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Axe : Nanochimie
Equipe Colloïdes inorganiques
Laboratoire Physico-chimie des Electrolytes, Colloïdes et Sciences Analytiques
(PECSA)
UMR 7195
www.pecsa.upmc.fr
(Directeur : Pierre Levitz)
Responsable d’équipe :
Christine Ménager
[email protected]
Contact pour l’équipe :
Véronique Peyre
[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Sébastien Abramson
[email protected]
Ali Abou-Hassan
[email protected]
Agnès Bée
[email protected]
Valérie Cabuil
[email protected]
Vincent Dupuis
[email protected]
Jérôme Fresnais
[email protected]
Christine Ménager
[email protected]
Sophie Neveu
[email protected]
Véronique Peyre
[email protected]
Jean-Michel Siaugue
[email protected]
Activité scientifiques de l’équipe :
L’équipe est structurée en 3 axes thématiques :
-synthèse et dispersions de nanoparticules magnétiques
- santé
- environnement.
L’équipe Colloïdes Inorganiques (CIN) a une expertise en synthèse et dispersion de
nanoparticules magnétiques par différentes méthodes (co-précipitation, polyols, hydrothermale)
permettant ainsi de disposer d’une large gamme de nanoparticules en terme de taille et de nature.
La compréhension des phénomènes de germination-croissance de ces nanoparticules est étudiée en
microréacteurs. Différentes fonctionnalisations sont utilisées afin de stabiliser ces nanoparticules
magnétiques dans des milieux complexes (liquides ioniques, matrice polymère). L’axe santé
développe des vecteurs magnétiques pour le theranostic (diagnostique couplée à la thérapie) : coreshell Fe2O3@SiO2, liposomes et polymersomes magnétiques. Les nanoparticules magnétiques servent
d’agents de contraste mais aussi de source de chaleur soit pour relarguer une drogue encapsulée soit
pour nécroser les cellules. La toxicologie de ces nanoparticules magnétiques est également étudiée
dans le cadre d’une thèse financée par la région. L’axe environnement s’intéresse aux
développements de matériaux magnétiques visant l’élimination d’une classe de polluant. Ces
matériaux sont formulés de manière à associer des propriétés magnétiques qui permettent leur
confinement et leur concentration et des propriétés absorbantes et/ou catalytiques permettant
l’élimination de polluants dans les eaux.
Recherche(s) et résultat(s)
ésultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Synthèse de nanoparticules magnétiques et liquides magnétiques
Ferrofluide concentré
centré sur un aimant
Notre équipe a été pionnière dans la
synthèse de nanoparticules magnétiques et
leur dispersion dans différents liquides
polaires ou non (ferrofluides). Les particules
magnétiques sont variées: maghémite, ferrite
de cobalt ou ferrite mixte, particules
métalliques, ferrite de baryum. Les
ferrofluides synthétisés peuvent avoir un pH
acide, basique ou neutre (intéressant pour
les applications
ons biomédicales). De nouvelles
pistes de recherches, permettant une
modulation plus importantes des propriétés
sont explorées : mélanges de ferrofluides
(systèmes binaires), nanoparticules cœur
magnétique/coquille magnétique, synthèse
en milieu liquide ionique…
nique…
Synthèse de nanoparticules inorganiques en canal microfluidique
+
Couplage de plusieurs
microréacteurs pour la synthèse de
nanoparticules multifonctionnelles.
