Projet ANR-11-BS08-0013 – CLUSTOP : Nanoparticules de silice multifonctionnelles à architectures complexes à base de clusters de métaux de transitions pour des applications en biotechnologies
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Fabien GRASSET (UNIVERSITE DE RENNES I)
Partenaires : Chimie de la Matière Condensée de Paris; Écosystèmes, Biodiversité, Évolution; Institut des Sciences Chimiques de Rennes
Montant : 433703.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Des nanoparticules multifonctionelles pour des applications biomédicales.L’objectif de CLUSTOP est l’élaboration de nouvelles nanoparticules de silice non toxiques, magnétiques et phosphorescentes dans la région NIR, complété par l'étude de leurs propriétés physico-chimiques et toxicologiques.
Elaboration et toxicité de systèmes colloïdaux luminescents dans la région NIR.L’objectif du projet CLUSTOP était l’élaboration de nouvelles nanoparticules de silice non toxiques, magnétiques et/ou luminescentes dans la région rouge-proche infrarouge (NIR), complété par l'étude de leurs propriétés physico-chimiques et toxicologiques. En effet, l’élaboration de tels systèmes colloïdaux à base de nanoparticules multifonctionnelles de silice (dénotées X@SiO2, X = Cs2Mo6X14 et ß-Na(Y,Gd)F4:Yb:Er et/ou Fe2O3) à la fois non toxiques et résistants au vieillissement constitue actuellement un défi technologique pour les biotechnologies. L’émission dans le proche infrarouge est une propriété nécessaire pour des applications en biotechnologie, car cette fenêtre correspond à l’absorption minimum des tissus. Ce projet de recherche visait également à évaluer la toxicité et l'écotoxicité des expositions à ces nanoparticules. CLUSTOP était un projet de recherche sur 3,5 ans qui s’appuie sur l’expérience et les expertises complémentaires de chimistes, physiciens, physico-chimistes et biologistes de 3 laboratoires partenaires. C’était un programme pluridisciplinaire de recherche fondamentale qui a permis la réalisation de nouveaux nanomatériaux applicatifs dans les domaines des biotechnologies.
Rencontre entre la chimie du Solide et la chimie des colloïdesLes nouvelles nanoparticules multifonctionnelles X@SiO2 ont été élaborées à l’aide du procédé de chimie colloïdale microémulsion « eau-dans-huile». La microémulsion est une technique particulièrement intéressante pour encapsuler des nanoobjets amenant différentes fonctionnalités d’imagerie (ex : résonance magnétique et optique) et/ou thérapeutique. Dans notre projet, les aspects luminescents sont directement amenés par les nanocristaux up-conversion et les clusters inorganiques de métaux de transition. De plus, ces derniers apportent un aspect thérapeutique. En effet, les clusters inorganiques phosphorescents préparés par chimie du solide de type [M6X14]n- (M = Mo, Re; X = S, OH, Cl, Br, I; n = 2, 4) sont actuellement, la plus petite entité inorganique nanométrique dépourvue d’éléments métalliques hautement toxiques (mercure, plomb, cadmium en particulier), émettant dans la région NIR et générateurs d’espèces oxydantes réactives. Les aspects magnétiques sont, quant à eux, apportés par les nanocristaux d’oxyde de fer, bien connus pour leurs propriétés superparamagnétiques. La difficulté majeure étant d’élaborer des nanoparticules complexes, possédant toutes ces fonctions, avec un diamètre inférieur à 50 nm et présentant un minimum de toxicité.
Résumé de la soumission : L’élaboration de systèmes colloïdaux luminescents dans la région proche infra-rouge (NIR) à base de nanoparticules de silice (dénotées X@SiO2, X = luminophores) à la fois non toxiques et résistants au vieillissement constitue actuellement un défi technologique pour les biotechnologies. L’émission dans le NIR est une propriété nécessaire pour des applications en biotechnologie car cette fenêtre correspond à l’absorption minimum des tissus. Actuellement, les luminophores les plus utilisés dans le NIR sont des molécules organiques ou des quantum-dots (QD) à base des éléments Cd, Pb ou As. Le désavantage principal des luminophores organiques est leur vieillissement prématuré sous excitation (photoblanchiment) et ceux des QD à base de métaux lourds sont leur clignotement, leur toxicité et leur mauvais impact environnemental. Dans ce cadre, l’objectif de CLUSTOP est l’élaboration de nouvelles nanoparticules clusters@SiO2 non toxiques et hautement phosphorescentes dans la région NIR, complété par l'étude de leurs propriétés physico-chimiques et toxicologiques. A cet effet, l’introduction simultanée, dans des nanoparticules clusters@SiO2 de nanocristaux aux propriétés de ‘up-conversion’ permettra d’obtenir de nouvelles nanoparticules combinant à la fois une photo-excitabilité et une photo-émission dans le NIR utilisables en biotechnologies. Parallèlement, l’utilisation de nanocristaux de métaux nobles comme l’or doit permettre d’augmenter l’émission radiative des motifs [Mo6X14]2- par transfert d’énergie. Ce projet s'appuie sur les récents résultats obtenus par P1 et P3 sur la mise au point de nanoparticules ?