LES NANOTECHNOLOGIES DANS LA BIOTECHNOLOGIE

LES NANOTECHNOLOGIES DANS LA BIOTECHNOLOGIE

Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés)

La recommandation de la Commission de l’Union européenne du 18 octobre 2011 (2011/696 / UE) par rapport à la définition des nanomatériaux est la suivante : «Un nanomatériau désigne un matériau naturel, accessoire ou manufacturé contenant des particules, à l’état non lié ou sous forme d’agrégat ou d’agglomérat et où, pour 50% ou plus des particules dans la distribution granulométrique, une ou plusieurs dimensions externes se situent dans la plage de tailles de 1 à 100 nm » [43]. 20 1.2.1. Nanocolloïdes Un nanocolloïde est un colloïde régulier dont la phase dispersée est composée de nanoparticules. Un colloïde se présente comme une suspension homogène de petites particules (entre un nanomètre et un micromètre), et qui prend des formes diverses (liquides, gel ou pâte…). La définition étant généralisée à des substances qui ne peuvent être dialysées car constituées de particules qui ne peuvent traverser les membranes. Étant des nanomatériaux, les nanocolloïdes présentent également des propriétés singulières dépendantes de leur taille. Mais ces propriétés peuvent être influencées par la nature, les caractéristiques des particules nanométriques et le milieu dans lequel ces particules sont dispersées [44]. L’état colloïdal est parfois considéré comme un état de la matière à part, les états conventionnels étant solides, liquides et gazeux. En pratique, on considère un colloïde comme monodispersé lorsque la distribution granulométrique ne dépasse pas 10% de la moyenne. C’est en fonction de cette taille que leur aspect varie. Elles apparaissent complètement transparentes dans le visible lorsque le diamètre des particules est inférieur à 50 nm et opaques lorsque le diamètre des particules est supérieur à 100 nm [45]. La classification des systèmes nanocolloïdaux peut être effectuée sur la base d’une variété de caractéristiques telle que :  l’importance de l’état physique dans les nanocolloïdes ;  l’effet de l’interaction entre la phase dispersée et le milieu de dispersion dans les nanocolloïdes ;  l’impact des particules de la phase dispersée 

Nanofilms

En réalisant des dépôts d’atomes ou de molécules, y compris des nanotubes, sur des surfaces, on parvient à réaliser des films d’épaisseur nanométrique. Ceux-ci 21 peuvent hériter des propriétés de leurs composants ou développer des propriétés de surface nouvelles liées à la simple structuration apportée par le dépôt à l’échelle nanométrique. Les revêtements de 10 à 100 nm servent d’interface entre les objets biologiques et les matériaux. L’assemblage couche par couche d’espèces macromoléculaires de charge opposée offre une voie facile de preparation des nanofilms pour une variété d’applications (Figure 6). Figure 6 : Schéma du système d’assemblage en couches minces [46]. Ce schéma décrit l’adsorption alternée de polymères chargés positivement et négativement à partir d’une solution aqueuse et d’une couche de nanotubes. Les films couche par couche sont faciles à fabriquer sur une variété d’objets plats ou de forme irrégulière et se prêtent à un contrôle précis des propriétés physicochimiques. La bioactivité peut être conférée par l’incorporation facile d’espèces biomoléculaires, faisant des films d’excellents candidats pour des applications de biomatériaux, par exemple, la culture cellulaire, l’ingénierie tissulaire, les implants biomédicaux [46]. 1.2.3. Nanocomposites Un nanocomposite est constitué de nano-objets incorporés dans une matrice d’oxyde ou de polymère. C’est un matériau multiphase solide où l’une des phases 22 a un, deux ou trois dimensions inférieures à 100 nanomètres, ou des structures ayant des distances qui se répètent le nano-échelle dans leurs différentes phases. Au sens le plus large, cette définition peut inclure les milieux poreux, les colloïdes, les gels, les copolymères et les mélanges de polymères [47]. Selon les constituants de la matrice, il existe plusieurs types de nanocomposites [48] :  nanocomposites à matrice polymères,  nanocomposites à matrice céramique,  nanocomposites à matrice métallique…