Copyright Wiley
Notre équipe a été pionnière dans le développement
et l’utilisation des microréacteurs pour la synthèse et
l’étude de la formation de matériaux inorganiques.1-6
Des suspensions colloïdales de nanoparticules (NPs)
d’oxydes de fer γ-Fe2O3 superparamagnétiques
simples ou enrobées d’une couche de silice
fluorescente
nte ont été obtenus en quelques secondes
par rapport aux synthèses classiques.2,3 D’autre part la
séparation de la nucléation et de la croissance de la
goethite s’est avérée possible en utilisant ces
microréacteurs et a permis d’accélérer la synthèse de
la goethite.4 Enfin ces microréacteurs ont été couplés
à la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS,
SOLEIL) afin d’extraire des données cinétiques sur la
nucléation et la croissance des NPs d’oxydes de fer.6
Matériaux polymériques multifonctionnels nanostructurés
Agrégats nanostructurés
anisotropes de dimension pouvant
aller de 1 à 500 µm préparation
PDMS magnétique, et image
d’agrégats de nanoparticules dans
cet élastomère
Les nanoparticules magnétiques synthétisées au
laboratoire présentent individuellement des propriétés
remarquables. Mais regroupées de manière
contrôlée, elles permettent la mise au point de
matériaux nanostructurés alliant maniabilité et
propriétés dues à leurs dimensions nanométriques.
C’est le cas de bâtonnets obtenus par interactions
électrostatiques entre des nanoparticules et des
polyélectrolytes de charges opposées. Ces bâtonnets,
très rigides, peuvent être utilisés comme microagitateurs ou encore comme sonde locale de
microrhéologie. Puisque les interactions sont
électrostatiques, toute molécule ou particule chargée
peut y être insérée, apportant un caractère
multifonctionnel aux bâtonnets.
Ces nanoparticules peuvent également apporter à
des élastomères des propriétés magnétiques. Le
polydiméthylesiloxane (PDMS), polymère très utilisé
dans la fabrication de puces microfluidiques, peut
ainsi être rendu magnétique, ce qui lui confère la
possibilité de piéger des particules magnétiques
s’écoulant dans un microcanal.
Nanoparticules oxyde de fer/silice pour les applications biomédicales
Les nanoparticules d’oxyde de fer sont utilisées pour la synthèse d’objets composites, tel
que des nanoparticules de type cœur coquille Fe2O3@SiO2, composées d’un cœur d’oxyde
de fer et d’une couche de silice, fluorescente et porteuse de deux types de fonctionnalités :
des chaînes de polyéthylène glycol et des groupements fonctionnels tels que des fonctions
amines. Ces nanoparticules Fe2O3@SiO2 PEG/NH2 furent utilisées pour le greffage de la
bléomycine, un agent anticancéreux puissant, tout en conservant la stabilité colloïdale des
particules. Les études in vitro, sur des plasmides d’ADN, et in cellulo, sur des lignées
cellulaires cancéreuses, ont montré que la bléomycine greffée conservait ses propriétés de
coupure de l’ADN, sa sélectivité de coupure vis-à-vis de certaines bases et ses propriétés
cytotoxiques à des concentrations similaires à celles de la bléomycine non vectorisée.
L’étude de l’internalisation cellulaire, réalisée en MET et en microscopie confocale, a mis en
évidence une internalisation massive et rapide des nanoparticules, certaines franchissant la
membrane nucléaire. Ces nanoparticules Fe2O3@SiO2 PEG/NH2 furent également utilisées
lors de la réalisation d’un immunodiagnostic dédié à l’allergie en microsystème. L’utilisation
d’un support solide, mais colloïdal, pour le greffage des allergènes a permis d’améliorer de
façon très importante la sensibilité du test et la cinétique d’interaction anticorps/allergènes.
L’une des étapes clefs fut la mise au point d’un piège magnétique dans le microsystème afin
de confiner les nanoparticules lors des étapes de lavage. L’immunodiagnostic complet,
réalisé en microsystème fut validé par comparaison à un test ELISA standard, en dosant
des sérums de patient. Depuis peu, nous intéressons à la synthèse d’objets composites
mésoporeux, afin de vectoriser des drogues encapsulées, en portant une attention
particulière au contrôle de la délivrance, de l’ouverture des pores donc, à l’aide de stimuli
internes ou externes. Différentes architectures sont considérées telles que des
nanoparticules cœur d’oxyde de fer - coquille de silice mésoporeuse ou des nanoparticules
de silice mésoporeuses décorées en surface par des nanoparticules d’oxyde de fer.
