Stabilisation des nanoparticules de magnétite et maghémite en solution

1.4.1 Comportement en solution des nanoparticules d’oxyde de fer

Comme nous l’avons vu précédemment, les nanoparticules d’oxyde de fer magnétiques issues

de la co-précipitation ont tendance à s’agréger en solution aqueuse à pH neutre. La rupture de

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la continuité cristalline à la surface des nanoparticules d’oxydes de fer laisse apparaître des

atomes de fer porteurs de charges partielles. Ces atomes de surface se comportent comme des

acides de Lewis et vont pouvoir réagir avec des donneurs d’électrons. Ainsi, les ions fer de

surface vont se lier en milieu aqueux avec les molécules d’eau²¹ qui se dissocient pour former

une couche d’hydroxyde en surface des nanoparticules. En fonction du pH de la solution, les

groupements hydroxyde -OH se protoneront en groupements -OH2⁺ ou se déprotoneront en

groupements -O^-1. Ainsi, la surface des nanoparticules d’oxyde de fer sera chargée

positivement, chargée négativement ou neutre en fonction du pH du milieu. Le point

isoélectrique, c'est-à-dire le pH auquel la surface des nanoparticules d’oxyde de fer est neutre

électriquement en solution aqueuse est compris entre 6,8 et 7,421,74. Aux alentours de ces

valeurs de pH (5,0<pH<9,0), la charge de surface des nanoparticules n’est plus assez

importante pour que les répulsions électrostatiques empêchent leur agrégation sous l’effet des

forces de Van der Waals. Les nanoparticules d’oxyde de fer perdent alors leur stabilité dans

l’eau et floculent. Dans la mesure où la plupart des applications biologiques nécessitent des

nanoparticules stables à pH ≈ 7, il convient de limiter leur agrégation en fonctionnalisant leur

surface par des ligands organiques ou des coquilles inorganiques, augmentant ainsi les

répulsions inter-particulaires.

1.4.2 Principales méthodes de stabilisation

La fonctionnalisation de surface des nanoparticules d’oxyde de fer magnétiques peut avoir

deux objectifs distincts : d’une part la stabilisation des nanoparticules pour éviter leur

agrégation dans un milieu donné, d’autre part, la volonté de rendre ces nanoparticules

fonctionnelles pour une application donnée. Dans cette partie, nous ne traiterons que de la

fonctionnalisation de surface des nanoparticules à des fins de stabilisation. De manière

générale, la stabilisation des nanoparticules en solution passe par la création de répulsions

entres les particules. Les deux principaux types de répulsions qui peuvent être induites par la

fonctionnalisation de surface des nanoparticules sont les répulsions électrostatiques et les

répulsions par encombrement stérique.

Les répulsions électrostatiques peuvent êtres induites par le greffage de petites molécules

chargées, l’encapsulation dans des liposomes constitués d’une double couche de tensio-actifs

ayant une tête chargée ou l’utilisation d’autres matériaux inorganiques comme la silice ou

l’or. Les répulsions par gêne stérique peuvent être induites par le greffage en surface des

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nanoparticules de polymères soit par simple adsorption soit par greffage du polymère via une

fonction terminale.

Les principaux types de fonctionnalisation (figure I.7) décrits dans la littérature sont⁷⁵ :

- la fonctionnalisation par des polymères adsorbés comme le dextran^76,77, le PVA^78,79 ou le

chitosan^80,81(figure I.7.A).

- la fonctionnalisation par des petites molécules chargées comme des carboxylates82,83, des

phosphonates⁸⁴ ou des sulfonates⁸⁵(figure I.7.B).

- la fonctionnalisation par des coquilles inorganiques le plus souvent des métaux nobles

comme l’argent et l’or86 ou encore de la silice87,88(figure I.7.C).

- la fonctionnalisation par des polymères greffés par les fonctions terminales comme le

PEG-COOH89,90 ou la polyethylenimine91(figure I.7.D).

- l’encapsulation dans des liposomes dans le cas des doubles couches d’acide gras (acide

oléique par exemple)92(figure I.7.E).

Figure I.7 : Schéma représentatif des principaux modes de fonctionnalisation des nanoparticules d'oxyde de fer

magnétiques.

1.4.3 Stabilisation par des ligands citrates

Les citrates font partie des premières molécules utilisées pour la stabilisation des

nanoparticules d’oxydes de fer magnétiques48,49,82,93. L’acide citrique est un acide

tricarboxylique -hydroxylé de formule C6H8O7 (M = 192 g.mol^-1) ne présentant pas de

toxicité pour les mammifères94. Couramment utilisé comme acidifiant dans l’industrie

A B _C

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alimentaire (code E330), il est également produit dans les cellules de tous les organismes

aérobies lors du cycle de Krebs par condensation de l’oxaloacétate et de l’acétyl-coenzyme A.

L’acide citrique est un triacide faible qui possède donc trois pKa distincts et dont 4 formes

différentes sont prédominantes en fonction du pH (figure I.8).

Figure I.8 : Évolution de l'espèce prédominante de l'acide citrique en fonction de l'évolution du pH de la solution.

Si le pH de la solution est inférieur au pKa1, l’acide citrique entièrement protoné est l’espèce

qui prédomine en solution, avec l’augmentation du pH, les groupements acides carboxyliques

vont progressivement se déprotoner en carboxylates jusqu'à donner la forme citrate lorsque le

pH est supérieur au pKa3. Les ions citrates vont pouvoir s’adsorber via une ou deux fonctions

carboxylates en surface des nanoparticules d’oxyde de fer. Les fonctions carboxylates

chargées négativement non liées à la surface des nanoparticules et en périphérie des

nanoparticules fonctionnalisées entraîneront les répulsions électrostatiques empêchant

l’agrégation des nanoparticules. Ce principe de stabilisation des nanoparticules à pH 7 par des

acides carboxyliques est couramment utilisé dans la littérature⁹⁵. Plusieurs modes

d’interactions entre citrates et nanoparticules en fonction du nombre de groupement

carboxylates complexés et du type d’interaction entre le groupement et la surface des

nanoparticules peuvent être envisagés (figure I.9).

Figure I.9 : Schéma de plusieurs modes de liaison possibles entre les ligands citrates et la surface d'une nanoparticule

d'oxyde de fer.

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Lorsque les nanoparticules d’oxyde de fer sont fonctionnalisées par des citrates, le point

isoélectrique pour lequel l’agrégation des nanoparticules intervient baisse de pH ≈ 7 pour des

nanoparticules nues à pH ≈ 5²¹. Les nanoparticules ainsi fonctionnalisées sont stabilisées et ne

s’agrègent pas au pH biologique, ce qui facilite grandement leur utilisation dans le domaine

biomédical. L’utilisation des citrates comme ligand ne se limite pas à la seule stabilisation des

nanoparticules. Par leurs nombreux groupes fonctionnels -COOH libres en solution, ils

pourront servir de support à une fonctionnalisation ultérieure. Bishop et coll.⁹⁶ ont par

exemple modifié des citrates pour remplacer le groupement hydroxyde par un groupement

alcyne ouvrant ainsi la voie à des modifications ultérieures par la réaction de cyclo-addition

d’Huisgen aussi appelée «chimie de clic»97.

Dans le document Synthèse et caractérisation de nanomatériaux hybrides innovants pour le biomédical (Page 43-47)