Matériaux nanoporeux

Les matériaux nanoporeux sont des matériaux dans lesquels les atomes laissent des pores de taille nanométrique qui peuvent être en forme de « cages » ou de « tubes ». Le principal intérêt de ces composés poreux est d’être exploitables en séparation de gaz, en catalyse, en tamisage moléculaire, mais aussi d’offrir des potentialités remarquables comme structure hôte pour des molécules à propriétés optiques non linéaire ou magnétiques. Par exemple les zéolites, une classe de minerais proches de l’argile sont déjà utilisées pour diverses applications [49]. Les matériaux nanoporeux peuvent être divisés en trois catégories, définies par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) :  matières microporeuses : 0,2 – 2nm  matériaux mésoporeux : 2 à 50nm  matériaux macroporeux : 50 à 1000nm 2. Différentes voies de synthèses Un atome à la surface d’un composé est différent d’un atome du même élément à l’intérieur de ce composé. Il existe essentiellement deux types d’effets dépendant de la taille : d’une part, ceux liés à la fraction des atomes à la surface et d’autre 23 part, ceux liés aux effets quantiques. Ainsi, toute synthèse de nano-objets doit permettre de contrôler la taille de celui-ci, mais aussi de maîtriser son interface avec son environnement. Pour ce faire, il existe deux types d’approches : l’une est basée sur une vision descendante « top-down » et l’autre sur une vision ascendante « bottom up ». 2.1. Voie descendante « Top-down » L’approche « top down » consiste à partir d’un matériau massif, de le réduire au fur et à mesure sa taille par ablation laser, lithographie, consolidification, densification, mécano-synthèse… Dans cette approche, allant du plus grand au plus petit, les nanostructures sont réalisées par une succession d’étapes technologiques issues principalement de la microélectronique. Ainsi, les structures préalablement définies par une des techniques précédentes, sont transférées dans le matériau voulu par des procédés de gravure, lift off ou dépôt électrolytique. La miniaturisation a d’abord conduit à des dimensions micrométriques et est descendue à des dimensions nanométriques [45]. Par exemple, pour synthétiser des nanodiamants : la partie carbone d’un mélange de TNT (trinitrotoluène) et d’hexogène dans un confinement d’eau se transforme sous l’action d’un pic de température de 1500 °C et sous vide en particules de diamant qui ont une taille de 5 nm. Un autre exemple consiste à fabriquer des microdisques avec des films minces d’oxyde de zinc (ZnO) en utilisant une approche top-down qui combine une lithographie par faisceau d’électrons et une gravure ionique réactive [45]. Ainsi, différentes techniques seules ou combinées permettent de parvenir à cette synthèse de particules de taille nanométrique par l’approche du top down.

Voie ascendante « Bottom-up »

L’approche « bottom up », en revanche, part de l’atome et utilise la pyrolyse laser, les réactions en milieu solide, la chimie supramoléculaire et la chimie douce (coprécipitations, sol-gel, microémulsion…) pour synthétiser les différents édifices. 24 Elle part du plus petit vers le plus grand, et est généralement une voie de synthèse chimique de nanomatériaux. Elle étudie les propriétés physico-chimiques des entités élémentaires qui constituent les nano-objets et qui s’auto-organisent sur une surface ou dans un milieu donné. Lorsque les atomes d’un matériau sont déposés sur un substrat, la croissance peut s’effectuer suivant trois modes :  une croissance bidimensionnelle (mode Frank van der Merwe FM),  une croissance tridimensionnelle (mode Volmer-Weber VW), ou bien  débuter par une croissance bidimensionnelle et se poursuivre en trois dimensions (mode StranskiKrastanov SK); Ce modèle est surtout adapté pour les NPs de métal avec des interfaces bien définies. L’approche bottom-up (Figure 7) exploite cette capacité qu’ont les atomes, sous certaines conditions, à se regrouper pour former des nanostructures. Les atomes au sein d’une même molécule s’auto assemblent avec des interactions faibles telles que des liaisons de Van der Waals et hydrogène pour former des édifices complexes nanométriques. L’élaboration de ces nanomatériaux se fait surtout par la voie de la « chimie douce » telle que le procédé sol-gel, la coprécipitation, la microémulsification etc. Les avantages résident dans l’homogénéité chimique et le contrôle de toutes les étapes de croissance ; le contrôle de la taille et de la forme étant primordial, car les propriétés exceptionnelles à l’échelle nanométrique n’existent pas dans le matériel massif. Par exemple, les solutions colloïdales des nanocristaux d’or et d’argent donnent des couleurs variant du bleu au jaune ou au rouge dues à la résonance des plasmons de surface [45]. Exemple : les méthodes physiques ou chimiques effectuées à des températures élevées [50] :  la synthèse solide vapeur liquide des nanostructures  le dépôt chimique en phase vapeur pour la fabrication de nanostructures