III.4 Conclusion du chapitre
IV.1.1 M´ethodes existantes
Figure IV.1 – Strat´egies pour la solubilisation de nanoparticules dans l’eau. En haut, l’´echange de ligands : on remplace les ligands hydrophobes (en noir) par des ligands hydrophiles (en vert). En bas, l’encapsulation par un polym`ere amphiphile. La partie hydrophobe du polym`ere (en orange) va interagir avec les ligands de la particule alors que la partie hydrophile (en bleu) assure la solubilit´e.
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Il existe essentiellement deux techniques pour rendre soluble dans l’eau des particules recouvertes de ligands hydrophobes : l’encapsulation et l’´echange de ligands.[226–230] La figure IV.1 pr´esente un sch´ema des objets obtenus avec les deux techniques. Pour chacune de ces techniques, il est n´ecessaire d’avoir un ligand bifonctionnel : une fonction d’ac-croche sur la nanoparticule et une fonction hydrophile qui va permettre la solubilisation dans l’eau ainsi que la dispersion collo¨ıdale.
L’encapsulation par des mol´ecules amphiphiles
Dans le cas de l’encapsulation, on utilise une mol´ecule amphiphile.[108, 110, 231] La partie hydrophobe (en orange sur la figure IV.1) joue le rˆole de fonction d’accroche en interagissant avec la couche de ligands hydrophobes pr´esents `a la surface de la nanoparti-cule. La partie hydrophile permet quant `a elle la bonne dispersion dans l’eau des nanopar-ticules. Par exemple, Dubertret et al en 2002 ont utilis´e une phosphatidyl´ethanolamine (PE) coupl´ee `a un poly-(´ethyl`eneglycol) (PEG) (Fig. IV.2, PL-PEG2000) pour solubili-ser des quantum dots CdSe/ZnS. En 2003, Wu et al. utilisent un polym`ere amphiphile bas´e sur un poly-(acide acrylique) coupl´e avec des groupements octylamine et lysine pour solubiliser des quantum dots CdSe/ZnS(Fig. IV.2 PAA-lysine-octylamine).[108] Pellegrino et al. ont montr´e en 2004 que l’utilisation d’un poly-(anhydride
mal´eique-alt-1-t´etrad´ec`ene) permettait de solubiliser non seulement des quantum dots CdSe/ZnS mais aussi des nanoparticules m´etalliques (Au, CoPt3) ou d’oxydes (Fe2O3).[231]
Cette technique pr´esente l’avantage de conserver la structure du quantum dot : la sur-face est toujours passiv´ee par les ligands issus de la synth`ese, ce qui permet en g´en´eral de conserver le rendement quantique des objets initiaux. De plus, la formation d’une couche hydrophobe `a la surface des nanoparticules empˆeche la diffusion de l’eau vers la surface, limitant de fait l’oxydation des quantum dots et donc la perte de rendement quantique. Si c’est un avantage pour la mise au point de sondes fluorescentes, cela peut devenir probl´ematique dans notre cas. En effet, comme nous l’avons montr´e dans le pre-mier chapitre, l’acc´el´eration de la relaxation longitudinale par les agents de contraste se fait via une interaction dipˆole-dipˆole entre les ions paramagn´etiques et les mol´ecules d’eau. Or c’est une interaction courte distance (elle d´ecroit en 1/r6) et la pr´esence d’une couche hydrophobe va limiter les relaxivit´es de nos objets. D’autre part, `a cause de la couche lipidique, les objets obtenus par cette technique ont en g´en´eral un rayon hydro-dynamique plus grand que ceux obtenus par ´echange de ligands,[232] ce qui peut poser des probl`emes pour certaines applications o`u la diffusion dans les capillaires sanguins fins est n´ecessaire.