Vecteurs
cteurs magnétiques pour des applications en imagerie et thérapie
vésicules + NPMs dans la membrane
formation d’émulsions doubles en
canal microfluidique (liquide
magnétique au centre)
Notre équipe a acquis une expertise dans la préparation
de systèmes hybrides composés de nanoparticules
magnétiques (NPMs) et de vésicules (lipidiques,
catanioniques ou polymères). En jouant à la fois sur la
physico-chimie
chimie des nanoparticules et sur les méthodes
de préparation (gonflement spontané, évaporation en
phase inverse,
erse, microfluidique) il est possible de
″designer″
à façon les objets (encapsulation,
adsorption, piégeage). Les propriétés magnétiques de
ces vecteurs permettent leur accumulation in vivo, les
particules magnétiques servant de traceurs en IRM. In
fine les propriétés d’hyperthermie des NPMs sont
utilisées pour libérer une drogue ou pour créer un
échauffement local
Matériaux magnétiques pour la dépollution des eaux
Matériaux à base de bipolymère
olymère
Matériaux à base de silice
Notre objectif est extraire des polluants des eaux et
notamment de relever le défi de l’élimination des
micropolluants émergents. L’aspect magnétique des
matériaux développés permet une extraction simple des
polluants
ts du milieu (séparation magnétique en batch, lit
fluidisé assisté magnétiquement). Le matériau de base
est
constitué
de
nanoparticules
magnétiques
fonctionnalisées à façon en fonction du polluant visé.
Ces nanoparticules peuvent être utilisées directement ou
encapsulées dans des matrices polymère organique
(alginate, chitosane…) ou
inorganique (silice
fonctionnalisée ou non). Nos matériaux, dont la taille
varie du nm au mm, ont des propriétés d’adsorption ou
de catalyse selon la formulation adoptée.
Programme de recherche :
Notre programme de recherche porte sur :
La synthèse de nanoparticules par différents procédés : en milieu polyols, en milieu
liquide ionique par voie hydrothermale
La synthèse de nanoparticules en microréacteurs
L’étude de la stabilité colloïdale dans des milieux complexes (liquides ioniques, solutions,
polymères)
L’association contrôlée de nanoparticules et de polymères hydrophiles, amphiphiles ou
hydrophobes pour la préparation de matériaux multifonctionnels
Matériaux magnétiques pour l’élimination par adsorption ou catalyse de polluants
(organique ou inorganique) dans les eaux. Mise au point d’un procédé de traitement des
eaux : lit fluidisé assisté magnétiquement
Le développement de nouvelles plateformes pour le théranostic (diagnostic + thérapie) :
suivi en IRM, vectorisation in vivo, hyperthermie (particules core-shell Fe2O3@SiO2,
vésicules magnétiques).
Etude de la toxicité des nanoparticules en fonction de leur nature, charge et
fonctionnalisation
Publications représentatives dans le domaine:
“Synthesis of iron oxide nanoparticles in a microfluidic device: preliminary results in a coaxial flow
millichannel”
Abou Hassan, A.; Sandre, O.; Cabuil, V.; Tabeling, P., Chemical Communications 2008, (15), 17831785.
"Fluorescence Confocal Laser Scanning Microscopy for pH Mapping in a Coaxial Flow Microreactor:
Application in the Synthesis of Superparamagnetic Nanoparticles"
Abou-Hassan, A.; Dufreche, J. F.; Sandre, O.; Meriguet, G.; Bernard, O.; Cabuil, V., Journal of Physical
Chemistry C 2009, 113 (42), 18097-18105.
"Synthesis of Goethite by Separation of the Nucleation and Growth Processes of Ferrihydrite
Nanoparticles Using Microfluidics."
