La silice mésoporeuse

La porosité est intrinsèquement liée à l’utilisation de la silice comme nanovecteur. Sa maîtrise permet en effet l’optimisation et le contrôle de la charge du principe actif. Pour cela, les systèmes cœur-coquille, où le principe actif se place au niveau du cœur, la silice formant la coquille, sont notamment utilisés (Gao et al. 2011). Les matériaux poreux se révèlent également extrêmement intéressants, puisqu’ils peuvent contenir une quantité plus importante de principe actif qu’un matériau plein. En effet, la présence de porosité induit une augmentation de surface spécifique, ce qui induit une plus grande zone d’interaction possible entre des molécules et la matrice solide (voir Figure I.5).

17 Figure I.5 : Schéma d'une particule non poreuse pleine (à gauche) et d'un type de particule poreuse, vue de dessus et

transversale (à droite). En noir, la surface spécifique disponible.

Plus généralement, les matériaux poreux et les propriétés qui en découlent suscitent un fort engouement pour des applications variées : catalyse, séparation, purification, capteurs, isolants acoustiques et/ou électriques, transport de gaz ou d’autres espèces, matériaux ultralégers structurés, et donc encapsulation et libération contrôlée d’actifs. Selon l’IUPAC, ces matériaux sont rangés en trois catégories selon la taille de leurs pores (voir Figure I.6) :

- Les solides microporeux dont le diamètre de pores est inférieur à 2 nm ; on peut notamment citer les zéolithes, très utilisés dans l’industrie chimique, ou encore les Metal Organic Frameworks (MOFs) qui révèlent un potentiel de stockage énorme, d’où leur utilisation pour le stockage de gaz.

- Les solides mésoporeux (2 nm < dpores < 50nm) ; on peut trouver parmi eux des MOFs dont les pores sont plus larges, mais aussi et surtout les matériaux à porosité organisée, comme la silice mésoporeuse que nous détaillerons par la suite.

- Enfin, les solides macroporeux qui possèdent un dpores supérieur à 50 nm, permettent, par exemple lorsqu’ils sont utilisés en tant que garnissage dans des unités de séparation, d’améliorer les transferts de masse et de réduire les pertes de charge dans les colonnes. Ces solides sont notamment utilisés en tant que tamis moléculaire dans l’industrie pétrochimique comme outil de séparation (monolithes).

18 La présence de pores au sein d’un biomatériau s’avère ainsi être une caractéristique importante pour la vectorisation. En effet, cela permet de disposer d’une plus grande surface pour réaliser du greffage et/ou de l’encapsulation de molécules. Les procédés de synthèse relativement simples de la silice poreuse en font l’un des matériaux les plus utilisés dans ce domaine (Schroden et al. 2001, Binks 2002, Nishihara et al. 2005, Li et al. 2009). Dans le cadre d’applications thérapeutiques, une surface spécifique et un volume poreux très élevés sont prépondérants pour optimiser la charge de molécules. C’est pour cette raison que l’on tend à travailler avec des matériaux mésoporeux. L’utilisation de silice microporeuse s’avère en revanche moins judicieuse, car les tailles de porosités sont très inférieures aux dimensions des molécules actives utilisées en traitement thérapeutique.

La mésoporosité est donc le type de porosité le plus recherché de la silice pour les applications médicales, du fait de ses propriétés de surface plus avantageuses. Cette porosité est requise dans divers domaines et pour des particules de différentes formes, comme des nanofils de silice (Chiappini et al. 2010), ou encore des nanotubes de silice (Shen et al. 2011). Parmi les solides mésoporeux, on retrouve plusieurs types d’organisations qui sont utilisées dans le domaine de l’encapsulation de principes actifs. Les organisations sont similaires à celles que l’on peut retrouver en cristallographie, ce qui permet de classer les structures identiquement, dont les principales sont les suivantes (Figure I.7) :

- Des particules creuses, avec une porosité de surface qui permet de charger un principe actif sans qu’il n’ait beaucoup d’interactions avec la matrice (Figure I.7-a). La capacité de charge de ce matériau appelé communément Hollow Mesoporous Silica en anglais (HMS) est ainsi bien plus grande que pour d’autres silices poreuses (Song et al. 2015, Wang 2009, Zhu et al. 2011, Wu et al. 2013).

