Préparation des micelles encapsulant les nanoparticules d’or

2.1- Synthèse des nanoparticules d’or

Pour notre étude, nous avons choisi de travailler avec des nanoparticules d’or sphériques de 5 nm de diamètre. Ces nanoparticules sont les plus utilisées pour l’imagerie aux rayons X et pour la radiothérapie. D’autre part, l’accès à ce type de nanoparticules est relativement aisé et de nombreuses voies de synthèse ont été décrites afin d’en contrôler la taille mais aussi la forme. Par ailleurs, ces synthèses conduisent à des nanoparticules qui possèdent des ligands faiblement liés en surface (ammoniums quaternaires) qui seront donc facilement échangeables par nos nouveaux ligands fluorés.

La méthode initiale de Brust consiste à mettre en contact de l’acide chloroaurique, un agent de transfert de phase, un alcanethiol et du borohydrure de sodium. Les nanoparticules produites incorporent en surface les ligands alcanethiol initialement introduits. Ces ligands sont « fortement » ancrés et difficilement échangeables. Une voie de synthèse alternative a été décrite plus récemment par Schiffrin et permet d’obtenir les nanoparticules « intermédiaires » stabilisées par du bromure de tétraalkylammonium qui est un ligand labile pouvant être facilement déplacé par un ligand présentant une affinité plus importante pour l’or.145 C’est la méthode que nous avons retenue pour la préparation de nos AuNP.

Une solution d’HAuCl4 dans de l’eau ultra pure est mise en contact avec une du bromure de tétraalkylammonium (TOAB) dans le toluène. Le système biphasique est agité vigoureusement pendant 5 min permettant de procéder au transfert de l’or de la phase aqueuse vers la phase organique. Une solution de NaBH4 est ensuite ajoutée ce qui conduit à un changement rapide de couleur du jaune au rouge, caractéristique d’une modification du degré d’oxydation de l’or.

145Fink, J.; Kiely, C. J.; Bethell, D.; Schiffrin, D. J. Chemistry of Materials 1998, 10, 922-926.

Figure 85 : Stratégie utilisée visant à obtenir des nanoparticules d’or encapsulées dans des micelles fluorées.

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La phase organique contenant les nanoparticules d’or est ensuite isolée. Les nanoparticules d’or stabilisées par des ammoniums quaternaires (Au@TOAB) ont été caractérisées par microscopie électronique à transmission (MET) et par spectroscopie UV-visible.

La microscopie électronique est particulièrement bien adaptée à l’analyse de particules métalliques de taille nanométrique qui génèrent un bon contraste aux faisceau d’électrons. Une image MET des nanoparticules d’or stabilisées par des ammoniums quaternaires est présentée en Figure 87. Les nanoparticules d’or présentent une morphologie sphérique et une taille relativement homogène (ca. 5 nm). La mesure de la SPR par spectroscopie UV-visible est en accord avec les données de microscopie et suggère également la présence d’une population monodisperse de nanoparticules.

La stabilité de la solution colloïdale est d’une durée de 5 jours maximum à température ambiante. Au-delà de cette limite, des agrégats commencent à se former et sont visibles à l’œil nu et un élargissement de la bande SPR est observé.

2.2- Échange du ligand

Pour pouvoir être prises en charge dans le cœur entièrement fluoré des micelles, les nanoparticules d’or doivent présenter une surface fluorée. La stabilisation de ces nanoparticules métalliques à l’aide de ligands perfluorés devrait permettre leur migration dans le cœur des micelles par l’intermédiaire d’interactions fluor-fluor. Par ailleurs, suite aux travaux de Cima et d’autres équipes, dans lesquels la stabilité de nanoparticules d’or a été évaluée, l’utilisation d’un groupement thiol comme point d’ancrage des ligands s’est avéré judicieux.146 Cette fonctionnalité

146Flynn, N. T.; Tran, T. N. T.; Cima, M. J.; Langer, R. Langmuir 2003, 19, 10909-10915.

Figure 86 : Voie d’obtention des Au@TOAB

selon la méthode de Schiffrin.

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possède une grande affinité avec la surface de l’or et devrait favoriser la permutation des ligands ammoniums quaternaires par les nouveaux ligands perfluorés.

