Nanoparticules de silice et leur fonctionnalisation avec des systèmes photoactivables

Silica nanoparticles and their functionalization with photoactivatable systems

• Auteur / Autrice : Jianan Xu
• Direction : Bélèn Albela, Montserrat Rodriguez Pizarro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….)
• Partenaire(s) de recherche : Université : Universitat de Girona
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Parola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bélèn Albela, Montserrat Rodriguez Pizarro, Stéphane Parola, Jérôme Chauvin, Peter Hesemann, Fabienne Fache-Dany, Ling Peng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Chauvin, Peter Hesemann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Nanoparticules de silice

Mots clés libres

Nanoparticules de silice

Fonctionnalisation de surface

Systèmes photoactivables

Silica nanoparticles

Surface functionalization

Photoactivatable systems

Résumé

La silice mésoporeuse est un support polyvalent largement utilisé dans le domaine biomédical et de la catalyse en raison de ses propriétés intéressantes. Dans ce travail, la silice mésoporeuse a d'abord été utilisée comme support pour des applications de thérapie photodynamique (PDT). La PDT est réalisée par l'excitation d'un photosensibilisateur (PS) avec de la lumière visible à certaines longueurs d'onde, puis le PS excité peut soit conduire des réactions de transfert d'électrons vers/depuis des molécules biologiques (mécanisme de type I) ou, alternativement, transférer son énergie à l'oxygène moléculaire, générant ainsi de l'oxygène singulet (1O2, mécanisme de type II).Le bleu de méthylène (MB) est un photosensibilisateur connu qui a la capacitéde générer de l'oxygène singulet. La principale espèce active est la forme monomérique. Cependant, ce colorant a tendance à s'auto-agréger pour former des dimères et des agrégats plus importants, qui sont moins actifs pour la génération de 1O2. Deux stratégies différentes (synthèse directe et post-synthèse) ont été conçues pour incorporer le bleu de méthylène dans des nanoparticules de silice (NPs). La conception de la synthèse est un paramètre clé pour éviter à la fois le relargage du colorant et son auto-agrégation. La matrice de silice chargée négativement permet l'incorporation du colorant, qui est cationique, sans relargage, tandis que la présence de fonctions phényle dans la matrice favorise la forme monomérique du MB. Nous observons que les formes dimériques et monomériques de MB peuvent générer des espèces de 1O2 en solution aqueuse lorsqu'elles sont confinées dans une matrice de silice, ce qui améliore l'activité par rapport au colorant nu en solution.L'effet de la matrice sur la génération de 1O2 a ensuite été étudié avec une série de NPs de silice mésoporeuse d'un diamètre de 80-100 nm avec différentes structures poreuses. La procédure de préparation des NPs de silice a été optimisée en tenant compte des exigences de stabilité colloïdale élevée en milieu aqueux pour l'application en PDT. La fonctionnalisation par zwitterion et l'enrobage lipidique des NPs de silice ont été tentés pour améliorer la stabilité colloïdale, mais ces deux stratégies n'ont pas répondu aux attentes. Les résultats ont montré que la stabilité colloïdale de toutes les NPs de silice conservées dans des solutions aqueuses était meilleure que celle des NPs de silice préalablement séchées après extraction de tensioactifs, puis redispersées dans l'eau. L'incorporation de MB a ensuite été réalisée sur des échantillons aqueux sans tensioactif en utilisant un rapport molaire fixe entre MB et silice. L'eau et le méthanol ont été utilisés comme solvants pour les tests de génération de 1O2, et tous les échantillons ont montré une activité photocatalytique.Des tests préliminaires sur l'activité photodynamique ont été réalisés avec les nanoparticules fonctionnalisées avec du MB, en utilisant des lignées cellulaires de cancer du poumon A549. L'effet sur la destruction de cellules cancéreuses est légèrement amélioré par rapport au bleu de méthylène libre à la même concentration.Des tests antibactériens préliminaires ont également été réalisés avec Staphylocoque (S.) doré positif et Pseudomonas (P.) aeruginosa négatif. Les résultats ont montré que la silice elle-même et les échantillons contenant de la MB avaient une activité antimicrobienne contre S. doré.

Mesoporous silica is a versatile support widely applied in biomedical and catalysis field because of its desirable properties. In this work, mesoporous silica was first utilized as support for photodynamic therapy (PDT) applications. PDT is achieved by the excitation of a photosensitizer (PS) with visible light at certain wavelengths, and then the excited PS may either drive electron-transfer reactions to/from biological molecules (type I mechanism) or, alternatively, transfer its energy to molecular oxygen, thus generating singlet oxygen (1O2, type II mechanism).Methylene blue (MB) is a known photosensitizer with desirable ability to generate singlet oxygen. The main active species is the monomeric form. However, this dye tends to self-aggregate to form dimers and higher aggregates, which are less active for 1O2 generation. Two different strategies (one-pot and post-synthesis) were designed to incorporate methylene blue into silica nanoparticles (NPs). The design of the synthesis is a key parameter to avoid both leaching of the dye and its self-aggregation. The negatively charged silica matrix allows the incorporation of the dye, which is cationic, with no leaching, whereas the presence of phenyl functions in the matrix favors the monomeric form of MB. We observe that both dimeric and monomeric forms of MB can generate 1O2 species in aqueous solution when confined inside a silica matrix, improving the activity compared to the bare dye in solution.Matrix effect in 1O2 generation was then investigated with a series of mesoporous silica NPs of 80-100 nm diameter with various morphologies. The procedure of preparation of silica NPs was optimized considering the requirements of high colloidal stability in aqueous media for the application in PDT. Zwitterion functionalization and lipid-coating of silica NPs were attempted to improve colloidal stability but these two strategies did not meet the expectation. The results showed that the colloidal stability of all the silica NPs kept in aqueous solutions was better than that of the silica NPs previously dried after surfactant extraction and then redispersed in water. The incorporation of MB was then performed on aqueous surfactant-free samples using a fixed molar ratio between MB and silica. Water and methanol were used as solvents for 1O2 generation tests, and all the samples displayed photocatalytic activity.Initial exploratory tests on photodynamic activity were carried out with the MB-functionalized nanoparticles, using A549 lung cancer cell lines. The killing effect is slightly improved when compared to the free methylene blue at the same concentration.Preliminary antibacterial tests were also performed with positive Staphylococcus (S.) aureus and negative Pseudomonas (P.) aeruginosa. The results showed that silica itself and MB-containing samples had antimicrobial activity against S. aureus.Finally, the mesoporous silica systems here prepared were also used as a support for Ru complexes, to build heterogeneous catalysts for different organic transformations. Preliminary heterogeneous catalytic tests were conducted on alcohol coupling reactions of the borrowing hydrogen type and also on photoactivated alcohol oxidation. The ruthenium functionalized nanoparticles show in some cases improved efficiency when compared to the analogous homogeneous catalysts.