Classification des nanoparticules

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Les nanoparticules (NP) sont des structures composées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes. Au cours des dernières années, les NP ont attiré les chercheurs en raison de leurs propriétés nanométriques, physiques, biologiques et chimiques. Elles sont classées en fonction de leur taille, de leur composition chimique, de leur forme et de leurs sources. Dans ce chapitre, nous discutons des types et des classifications des nanoparticules. Du fait de leur taille (1 à 100 nanomètres), les propriétés physiques et chimiques les nanoparticules sont différentes de celles des matériaux classiques. Sur la base de ces caractéristiques, elles sont généralement classées en NP organiques (Micelles, NP à base de polymères, nanotubes de carbone, fullerènes, etc.), inorganiques (quantum dots, NP d’oxyde de fer magnétique, sondes Raman) et carbonées.

1. Nanoparticules organiques

Les dendrimères, les micelles, les liposomes, la ferritine, etc. sont communément appelés nanoparticules organiques ou polymères. Ces nanoparticules sont biodégradables, non toxiques, et certaines particules telles que les micelles et les liposomes ont un noyau creux, également connu sous le nom de nanocapsule et sont sensibles aux rayonnements thermiques et électromagnétiques tels que la chaleur et la lumière. Ces caractéristiques uniques en font un choix idéal pour l’administration de médicaments. La capacité de transport du médicament, sa stabilité et ses systèmes d’administration, qu’il s’agisse de médicament piégé ou de système de médicament adsorbé, détermine leur domaine d’application et leur efficacité en dehors de leurs caractéristiques normales telles que la taille, la composition, la morphologie de surface, etc.

Nanoparticules organiques : a. – Dendrimères, b. – Liposomes et c. – Micelles.

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Les liposomes (nanoparticules lipidiques) contiennent des fragments lipidiques et s’utilisent efficacement dans de nombreuses applications biomédicales. Les NP lipidiques possèdent un noyau solide constitué de lipides et une matrice contient des molécules lipophiles solubles. Généralement, un liposome est caractéristiquement sphérique avec un diamètre allant de 10 à 1000 nm. Des tensioactifs ou des émulsifiants stabilisaient le noyau externe de ces NP. La nanotechnologie lipidique est un domaine spécial qui se concentre sur la conception et la synthèse de NP lipidiques pour diverses applications telles que les transporteurs et l’administration de médicaments et la libération d’ARN dans le traitement du cancer.

2. Nanoparticules inorganiques

Les nanoparticules inorganiques sont des particules qui ne sont pas constituées de carbone. Les nanoparticules à base de métal et d’oxyde métallique sont généralement classées dans la catégorie des nanoparticules inorganiques.

Nanoparticules à base de carbone : a. – Fullerènes, b. – Graphène, c. – Nanotubes de carbone, d. – Nanofibres de carbone et e. – Noir de carbone.

2.1. Nanoparticules à base de métal

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Les nanoparticules qui sont synthétisées à partir de métaux à des tailles nanométriques, soit par des méthodes destructives, soit par des méthodes constructives, sont des nanoparticules à base de métal. Presque tous les métaux peuvent être synthétisés en leurs nanoparticules. Les métaux couramment utilisés pour la synthèse des nanoparticules sont l’aluminium (Al), le cadmium (Cd), le cobalt (Co), le cuivre (Cu), l’or (Au), le fer (Fe), le plomb (Pb), l’argent (Ag) et le zinc ( Zn). Les nanoparticules ont des propriétés distinctives telles que des tailles aussi basses que 10 à 100 nm, des caractéristiques de surface comme un rapport surface/volume élevé, la taille des pores, la charge de surface et la densité de charge de surface, des structures cristallines et amorphes, des formes comme sphérique et cylindrique et la couleur, la réactivité et la sensibilité aux facteurs environnementaux tels que l’air, l’humidité, la chaleur et la lumière du soleil, etc.

En raison des caractéristiques bien connues de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), ces nanoparticules possèdent des propriétés optoélectriques uniques. Les NP des métaux alcalins et nobles, c’est-à-dire Cu, Ag et Au, ont une large bande d’absorption dans la zone visible du spectre électromagnétique solaire. La synthèse contrôlée par les facettes, la taille et la forme des NP métalliques est importante dans les matériaux de pointe actuels. En raison de leurs propriétés optiques avancées, les NP métalliques trouvent des applications dans de nombreux domaines de recherche. Il existe de nombreuses autres applications, qui sont discutées en profondeur dans la section applications de cette revue.

2.2. Nanoparticules à base d’oxydes métalliques

Les nanoparticules à base d’oxyde de métal sont synthétisées pour modifier les propriétés de leurs nanoparticules à base de métal respectives, par exemple les nanoparticules de fer (Fe) s’oxydent instantanément en oxyde de fer (Fe2O3) en présence d’oxygène à température ambiante qui augmente sa réactivité par rapport aux nanoparticules de fer. Les nanoparticules d’oxyde métallique sont synthétisées principalement en raison de leur réactivité et de leur efficacité accrues. Les plus couramment synthétisés sont l’oxyde d’aluminium (Al2O3), l’oxyde de cérium (CeO2), l’oxyde de fer (Fe2O3), la magnétite (Fe3O4), le dioxyde de silicium (SiO2), l’oxyde de titane (TiO2), l’oxyde de zinc (ZnO). Ces nanoparticules possèdent des propriétés exceptionnelles par rapport à leurs homologues métalliques.