- Des structures cubiques, pour lesquelles on distingue deux structures différentes. La première, de type SBA-16 (groupe d’espace Im3m, sous formes de « nanocages ») pour laquelle chaque pore est relié à son plus proche voisin, ce qui donne un réseau multidirectionnel, visible sur la Figure I.7-b. Cette porosité tridimensionnelle permettrait d’assurer l’accessibilité des pores dans toutes les directions (Hu et al. 2012, dos Santos et al. 2013). La seconde structure est de type MCM-48 (groupe d’espace Ia3d) ; elle possède également une facilité d’accessibilité du réseau (Figure I.7-c) (Izquierdo-Barba et al. 2005, Vallet-Regí et al. 2006, Roberts et al. 2014). - Enfin, la dernière structure poreuse régulièrement étudiée est hexagonale bidimensionnelle

(groupe d’espace P6mm). Des canaux cylindriques s’organisent en forme d’hexagone, formant un réseau que l’on peut qualifier de « ruche d’abeille » (Wu et al. 2013). La Figure I.7-d montre différents angles de cette porosité. De par sa synthèse sans grande complexité (Vallet-Regi et al. 2001), son organisation assez simple et facilement observable, sa surface spécifique de plusieurs centaines de m²/g, c’est l’un des réseaux les plus répandus (Nooney et al. 2002, Shen et al. 2006, Slowing et al. 2006).

19 Figure I.7 : Schémas de différents types de silice poreuse

Il existe plusieurs réseaux de cylindres hexagonaux bidimensionnels, les deux plus connus étant la SBA- 15 (Santa Barbara Amorphous, Type 15) et la MCM-41 (Mobil Composition Matter, Type 41). Quelques différences existent entre ces deux réseaux (Lin et al. 2002). La principale est liée au diamètre des pores, allant de 3 à 30 nm pour la SBA-15 (selon les conditions de synthèse) et de 2 à 4 nm pour la MCM-41 (même si cela peut aller jusqu’à 10 nm dans quelques cas particuliers). On peut aussi noter que l’épaisseur du « mur » de silice (couche de silice séparant les pores) est plus importante pour les matériaux de type SBA-15 (6 nm environ, contre entre 1 à 2 nm pour la MCM-41). Enfin, la dernière différence entre les deux réseaux est liée à la forme du cylindre, circulaire pour la SBA-15 et plutôt hexagonale pour la MCM-41. Nous dessinerons cependant des pores circulaires pour simplifier les schémas représentant des particules de type MCM-41. L’influence de la taille des pores a souvent été étudiée dans l’organisation hexagonale bidimensionnelle, notamment sur l’efficacité de la charge et de la libération de principe actif (Izquierdo-Barba et al. 2005, Vallet-Regi 2006, Shen et al. 2011, Guo et al. 2013). Le diamètre des pores a des conséquences sur la quantité de principe actif qui peut s’y insérer, son état physique, les interactions intermoléculaires ou molécule-particule mises en jeu, mais aussi sur les profils de libération du principe actif.

La silice de type SBA-15 présente des pores plus larges et des murs de silice plus épais que d’autres matériaux, ce qui a attiré l’intérêt de plusieurs chercheurs (Impéror-Clerc et al. 2000, Izquierdo-Barba et al. 2010, Shen et al. 2010). Il est en effet possible d’encapsuler des molécules de taille plus importante que celles utilisées pour des matériaux mésoporeux plus « classiques », dont les pores sont plus petits (Mellaerts et al. 2008, Doadrio et al. 2014). Enfin, il est également envisageable d’encapsuler des molécules actives sous différents états physiques (amorphe, cristallin, pseudo- liquide), au vu de la large gamme de diamètres poreux que propose ce réseau (Shen et al. 2011). La silice mésoporeuse organisée de type MCM-41 a été développée en premier lieu par des chercheurs de la Mobil Oil Corporation. Représenté schématiquement sur la Figure I.8, ce type de réseau a d’abord été connu pour son utilisation en tant que support catalytique dans le craquage en pétrochimie (Sayari 1996), et n’a commencé à être utilisé en tant que vecteur qu’au début du XXIème siècle (Vallet-Regi et al. 2001).

20 Figure I.8 : Schéma de l'organisation mésoporeuse de silice de type MCM-41 (adapté de Schwanke et al. 2017)

I.1.3.3 Nanoparticules de silice mésoporeuse (MSN) comme vecteur de