Synthèses et caractérisations à haut débit d'oxydes de fer magnétiques

High-throughput syntheses and characterizations of magnetic iron oxides

• Auteur / Autrice : Jens Krarup
• Direction : Damien Faivre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BIAM - Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille - CEA/CNRS/AMU

Mots clés

Mots clés libres

Magnétite

Nanotechnologie

Science des matériaux

Magnetite

Nanotechnology

Material Science

Résumé

Les oxydes de fer magnétiques, en particulier la magnétite (Fe3O4,Fe(II)Fe(III)2O4), sont intéressants car constitués d'élément chimiques disponibles et donc non critiques, il sont facilement recyclables, biocompatibles, et trouvent des applications théranostiques dans les biotechnologies (hyperthermie magnétique, agent de contraste pour l'IRM, traceur pour l'imagerie par particules magnétiques). Les propriétés magnétiques des matériaux synthétisés sont cruciales pour leurs applications, ces propriétés étant fonction de la minéralogie, de la dimension et de la morphologie des particules. Une voie synthétique durable pour obtenir des nanoparticules de magnétite monodisperse n'existe cependant toujours pas. Nous proposons ici d'établir une combinaison synthèse haut débit / caractérisation haut débit pour la découverte rapide des conditions conduisant à la nanoparticule de magnétite optimale. Nous utiliserons le robot de pipetage du BIAM classiquement dédié à la biologie structurale pour tester un large éventail de conditions physico-chimiques dans l'espace des paramètres de synthèse tels que la concentration en fer, le rapport Fe(II)/Fe(III), le pH et les additifs biomacromolaires. Les synthèses se feront en solutions aqueuses dans des plaques 96 puits de 200 µL de manière dirigée ou combinatoire. Au NIMBE, l'étudiant caractérisera les matériaux obtenus, en se concentrant sur la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la diffraction des rayons X, essentiellement au Synchrotron, pour déterminer la cristallographie, la taille et la morphologie des particules. Le but sera de développer une plateforme automatisée analysant les 96 échantillons à 1 min/échantillon. La clé sera de développer un système automatisé d'analyse de données pour obtenir les paramètres d'intérêt au même rythme. Le projet s'inscrire dans le cadre du PEPR DIADEME, un projet d'envergure national, en contribuant à la découverte plus rapide de matériaux avancés à faible empreinte environnementale. Nous allons tester les trois premières tâches du démonstrateur de synthèse (DIADEME/FastNano) : 1) implémentation d'un robot de pipetage en dehors de son usage courant, 2) traitement rapide des données SAXS des matériaux analysés, étant plus complexe que la preuve de concept sur des échantillons modèles, et nécessitant une modélisation de pointe, et 3) la mise en œuvre d'un premier moteur ML (optimisation bayésienne standard avec régression de processus gaussien) qui prédit numériquement le résultat d'une recette donnée. Les deux premières tâches seront établies au cours de la première année. Nous commencerons l'étape d'intelligence artificielle une fois le protocole de synthèse/caractérisation établi, probablement dans la deuxième année. En raison du potentiel d'application des oxydes de fer nanométriques, notre projet favorisera les connaissances pour la synthèse responsable de matériaux innovants pour des thérapies personnalisées.

Magnetic iron oxides, in particular magnetite (Fe3O4,Fe(II)Fe(III)2O4), are interesting because they are made of non-critical materials, easily recyclable, biocompatible, and find theranostic applications in biotechnologies (magnetic hyperthermia, contrast agent for MRI, tracer for Magnetic Particle Imaging). The magnetic properties of the synthesized materials are critical for their applications, these properties being governed by mineralogy, dimension and morphology. A sustainable synthetic pathway to monodisperse magnetite nanoparticles is however lacking. We propose here to establish a combined high-throughput synthesis / high-throughput characterization for the rapid discovery of the conditions leading to the optimal magnetite. We will use a pipetting robot classically dedicated to structural biology to test a wide range of physico-chemical conditions of the synthesis parameters space, including iron concentration, Fe(II)/Fe(III) ratio, pH, and biomacromolar additives. The syntheses will be done in aqueous solutions in 200 µL 96-well plates in a directed or combinatorial manner. At NIMBE, the student will characterize the materials, focusing on Synchrotron Small Angle X-ray Scattering (SAXS) and X-ray Diffraction to determine particle crystallography, size and morphology. We aim at developing an automated platform analyzing the 96 samples at 1 min / sample. Key will be to develop an automated data analysis system to obtain the parameters of interest at the same pace. The project will fit within the DIADEME PEPR (a French national research plan) by contributing to the faster discovery of advanced materials with low footprint. We will stress-test the first three tasks of the synthesis demonstrator (DIADEME/FastNano): 1) implementation of a pipetting robot outside of its common use, 2) fast SAXS data treatment of materials analyzed, being more complex than the proof-of-concept samples, and requiring state-of-the-art modeling, and 3) implementation of a first ML engine (standard Bayesian optimization with Gaussian process regression) that numerically predicts the outcome of a given recipe. The first two tasks will be established within the first year. We envision linking the artificial intelligence step once the synthesis/characterization protocol is running, probably within the second dyear. Due to the application potential of iron oxides, our project will foster the knowledge for the responsible synthesis of innovative materials for personalized therapies.