Rapid, one-pot procedure to synthesise 103Pd:Pd@Au nanoparticles en route for radiosensitisation and radiotherapeutic applications

The radioisotope palladium (103Pd), encapsulated in millimetre-size seed implants, is widely used in prostate cancer brachytherapy. Gold nanoparticles (Au NPs) distributed in the vicinity of 103Pd radioactive implants, strongly enhance the therapeutic dose of radioactive implants (radiosensitisation effect). A new strategy under development to replace millimetre-size implants, consist in injecting radioactive NPs in the affected tissues. The development of 103Pd@Au NPs distributed in the diseased tissue, could increase the uniformity of treatment (compared with massive seeds), while enhancing the radiotherapeutic dose to the cancer cells (through Au-mediated radiosensitisation effect). To achieve this goal, it is necessary to develop a rapid, efficient, one-pot and easy-to-automatise procedure, allowing the synthesis of coreshell Pd@Au NPs. The novel synthesis route proposed here enables the production of Pd@Au NPs in not more than 4h, in aqueous media, with minimal manipulations, and relying on biocompatible and non-toxic molecules. This rapid multi-step process consists of the preparation of ultra-small Pd NPs by chemical reduction of an aqueous solution of H2PdCl4 supplemented with ascorbic acid (AA) as reducing agent and 2, 3-meso-dimercaptosuccinic acid (DMSA) as a capping agent. Pd conversion yields close to 87% were found, indicating the efficiency of the reaction process. Then Pd NPs were used as seeds for the growth of a gold shell (Pd@Au), followed by grafting with polyethylene glycol (PEG) to ensure colloidal stability. Pd@Au-PEG (TEM: 20.2 ± 12.1 nm) formed very stable colloids in saline solution as well as in cell culture medium. The physico-chemical properties of the particles were characterised by FTIR, XPS, and UV-vis. spectroscopies. The viability of PC3 human prostate cancer cells was not affected after a 24-h incubation cycle with Pd@Au-PEG NPs to concentrations up to 4.22 mM Au. Finally, suspensions of Pd@Au-PEG NPs measured in computed tomography (CT) are found to attenuate X-rays more efficiently than commercial Au NPs CT contrast media. A proof-of-concept was performed to demonstrate the possibility synthesise radioactive 103Pd:Pd@Au-PEG NPs. This study reveals the possibility to synthesise Pd@Au NPs rapidly (including radioactive 103Pd:Pd@Au-PEG NPs), and following a methodology that respects all the strict requirements underlying the production of NPs for radiotherapeutic use (rapidity, reaction yield, colloidal stability, NPs concentration, purification)

Synthesis and functionalization of gold nanoparticles for optical applications : perspective in photocatalysis

Cette thèse comporte trois parties principales : la première concerne la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules (NPs) d’or de forme sphérique et cylindrique. Les NPs d’or sont obtenues par réduction d’un sel métallique. En faisant varier certains paramètres de synthèse tels que la concentration en sels et/ou la concentration en réducteur, on peut facilement ajuster la taille de NPs sphériques. Bien qu’il existe diverses méthodes permettant de préparer des NPs cylindriques, il subsiste un problème de reproductibilité basée sur la pureté des produits de synthèse. Les différentes analyses de CTAB nous ont permis de proposer des solutions à ce problème. La fonctionnalisation de la surface des NPs d’or permet d’apporter à ces dernières de nouvelles propriétés tout en conservant leurs propriétés intrinsèques. Le but de cette fonctionnalisation est de modifier la surface des NPs en fonction des applications visées. Nous présentons ainsi différentes études de fonctionnalisation par des polyélectrolytes (PEI et PSS), des couches oxydes de SiO2, et de TiO2 et par le TDBC. La réponse optique des NPs d’or étant sensible à l’indice de réfraction du milieu environnant, il est possible de suivre et de quantifier cette fonctionnalisation par spectroscopie d’absorption. Dans une seconde partie, nous avons développé une voie de synthèse simple permettant de préparer le cœur coquille Au@TDBC sans ajout supplémentaire de sels ou de bases et à température ambiante. Etant donné qu’il est possible de moduler la taille des particules, l’optimisation du couplage fort entre les transitions électroniques du TDBC et les modes plasmon de résonances des Nps d’Au a été obtenu correspondant à une énergie de Rabi de 220 meV valeur qui n’a pas encore été obtenue avec un tel système. Dans une troisième partie, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la méthode de Stöber pour fonctionnaliser les NPs avec des couches d’oxyde de SiO2 et de TiO2. L’utilisation des systèmes Au@TiO2 est une perspective intéressante en photocatalyse car le contact entre le métal et le semi-conducteur devrait entrainer une nette augmentation de l’efficacité photocatalytique. En effet, le métal agit comme un réservoir de photoélectrons améliorant le transfert de charges interfaciales tout en retardant la recombinaison des paires électrons-trous photo excités du semi-conducteur.This thesis has three main parts: the first part relates to the synthesis and the functionalization of spherical gold nanoparticles (NPs) and nanorods. Gold NPs are obtained by chemical reduction of gold salt. By varying some synthesis parameters such as gold salt concentration and or reducing agent concentration, we can easily adjust the size of gold NPs. Different methods can be used to prepare gold nanorods, but there is a problem of reproducibility. This problem is based on the purity of products used to prepare gold nanorods. Different analysis of CTAB allowed us to propose solutions to this problem. Functionalization brings to gold NPs new properties. The aim of the functionalization is to modify the surface of gold NPs based on the intended applications. We present various functionalization of Au NPs by polyelectrolytes (PEI and PSS), oxides (SiO2 and TiO2) and TDBC. The optical response of Au NPs is sensitive to the refractive indexe of the surrounding medium, it is then possible to monitor and quantify this functionalization by absorption spectroscopy. In the second part of this work, we have developed a simple synthetic route for preparing Au@TDBC core shell without additional salts or bases at room temperature. Since it is possible to vary the particle size, optimization of the strong coupling between the electronic transitions of TDBC and the resonance plasmon of Au Nps obtained correspond to Rabi energy of 220 meV value which has not yet been achieved with such a system. In the third part, we have developed a new approach based on the Stöber method to functionalize the NPs with an oxide layer of SiO2 and TiO2. The use of Au@TiO2 core shell system is an interesting perspective in photocatalysis because the contact between metal and semiconductor should cause a marked increase in the photocatalytic efficiency. Indeed, the metal acts as a reservoir of photoelectrons improving the interfacial charge transfer while retarding the recombination of electron-hole pair of the semiconductor

