Démarche utilisée

1.5.3.1 Mise au point des traitements de surface des nanodiamants

Dans un premier temps, il s’agit de maîtriser les traitements de surface permettant d’hydrogéner ou de graphitiser la surface des NDs. Le traitement d’hydrogénation déve- loppé est basé sur l’utilisation d’un plasma d’hydrogène généré par micro-ondes. Nous verrons que l’utilisation d’un plasma permet de créer efficacement des liaisons C- H à la surface des NDs tout en éliminant le carbone amorphe et l’oxygène initialement présents à la surface. Pour la graphitisation de surface, des recuits sous vide à haute température seront utilisés. Ces traitements sont déjà bien connus pour graphitiser les NDs, en revanche la formation d’une couche mince graphitique à la surface en évitant de transformer le cœur diamant est plus délicate. Ces traitements physico-chimiques ont l’avantage de pouvoir être appliqués à de grandes quantités de NDs sous forme pulvé- rulente, sans étape ultérieure de nettoyage nécessaire. Notre stratégie est basée sur une étude en deux temps :

Pourquoi développer des applications thérapeutiques avec les nanodiamants ?

(UHV) de NDs déposés sur un substrat sera effectuée. Elle aura pour but de déterminer les conditions expérimentales optimales pour préparer les NDs-H et les NDs-sp2_{en effectuant des traitements de surface suivis de caractérisations de surface}

de manière séquentielle in situ , c’est-à-dire sans exposition à l’air dans notre cas. L’évolution de la chimie de surface sera étudiée par des méthodes de spectroscopie électronique.

– Une fois que ces conditions auront été déterminées, il sera possible de les reporter sur des montages dédiés à la préparation de plus grandes quantités de ces NDs sous forme pulvérulente, pouvant ensuite être dispersés dans l’eau et être expo- sés à des cellules. Pour cela, deux dispositifs expérimentaux ont été mis au point pour l’hydrogénation et la graphitisation. Les NDs préparés sur ces dispositifs se- ront caractérisés ex situ par microscopie électronique ainsi que par spectroscopie infrarouge en plus des méthodes de spectroscopie électronique.

Pour permettre une comparaison avec les NDs oxydés utilisés dans la littérature, des traitements de recuit sous air seront effectués [116, 117, 118, 172]. Ces traitements permettent de graver le carbone non-diamant, et de saturer la surface avec des fonctions acides, principalement des acides carboxyliques [116]. Dans le chapitre 2, les dispositifs expérimentaux utilisés tout au long de cette thèse ainsi que les méthodes de caractérisation utilisées seront présentés. Nous verrons ensuite dans le chapitre 3 les caractérisations des NDs modifiés par ces traitements.

1.5.3.2 Étude des interactions entre les nanodiamants et leur environnement Nous verrons que les NDs-H et les NDs-sp2 _{préparés par ces traitements physico-}

chimiques interagissent fortement avec les molécules ambiantes après exposition à l’air. Ces interactions induisent des modifications de leur chimie de surface et influent sur leurs propriétés électroniques. Tout d’abord, les modifications de surface induites par ces ex- positions vont être caractérisées. Nous étudierons ensuite les capacités d’adsorption des NDs modifiés en exposant les NDs à différentes molécules sondes. Les interactions électrostatiques entre les NDs et le substrat sur lequel ils auront été déposés fourniront aussi des informations sur les capacités d’échanges électroniques de ces NDs modifiés. Dans cette étude, le rôle de la chimie de surface des NDs sur leurs propriétés sera parti- culièrement détaillé. Ces résultats feront l’objet du chapitre 4.

Les propriétés d’interactions des NDs avec l’eau, qui vont jouer un rôle primordial sur les propriétés colloïdales des NDs, vont ensuite être étudiées. La stabilisation des NDs modifiés dans l’eau sera expliquée en caractérisant leur chimie de surface après dispersion.

1.5 Présentation de la thèse

Nous étudierons plus particulièrement les phénomènes de stabilisation électrostatique et de transfert de charge dans l’eau, qui peuvent être particulièrement intéressants pour applications en nanomédecine. Ces résultats seront présentés dans le chapitre 5. 1.5.3.3 Étude des interactions entre les nanodiamants et les cellules

Une fois que la chimie de surface des NDs sera bien contrôlée et que les interactions avec l’eau seront mieux comprises, il sera possible d’étudier les interactions avec des cellules humaines in vitro. Pour commencer, la toxicité des NDs en fonction de la chimie de surface sera étudiée sur des cellules tumorales humaines venant de différents organes de rétention. Dans un second temps, nous montrerons que les NDs modifiés peuvent induire une toxicité quand ils sont excités par un stimulus extérieur. Une preuve de concept, effectuée avec des NDs-H en combinaison avec une irradiation gamma à des doses similaires à celles utilisées en radiothérapie va être présentée. Cette preuve de concept a pour but de montrer que les NDs peuvent avoir une action thérapeutique en modifiant leurs propriétés de surface, et permettent la radiosensibilisation de cellules tumorales. Ces résultats préliminaires, ayant fait l’objet d’un dépôt de brevet, seront développés dans le chapitre 6.

