Nanotubes de carbone biparois : fonctionnalisation et détection in vitro

Depuis plusieurs années, les nanotubes de carbones (NTCs) présentent un important potentiel dans le secteur des applications biomédicales (imagerie médicale, vectorisation de médicaments, etc.). Toutes ces applications impliquent des modifications au niveau de la paroi des NTCs par le biais de fonctionnalisations chimiques afin de pouvoir y greffer des molécules d’intérêt. Il existe deux principales voies de fonctionnalisation impliquant différents types d’interactions et des changements plus ou moins conséquents au niveau des NTCs. D’une part, la fonctionnalisation covalente, la plus largement utilisée, conduit à la formation de liaisons covalentes stables mais modifie en même temps la structure et donc les propriétés intrinsèques des NTCs. D’autre part, les NTCs peuvent être fonctionnalisés de manière non-covalente, c’est-à-dire par le biais d’interactions faibles (interactions hydrophobes, π- π stacking, interactions ioniques, etc.), ce qui n’affecte pas la structure des NTCs. Les objectifs de cette thèse ont été, dans un premier temps, de déterminer le meilleur processus de purification des nanotubes de carbone biparois (DWNTs) synthétisés par CCVD au CIRIMAT afin d’en éliminer toutes traces de nanoparticules métalliques mais surtout d'espèces carbonées indésirables (carbone désorganisé), le but étant de partir d’un échantillon oxydé le plus pur possible et dans lequel le carbone n'est présent que sous forme de NTCs. Ainsi, toute éventuelle compétition entre les différentes espèces carbonées, pouvant rendre impossible toute conclusion claire, est évitée. Les DWNTs ont été choisis comme structure idéale pour représenter à la fois les NTCs mono-paroi (morphologie similaire) et les NTCs multi-parois de manière générale. Les protocoles de fonctionnalisations covalente et non-covalente des DWNTs purifiés ont été mis au point dans un deuxième temps. Le choix des molécules d’intérêt à greffer s’est porté principalement sur des fluorophores (isothiocyanate de fluorescéine FITC ; Cy5 ; une streptocyanine uniquement fluorescente par liaison covalente), permettant ainsi une visualisation directe de la fonctionnalisation. La détermination des taux de greffage, réalisée grâce à différentes techniques de caractérisation, a soulevé les questions de la stabilité dans le temps de la fonctionnalisation non-covalente et de la quantité réellement greffée de façon covalente sur les NTCs lorsque cette voie est choisie. Enfin, les DWNTs ainsi fonctionnalisés ont été par la suite incubés en présence de plusieurs types de cellules afin de tester leur détection in vitro et la stabilité de la fonctionnalisation dans ce type d'environnement. La co-localisation des DWNTs fluorescents au niveau des cellules a été rendue possible par le croisement des résultats obtenus par les microscopies confocales de fluorescence et Raman. ABSTRACT : For many years now, carbon nanotubes (CNTs) show an important potential for biomedical applications (medical imaging, targeted drug delivery, tissue engineering, cancer treatment). All these applications involve modifications of the CNTs walls, through chemical functionalisation, in order to make possible the attachment of molecules of interest. There are two main approaches for functionalisation, involving different interactions and more or less substantial changes in CNTs. On the one hand, the most widely used is the covalent functionalisation that leads to stable covalent bonds but also modifies the structure and thus the inherent properties of CNTs. On the other hand, CNTs can be functionalised by a non-covalent way, that is, through weak interactions (hydrophobic interactions, π- π stacking, ionic interactions, etc.), which do not affect the structure of CNTs. The goals of this thesis were, in a first phase, to determine the best purification strategy for double-walled carbon nanotubes (DWNTs), synthesized by a Catalytic Chemical Vapour Deposition process developed at the CIRIMAT, in order to remove all traces of metal nanoparticles but especially of unwanted carbonaceous species (disorganised carbon); the aim was to start from the cleanest oxidised sample in which CNTs are the only form of carbon, in order to avoid any competition between different carbon species, making then impossible to get a clear conclusion. DWNTs were selected as an ideal structure which would represent both single-walled CNTs (similar morphology) and multi-walled CNTs in general. The protocols of covalent and non-covalent functionalisations of purified DWNTs were developed in a second stage. The choice of the molecules of interest to graft mainly fell on fluorophores (fluorescein isothiocyanate FITC; Cy5; a streptocyanine only fluorescent when it is covalently attached), thus allowing a direct observation of the functionalisation. Grafting ratios could be determined thanks to the combination of several characterisation techniques, which raised some questions on the stability with time of the non-covalent functionalisation, and on what is really covalently grafted on the CNTs when this way is chosen. Finally, such functionalised DWNTs were incubated with several types of cells to test their in vitro detection and the functionalisation stability in this kind of environment. Co-localisation of fluorescent DWNTs in the cells was achieved by comparison of the results obtained from confocal fluorescence and confocal Raman microscopies