Un échange de ligand a donc été mis en place en nous inspirant du système biphasique utilisé ci-dessus pour la synthèse des nanoparticules. Le ligand utilisé est le 1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol (PFDT) qui possède un groupement thiol (-SH) affin pour les surfaces d’or. PFDT est d’abord solubilisé dans un solvant fluorocarboné (le perfluorométhylcyclohexane, PFMC) puis mis au contact des nanoparticules d’or (Au@TOAB) suspendues dans un solvant hydrocarboné (toluène). Les deux phases ne sont pas miscibles et créent donc un système biphasique. Le système est agité vigoureusement ce qui conduit à une émulsion et à un transfert des nanoparticules d’or de la phase hydrocarbonée vers la phase fluorocarbonée avec une permutation concomitante du ligand d’origine (TOAB) par le nouveau ligand fluoré (PFDT).

Ce protocole d’échange de ligand repose sur la capacité des groupements thiols de PFDT à interagir plus fortement avec l’or que les ammoniums de TOAB, permettant au ligand fluoré de se lier à la surface de la nanoparticule. Cette interaction aboutit à un habillage des AuNP avec le 1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol (PFDT) qui a été introduit en excès (2 équiv.) afin de faciliter l’échange total avec les ammoniums quaternaires. Compte tenu du caractère amphiphile du ligand, nous pouvons supposer que ce dernier se positionne à l’interface permettant le transfert de phase des nanoparticules.

Afin d’éviter toute agrégation, l’étape de transfert et d’échange doit se faire sous agitation vigoureuse et à froid. En effet, il a été démontré dans plusieurs études que l’ancrage des thiols à la surface des AuNP était plus rapide à basse température (4 °C).147,148 Après élimination de la phase toluène, des étapes de lavage à l’eau sont nécessaires afin d’éliminer l’excès de TOAB. Des analyses par RMN 19F /1H ont été effectuées sur Au@PFDT et confirment la présence du ligand PFDT à la surface de l’or et l’absence de TOAB résiduel. Des images MET montrent des nanoparticules de morphologie et de taille inchangées après l’échange de ligands (Figure 89).

147Xia, X.; Yang, M.; Wang, Y.; Zheng, Y.; Li, Q.; Chen, J.; Xia, Y. ACS Nano 2012, 6, 512-522.

148Aina, V.; Marchis, T.; Laurenti, E.; Diana, E.; Lusvardi, G.; Malavasi, G.; Menabue, L.; Cerrato, G.; Morterra, C.

Langmuir 2010, 26, 18600-18605.

Figure 88 : Voie d’obtention des Au@PFDT à l’aide d’un système

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2.3- Encapsulation des nanoparticules d’or dans les micelles

À l’issue de l’échange de ligands, les AuNP se retrouvent stabilisées par les ligands perfluorés (Au@PFDT) et dispersées dans un solvant fluoré, le PFMC. Pour réaliser l’étape d’encapsulation des nanoparticules d’or dans les micelles fluorées, nous avons utilisé un système biphasique qui consiste à mettre en contact une suspension colloïdale aqueuse de micelles fluorées (10 mg mL-1) avec une suspension de nanoparticules d’or Au@PFDT suspendue dans du PFMC. Le système est traité aux ultrasons ce qui conduit à une émulsion et à un transfert des nanoparticules d’or de la phase fluorocarbonée vers la phase aqueuse. Ce transfert s’accompagne de l’évaporation concomitante du solvant fluoré, et de l’encapsulation des nanoparticules dans le cœur des micelles (Figure 90). La solution monophasique (aqueuse) finalement obtenue est ensuite filtrée sur membrane de porosité 0,22 µm afin d’éliminer les agrégats éventuels.

La formulation Au@PFTD-PEG a été caractérisée par MET et la bande SPR déterminée par spectroscopie UV-visible. Les clichés de microscopie électronique mettent en évidence des objets de taille conservée, soit environ 5 nm mais également la présence de quelques structures de plus grand diamètre (10-15 nm) (Figure 91). La spectroscopie UV-visible ne montre pas d’altération du profil de la bande SPR. Ces observations suggèrent que les différentes étapes de fonctionnalisation et d’encapsulation micellaire ne dégradent globalement pas la qualité des nanoparticules et permettent d’obtenir une suspension colloïdale d’or en phase aqueuse.

Figure 90 : Voie d’obtention des Au@PFDT encapsulées dans les micelles fluorées PFTD-PEG (Au@PFTD-PEG).

Figure 89 : a) image MET et b) spectre RMN 19F (CDCl3) de nanoparticules d’or stabilisées par un ligand thiol perfluoré.

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