Abou-Hassan, A.; Sandre, O.; Neveu, S.; Cabuil, V., Angewandte Chemie-International Edition 2009,
48 (13), 2342-2345.
"Multistep Continuous-Flow Microsynthesis of Magnetic and Fluorescent gamma-Fe2O3@SiO2
Core/Shell Nanoparticles"
Abou-Hassan, A.; Bazzi, R.; Cabuil, V.,. Angewandte Chemie-International Edition 2009, 48 (39), 71807183.
“Microfluidics in Inorganic Chemistry”
Abou-Hassan, A.; Sandre, O.; Cabuil, V.,. Angewandte Chemie-International Edition 2010, 49 (36),
6268-6286.
“Les microréacteurs, un nouvel outil pour la chimie inorganique.“
l’Actualité Chimique, Abou-Hassan, A., 2011, 358, 13-18
« Electrostatic Co- Assembly of Iron Oxide Nanoparticles and Polymers: Towards the Generation of
Highly Persistent Superparamagnetic Nanorods »
Fresnais J., Berret J.-F., Frka-Petesic B., Sandre O., Perzynski, R., Advanced Materials, 2008, 20(20),
3877-3881
« Electrostatic Co-assembly of Magnetic Nanoparticles and Fluorescent Nanospheres: A Versatile
Approach Towards Bimodal Nanorods »
Fresnais J., Ishow E., Sandre O., Berret J.-F, Small, 2009, 5, 22, 2533-2536
« Influence of the Formulation Process in Electrostatic Assembly of Nanoparticles and
Macromolecules in Aqueous Solution: The Mixing Pathway. »
Qi, L.; Fresnais, J.; Berret, J. F.; Castaing, J. C.; Grillo, I.; Chapel, J. P., Journal of Physical Chemistry C
2010, 114 (30), 12870-12877.
« Influence of the Formulation Process in Electrostatic Assembly of Nanoparticles and
Macromolecules in Aqueous Solution: The Interaction Pathway »
Qi, L.; Fresnais, J.; Berret, J. F.; Castaing, J. C.; Destremaut, F.; Salmon, J. B.; Cousin, F.; Chapel, J. P.,.
Journal of Physical Chemistry C 2010, 114 (39), 16373-16381.
« Magnetic micropillars as a tool to govern substrate deformations »
le Digabel, J.; Biais, N.; Fresnais, J.; Berret, J. F.; Hersen, P.; Ladoux, B.,. Lab on a Chip 2011, 11 (15),
2630-2636.
“Microchip integrating magnetic nanoparticles for allergy diagnosis”
Teste, B. ; Malloggi, F. ; Siaugue, J.-M. ; Varenne, A. ; Kanoufi, F. ; Descroix, S. ; Lab On Chip 2011, 11,
4207-4230.
“Kinetic analyses and performance of a colloidal magnetic nanoparticle based immunoassay
dedicated to allergy diagnosis”
Teste, B. ; Kanoufi, F. ; Descroix, S. ; Poncet, P. ; Georgelin, T. ; Siaugue, J.-M. ; Petr, J. ; Varenne, A. ;
Hennion, M.-C. ; Anal. Bioanal. Chem. 2011, 400, 3395-3497.
“Magnetic Core Shell Nanoparticles Trapping in a Microdevice Generating High Magnetic Gradient”
Teste, B. ; Malloggi, F. ; Gassner, A.-L. ; Georgelin, T. ; Siaugue, J.-M. ; Varenne, A. ; Girault, H. ;
Descroix, S. ; Lab On Chip 2011, 11, 833-840.
“Nanoparticles-mediated delivery of bleomycin”
Georgelin, T. ; Bombard, S. ; Siaugue, J.-M. ; Cabuil, V. ; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 8897-8901.