Double-walled carbon nanotubes: Quantitative purification assessment, balance between purification and degradation and solution filling as an evidence of opening

We compared the effect of different oxidizing agents on purification, functionalization and opening of double-walled carbon nanotubes. The oxidative treatments were realized in nitric acid solutions at different concentrations (3 M or 15 M), in a mixture of two oxoacids (conc. HNO3/conc. H2SO4) or in sulphuric acid solutions of KMnO4 or K2Cr2O7. Most of these treatments were very efficient for purification (removal of residual catalytic metal nanoparticles and/or of disorganized carbon) but also caused secondary reactions such as shortening of the nanotubes, creation of functionalized amorphous carbon deposits and covalent functionalization of the outer wall. Secondary treatments were undertaken in order to remove functionalized carbon deposit by washing with sodium hydroxide solutions or by heat treatment in air. A partial filling in solution was obtained with uranyl nitrate, in order to evidence the opening of carbon nanotubes. Effects of purification and filling treatments were characterized both qualitatively by TEM and HRTEM, AFM and Raman spectroscopy, and quantitatively by elemental chemical analysis and chemical titrations

Multi-walled carbon nanotubes, natural organic matter, and the benthic diatom Nitzschia palea: “A sticky story”

Different effects of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on the freshwater diatom Nitzschia palea were examined. MWCNTs used in this study (MWCNT) were dispersed either by sonication without (MWCNTsonicated) or with a realistic concentration (10mgL-1) of Natural Organic Matter (MWCNT+NOM). A pocket-size device was designed to distinguish shading effect (using MWCNT suspensions as external filters) from total exposure effect of MWCNTsonicated and MWCNT+NOM on benthic algae. This study demonstrates that cell division was strongly inhibited after a 48 h exposure to MWCNT+NOM compared to MWCNTsonicated. This device did not yield a quantifiable contribution of shading to growth inhibition of MWCNTsonicated and below 10mgL-1 of MWCNT+NOM. In all cases, neither lethal effects nor drops in photosynthetic quantum yield were observed. After a 6-d exposure, a complete growth recovery was observed for all conditions except at the highest concentration of MWCNT+NOM. Different microscopic approaches using carbohydrates markers revealed the strong affinity between MWCNT and extracellular polymeric substances (EPS) produced by N. palea. These seem to constitute a defensive mechanism against MWCNT