2.3. Nanoparticules à base de carbone

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Les nanoparticules entièrement constituées de carbone sont dites à base de carbone [8]. Ils peuvent être classés en fullerènes, graphène, nanotubes de carbone (CNT), nanofibres de carbone et noir de carbone et parfois charbon activé en taille nano.

2.3.1. Fullerènes: Les fullerènes (C60) sont une molécule de carbone de forme sphérique et composée d’atomes de carbone maintenus ensemble par hybridation sp2. Environ 28 à 1500 atomes de carbone forment la structure sphérique avec des diamètres allant jusqu’à 8,2 nm pour une seule couche et 4 à 36 nm pour les fullerènes multicouches. Les fullerènes et les nanotubes de carbone (CNT) représentent deux grandes classes de NP à base de carbone.

Différentes formes de fullerènes/balles buck (A) C60 et (B) C70.

Les fullerènes contiennent des nanomatériaux constitués de cages creuses globulaires telles que des formes allotropiques de carbone. Ils ont suscité un intérêt commercial notable en raison de leur conductivité électrique, de leur résistance élevée, de leur structure, de leur affinité électronique et de leur polyvalence. Ces matériaux possèdent des unités de carbone pentagonales et hexagonales arrangées, tandis que chaque carbone est hybride sp2.

2.3.2. Graphène: Le graphène est un allotrope de carbone. Le graphène est un réseau hexagonal de réseau en nid d’abeilles composé d’atomes de carbone dans une surface plane à deux dimensions. Généralement, l’épaisseur de la feuille de graphène est d’environ 1 nm.

2.3.3. Nanotubes de carbone (CNT): Les nanotubes de carbone (CNT), une nanofeuille de graphène avec un réseau en nid d’abeilles d’atomes de carbone est enroulé dans des cylindres creux pour former des nanotubes d’un diamètre aussi bas que 0,7 nm pour une seule couche et 100 nm pour plusieurs couches CNT et longueur variant de quelques micromètres à plusieurs millimètres. Les extrémités peuvent être creuses ou fermées par une molécule à moitié fullerène.

Laminage de la couche de graphite en Nanotubes de carbone monoparoi et multiparois.

Les NTC sont une structure tubulaire allongée, de 1 à 2 nm de diamètre. Ceux-ci peuvent être prédits comme métalliques ou semi-conducteurs en fonction de leur télicité de diamètre. Selon le nombre de couches de carbone, les nanotubes de carbone peuvent être des nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT), des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) et des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT). Ils peuvent être fabriqués par trois méthodes principales, à savoir le dépôt chimique en phase vapeur, la méthode à l’arc électrique et la méthode de dépôt au laser; et carbone présentent diverses propriétés caractéristiques telles qu’une élasticité élevée, une conductivité thermique élevée, une faible densité et ils sont chimiquement plus inertes, etc.

La fonctionnalisation de leur surface peut donner lieu à des matériaux hautement solubles, qui peuvent ensuite être dérivés avec des molécules actives, les rendant compatibles avec les systèmes biologiques. La fonctionnalisation de surface permet l’adsorption ou la fixation de diverses molécules ou antigènes, qui peuvent ensuite être ciblés sur la population cellulaire souhaitée pour une reconnaissance immunitaire ou un effet thérapeutique. En raison de ces propriétés intéressantes, les nanotubes de carbone ont joué un rôle important dans le domaine de la nanotechnologie, de l’électronique, de l’optique et d’autres domaines. de la science des matériaux. Dernièrement, ils ont été synthétisés via la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Ces matériaux ne sont pas seulement utilisés sous forme vierge mais également dans des nanocomposites pour de nombreuses applications commerciales telles que les charges, les adsorbants de gaz efficaces pour l’environnement dépollution, et comme milieu support pour différents catalyseurs inorganiques et organiques.

Nanoparticules semi-conductrices

Les matériaux semi-conducteurs possèdent des propriétés entre les métaux et les non-métaux et ont donc trouvé diverses applications dans la littérature en raison de cette propriété. Les nanoparticules semi-conductrices possèdent de larges bandes interdites et ont donc montré une altération significative de leurs propriétés avec le réglage de la bande interdite. Par conséquent, ce sont des matériaux très importants dans la photocatalyse, la photo-optique et les appareils électroniques. À titre d’exemple, une variété des NP semi-conductrices s’avèrent exceptionnellement efficaces dans les applications de séparation de l’eau, en raison de leurs positions de bande interdite et de bord de bande appropriées.

