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Nanoparticules mésoporeuses : vers des applications industrielles !

Nanoparticules mésoporeuses : vers des applications industrielles ! Produire des nanoparticules poreuses de taille contrôlée représente un enjeu considérable, dans le domaine de la santé par exemple, pour le transport des médicaments. Les chercheurs du laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon (ENS de Lyon / CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un laboratoire de l’Université Normale de Chine Orientale et un laboratoire de Londres,ont réussi à maîtriser leur synthèse en silice pure avec des formes de pores contrôlables selon un procédé permettant une production à grande échelle. Leur distribution de taille est très étroite autour de 100 nm soit une taille idéale pour de multiples applications. Ces résultats font l’objet d’une publication dans le Journal of the American Chemical Society.

La production industrielle de nanoparticules creuses (on les appelle « mésoporeuses ») d’une taille d’environ 100 nm de diamètre (0,0001 millimètre), représente un enjeu considérable dans de nombreux domaines, dont celui de la santé. En effet, de telles nanoparticules peuvent servir, par exemple, pour le transport moléculaire sélectif de médicaments ainsi protégés du système immunitaire. Cependant, pour envisager leur réelle application, il faut parvenir à contrôler la forme des nanoparticules et la taille des pores. Il faut également être capable d’éviter l’étape d’ultracentrifugation nécessaire à leur purification. . En effet, leur taille colloïdale ne permet ni une séparation par filtration, ni une décantation simple.

L’équipe de Laurent Bonneviot du laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon a réussi à synthétiser de telles nanoparticules à partir de silice, le constituant chimique du sable. Leur taille est voisine de 100 nm avec une faible dispersion et leurs formes sont identiques. Chaque nanoparticule possède des pores, d’un diamètre compris entre 3 et 20 nm, dont la surface totale peut dépasser 1000 m2 (un quart de terrain de football) par gramme de silice.

C’est par la maîtrise du milieu chimique dans lequel sont synthétisées ces nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN en anglais) qu’il a été possible de contrôler la taille des particules et de leur donner, à la demande, une forme d’étoile, de framboise ou d’asticot (voir figure). Ces MSN résultent de l’assemblage et de la fusion en solution aqueuse à 20°C de petites coquilles de silice de 5 nm de diamètre environ, creuses et remplies de molécules tensio-actives (type savon). Leur stabilité a été testée jusqu’à 700°C ! Après leur synthèse, ces particules sont agrégées et ressemblent à du sable blanc, ce qui permet de les isoler par simple filtration, évitant ainsi l’ultracentrifugation qui aurait empêché un développement industriel de la méthode. Il suffit d’introduire ce sable dans l’alcool et de le passer aux ultrasons pour disperser à nouveau les nanoparticules qui retrouvent alors leurs « nano-propriétés », ce qui est vérifié par laser (figure 2).

Cette synthèse a pu être conduite à l’échelle du kilogramme au sein du laboratoire, ce qui permet d’envisager une production à l’échelle industrielle ; en outre, leur homogénéité de forme et de dimension laisse espérer de multiples applications. Deux domaines sont plus particulièrement concernés : le ciblage cellulaire en biologie humaine et la catalyse. Le ciblage cellulaire, c’est-à-dire l’action spécifique sur un type de cellule, requière que des nano-transporteurs (on dit aussi « nano-cargos ») aient un extérieur qui puisse être fonctionnalisés à la demande pour se fixer sur une cellule et pas sur les autres, et un intérieur qui puisse accueillir une molécule particulière, par exemple un médicament, qui serait lui-même sélectionné grâce à la taille et à la forme des mésopores. Par ailleurs, les catalyses les plus efficaces, de type enzymatique, requièrent des milieux confinés et facilement accessibles. Les nanoparticules, avec leurs mésopores, offrent un espace confiné de la bonne dimension. Leur accessibilité augmentant avec leur surface spécifique, tous les atouts sont réunis également pour cette application.

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Synthèse des coquilles de silice(marron) autour d’une micelle(mauve) (molécules de savon).

Regroupement des coquilles de différentes façons suivant le milieu de synthèse.

Formation de la nanoparticule de forme étoilée (ST), framboise (RB) ou asticot (WO).

Figure 1 / © Laurent Bonneviot

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Figure 2 / © Laurent Bonneviot

Référence

Kun Zhang, Lang-Lang Xu, Jin-Gang Jiang, Nathalie Calin, Koon-Fung Lam, San-Jun Zhang, Hai-Hong Wu, Guang-Dong Wu, Bélen Albela, Laurent Bonneviot, and Peng Wu
Facile Large-Scale Synthesis of Monodisperse Mesoporous Silica Nanospheres with Tunable Pore Structure
Journal of the American Chemical Society, 30 janvier 2013, 135, 2427−2430. DOI: 10.1021/ja3116873

Contacts chercheur

Laurent Bonneviot, Laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon
Courriel : laurent.bonneviot@ens-lyon.fr
Tél : 04 72 72 83 91

Rédaction : Jean-François Le Maréchal, jflm@ens-lyon.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken