Élaboration de nanoparticules de silice mésoporeuse et d'organosilice pour des applications en nanomedecine

Synthesis of mesoporous silica and organosilica nanoparticles for nanomedicine applications

• Auteur / Autrice : Saher Rahmani
• Direction : Jean-Olivier Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2017
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Faculté des sciences de Bizerte (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Tijani Gharbi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Olivier Durand, Tijani Gharbi, Yann Chevolot, Riadh Ternane, Clarence Charnay, Mokhtar Férid, Karima Horchani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Chevolot, Riadh Ternane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium poreux

Nanomédecine

Nanoparticules de silice

Mots clés libres

Nanoparticules de silice mésoporeuse

Nanoparticules d'organosilice

Biologie

Imagrie

Délivrance de substances bioactives

NPs d'organosilice à cavité

Mesoporous silica NPs

Organosilice NPs

Biological application

Drug delivery

Imaging

Hollow orgabosilice NPs

Résumé

Ces travaux de thèse sont dédiés à l’élaboration, la caractérisation et l’application des nanoparticules de silice mésoporeuse (MSNs) et d’organosilice (PMOs). Ces nanomatériaux qui font l’objet d’un grand intérêt dans la communauté scientifique, présentent des propriétés intéressantes telles que: une surface spécifique élevée, le contrôle de la morphologie, la porosité ajustable et enfin la facilité de fonctionnalisation de leur surface par des groupes fonctionnels. Dans cette thèse, deux familles de nanoparticules ont été étudiées : les nanoparticles de silice mésoporeuse (MSNs) et les nanoparticules d’organosilice.Premièrement, les MSNs synthétisées avec une taille de 200 nm et une surface spécifique de 810 m2/g ont été fonctionnalisées d’une manière covalente avec des antioxydants, un polyphénol l’acide caféique (CAF) qui est lié par sa fonction acide (-COOH) à une fonction amine (préalablement greffée sur la silice), ou un flavonoïde la ruine (RUT) qui est liée par l’isocianatopropylthrietoxysilane comme intermédiaire silicique. Les antioxydants ont été greffés afin de diminuer le stress oxydant. Les effets cellulaires sont étudiés sur deux lignées, une lignée de cellules issues d’un carcinome colo-rectal (lignée Caco-2) et une lignée tumorale de la peau (lignée HaCaT).Dans une deuxième partie, nous avons étudié l’influence de l’ajout d’un co-solvant «éthanol» au cours de la synthèse sur la morphologie des nanoparticules de silice mésoporeuse qui entraine la formation de nanoparticules de forme bâtonnet (MSNR) ainsi que le changement de structure de la poosité. Par la suite, les NPs de forme sphérique MSNA et les NPs de forme bâtonnet MSNR ont été chargées par la doxorubicine (DOX) et testées in vitro sur des cellules MCF-7.De plus, les synthèses de nanoparticules d’organosilice ont été réalisées. Ces nanomatériaux sont exclusivement synthétisés à partir de bis (3-méthoxysilyl propyl) -N-méthylamine et bis (triéthoxysilylpropyl) amine. Tout d'abord, la synthèse des NPs d’organosilice à cavité (HPONP) est decrite. Les HPONP ont été utilisés alors pour la délivrance de méthotrexate dans des cellules MCF-7. Deuxièmement, la synthèse d'autres types de NP d’organosilice (HMONP) obtenus par condensation du précurseur de bis (3-méthoxysilyl propyl) -N-méthylaminea été étudiée. Afin d'élargir la cavité des NP, nous avons signalé l'utilisation de TEB comme agent gonflement conduisant à la synthèse des HMLONP à large cavité. La morphologie et les compositions des NP ont été complètement caractérisées par diverses techniques et la délivrance de pepstatine à partir de HMLONP est envisagée. Pour ajouter une biodégradabilité aux nanocarriers, des nanoparticules mixtes ont été synthétisées par condensation de la bis (3-méthoxysilyl) propylméthylamine et du bis [3-(triéthoxysilyl) propyl] disulfure. Différentes nanoplatformes ont été conçues et entièrement caractérisées. La biodégradabilité a été évaluée dans des conditions quasi physiologiques. En outre, la voie de synthèse a été modifiée pour concevoir des nanoparticules d'organosilice à base d'éthylène ou de porphyrine. Ces nanoparticules ont été testées in vitro avec des cellules de cancer du sein et utilisées pour la délivrance de méthotrexate et de gemcitabine monophosphate.Enfin, on a décrit les nanoparticules organosilice de type cœur coquille. La coquille de ces nanoparticules obtenue par condensation du bis- (triéthoxysilyl) éthane et du bis (3- (triéthoxysilyl) propyl) tétrasulfure. Ces nanoparticules biodégradables du fait des groupements tetrasulfure ont été testées in vitro avec des cellules de cancer du sein pour l'imagerie et la délivrance d’un anticancéreux.

