape, les siloxanols formés se condensent sur les sites hydroxyles au niveau de la surface du substrat inorganique avec formation de liaisons covalentes. Cette phase se fait à haute température.
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES SUR LES NANOPARTICULES
CHAPITRE I : NOTIONS GENERALES, PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES ET CLASSIFICATION DES NANOPARTICULES
І.1 Notions générales
І.2 Propriétés physico-chimiques des nanoparticules
І.3 Classification des nanoparticules
І.3.1 Les nanoparticules inorganiques
І.3.1.1 Les nanoparticules magnétiques
І.3.1.2 Les nanocristaux semi-conducteurs
І.3.1.3 Les nanoparticules de métaux nobles: exemple de l’or
І.3.2 Les nanoparticules organiques
І.3.2.1 Les liposomes
І.3.2.2 Les micelles
І.3.2.3 Les dendrimères
І.3.2.4 Les nanoparticules polymériques
CHAPITRE II : METHODES DE SYNTHESE DES NANOPARTICULES
ІІ.1 Synthèse des nanoparticules inorganiques .
ІІ.1.1 Synthèse des nanoparticules d’oxydes de fer
II.1.1.1 La synthèse par co-précipitation
I.1.1.2 Synthèse par décomposition thermique
ІІ.1.2 Synthèse des nanocristaux semi-conducteurs
ІІ.1.3 Synthèse des nanoparticules d’or
II.1.3.1 Méthode de Brust
II.1.3.2 Méthode de Turkevich ou synthèse par la voie citrate
ІІ.2 Synthèse des nanoparticules organiques
ІІ.2.1 Synthèse des liposomes
ІІ.2.2 Synthèse des micelles
ІІ.2.3 Synthèse des dendrimères
ІІ.2.4 Synthèse des nanoparticules polymériques
II.2.4.1 Synthèse du dextrane
II.2.4.2 Synthèse du Poly (alkyl cyanoacrylate)
CHAPITRE ІІІ: STRATEGIES DE FONCTIONNALISATION DE LA SURFACE DES NANOPARTICULES
ІІІ.1 Stabilité des nanoparticules en suspension
ІІІ.2 Fonctionnalisation des nanoparticules d’oxydes de fer
ІІІ.2.1 Modification de la surface des nanoparticules d’oxydes de fer par des organosilanes
ІІІ.2.2 Modification par des acides carboxyliques et phosphoniques
ІІІ.2.3 Encapsulation dans une couronne de macromolécules hydrophiles
ІІІ.2.4 Encapsulation dans une coquille de silice
ІІІ.3 Fonctionnalisation des nanocristaux semi-conducteurs
ІІІ.3.1 Substitution des ligands organiques par des molécules hydrophiles
ІІІ.3.2 Encapsulation dans des molécules amphiphiles
ІІІ.4 Fonctionnalisation des nanoparticules d’or
DEUXIEME PARTIE : INTERETS DES NANOPARTICULES DANS LE DOMAINE BIOMEDICAL
CHAPITRE І : UTILISATION DES NANOPARTICULES DANS LES TECHNIQUES DE DIAGNOSTIC
І.1 Utilisation dans le marquage biologique in vitro
І.1.1 Marquage par des colloïdes semi-conducteurs
І.1.2 Marquage par les colloïdes métalliques
І.2 Intérêt des nanoparticules dans l’IRM
І.2.1 Principe de l’IRM
І.2.2 Les agents de contraste superparamagnétiques
І.3 Application des nanoparticules aux biopuces ou puces à ADN
CHAPITRE ІІ : UTILISATIONS DES NANOPARTICULES DANS LA DELIVRANCE DES PRINCIPES ACTIFS
ІІ.1 Concept et définition de la vectorisation
ІІ. 2 Générations de vecteurs
ІІ.2.1 Vecteurs de première génération
ІІ.2.2 Vecteurs de deuxième génération
ІІ.2.3 Vecteurs de troisième génération
ІІ.3 Définition du cancer et rappels sur les méthodes classiques de traitement
ІІ.4 Utilisation des nanoparticules magnétiques dans le traitement du cancer par hyperthermie
ІІ.5 Utilisation des nanoparticules d’or dans le traitement du cancer par photothermie
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