Synthèse et fonctionnalisation des nanoparticules d'or pour des applications en optique : perspective en photocatalyse

This thesis has three main parts: the first part relates to the synthesis and the functionalization of spherical gold nanoparticles (NPs) and nanorods. Gold NPs are obtained by chemical reduction of gold salt. By varying some synthesis parameters such as gold salt concentration and or reducing agent concentration, we can easily adjust the size of gold NPs. Different methods can be used to prepare gold nanorods, but there is a problem of reproducibility. This problem is based on the purity of products used to prepare gold nanorods. Different analysis of CTAB allowed us to propose solutions to this problem. Functionalization brings to gold NPs new properties. The aim of the functionalization is to modify the surface of gold NPs based on the intended applications. We present various functionalization of Au NPs by polyelectrolytes (PEI and PSS), oxides (SiO2 and TiO2) and TDBC. The optical response of Au NPs is sensitive to the refractive indexe of the surrounding medium, it is then possible to monitor and quantify this functionalization by absorption spectroscopy. In the second part of this work, we have developed a simple synthetic route for preparing Au@TDBC core shell without additional salts or bases at room temperature. Since it is possible to vary the particle size, optimization of the strong coupling between the electronic transitions of TDBC and the resonance plasmon of Au Nps obtained correspond to Rabi energy of 220 meV value which has not yet been achieved with such a system. In the third part, we have developed a new approach based on the Stöber method to functionalize the NPs with an oxide layer of SiO2 and TiO2. The use of Au@TiO2 core shell system is an interesting perspective in photocatalysis because the contact between metal and semiconductor should cause a marked increase in the photocatalytic efficiency. Indeed, the metal acts as a reservoir of photoelectrons improving the interfacial charge transfer while retarding the recombination of electron-hole pair of the semiconductor.Cette thèse comporte trois parties principales : la première concerne la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules (NPs) d’or de forme sphérique et cylindrique. Les NPs d’or sont obtenues par réduction d’un sel métallique. En faisant varier certains paramètres de synthèse tels que la concentration en sels et/ou la concentration en réducteur, on peut facilement ajuster la taille de NPs sphériques. Bien qu’il existe diverses méthodes permettant de préparer des NPs cylindriques, il subsiste un problème de reproductibilité basée sur la pureté des produits de synthèse. Les différentes analyses de CTAB nous ont permis de proposer des solutions à ce problème. La fonctionnalisation de la surface des NPs d’or permet d’apporter à ces dernières de nouvelles propriétés tout en conservant leurs propriétés intrinsèques. Le but de cette fonctionnalisation est de modifier la surface des NPs en fonction des applications visées. Nous présentons ainsi différentes études de fonctionnalisation par des polyélectrolytes (PEI et PSS), des couches oxydes de SiO2, et de TiO2 et par le TDBC. La réponse optique des NPs d’or étant sensible à l’indice de réfraction du milieu environnant, il est possible de suivre et de quantifier cette fonctionnalisation par spectroscopie d’absorption. Dans une seconde partie, nous avons développé une voie de synthèse simple permettant de préparer le cœur coquille Au@TDBC sans ajout supplémentaire de sels ou de bases et à température ambiante. Etant donné qu’il est possible de moduler la taille des particules, l’optimisation du couplage fort entre les transitions électroniques du TDBC et les modes plasmon de résonances des Nps d’Au a été obtenu correspondant à une énergie de Rabi de 220 meV valeur qui n’a pas encore été obtenue avec un tel système. Dans une troisième partie, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la méthode de Stöber pour fonctionnaliser les NPs avec des couches d’oxyde de SiO2 et de TiO2. L’utilisation des systèmes Au@TiO2 est une perspective intéressante en photocatalyse car le contact entre le métal et le semi-conducteur devrait entrainer une nette augmentation de l’efficacité photocatalytique. En effet, le métal agit comme un réservoir de photoélectrons améliorant le transfert de charges interfaciales tout en retardant la recombinaison des paires électrons-trous photo excités du semi-conducteur

Reversible multi polyelectrolyte layers on gold nanoparticles

International audienc

Core-shell gold J-aggregate nanoparticles for highly efficient strong coupling applications

International audienc