-Fe2O3-Cs2Mo6X14@SiO2 dans lesquelles les motifs nanométriques luminescents de [Mo6X14]2- sont incorporés et hautement dispersés dans une matrice  de silice autour d’un centre magnétique (nanocristaux de ?-Fe2O3) pour former des nanoparticules multifonctionnelles (magnétiques et phosphorescentes). Dans ce projet, les nouvelles nanoparticules clusters@SiO2 seront élaborées à l’aide du procédé microemulsion à partir de clusters inorganiques phosphorescents préparés par chimie du solide [Clusters = [M6X14]n- (M = Mo, Re; X = S, OH, Cl, Br, I; n = 2, 4)]. Ces nouvelles nanoparticules clusters@SiO2 seront de taille contrôlée comprises entre 10-100 nm. Le choix de la matrice de SiO2 s’explique par sa transparence dans le NIR, sa biocompatibilité, sa facilité à être fonctionnalisée ce qui offre de nombreuses potentialités d’application. Du point de vue optique, les composés à clusters sont phosphorescents avec des rendements quantiques et des temps de vie élevés compris entre la dizaine et la centaine de microseconde. Les nouvelles nanoparticules à base de motifs inorganiques nanométriques [M6X14]2- regroupent les avantages des luminophores moléculaires organiques et ceux des luminophores inorganiques  (QDs) : taille nanométrique et résistance au photoblanchiment respectivement. Actuellement, les motifs [M6X14]2- constituent la plus petite entité inorganique nanométrique, résistante au photoblanchiment et dépourvue d’éléments métalliques toxiques, émettant dans le NIR. CLUSTOP est un projet de recherche étalé sur 3 ans qui s’appuie sur l’expérience et les expertises complémentaires de chimistes, physiciens, physico-chimistes et biologistes de 3 laboratoires partenaires (notés P1, P2 et P3). Pour conclure, CLUSTOP est une extension logique de la recherche développée récemment par les différents partenaires sur les nanoparticules luminescentes à base de clusters. C’est un programme pluridisciplinaire de recherche fondamentale qui doit permettre la réalisation de nanomatériaux applicatifs dans les domaines des biotechnologies.
Résultats : Les résultats majeurs obtenus au cours de ce projet se situent à deux niveaux. Le premier concerne le cœur du projet, à savoir la synthèse et la caractérisation de nouvelles nanoparticules multifonctionnelles de silice à architectures complexes et de solutions colloïdales (Figure 1). De nombreux résultats ont été obtenus, par exemple les nanoparticules ?-Fe2O3-Cs2Mo6X14@SiO2 ou ß-NaGdF4:Yb:Tm@NaGdF4-Cs2Mo6X14@SiO2. Ces nanoparticules présentent des propriétés optiques ou magnétiques très originales. Il est à noter également les progrès considérables obtenus en matière de rendement quantique sur les clusters de molybdène grâce aux efforts effectués en ingénierie chimique. Le deuxième niveau se positionne en termes de nano(éco)toxicité et bioimagerie. L’utilisation de cellules animales tridimensionnelles ou végétales a permis de mettre en évidence une toxicité relativement faible et fortement lignée dépendante. De plus, ces études suggèrent un important potentiel des clusters pour l’étude de la nanotoxicité d’un point de vue fondamental. En termes applicatifs, un des résultats important a été l’internalisation par endocytose des nanoparticules et leurs observations par microscopie de fluorescence en temps retardé. Ce projet a donné lieu depuis le début à 8 publications, dont 7 multipartenaires, 1 chapitre d’ouvrage et 20 conférences. Il est à noter que les travaux publiés dans l’article  « T. Aubert, et al., Part. Part. Syst. Charact. (2013), 30, 90–95 » ont fait l’objet d’une sélection par l’éditeur pour une citation dans l’éditorial et la réalisation d’un frontispice. De plus, une des figures de l’article « S. Cordier et al., J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. (2015), 25, 189-204 » a été sélectionnée par l’éditeur pour l’illustration de la page de couverture.
Perspectives : Les perspectives à ce travail sont l’optimisation des propriétés optiques et la complexification de l’architecture des nanoparticules. De plus, ces études suggèrent un important potentiel des clusters pour l’étude de la nanotoxicité d’un point de vue fondamental.
Publications et brevets : 1.	S. Cordier, F. Grasset, Y. Molard et al., J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. (2015) 25, 189-204
2.	S. Cordier, Y. Molard, K. A. Brylev et al., J. Cluster Sci., (2015) 26, 53-81
3.	N. Nerambourg, T. Aubert, C. Neaime et al., J. Colloids Inter. Sci. (2014) 424, 132–140.
4.	T. Aubert, N. Nerambourg, C. Neaime et al., Key Eng. Mater. (2014) 617, 179-183.
5.	C. Neaime, N. Nerambourg, T. Aubert et al., Key Eng. Mater. (2014) 617, 174-178
6.	T. Aubert, N. Nerambourg, N. Saito et al., Part. Part. Syst. Charact. (2013) 30, 90–95.
7.	T. Aubert, F. Cabello-Hurtado, M.-A. Esnault et al., J. Phys. Chem. C (2013) 117, 20154-20163.
8.	T. Aubert, A. Burel, M.-A. Esnault et al., J. Hazardous Mater. (2012) 219-220: 111-118.