Double-walled carbon nanotubes : functionalization and in vitro detection

Depuis plusieurs années, les nanotubes de carbones (NTCs) présentent un important potentiel dans le secteur des applications biomédicales (imagerie médicale, vectorisation de médicaments, etc.). Toutes ces applications impliquent des modifications au niveau de la paroi des NTCs par le biais de fonctionnalisations chimiques afin de pouvoir y greffer des molécules d’intérêt. Il existe deux principales voies de fonctionnalisation impliquant différents types d’interactions et des changements plus ou moins conséquents au niveau des NTCs. D’une part, la fonctionnalisation covalente, la plus largement utilisée, conduit à la formation de liaisons covalentes stables mais modifie en même temps la structure et donc les propriétés intrinsèques des NTCs. D’autre part, les NTCs peuvent être fonctionnalisés de manière non-covalente, c’est-à-dire par le biais d’interactions faibles (interactions hydrophobes, π- π stacking, interactions ioniques, etc.), ce qui n’affecte pas la structure des NTCs. Les objectifs de cette thèse ont été, dans un premier temps, de déterminer le meilleur processus de purification des nanotubes de carbone biparois (DWNTs) synthétisés par CCVD au CIRIMAT afin d’en éliminer toutes traces de nanoparticules métalliques mais surtout d'espèces carbonées indésirables (carbone désorganisé), le but étant de partir d’un échantillon oxydé le plus pur possible et dans lequel le carbone n'est présent que sous forme de NTCs. Ainsi, toute éventuelle compétition entre les différentes espèces carbonées, pouvant rendre impossible toute conclusion claire, est évitée. Les DWNTs ont été choisis comme structure idéale pour représenter à la fois les NTCs mono-paroi (morphologie similaire) et les NTCs multi-parois de manière générale. Les protocoles de fonctionnalisations covalente et non-covalente des DWNTs purifiés ont été mis au point dans un deuxième temps. Le choix des molécules d’intérêt à greffer s’est porté principalement sur des fluorophores (isothiocyanate de fluorescéine FITC ; Cy5 ; une streptocyanine uniquement fluorescente par liaison covalente), permettant ainsi une visualisation directe de la fonctionnalisation. La détermination des taux de greffage, réalisée grâce à différentes techniques de caractérisation, a soulevé les questions de la stabilité dans le temps de la fonctionnalisation non-covalente et de la quantité réellement greffée de façon covalente sur les NTCs lorsque cette voie est choisie. Enfin, les DWNTs ainsi fonctionnalisés ont été par la suite incubés en présence de plusieurs types de cellules afin de tester leur détection in vitro et la stabilité de la fonctionnalisation dans ce type d'environnement. La co-localisation des DWNTs fluorescents au niveau des cellules a été rendue possible par le croisement des résultats obtenus par les microscopies confocales de fluorescence et Raman.For many years now, carbon nanotubes (CNTs) show an important potential for biomedical applications (medical imaging, targeted drug delivery, tissue engineering, cancer treatment). All these applications involve modifications of the CNTs walls, through chemical functionalisation, in order to make possible the attachment of molecules of interest. There are two main approaches for functionalisation, involving different interactions and more or less substantial changes in CNTs. On the one hand, the most widely used is the covalent functionalisation that leads to stable covalent bonds but also modifies the structure and thus the inherent properties of CNTs. On the other hand, CNTs can be functionalised by a non-covalent way, that is, through weak interactions (hydrophobic interactions, π- π stacking, ionic interactions, etc.), which do not affect the structure of CNTs. The goals of this thesis were, in a first phase, to determine the best purification strategy for double-walled carbon nanotubes (DWNTs), synthesized by a Catalytic Chemical Vapour Deposition process developed at the CIRIMAT, in order to remove all traces of metal nanoparticles but especially of unwanted carbonaceous species (disorganised carbon); the aim was to start from the cleanest oxidised sample in which CNTs are the only form of carbon, in order to avoid any competition between different carbon species, making then impossible to get a clear conclusion. DWNTs were selected as an ideal structure which would represent both single-walled CNTs (similar morphology) and multi-walled CNTs in general. The protocols of covalent and non-covalent functionalisations of purified DWNTs were developed in a second stage. The choice of the molecules of interest to graft mainly fell on fluorophores (fluorescein isothiocyanate FITC; Cy5; a streptocyanine only fluorescent when it is covalently attached), thus allowing a direct observation of the functionalisation. Grafting ratios could be determined thanks to the combination of several characterisation techniques, which raised some questions on the stability with time of the non-covalent functionalisation, and on what is really covalently grafted on the CNTs when this way is chosen. Finally, such functionalised DWNTs were incubated with several types of cells to test their in vitro detection and the functionalisation stability in this kind of environment. Co-localisation of fluorescent DWNTs in the cells was achieved by comparison of the results obtained from confocal fluorescence and confocal Raman microscopies