Depuis 2001, date `a laquelle Vallet-Reg´ı et al. ont pour la premi`ere fois propos´e d’utiliser les mat´eriaux m´esoporeux de silice comme vecteur de m´edicaments, de nombreuses ´etudes ´et´e men´ees afin de comprendre quels sont les facteurs qui contrˆolent les cin´etiques d’encapsulation et de lib´eration [14, 130–132]. A l’heure actuelle, il est bien admis par la communaut´e scientifique que ces facteurs sont la taille des pores [133], la tortuosit´e [134], le volume poreux [135], la morphologie [136] ou encore la chimie de surface des mat´eriaux [137–139]. Par exemple, la fonctionnalisation de la surface des canaux par des groupements hydrophobes s’av`ere ˆetre efficace pour l’encapsulation d’anticanc´ereux liphophiles [132, 140, 141]. Le taux de chargement du vecteur d´epend aussi fortement du solvant utilis´e ainsi que de la m´ethode d’encapsulation [142– 145].
Bas´ee sur les m´ethodes traditionnellement utilis´ees pour les mat´eriaux m´esoporeux siliciques, la fonctionnalisation des MSNs a ´et´e particuli`erement d´evelopp´ee ces derni`eres ann´ees. Elle peut ˆetre accomplie suivant trois voies principales : par greffage successif des compos´es organiques sur la matrice de silice (greffage post-synth`ese), par r´eaction simultan´ee entre le pr´ecurseur silicique et un compos´e organique silanis´e (fonctionnalisation par co-condensation) ou encore par l’utilisation de pr´ecurseurs de type silsesquioxanes (PMOS10) [69, 146, 147]. Avant de d´evelopper ces trois voies de fonctionnalisation, il convient de pr´esenter tout d’abord les propri´et´es de surface des MSNs.
1.3.1 Propri´et´es de surface des MSNs
La surface d’un oxyde tel que la silice SiO2 est constitu´ee de deux groupements qui poss`edent des r´eactivit´es tr`es diff´erentes, `a savoir les groupements silanols Si-OH et les groupements siloxanes Si-O-Si (Figure 1.15). Ces derniers, hydrophobes et tr`es peu r´eactifs, sont g´en´er´es par condensation de deux groupements silanols voisins en lib´erant une mol´ecule d’eau : c’est la d´eshydroxylation. Cette r´eaction est lente et a lieu de 450◦C jusqu’`a 1100◦C. Elle ne doit pas ˆetre confondue avec la d´eshydratation qui a lieu jusqu’`a 120◦C pour les mol´ecules d’eau faiblement li´ees (eau physisorb´ee) et `a partir de 200◦C pour les mol´ecules d’eau en interaction forte (eau chimisorb´ee) [148]. Les groupements silanols sont quant `a eux tr`es r´eactifs et de leur taux va directement d´ependre les capacit´es d’adsorption ou de post-modification du mat´eriau. Il existe trois sortes de groupements silanols :
– les groupements silanols g´eminaux, o`u deux fonctions hydroxyles sont li´ees `a un mˆeme atome de silicium. Ils sont g´en´eralement minoritaires [149] ;
– les groupements silanols pont´es ou vicinaux, o`u deux fonctions hydroxyles li´ees `a des atomes de silicium diff´erents sont suffisamment proches pour interagir par formation de liaison hydrog`ene ;
1.3. Modification de surface des MSNs
– les groupements silanols isol´es pour lesquels l’atome de silicium forme trois liaisons
covalentes avec des atomes d’oxyg`ene du coeur du mat´eriau et une quatri`eme avec un groupement hydroxyle de surface. Parmi les trois types de groupements silanols, ces derniers sont les plus r´eactifs [150].
