M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - Sept 2011 Chapitre_3_ABC Nanomédecine

Transcription

1 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 1 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - Sept 2011 Chapitre_3_C Nanomédecine Science des mat ériaux Techniques de caractérisation iomat ériaux Médecine D. azin Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502, Université Paris Sud, ât Orsay Cedex, France.

2 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 2 PLN Chapitre 3 Nanomédecine & Nanomatériaux Introduction Chapitre 3 grégats métalliques grégats d argent Chapitre 3.1 Introduction Chapitre 3.2 Morphologie des agrégats Chapitre 3.3 Nanoagrégats : Volume versus Surface Chapitre 3.4 Domaines de stabilité Chapitre 3.5 Morphologie & O 2 adsorption Chapitre 3.6 Relaxation des distances interatomiques Chapitre 3.7 Protocole de préparation Chapitre 3.8 grégats bimétalliques Chapitre 3.9 dsorption de molécules Chapitre 3.10 Cas de molécules diatomiques Chapitre 3 X-Ray photoelectron spectrometry : XPS Chapitre 3.1 Introduction Chapitre 3.2 Principe Chapitre 3.3 Relation d Einstein Chapitre 3.4 Une technique de surface Chapitre 3.5 Le dispositif expérimental Chapitre 3.6 Quelques exemples d application Chapitre 3C utres applications Chapitre 3C.1 Gold Nanoparticles & Oxaliplatin Chapitre 3C.2 Encapsulation d insuline Chapitre 3C.3 Radiopaque iodinated polymeric nanoparticles

3 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 3 Introduction Nanomedicine aims to identify diseases at the earliest stages at the cellular level, and to perform targeted drug delivery, allowing a reduction of toxicity and side effects of therapeutic drugs by releasing and activating them at the required site. The application of nanotechnology in medicine provides a great opportunity to improve the quality of medical care and contain the rising health-care costs, combining the increased knowledge of modern medicine with the ability to manipulate materials at the nanoscale for more precise and accurate diagnosis and therapy, taking into account regulatory and safety issues.

4 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 4 Chapitre 3.1 Generalities Silver 1 is a metal known for its broad-spectrum antimicrobial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi, protozoa certain viruses, including antibiotic-resistant strains. It can be used to - to reduce infections in the treatment of burned areas, - to prevent bacterial colonisation on medical devices as well as in textile fabrics - for water treatment. Silver, as an antiseptic agent, has been effective in a variety of materials, including glass, titanium and polymers. 1. D.R. Monteiro et al. / International Journal of ntimicrobial gents 34 (2009)

5 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 5 Dans le domaine des nanomatériaux 2, on s attend à ce que les nanoparticules métalliques aient des propriétés différentes de celles du solide volumique en raison de la séparation finie des niveaux d énergie électronique. En effet, si le corps étudié est fini, la densité d états n est pas quasi continue mais est formée d une série de pics delta dont la séparation dépend de la taille et de la forme des agrégats. 2. Thèse M.. Gordon, 1978, Université de Grenoble

6 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 6 Chapitre 3.2 Morphologie des agrégats classic way to introduce nanometer-scale metallic clusters is probably to present their geometric properties. wide range of morphologies exists 3,4. Cuboctaèdre (FCC) Icosaèdres 5 (symétrie d ordre 5) Dodécaèdre Wulff polyedra (Cuboctaèdre troncqué) 3.. Ino, J. Phys. Soc. Jpn, 27, 941, G. V. Wulff, Z. Krystallogr. 34, 449,1901

7 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 7 Cuboctaèdre (FCC) Icosaèdres 5 (symétrie d ordre 5) Les icosaèdres existent pour des agrégats 20 nm

8 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 8 Un dodécaèdre est un solide composé de 12 faces. Le préfixe dodéca-, d'origine grecque, fait référence au nombre de faces. Certains dés ont une forme de dodécaèdre. 15,65, 175 and 369 atomes Wulff polyedra containing 38, 201, 405, 807 and 1289 atoms (octaédre troncqué)

9 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 9 Chapitre 3.3 Domaine de stabilité Cu

10 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 10 Chapitre 3.4 Relaxation des distances Pd The most striking feature is that, for cuboctahedron, one observes inhomogeneous contractions of the cluster. R p R( p) R 0 ( p) R 0 ( p) R (%) p 10 (a) 8 6 (2) (3) (4) (5) (...) 0 (V) (E) (S) 5(T) p

11 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 11 Chapitre 3.5 grégats bimétalliques Cherry Model

12 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 12 N*N =N*N

13 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 13 Chapitre 3.6 dsorption de molécules Selon la force de la liaison entre un solide et un gaz en interaction deux sortes d adsorption sont à distinguer : la physisorption et la chimisorption. Lorsque les liaisons mis en jeu sont analogues aux liaisons intermoléculaires et correspondent aux forces de Van der Walls, l interaction est appelé la physisorption. Lorsqu il y a transfert ou mise en commun d électrons entre le solide et la molécule (liaison chimique), cette adsorption est appelée chimisorption. On peut avoir alors chimisorption dissociative.

14 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 14 Chapitre 3.7 Cas de molécules diatomiques

15 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 15 Chapitre 3 : La spectrométrie photoélectronique X Chapitre 3.1 Introduction La spectrométrie photoélectronique X, ou spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (en anglais, X-Ray photoelectron spectrometry : XPS) est une méthode physique d'analyse chimique mise au point à l'université d'uppsala (Suède) dans les années 1960, sous la direction de Kai Siegbahn, ce qui lui a valu le prix Nobel en La méthode était anciennement nommée ESC (electron spectroscopy for chemical analysis : spectroscopie d'électron pour l'analyse chimique).

16 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 16 Chapitre 3.2 Principe Principe de la spectrométrie photoélectronique par rayons X L'échantillon est irradié par des rayons X monochromatiques qui provoquent l'ionisation de ses atomes par effet photoélectrique. L'énergie cinétique E c de ces photoélectrons est mesurée, ce qui donne le spectre de l'intensité des électrons en fonction de l'énergie mesurée. Chaque photon X incident a la même énergie h ν, puisque le faisceau est monochromatique (h étant la constante de Planck et ν la fréquence de l'onde lumineuse incidente). Lors de l'interaction avec l'atome, une partie de cette énergie sert à rompre la liaison, c'est l'énergie de liaison, E L ; le reste est transféré à l'électron sous la forme d'énergie cinétique.

17 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 17 Chapitre 3.3 Relation d'einstein Le spectre en énergie cinétique présente donc des pics, et l'on peut déterminer l'énergie de liaison correspondant à chaque pic par la relation d'einstein : h = E c + E L E L = h E c E L = Énergie de liaison [J] E c = Énergie cinétique électronique [J] h = Constante de Planck [J s] (~6, ) = Fréquence de radiation [s -1 ] L'énergie du photon X incident est de l'ordre de grandeur de l'énergie d'ionisation des électrons de cœur : leur émission donne les pics XPS caractéristiques de la nature de l'atome ; Une information chimique, le degré d'oxydation est tirée des petits déplacements du pic XPS correspondant à la variation d'énergie entre couches de valence, cette dernière (correspondant aux domaine de l'uv/visible/proche IR en général) est faible devant celle des rayons X.

18 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 18 Chapitre 3.4 Une technique de surface On a finalement accès à la composition chimique de la surface du matériau analysé sur une profondeur de 10 nm environ, par comparaison avec des spectres connus. Des analyses semiquantitatives peuvent être également extraites des spectres XPS normalisés en se basant sur l'intégrale des pics. Résolution spatiale : 10 m.

19 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 19 Chapitre 3.5 Le dispositif expérimental Schéma de principe d'un ensemble de spectrométrie de photoélectrons X. Tube à rayons X, nalyseur, La différence de potentiel entre ces deux électrodes définit l'énergie de passage des électrons. Seul les électrons ayant une énergie cinétique comprise dans un intervalle d'énergie centré sur cette énergie de passage arriveront au détecteur. Echantillon, Système de focalisation électronique, Détecteur à électrons (channeltron), Système d'acquisition et de traitement des données.