This work is dedicated to the development, characterization and application of nanoparticles of mesoporous silica (MSNs) and organosilica (PMOs) nanoparicles. Silica nanoparticles became the subject of intense research worldwide for many reasons: their unique chemical and physical characteristics, high biocompatibility, various shapes ranging from spheres to rods with tunable diameter, easily functionalizable surface, and the ability to be used as a shell on different type of inorganic nanoparticles such as gold, iron oxide, lanthanide nanoparticles. In this dissertation mesoporous silica NPs and organosilica NPs have been designed, optimized and fully characterized. These two types of silica NPs have been applied for biological applications (drug delivery and bioimaging).First, mesoporous silica nanoparticles (MSNs) were designed and were covalently coated with antioxidant molecules, namely, caffeic acid (MSN-CAF) or rutin (MSN-RUT), in order to diminish the impact of oxidative stress induced after transfection into cells. Two cellular models involved in the entry of nanoparticles in the body were used for this purpose: the intestinal Caco-2 and the epidermal HaCaT cell lines. Rutin gave the best results in terms of antioxidant capacities preservation during coupling procedures, cellular toxicity alleviation, and decrease of ROS level after 24 h incubation of cells with grafted nanoparticles.Secondly, we studied the control of the shape of MSNs by the addition of ethanol (EtOH) as cosolvent. Spherical (MSNA) or Rod MSNs (MSNR) were obtained, and then loaded loaded with doxorubicin and incubated with MCF-7 breast cancer cells. MSNA and MSNR particles were efficient in killing cancer cells but their behaviour in drug delivery was altered on account of the difference in their morphology.Then, the syntheses of new organosilica nanoparticles are reported. These nanomaterials are exclusively synthesized from bis (triethoxysilylpropyl) amine (BTSPA), bis (3-methoxysilyl propyl) -N-methylamine (BMSPMA) and bis- (triethoxysilyl) ethane precursors. First, it is reported the synthesis of hollow organosilica NPs (HPONPs) obtained through the condensation of bis (triethoxysilylpropyl) amine precursor by sol-gel process. HPONPs were used then for methotrexate delivery in MCF-7 cells. Secondly, it is reported the synthesis of other types of hollow organosilica NPs (HMONPs) obtained through the condensation of bis (3-methoxysilyl propyl) -N-methylamine precursor. In order to enlarge the cavity of NPs, we reported the use of TEB as swelling agent leading to the synthesis of HMLONPs. The morphology and the compositions of the NPs were fully characterized by various techniques and the pepstatin delivery from HMLONPs are under considaration. To add biodegradability to the nanocarriers, mixed nanoparticles were synthesized through the condensation of bis (3-methoxysilyl) propyl methylamine and the bis [3-(triethoxysilyl) propyl] disulfide. Different nanoplatforms were designed and fully characterized. The biodegradability was assessed in near-physiological conditions. Furthermore, the synthesis pathway was modified to design ethylene-porphyrin based organosilica nanoparticles. These nanoparticles were tested in vitro with breast cancer cells and used for methotrexate and gemcitabine monophosphate delivery.Finally, gold core shell mixed organosilica nanoparticles were described. The mixed shell of these nanoparticles was obtained by the co-condensation of bis- (triethoxysilyl) ethane and the bis (3-(triethoxysilyl) propyl)tetrasulfide. These biodegradable nanoparticles were tested in vitro with breast cancer cells for photon fluorescence imaging and core shell NPs were studied for drug delivery.