Applications des nanoparticules

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Nanoparticules pour flux latéral et applications de diagnostic

Les nanoparticules jouent un rôle important dans un large éventail de dispositifs de diagnostic et de méthodes de test pour augmenter les performances (par exemple sensibilité, vitesse) ou pour permettre une méthode de détection qui ne serait pas possible sans la nanotechnologie. Les nanoparticules plasmoniques sont des absorbeurs et des diffuseurs de lumière extrêmement puissants et sont utilisées dans les diagnostics à flux latéral , la spectroscopie améliorée de surface , le marquage des cellules et les capteurs de changement de couleur. Les nanoparticules dotées de propriétés électrochimiques, magnétiques ou fluorescentes sont également utilisées dans de nombreuses applications de diagnostic différentes.

 

Nanoparticules pour les technologies d'imagerie

Les nanoparticules plasmoniques peuvent être conçues pour avoir des sections efficaces de diffusion très élevées qui permettent de détecter facilement des particules d'un diamètre inférieur à 100 nm avec un microscope à fond noir standard. L'imagerie multiplexée est réalisée en utilisant des nanoparticules plasmoniques de couleurs différentes en raison de leur matériau, de leur taille et de leur forme. Les nanoparticules peuvent également être marquées par fluorescence et cette fluorescence peut être améliorée en utilisant une particule plasmonique qui fonctionne comme une antenne à l'échelle nanométrique pour augmenter la luminosité fluorescente. De nombreux autres formats d’imagerie de nanoparticules sont également utilisés, notamment les étiquettes Raman qui fournissent une empreinte digitale unique pour les applications d’imagerie hautement multiplexées et les nanoparticules magnétiques présentant un contraste élevé pour les analyses IRM.

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Nanoparticules pour la nanomédecine

De nombreuses thérapies prometteuses sont limitées par l’inefficacité de l’administration des médicaments. L'encapsulation d'un médicament dans une nanoparticule peut augmenter l'efficacité et réduire la toxicité en offrant un meilleur contrôle du taux de libération ou en déclenchant la libération à un moment ou à un endroit particulier. En contrôlant la taille, la forme, la surface, la charge et la biodégradabilité de divers types de particules, les formulations nanomédicales ont montré leur efficacité en clinique avec de nombreuses thérapies à base de particules magnétiques, de liposomes et de nanopolymères approuvées pour un usage humain.

Les nanoparticules plasmoniques peuvent être adaptées pour absorber fortement des longueurs d'onde spécifiques de la lumière et se sont révélées prometteuses pour les thérapies photothermiques (traitement de l'acné, épilation, traitement du cancer de la peau). Les nanoparticules creuses et poreuses peuvent être fonctionnalisées chimiquement pour lier des molécules de médicament, puis libérer le médicament lorsque la particule atteint sa cible. Les composants magnétiques fournissent de puissants agents de contraste pour l'IRM et peuvent être intégrés dans des particules théranostiques composites qui à la fois délivrent des médicaments et suivent le traitement dans le corps.

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Nanoparticules pour la nanotoxicologie et la nanosécurité

La nanotoxicologie est l'étude de la toxicité des nanomatériaux et se concentre sur la manière dont la taille et les propriétés uniques des nanoparticules influencent leur impact sur la santé humaine et l'environnement. La nanosécurité est un domaine qui vise à comprendre les caractéristiques physiques et chimiques qui peuvent être intégrées à une particule afin de maximiser sa sécurité. Ensemble, ces deux disciplines fournissent des résultats de recherche fondamentale pour soutenir l'utilisation croissante de nanoparticules manufacturées de manière sûre et durable.

Pour comprendre la relation structure-activité des nanoparticules interagissant avec les systèmes biologiques, il est important de mener des études avec des nanomatériaux précisément conçus et hautement caractérisés. En effectuant un ensemble d'expériences dans lesquelles une seule caractéristique de la nanoparticule est modifiée, les tendances associées à cette caractéristique peuvent être déterminées. Comprendre l'effet de chaque paramètre permet de généraliser les nanoparticules les plus complexes et les plus pertinentes qui sont produites et utilisées à l'échelle industrielle.