20 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 20 La chambre d'analyse sous mbar 5,

21 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 21 Chapitre 3.6 Quelques exemples d application Etats d oxydation du Ti 7 Ti 4+, Ti 3+, Ti L. Ovari, J. Kiss / pplied Surface Science 252 (2006)

22 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 22 L XPS différencie difficilement TiO 2 rutile et TiO 2 anatase Y.-Y. Song et al. / Surface Science 604 (2010)

23 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 23 Dans le cas de l XPS, chaque type d atomes donne lieu à des contributions différentes M.-S. Park, M. Kang / Materials Letters 62 (2008)

24 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 24 Dans le cas de l XPS, l amplitude du signal est proportionnelle à la quantité d atomes L. Ovari, J. Kiss / pplied Surface Science 252 (2006)

25 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 25 Chapitre 3C utres applications Chapitre 3C.1 Gold Nanoparticles for the Improved nticancer Drug Delivery of the ctive Component of Oxaliplatin Since its approval in 1971, cisplatin has been used to treat a variety of human cancers.1 Whereas the drug has a nearly 100% cure rate for testicular cancer, its use in treating ovarian, bladder, lung, head, and neck cancers is limited by acquired resistance. Cisplatin and its analogues carboplatin and oxaliplatin act by binding to DN, thereby preventing its transcription and replication and through that inducing cellular apoptosis.

26 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 26 These drugs can be improved through the use of drugdelivery vehicles that are able to target cancers passively or actively. The platinum-tethered nanoparticles demonstrated as good as, or significantly better, cytotoxicity than oxaliplatin alone in all of the cell lines and an unusual ability to penetrate the nucleus in the lung cancer cells.

27 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 27 Chapitre 3C.2 Encapsulation d insuline Le cadre de l étude The encapsulation of insulin 11 into different kinds of materials for noninvasive delivery is an important field of study because of the many drawbacks of painful needle and syringe delivery such as physiological stress, infection, and local hypertrophy, among others (Khafagy, E.-S.; et al. dv. Drug Delivery Rev. 2007, 59 (15), ). stable, robust, nontoxic, and viable noninvasive carrier for insulin delivery is needed. 11. Diaz et al, Nanoencapsulation of Insulin into Zirconium Phosphate for Oral Delivery pplications, Macromolecule

28 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 28 new approach for protein nanoencapsulation using layered zirconium phosphate (ZrP) nanoparticles. The use of ZrP - without any kinds of contaminants, - Cytotoxicity cell viability in vitro experiments for the ZrP nanoparticles show that ZrP is not toxic, or harmful, in a biological environment, as previously reported for rats (Zhu, Z. Y.; et al. Mater. Sci. Forum 2009, , ). Insulin can be nanoencapsulated in ZrP if a highly hydrate phase of ZrP with an interlayer distance of 10.3 Å (10.3 Å-ZrP or θ-zrp) is used as a precursor. The intercalation of insulin into ZrP produced a new insulinintercalated ZrP phase with about a 27 Å interlayer distance, as determined by X-ray powder diffraction, demonstrating a successful nanoencapsulation of the hormone. 27 Å interlayer distance 29.3 Å interlayer distance

29 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 29

30 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 30

31 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 31 The in vitro release profile of the hormone after the intercalation was determined and circular dichroism was used to study the hormone stability upon intercalation and release. The insulin remains stable in the layered material, at room temperature, for a considerable amount of time, improving the shell life of the peptidic hormone. Conclusion : This type of material represents a strong candidate to developing a noninvasive insulin carrier for the treatment of diabetes mellitus.

32 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 32 Chapitre 3C.3 Calcium phosphate drug nanocarriers with ultrahigh and adjustable drug-loading capacity: One-step synthesis, in situ drug loading and prolonged drug release Calcium phosphates (CPs) are present throughout the body in the form of amorphous calcium phosphate (CP) as well as hydroxyapatite (Hp); thus, they are considered the most biocompatible inorganic biomaterials and suitable candidates for drug carriers.

33 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 33

34 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 34 Chapitre 3C.4 Radiopaque iodinated polymeric nanoparticles for X- ray imaging applications Recent literature concerning novel biomaterials indicates increasing interest in developing radiopaque polymers as contrast agents for X-ray imaging [1 12].

35 M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. azin - Sept Nanomatériaux nanomédecine 35