Figure IV.2 – Exemples de ligands utilis´es pour l’encapsulation de quantum dots L’´echange de ligands
L’autre technique d´evelopp´ee pour solubiliser les nanoparticules dans l’eau est l’´echange de ligands (voir figure IV.1). Cette technique consiste `a remplacer les ligands hydro-phobes pr´esents `a la surface des nanoparticules par des ligands hydrophiles. Comme pour les mol´ecules amphiphiles, ces ligands poss`edent deux fonctions : une fonction qui permet l’accroche directement `a la surface de la nanoparticule et une fonction hydrophile, qui permet la dispersion et la stabilit´e collo¨ıdale. Pour les nanoparticules recouvertes d’une couche de sulfure de zinc, la fonction d’accroche la plus utilis´ee est la fonction thiol en raison de la grande affinit´e entre le zinc et le soufre.[233]
En 1998, Chan et Nie ont propos´e d’utiliser l’acide 2-mercaptoac´etique pour solu-biliser des quantum dots CdSe/ZnS (Fig. IV.3).[234] Depuis, de nombreuses ´equipes ont utilis´e d’autres ligands monodentates comme l’acide 3-mercaptopropionique,[235], la cyst´eine,[236] des thiols coupl´es `a des brins d’ADN,[237] des sucres[238] ou du di´ethyl`ene-glycol (2-(2-(2-mercapto´ethoxy)´ethoxy)´ethanol).[91] Malheureusement, la stabilit´e des nanoparticules solubilis´ees par des ligands monodentates est limit´ee.[239] Pong et al. ont montr´e que les ligands sont plus fortement li´es lorsqu’ils sont sous forme de thiolates.[184, 240] Or, la proportion de thiolates d´epend fortement du pH de la solution et de fait, la
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stabilit´e des nanoparticules va, elle aussi, d´ependre fortement du pH. Ainsi, Aldana et
al.ont montr´e que les ligands (acide 3-mercaptopropionique et 3-mercaptopropanol) li´es `a des nanocristaux de CdSe se protonent pour des pH < 9-9,5, ce qui limite l’utilisation des quantum dots pour l’imagerie.
Pour pallier `a ces probl`emes, Mattoussi et al. ont propos´e l’utilisation d’un ligand bidentate, l’acide dihydrolipo¨ıque (DHLA, voir la figure IV.3 pour la structure), pour solubiliser des quantum dots.[241] Malheureusement, comme pour les ligands monoden-tates, il est n´ecessaire d’avoir la forme carboxylate de l’acide et donc avoir un pH > 7-8. De plus, la charge n´egative peut poser des probl`emes d’adsorption non sp´ecifique avec des biomol´ecules charg´ees positivement. Pour pallier `a ce probl`eme, Susumu et al. ont coupl´e une chaine de poly-(´ethyl`eneglycol) (PEG) `a de l’acide dihydrolipo¨ıque (DHLA).[242] Le PEG est un polym`ere tr`es hydrophile et neutre, ce qui permet de limiter l’adsorption non sp´ecifique.[243] Outre les quantum dots,[244] le PEG est utilis´e pour solubiliser de nombreux types de nanoparticules : Au,[245, 246] Fe3O4,[52, 247], Gd2O3,[248] ou encore SiO2.[249, 250] Le couplage du DHLA avec une sulfob´eta¨ıne (DHLA-SB) a permis `a notre groupe d’obtenir des nanoparticules avec une stabilit´e ´equivalente mais avec un rayon hy-drodynamique plus petit.[251, 252] D’autres fonctions bidentates ont ´et´e propos´ees pour am´eliorer la stabilit´e des quantum dots : le dithiothr´eitol,[253] des dithiocarbamates,[254] ou encore des dithiocarboxylates.[255, 256] Nous avons d´evelopp´e un ligand oligom´erique contenant plusieurs fonctions DHLA et sulfob´eta¨ıne et nous avons montr´e que les quan-tum dots ainsi obtenus sont stables sur une plus longue p´eriode que ceux avec une seule fonction d’accroche.[257]