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Nanoparticules pour thérapies photothermiques

L'hyperthermie utilise la chaleur comme traitement non chimique des maladies. Les nanoparticules plasmoniques sont extrêmement efficaces pour absorber la lumière dans les régions visible/infrarouge du spectre et libérer l'énergie sous forme de chaleur. De nombreuses thérapies photothermiques plasmoniques font l'objet d'essais cliniques, notamment des traitements contre le cancer de la tête et du cou, l'épilation à pigments clairs et le traitement de l'acné. Une application connexe sur laquelle nous recherchons activement consiste à utiliser les propriétés photothermiques des nanoparticules pour décongeler rapidement des embryons et des tissus congelés sans les endommager.

Les nanoparticules plasmoniques absorbant les infrarouges convertissent efficacement la lumière laser en chaleur. Les nanotiges d'or, les nanocoquilles d'or et les nanoplaques d'argent peuvent toutes être conçues pour absorber efficacement la lumière aux longueurs d'onde cibles (généralement 600 nm à 1 100 nm). Les nanoparticules magnétiques peuvent également être utilisées dans des applications d'hyperthermie en chauffant avec des champs de radiofréquence (RF), et présentent ainsi l'avantage d'une pénétration beaucoup plus profonde de l'énergie thermique par rapport à la pénétration de la lumière dans le corps. Généralement, les particules sont fonctionnalisées en surface pour assurer la stabilité et la biocompatibilité.

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Nanoparticules plasmoniques

Les nanoparticules métalliques plasmoniques – notamment l’or, l’argent et le platine – sont très efficaces pour absorber et diffuser la lumière. En ajustant la taille, la forme et la composition des nanoparticules, la couleur peut être ajustée depuis l’ultraviolet jusqu’aux régions visibles et proches de l’infrarouge du spectre électromagnétique. Les nanoparticules d'or sont rouge rubis et les nanoparticules d'argent sont d'un jaune vif. Les particules plasmoniques ayant d'autres formes ont une tenue de couleur encore plus large. De plus, les nanoparticules plasmoniques peuvent être conçues pour être des absorbeurs extrêmement puissants (par exemple, convertir efficacement la lumière en chaleur pour les thérapies photothermiques) et également des diffusions très efficaces (par exemple pour le biodiagnostic).

NanoComposix possède l’une des plus grandes bibliothèques au monde de nanoparticules plasmoniques dans une large gamme de tailles, de formes, de surfaces et de matériaux. Chaque nanoparticule est accompagnée d'une fiche technique qui corrèle la géométrie des particules aux spectres optiques. Les particules plasmoniques peuvent être fonctionnalisées en surface pour être intégrées dans une grande variété de solvants et de revêtements. En fixant un anticorps ou un autre agent de ciblage à la surface des particules, les nanoparticules plasmoniques peuvent être utilisées pour des applications de nanomédecine et de diagnostic. Les structures plasmoniques noyau/coquille combinent les avantages de la résonance plasmonique avec les fonctionnalités fluorescentes et magnétiques.

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Les nanoparticules comme matériaux de référence

Les matériaux de référence sont essentiels pour vérifier la qualité et la traçabilité métrologique des produits, valider les méthodes de mesure analytique et pour l'étalonnage des instruments. L’un des défis posés par les matériaux de référence à base de nanoparticules est que la petite taille des particules peut entraîner des modifications des propriétés du matériau au fil du temps. Les nanoparticules ont également des caractéristiques différentes par rapport aux matériaux ou produits chimiques en vrac plus gros qui doivent être entièrement quantifiés et surveillés.

La composition, la taille, la forme, la charge et la chimie de surface des nanoparticules sont des propriétés critiques qui doivent être étroitement contrôlées et mesurées lors de la fabrication de tout matériau de référence de nanoparticules. Pour garantir la stabilité colloïdale, le degré d’agrégation des particules et la taille hydrodynamique correspondante doivent être connus et suivis dans le temps. La concentration de tous les éléments – provenant à la fois des matériaux constitutifs de la nanoparticule et de tout produit chimique résiduel en solution – doit être quantifiée. En outre, la mesure des propriétés optiques, de la surface spécifique, du pH de la solution et des niveaux d’endotoxines est également importante pour de nombreux matériaux de référence.