FIGURE 1.15 :Repr´esentation sch´ematique et donn´ees caract´eristiques correspondantes des d´eplace-ments chimiques en spectroscopie RMN 29Si et des bandes en spectroscopie InfraRouge `a Transform´ee de Fourier (FT-IR) des diff´erents groupements de surface de la silice. En spectroscopie RMN 29Si, les diff´erents atomes de silicium de la silice sont d´esign´es par la terminologie Qn, o`u n repr´esente le nombre d’oxyg`enes pontants li´es `a l’atome central de silicium.
Afin de caract´eriser les mat´eriaux siliciques, on utilise couramment deux techniques spectro-scopiques compl´ementaires : la spectroscopie RMN29Si du solide (Annexe E.1) et la spectroscopie InfraRouge `a Transform´ee de Fourier (FT-IR, Annexe E.2). Comme le montre la Figure 1.15, la spectroscopie RMN 29Si du solide [151–153] permet de discerner les diff´erents types d’atomes de silicium constituant la silice. La spectroscopie FT-IR [154–156] permet de diff´erencier les silanols pont´es des silanols isol´es ou g´eminaux (Figure 1.15). En spectroscopie FT-IR, la r´egion entre 3300 et 3750 cm-1 est la plus souvent ´etudi´ee car elle contient les vibrations d’´elongation des diff´erents silanols de surface (Figure 1.15). Les silanols g´eminaux ou isol´es ont une bande d’absorption bien d´efinie `a 3746 cm-1 alors que pour les silanols pont´es, la bande d’absorption est tr`es large et son maximum est situ´e `a environ 3550 cm-1 [154–156]. Parmi les silanols pont´es, les silanols terminaux se distinguent par l’apparition d’une bande d’absorption `a 3720 cm-1 [156]. En pratique, l’interpr´etation des spectres infrarouge entre 3300 et 3750 cm-1 est tr`es souvent d´elicate `a cause des interactions entre les silanols et les mol´ecules d’eau adsorb´ees, ce qui se traduit par une superposition des absorptions caract´eristiques. La spectroscopie Raman est aussi une technique qui peut ˆetre utilis´ee afin de caract´eriser les silices amorphes [157–160]. Nous y aurons tr`es largement recours afin de caract´eriser nos silices m´esoporeuses (voir section 2.1.5.3).
L’Analyse ThermoGravim´etrique (ATG) et la spectroscopie RMN 29Si du solide permettent
´egalement d’´evaluer quantitativement la quantit´e de groupement silanol [161, 162]. Des m´ethodes chimiques de quantification existent et impliquent des compos´es comme le trichlorure de bore,
le t´etrachlorure de titane, le diazom´ethane, LiAlH4 ou diff´erents organosilanes [163, 164]. Ces techniques sont en g´en´eral limit´ees `a une d´etection de 2,5 OH/nm2 du fait des encombrements st´eriques de ces diff´erents groupes. Les titrages Karl Fisher [165], acido-basique [166] et la deut´eration par ´echange `a l’eau lourde [167] peuvent ˆetre aussi utilis´es. La concentration en groupements hydroxyles en surface de la silice varie entre 2 et 8 OH/nm2 [168, 169]. Globalement, on retrouve une densit´e de groupements hydroxyles plus ´elev´ee pour les mat´eriaux non poreux
(de 5 `a 8 OH/nm2) que pour les mat´eriaux poreux (de 1 `a 3 OH/nm2 [154]). Dans le cas des
mat´eriaux m´esoporeux, cette valeur d´epend du mode de lib´eration de l’agent structurant et peut varier selon les traitements thermiques subits par les mat´eriaux [154, 161, 170].