“Separation of α-lactalbumin grafted- and non-grafted maghemite core / silica shell nanoparticles
by capillary zone electrophoresis”
Petr, J. ; Varenne, A. ; Teste, B. ; Descroix, S. ; Siaugue, J.-M. ; Gareil, P. ; Electrophoresis 2010, 31,
2754-2761.
“A chemometric approach for optimizing protein covalent immobilization on magnetic core-shell
nanoparticles in view of an alternative immunoassay”
Teste, B. ; Vial, J. ; Descroix, S. ; Georgelin, T. ; Siaugue, J.-M. ; Petr, J. ; Varenne, A. ; Hennion, M.-C. ;
Talanta 2010, 81, 1703-1710.
“Design of multifunctionalized γ-Fe2O3@SiO2 core–shell nanoparticles for enzymes
immobilization”
Georgelin, T. ; Maurice, V. ; Malezieux, B. ; Siaugue, J.-M. ; Cabuil, V. ; J. Nanopart. Res. 2010, 12(2),
675-680.
“Charge-based characterization of nanometric cationic bifunctional maghemite/silica core/shell
particles by capillary zone electrophoresis”
d’Orlyé, F. ; Varenne, A. ; Georgelin, T. ; Siaugue, J.-M. ; Teste, B. ; Descroix, S. ; Gareil, P. ;
Electrophoresis 2009, 30(14), 2572-2582.
“Synthesis and characterization of functionalized core-shell gamma Fe2O3-SiO2 nanoparticles”
Maurice, V. ; Georgelin, T. ; Siaugue, J.-M. ; Cabuil, V. ; J. Magn. Magn. Mater. 2009, 321(10), 14081413.
“Different localizations of hydrophobic magnetic nanoparticles within vesicles trigger their
efficiency as magnetic nano-heaters.”
Beaune, G.; Levy, M.; Neveu, S.; Gazeau, F.; Wilhelm, C.; Ménager, C. Soft Matter, 2011, 7, 6248
“ Multifunctional nanovectors based on magnetic nanoparticles coupled with biological
vesicles or synthetic liposomes”
Lesieur, S.; Gazeau, F.; Luciani, N.; Ménager C.; Wilhelm, C., J. Mater. Chem. 2011, 21,
14387.
“Anti-Estrogen-loaded superparamagnetic liposomes for intracellular magnetic targeting
and treatment of breast cancer tumors”
Plassat, V.; Wilhelm, C.; Marsaud, V.; Ménager,C.; Gazeau, F.; Renoiur, J.-M.; Lesieur, S.. Adv.
Funct. Mat. 2011, 21, 83.
“ Doxorubicin Release triggered by alginate embedded magnetic nanoheaters : a combined
therapy.”
Brulé, S.; Levy, M.; Wilhelm, C.; Letourneur, D.; Gazeau, F.; Ménager, C.; Le Visage, C.. Adv.
Mat. 2011, 23, 787.
“Polyvalent catanionic vesicles: Exploring the drug delivery mechanisms.”
Boudiera, A.; Castagnosa, P.; Soussan, E., Beaune, G.; Belkhelfac, H.; Ménager, C.; Cabuil, V.;
Haddiouic, L.; Roques, C.; Rico-Lattes,I.; Blanzat, M. International Journal of Pharmaceutics, 2011,
403, 230–236.
“ Interactions between giant unilamellar vesicles and charged-core-shell magnetic
nanoparticles.”
Laurencin, M.; Geogelin T.; Malezieux, B.; Siaugue, J.-M.; Ménager, C. Langmuir, 2010, 26,
16025-16030
“ Interaction of n-octyl b,d glucopyranoside with giant magnetic fluid loaded
phaosphatidylcholine vesicles: direct visualization of membrane curvature fluctuations as
a funtion of surfactant partitioning water and lipid bilayer.”
Ménager, C.; Guemghar, D.; Cabuil, V.; Lesieur, S. Langmuir, 2010, 26, 15453-15463