Chapitre 2

Techniques de modification et

caractérisation de la chimie et des

propriétés de surface des nanodiamants

Sommaire

2.1 Modifications de surface des nanodiamants : Dispositifs ex- périmentaux . . . 39 2.1.1 Four de recuit sous air . . . 39 2.1.2 Ensemble de préparation et d’analyse in situ sous ultravide . . 40 2.1.3 Montage d’hydrogénation par plasma micro-ondes . . . 42 2.1.4 Four pour les recuits sous vide à haute température . . . 43 2.2 Méthodes d’analyse de surface et de la structure cristalline

des nanodiamants . . . 45 2.2.1 Microscopie électronique en transmission haute résolution . . . 45 2.2.1.1 Caractérisation des nanodiamants . . . 45 2.2.1.2 Dispositif expérimental . . . 46 2.2.2 Spectroscopie de photoélectrons X . . . 46 2.2.2.1 Caractérisation des nanodiamants . . . 46 2.2.2.2 Dispositif expérimental . . . 48 2.2.3 Spectroscopie d’électrons Auger . . . 49 2.2.3.1 Caractérisation des nanodiamants . . . 49 2.2.3.2 Dispositif expérimental . . . 50 2.2.4 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier . . . 50 2.2.4.1 Caractérisation des nanodiamants . . . 50 2.2.4.2 Dispositif expérimental . . . 51 2.2.5 Bilan . . . 51

2.3 Méthodes d’analyse des interactions entre les nanodiamants et leur environnement . . . 53 2.3.1 Technique d’adsorption de molécules sondes . . . 53 2.3.2 Microscopie à sonde de Kelvin . . . 54 2.3.3 Diffusion dynamique de la lumière . . . 56 2.3.3.1 Mesure de taille . . . 56 2.3.3.2 Caractérisation des nanodiamants . . . 57 2.3.3.3 Définition et mesure du potentiel zêta . . . 58 2.3.4 Bilan . . . 59 2.4 Conclusion . . . 60

Techniques de modification et caractérisation de la chimie et des propriétés de surface des nanodiamants

Introduction

L’analyse des propriétés physico-chimiques des nanodiamants (NDs) après des trai- tements de surface est complexe car elle nécessite l’utilisation de méthodes de caractéri- sations complémentaires. Ainsi les méthodes permettant d’imager la structure cristalline du cœur des NDs seront différentes de celles capables de sonder la chimie de surface des NDs. Lorsque l’on s’intéresse aux modifications induites par des traitements de surface, il est important de pouvoir décorréler les modifications induites par les traitements de celles induites par l’interaction avec des molécules ambiantes par exemple. Cela nécessite de pouvoir caractériser la surface des NDs de manière in situ, sans exposition à l’air, et ex situ. La caractérisation des interactions avec l’environnement des NDs est un autre point crucial qui nécessite l’utilisation de méthodes encore différentes, dédiées à chaque type d’interaction.

Dans ce chapitre, les dispositifs et les méthodes utilisés pour préparer ou caractériser les NDs durant cette thèse vont être présentés. Dans un premier temps, les dispositifs expérimentaux utilisés pour modifier la surface des NDs (oxydation, hydrogénation et graphitisation) sont présentés. Ensuite, nous détaillerons les méthodes de caractérisa- tion utilisées en insistant sur leur complémentarité et sur les particularités associées à la caractérisation des NDs. Enfin, nous détaillerons les méthodes permettant d’étudier les interactions, principalement électrostatiques ou électroniques, entre les NDs et leur environnement, que ce soit des molécules de gaz, des substrats ou bien un solvant.

2.1

Modifications de surface des nanodiamants : Dis-

positifs expérimentaux

Comme expliqué dans la partie 1.5, la première partie du travail de cette thèse consiste à étudier les modifications de surface des NDs in situ, ce qui permet d’éviter les interac- tions avec les molécules d’air qui peuvent influencer les propriétés de surface. L’ensemble permettant d’effectuer les traitements de surface sur les NDs et de les caractériser sans exposition à l’air va maintenant être présenté. Nous verrons ensuite les montages expé- rimentaux permettant de traiter de grandes quantités de NDs sous forme pulvérulente. Auparavant, le four permettant d’oxyder les NDs par recuit sous air va être brièvement présenté.