1.3.2 Greffage post-synth`ese
Cette technique de fonctionnalisation consiste `a attacher de mani`ere covalente la mol´ecule organique `a partir des r´eactions entre les groupements silanols des (nano)mat´eriaux et des silanes de type organosilanes SiR(OR’)3, chlorosilanes RnSiCl3-nou silazanes HnN(SiR3)2-n(Figure 1.16). Parmi les organosilanes, les compos´es porteurs des groupements ´ethoxy et m´ethoxy sont les plus utilis´es en raison de leur grande r´eactivit´e. Les r´eactions types dans le cas d’un tri´ethoxysilane peuvent ˆetre d´ecrites via les ´equations suivantes :
R−Si(OEt)3+ ≡ SiOH −−⇀↽−− R−Si(O−Si ≡ )(OEt)2+ EtOH (1.5)
R−Si(O−Si ≡ )(OEt)2+ ≡ SiOH −−⇀↽−− R−Si(O−Si ≡ )2(OEt) + EtOH (1.6)
R−Si(O−Si ≡ )2(OEt) + ≡ SiOH −−⇀↽−− R−Si(O−Si ≡ )3+ EtOH (1.7)
FIGURE 1.16 : Repr´esentation sch´ematique de la fonctionnalisation des groupements silanols par fonctionnalisation post-synth`ese. Sch´ema inspir´e de [146].
Avec cette m´ethode, de nombreux groupements organiques R peuvent ˆetre introduits du moment que les conditions de greffage n’engendrent pas leur d´egradation ou une alt´eration de leur r´eactivit´e. Les groupements les plus fr´equemment utilis´es sont des fonctions alkyl
1.3. Modification de surface des MSNs
(CH3, CH2−CH3), amino (-NH), cyano (-CN) et mercapto (-SH) car ils sont commercialement
disponibles. Dans le cas contraire, plusieurs ´etapes sont n´ecessaires et impliquent une premi`ere modification en g´en´eral avec des groupements amin´es ou chlor´es, ceux-ci jouant le rˆole de sites d’ancrage [171]. A partir de cette m´ethode, des gels de silice et des mat´eriaux m´esoporeux ont ´et´e modifi´es par des groupements amide, imine, dithiocarbamate, des h´et´erocycles, voire mˆeme des dendrim`eres [150, 172].
L’avantage de la m´ethode post-synth`ese est qu’elle n’alt`ere pas la m´esostructure bien qu’une r´eduction de la porosit´e ait souvent lieu. L’un des aspects les plus attractifs de cette d´emarche est qu’il est possible d’introduire deux groupements fonctionnels diff´erents (en jouant sur l’extraction) qui peuvent se trouver simultan´ement soit `a la surface externe du mat´eriau, soit `a l’int´erieur des canaux [173].
Dans ce proc´ed´e de fonctionnalisation par greffage, le contrˆole de la concentration des groupements organiques introduits et leur distribution sont li´es aux nombres de groupements silanol pr´esents `a la surface de la silice ainsi qu’`a leur accessibilit´e. Le taux de fonctionnalisation d´epend alors de la r´eactivit´e des pr´ecurseurs employ´es ainsi que de la limitation diffusionnelle et de l’encombrement st´erique du mat´eriau. En cons´equence, si les organosilanes sont pr´ef´erentiellement greff´es `a l’entr´ee des canaux durant les premi`eres ´etapes du greffage, la diffusion des autres groupements fonctionnels `a l’int´erieur des pores peut ˆetre dans ce cas tr`es fortement perturb´ee. Il en r´esulte une distribution non-homog`ene de l’esp`ece organique ainsi qu’un faible taux d’occupation [15, 131, 174].
D’un point de vue exp´erimental, la m´ethode de greffage post-synth`ese implique de travailler en l’absence compl`ete d’eau afin d’´eviter la polym´erisation anarchique de l’organosilane. Ceci implique un pr´e-traitement thermique ainsi qu’une mise en solution du mat´eriau dans un solvant anhydre et sous atmosph`ere inerte. Cette m´ethode de fonctionnalisation a fait l’objet de tr`es nombreuses revues [175–180]. Nous ne la d´etaillerons pas plus puisqu’elle n’a ´et´e utilis´ee qu’indirectement dans le cadre de cette th`ese (section 3.2). De plus, cette m´ethode de greffage est tr`es peu utilis´ee pour la fonctionnalisation des nanoparticules m´esoporeuses de silice car les nombreux s´echages qu’elle implique, induisent une mauvaise re-dispersion des nano-objets, ce qui n’est pas acceptable pour des applications biom´edicales [181].