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Nanoparticules pour applications de détection

Les nanoparticules peuvent être utilisées comme capteurs pour détecter la présence de molécules entrant en contact avec la surface des nanoparticules. Lorsque la surface des particules est fonctionnalisée avec un ligand de ciblage, les molécules peuvent être reconnues et capturées, ce qui entraîne un changement dans le spectre optique des nanoparticules plasmoniques, appelé spectroscopie de résonance plasmonique de surface (SPR). En plus des capteurs basés sur SPR, les nanoparticules peuvent être utilisées dans d'autres formats de capteurs où les changements environnementaux induisent une réponse dans les propriétés électrochimiques, mécaniques ou de conductivité des particules qui peuvent être détectées et quantifiées.

Les nanoparticules plasmoniques ont une couleur qui dépend de la composition de leur matériau, de leur taille, de leur forme et de la chimie de leur surface. Pour fonctionner comme un capteur, des événements de liaison ou des changements dans l'environnement induisent un changement mesurable dans les propriétés optiques de la particule. De très petites quantités d'analytes peuvent être détectées grâce à l'utilisation de certaines formes de particules et de films à motifs. D'autres méthodes de détection de capteurs reposent sur l'agrégation de nanoparticules plasmoniques en solution ou sur des modifications de la taille ou de la forme des nanoparticules en réponse à l'environnement, ce qui entraîne une modification de leurs propriétés optiques. Les nanocubes d'argent sur un substrat métallique sont extrêmement sensibles aux molécules situées à l'interface cube/surface.

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Nanoparticules comme pigments à effets spéciaux

Les pigments à effets spéciaux fournissent des effets optiques inhabituels qui sont utilisés pour diverses applications, notamment les bijoux, les cosmétiques et les revêtements. Les couleurs biréfringentes, nacrées et dépendantes de l’angle sont toutes possibles grâce à la sélection et à l’orientation des nanoparticules. La couleur structurelle est une autre classe de pigments où la couleur est obtenue grâce à l'ordonnancement périodique de caractéristiques à l'échelle nanométrique, semblable à l'opalescence d'une aile de papillon.

Les nanoparticules plasmoniques ont des propriétés optiques uniques qui dépendent de la taille et de la forme de la nanoparticule. Une solution de nanoparticules d’or est de couleur rouge rubis tandis que l’argent est d’un jaune vif. En utilisant d’autres géométries de forme telles que des bâtonnets, des plaques et des coques, la réponse optique peut être ajustée dans toutes les régions visibles et infrarouges du spectre. Une propriété inhabituelle des nanoparticules plasmoniques est que les contributions relatives de diffusion et d’absorption dépendent de la taille des nanoparticules, ce qui permet un niveau supplémentaire de contrôle sur la couleur et l’apparence perçues. En plus des effets plasmoniques, les opales artificielles – des cristaux colloïdaux de nanoparticules de taille uniforme – ont des effets de couleur uniques dus aux effets photoniques.

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Nanoparticules pour la spectroscopie de surface améliorée

Les nanoparticules métalliques supportent des résonances plasmoniques de surface localisées, des oscillations collectives d'électrons de conduction qui se couplent fortement à la lumière à des longueurs d'onde spécifiques et produisent des champs électromagnétiques extrêmement élevés à proximité de la surface des nanoparticules. La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) peut augmenter le signal Raman de plus de 6 ordres de grandeur. Les molécules fluorescentes proches de la surface des particules métalliques peuvent également être améliorées et protégées du photoblanchiment grâce à un effet connu sous le nom de fluorescence améliorée en surface (SEF).

Pour les applications SERS, les nanoparticules plasmoniques présentant des zones de courbure élevée produisent les améliorations de champ les plus importantes (par exemple, géométries en bâtonnets, cubiques, pyramidales ou en plaques). L'agrégation contrôlée de particules en doublets ou triplets produit également des améliorations élevées, en particulier lorsque la molécule SERS peut être piégée dans la jonction entre les particules. Pour le SEF, les molécules fluorescentes doivent également être dans un champ hautement localisé, mais si la molécule fluorescente est trop proche de la surface métallique, son émission peut être « éteinte ». Ainsi, les particules SEF sont conçues pour positionner la molécule fluorescente à quelques nanomètres de la surface des particules.

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