Microscopie électronique analytique : des nanovecteurs thérapeutiques organiques-inorganiques aux systèmes biologiques

Electron spectromicroscopy : from organic-inorganic drug nanocarriers to biological systems

• Auteur / Autrice : Maeva Chaupard
• Direction : Marta de Frutos, Ruxandra Gref
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Erard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude Demessence, Ovidiu Ersen, Christian Serre, Demie Kepaptsoglou, Gilles Patriarche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aude Demessence, Ovidiu Ersen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

STEM-EELS

STEM-EDS

Nanomatériaux sensibles aux radiations

Nanoparticules organiques-inorganiques

Administration contrôlée de médicaments

Systèmes biologiques

STEM-EELS

STEM-EDS

Radiation-Sensitivity

Organic-inorganic nanomaterials

Drug delivery

Biological systems

Résumé

En couplant la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS), il est possible d'analyser localement la structure chimique et les propriétés physico-chimiques des matériaux. Cependant, utilisé aux doses électroniques usuelles, le faisceau d'électron endommage irréversiblement les échantillons sensibles aux radiations, comme c'est le cas des composés organiques-inorganiques, organiques et en particulier, biologiques. Ce travail de thèse fournit de nouvelles méthodologies pour l'analyse sans dommage de tels systèmes, à une résolution supérieure à 10 nm. Ces approches ont été notamment appliquées à l'analyse nanométrique de vecteurs thérapeutiques métallo-organiques (MOFs), dans le but de mettre à jour leurs mécanismes de biodégradation dans les milieux physiologiques et de chargement en principe actif. Grâce à la large gamme spectrale couverte par l'EELS monochromaté, les données obtenues dans les domaines de l'infrarouge, de l'ultraviolet-visible et des rayons X mous ont été combinées pour caractériser la structure chimique de divers échantillons, qu'ils soient organiques-inorganiques (MOFs), organiques (médicaments) ou biologiques (macrobiomolécules). Néanmoins, dû aux faibles signaux spectraux, certains cas nécessitent des doses électroniques plus intenses qui se révèlent destructives pour le matériel. Une fois endommagés, les échantillons présentent des signatures modifiées, qu’il est toutefois possible de relier aux structures chimiques originelles. Pour cela, l'effet du faisceau a été étudié dans les trois gammes spectrales. Les mécanismes d'endommagement et les composés produits ont été identifiés et reliés à des groupements chimiques spécifiques. À l'avenir, de telles méthodologies pourraient être appliquées à l'étude de systèmes biologiques complexes tels que les cellules.

Coupling Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) enables to study the chemical structure and the physico-chemical properties of nanomaterials. However, under usual electron doses, the electron beam irreversibly damages radiation-sensitive materials, such as organic-inorganic, organic and biological components. This thesis provides novel methodologies for the damage-free analysis of such systems at a spatial resolution better than 10 nm. These methodologies were applied to the individual characterisation of Metal-Organic Framework (MOF) drug nanocarriers, with the aim of providing a better understanding of their mechanisms of biodegradation in physiological media and their drug loading. Using the wide spectral range covered by monochromated EELS, observations obtained in the infrared, ultraviolet-visible and soft X-ray regions were correlated to decipher the complete chemical structure of various specimens, whether organic-inorganic (MOFs), organic (drugs) or biological (macrobiomolecules). In some cases, however, it is necessary to increase the electron dose, resulting in damage to the specimen. Nevertheless, it is possible to relate the damaged signatures to the original chemical structures by studying the beam effect. The three spectral ranges were used to monitor and understand the damage mechanisms. The species produced were identified and linked to specific chemical groups of the specimen. In the future, such methodologies could also be applied to the study of complex biological systems such as cells.