1.3.3 Fonctionnalisation in situ par co-condensation
Une m´ethode alternative pour synth´etiser des mat´eriaux hybrides est la fonctionnalisation par co-condensation. Cette approche implique une r´eaction entre un organosilane SiR(OR’)3 et un pr´ecurseur silicique Si(OR’)4 en pr´esence d’agents structurants [182–186]. Le pr´ecurseur le plus utilis´e est le t´etra´ethoxysilane (R’ = groupement ´ethyle). Les groupements organiques sont ancr´es de mani`ere covalente aux murs (Figure 1.17).
Contrairement `a la fonctionnalisation par greffage post-synth`ese, cette m´ethode directe permet l’introduction des groupements organiques pendant la constitution du r´eseau silicat´e.
FIGURE 1.17 : Repr´esentation sch´ematique de la fonctionnalisation par co-condensation en pr´esence de tensioactifs. Sch´ema inspir´e de [146].
De plus, elle pr´esente l’avantage de limiter l’obturation des pores, et donc d’assurer a priori une r´epartition plus homog`ene des fonctions organiques [174]. Ceci est particuli`erement vrai lorsque le groupement organique rentre en interaction avec le tensioactif [187]. Cette voie permet aussi de mieux contrˆoler la quantit´e de groupements introduits par modulation du rapport organosilane/pr´ecurseur silicique [188]. Toutefois, la qualit´e de la m´esostructure obtenue d´epend g´en´eralement du taux de fonctionnalisation et on peut d´eplorer un ordre moins bien d´efini. En particulier, une concentration limite en pr´ecurseurs organosiliciques existe au-del`a de laquelle le mat´eriau peut ˆetre totalement d´esordonn´e [189]. D’autre part, la quantit´e de fonctions introduites est en g´en´eral plus faible qu’attendue `a cause d’une homocondensation parasite. Enfin, le volume poreux est en g´en´eral plus faible que celui obtenu pour les solides obtenus par post-greffage, et la calcination (permettant l’´elimination de l’agent structurant) est `a proscrire de mani`ere `a de ne pas d´etruire la fonctionnalisation.
Dans le cadre de cette th`ese, nous avons choisi de fonctionnaliser les nanoparticules en utilisant cette m´ethode car elle permet, `a faible taux de fonctionnalisation, une distribution plus uniforme des groupements organiques dans les canaux tout en pr´eservant la m´esostructure, ce qui peut permettre (par rapport `a la m´ethode post-synth`ese) un taux de chargement du vecteur plus important et un meilleur contrˆole de la lib´eration [14, 15, 131]. Les ´etudes portant sur la fonctionnalisation des nanoparticules m´esoporeuses de silice par co-condensation ´etant tr`es nombreuses [12, 170, 181, 190–193], nous d´etaillerons uniquement les articles les plus pertinents dans la partie discussion des r´esultats (voir paragraphe 3.1.2).
1.3.4 Fonctionnalisation par des organosilanes bis- et multi-silyl´es :
synth`ese d’organosilicates m´esoporeux p´eriodiques (PMOs)
La synth`ese de mat´eriaux hybrides organiques-inorganiques par r´eaction d’hydrolyse et de condensation de pr´ecurseurs de type silsesquioxane (R’O)3Si−R−Si(OR’)3 est depuis tr`es longtemps connue en chimie des sols-gels [194, 195]. En l’absence de tensioactif, cette m´ethode conduit `a la formation de mat´eriaux appel´es polysilsesquioxanes. D`es lors qu’un agent structurant
1.4. Greffage de polym`eres `a la surface des MSNs : stabilit´e collo¨ıdale en milieu