2.3.4. Nanofibre de carbone: Les mêmes nanofeuilles de graphène sont utilisées pour produire des nanofibres de carbone sous forme de CNT, mais enroulées en forme de cône ou de coupe au lieu d’un tube cylindrique régulier. Le domaine des nanofibres de carbone s’est développé en termes de développement technologique et a attiré l’attention en raison de leurs propriétés chimiques dominantes, de leur résistance mécanique et de leur conductivité électrique. Les techniques catalytiques et d’électrofilage sont actuellement les méthodes conventionnelles de fabrication de nanofibres de carbone dans un processus en deux étapes qui comprend la stabilisation et la carbonisation des nanofibres de polyacrylonitrile, respectivement.

Récemment, les secteurs industriels et médicaux traitant des matériaux nanofibreux n’ont pas suffisamment d’options mais acceptent l’utilisation de matériaux déjà approuvés qui sont assez coûteux et manquent de flexibilité pour manipuler leurs propriétés de surface et chimiques pour des applications spécifiques.

2.3.5. Noir de carbone: Matériau amorphe constitué de carbone, de forme généralement sphérique avec des diamètres de 20 à 70 nm. L’interaction entre les particules est si élevée qu’elles se lient en agrégats et des agglomérats d’environ 500 nm se forment. es particules primaires sont typiques des produits issus de la conversion de gaz en solides. Leurs tailles peuvent varier dans une large gamme, généralement de 20 à 120 nm, et leurs surfaces spécifiques (2), qui varient corrélativement entre 15 et 150 m2/g, sont riches en groupements hydroxyles et carboxyliques. Les agrégats denses de ces particules se retrouvent dans des agglomérats poreux. En fonction des conditions d’utilisation, la nature des composés de surface peut être modifiée par adsorption de groupes fonctionnels adéquats.

La taille des agrégats et leur répartition sont des critères importants d’applicabilité, notamment en ce qui concerne l’indice d’adsorption d’huile (capacité du noir de carbone à absorber des liquides du fait d’une porosité ouverte). En effet, autant on peut désagglo-mérer les agglomérats, autant on ne peut pas modifier les agrégats.La texture des noirs de carbone relève de l’empilement poreux de ces derniers. Elle fixe la valeur de l’indice d’huile, qui se situe entre 0,7 et 2 cm3/g. Ceci correspond à des porosités très élevées, entre 56 et 78 %, soit des fractions volumiques de solide faibles, entre 22 et 44 %.

2.4. Nanoparticules céramiques

Les NP céramiques sont des solides inorganiques non métalliques, synthétisés par la chaleur et des refroidissements successifs. On les retrouve sous des formes amorphes, polycristallines, denses, poreuses ou creuses. Par conséquent, ces NP reçoivent une grande attention des chercheurs en raison de leur utilisation dans des applications telles que la catalyse, la photocatalyse, la photodégradation des colorants et les applications d’imagerie. Les nanoparticules céramiques sont principalement constituées d’oxydes, de carbures, de phosphates et de carbonates de métaux et de métalloïdes tels que le calcium, le titane, le silicium, etc. inertie.

De tous les domaines d’application des nanoparticules céramiques, le domaine biomédical est le plus exploré. Dans le domaine biomédical, les nanoparticules céramiques sont considérées comme d’excellents supports pour les médicaments, les gènes, les protéines, les agents d’imagerie, etc. Pour pouvoir agir en tant qu’agent d’administration de médicament efficace et efficace, diverses caractéristiques des nanoparticules doivent être contrôlées, telles que la plage de tailles, les propriétés de surface, la porosité, le rapport surface/volume, etc. Les nanoparticules de céramique ont été utilisées avec succès comme systèmes d’administration de médicaments contre un certain nombre de maladies, telles que les infections bactériennes, le glaucome, etc., et plus largement, contre le cancer.

Références

  1. S. Anu Mary Ealia and M. P. Saravanakumar (2017). “A review on the classification, characterisation,synthesis of nanoparticles and their application”. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. DOI: 10.1088/1757-899X/263/3/032019 (PDF).
  2. Ibrahim Khana, Khalid Saeedb, Idrees Khanc. “Nanoparticles: Properties, applications and toxicities”. Arabian Journal of Chemistry, Volume 12, Issue 7, November 2019, Pages 908-931.
  3. Anzar, N., Hasan, R., Tyagi, M., Yadav, N., & Narang, J. (2020). Carbon nanotube – A review on Synthesis, Properties and plethora of applications in the field of biomedical science. Sensors International, 1, 100003.
  4. Daman Yadav, Fedi Amini, Andrea Ehrmann. “Recent advances in carbon nanofibers and their applications – A review”. European Polymer Journal, Volume 138, 2020, 109963, ISSN 0014-3057.
  5. Thomas C. Shindu, Harshita, Mishra Kumar Pawan and Talegaonkar Sushama. Ceramic Nanoparticles: Fabrication Methods and Applications in Drug Delivery”. Current Pharmaceutical Design, 2015; 21(42).

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